CN109930994B - 连续取芯反循环钻头、连续取芯装置及连续取芯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续取芯反循环钻头、连续取芯装置及连续取芯方法。本发明的目的是提供一种结构简单、施工方便、安全清洁、成本较低的连续取芯反循环钻头、连续取芯装置及连续取芯方法。本发明的技术方案是：一种连续取芯反循环钻头，其特征在于：具有钻头体和同轴接于钻头体下端的锥刀，锥刀内的轴向通道Ⅱ与钻头体内的轴向通道Ⅰ连通形成取芯通道；所述轴向通道Ⅰ的内壁上制有一圈支撑台阶，该轴向通道Ⅰ内装有能沿轴向通道Ⅰ轴向移动的取样器，初始状态时取样器下端支撑于所述支撑台阶上；所述钻头体与锥刀之间装有由压缩气体控制动作且能切断所述取芯通道内的土样的土样切断器。本发明适用于钻探技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续取芯反循环钻头、连续取芯装置及连续取芯方法。适用于钻探技术领域。
背景技术
随着国家海洋大开发战略的开展和海上丝绸之路的拓展，经济发展的重心逐步向海洋倾斜，海洋工程项目建设前景广阔。地质勘探作为工程勘察设计的重要一环，在从路到海的过程中受到诸多因素影响和限制。海洋钻探易受波浪、潮流、潮汐、大风、寒潮、台风等因素影响，可连续作业时间短，钻探稳定性较差；受传统钻探工艺制约，钻取原状性需要专门的薄壁取土器进行取土，辅助时间长，钻进效率低，导致海上钻探成本居高不下；现有钻探方法采用钻井液作为循环介质，在海上施工时，钻井液极易漏失而污染海上自然环境；因此急需一种快速、清洁、安全的取芯钻探技术。
空气反循环连续取芯钻进技术以压缩空气作为循环介质，具有钻进效率高、无污染等特点在常规地质岩心钻探领域得到了广泛的应用。如果将其用于海洋钻探，将最大限度节省起下钻具等辅助时间，增加纯钻进时间，可以大大提高钻进效率，降低钻进成本。然而由于浅海勘察中，主要以淤泥、粉土、粉砂等松软土层为主，现有的地质岩心钻头用反循环钻头难以直接使用。反循环钻头作为破土钻进以及形成反循环的关键部件，其结构、性能将直接影响到能否快速钻进，能否形成反循环达到连续取芯不停钻的目的。因此，如何设计出能够快速钻进松软土层，同时有效形成反循环的反循环取芯钻头，已成为在海洋钻探实施空气反循环钻进急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、施工方便、安全清洁、成本较低的连续取芯反循环钻头、连续取芯装置及连续取芯方法。
本发明所采用的技术方案是：一种连续取芯反循环钻头，其特征在于：具有钻头体和同轴接于钻头体下端的锥刀，锥刀内的轴向通道Ⅱ与钻头体内的轴向通道Ⅰ连通形成取芯通道；
所述轴向通道Ⅰ的内壁上制有一圈支撑台阶，该轴向通道Ⅰ内装有能沿轴向通道Ⅰ轴向移动的取样器，初始状态时取样器下端支撑于所述支撑台阶上；
所述钻头体与锥刀之间装有由压缩气体控制动作且能切断所述取芯通道内的土样的土样切断器；
所述钻头体外同轴套有套管，套管与钻头体之间形成压缩气体供气间隙，该压缩气体供气间隙经若干底喷孔为所述土样切断器供气，压缩气体供气间隙经若干内喷孔连通所述轴向通道Ⅰ，所述内喷孔的内孔口高于内喷孔的外孔口且高于初始状态下所述取样器的顶面。
所述取样器具有取样管和接于取样管上端的端帽，取样管由两个半圆管拼合而成。
所述端帽上开有若干透气孔。
所述支撑台阶上制有能卡紧所述取样器的卡槽。
所述土样切断器具有切断器安装环，切断器安装环上开有若干与所述底喷孔对应的刀片槽孔，刀片槽孔连通切断器安装环外壁和内壁，刀片槽孔内经转轴可转动安装有与刀片槽孔相适配的切割刀片，切割刀片上接有复位弹簧。
所述切割刀片的朝向所述底喷孔的端面为斜向上的导流面。
一种连续取芯装置，其特征在于：具有所述的连续取芯反循环钻头。
一种连续取芯方法，其特征在于，步骤如下：
冲锤冲击所述连续取芯反循环钻头的尾部；
在冲锤冲击力下钻头的锥刃夯入土层，土样沿钻头内的取芯通道向上填充；
当土样充满取芯通道内的取样器后推动取样器向上运动；
当取样器挡住内喷孔后，压缩气体供气间隙内的压缩气体将进入底喷孔推动土样切断器内的切割刀片切断取芯通道内的土样，同时经土样切断器进入取芯通道内的压缩气体推动土样切断器上方的土样继续向上运动；
当取样器完全越过内喷孔位置后，气体从内喷孔继续推动土样上返形成反循环；
当取样器到达孔口后再将空的取样器放回，在重力作用下使取样器复位到初始状态。
本发明的有益效果是：本发明利用压缩气体作为循环介质，实现海上钻进连续取芯不停钻效果，最大限度节省起下钻具等辅助时间，增加纯钻进时间，提高钻进效率，实现快速、清洁、安全的海洋钻探目标。
附图说明
图1为实施例中连续取芯反循环钻头的结构示意图。
图2为实施例中钻头体的示意图。
图3为实施例中锥刃的示意图。
图4为实施例中取样器的结构示意图。
图5、图6为实施例中土样切断器的结构示意图。
图7、图8为实施例中土样切断器的截面示意图。
具体实施方式
本实施例为一种连续取芯装置，具有冲锤、压缩气体气源和连续取芯反循环钻头等。
如图1～图3所示，本实施例中连续取芯反循环钻头，具有钻头体1、锥刀2、取样器4、土样切断器3和套管5。其中钻头体1内具有沿其轴向布置的轴向通道Ⅰ，锥刀2内具有沿其轴向布置的轴向通道Ⅱ，该锥刀2同轴接于钻头体1下端，锥刀2内的轴向通道Ⅱ与钻头体1内的轴向通道Ⅰ连通形成取芯通道。
本实施例中轴向通道Ⅰ下部的内壁上制有一圈支撑台阶，支撑台阶上制有槽口朝上的卡槽101。本例中取样器4同轴置于钻头体1的轴向通道Ⅰ内，且可在轴向通道Ⅰ内沿轴向通道Ⅰ轴向移动，初始状态时取样器4下端插接于轴向通道Ⅰ内壁上的卡槽101内，由卡槽101卡紧。
本例中在钻头体1下端与锥刀2上端之间形成有切断器安装槽7，该安装槽内安装有用于切断取芯通道内土样的土样切断器3。
本实施例中在钻头体1外同轴套装有套管5，套管5内壁与钻头体1外壁之间形成压缩气体供气间隙6，套管5下端与钻头体1相连，压缩气体供气间隙6下端被封堵。
本例中在钻头体1内制有若干底喷孔103，底喷孔103连通压缩气体供气间隙6和切断器安装槽7，经压缩气体供气间隙6和底喷孔103进入切断器安装槽7内的压缩气体可推动土样切断器3切断取芯通道内的土样。
钻头体1上制有若干连通压缩气体供气间隙6和钻头体1内轴向通道Ⅰ的内喷孔102，内喷孔102的内孔口高于内喷孔102的外孔口，从而使压缩气体经内喷孔102进入轴向通道Ⅰ后能在轴向通道Ⅰ内形成向上的推力。本实施例中内喷孔102的内孔口高于初始状态下取样器4的顶面，初始状态时的取样器4不会影响内喷孔102。
如图4所示，本实施例中取样器4具有取样管和接于取样管上端的端帽402，取样管由两个半圆管401拼合而成。为了避免取样器4下放时钻杆内部气体产生压缩效应，本实施例在端帽402上开有若干透气孔403。
如图5、图6所示，本例中土样切断器3具有切断器安装环301，切断器安装环上开有若干与底喷孔103对应的刀片槽孔302，刀片槽孔302连通切断器安装环301外壁和内壁，刀片槽孔302的靠外壁端与底喷孔103连通。刀片槽孔302内经转轴303可转动安装有与刀片槽孔相适配的切割刀片304，切割刀片上接有复位弹簧305。本实施例中切割刀片304的朝向底喷孔103端的端面为斜向上的导流面3041(见图7、图8)。
本实施例的连续取芯方法包括以下步骤：
钻进时，高压气体驱动冲锤做高频震动冲击连续取芯反循环钻头尾部对钻头做功；
钻头在冲锤冲击力下迅速将锥刃夯入土层，达到快速钻进的目的，同时土样沿钻头内壁向上填充；
当土样充满取样器4后，由于此时冲锤还在冲击钻头，土样将推动取样器4向上运动；
当取样器4向上运动至挡住内喷孔102后，压缩气体将无法从取芯通道上端喷出，当观察到无压缩气体从取芯通道上端喷出时，冲锤停止作业；
当取样器4向上运动至挡住内喷孔102后，压缩气体将经底喷孔103进入刀片槽孔302，推动切割刀片304的导流面3041，使切割刀片304绕转轴向内转动，切割刀片304将土样切断；同时压缩气体经刀片槽孔302进入取芯通道后在切割刀片304的导流面3041的导向作用下向上推动土样切断器上方的取样器4及其内的土样继续向上运动；当取样器4在下方压缩气体的推动下向上完全越过内喷孔102位置后，土样切断器3复位，压缩气体从内喷孔102继续推动土样上返形成反循环；
当取样器4到达孔口后再将空的取样器4放回，暂停供应压缩气体，取样器4在重力作用下可以使取样器4复位到初始位置，随后启动冲锤和压缩气体供应装置，如此循环达到连续取芯不停钻的效果。
Claims (6)
1.一种连续取芯反循环钻头，其特征在于：具有钻头体（1）和同轴接于钻头体（1）下端的锥刀（2），锥刀（2）内的轴向通道Ⅱ与钻头体（1）内的轴向通道Ⅰ连通形成取芯通道；
所述轴向通道Ⅰ的内壁上制有一圈支撑台阶，该轴向通道Ⅰ内装有能沿轴向通道Ⅰ轴向移动的取样器（4），初始状态时取样器（4）下端支撑于所述支撑台阶上；
所述钻头体（1）与锥刀（2）之间装有由压缩气体控制动作且能切断所述取芯通道内的土样的土样切断器（3）；
所述钻头体（1）外同轴套有套管（5），套管（5）与钻头体（1）之间形成压缩气体供气间隙（6），该压缩气体供气间隙经若干底喷孔（103）为所述土样切断器（3）供气，压缩气体供气间隙（6）经若干内喷孔（102）连通所述轴向通道Ⅰ，所述内喷孔（102）的内孔口高于内喷孔（102）的外孔口且高于初始状态下所述取样器（4）的顶面；
所述支撑台阶上制有能卡紧所述取样器（4）的卡槽（101）；
所述土样切断器（3）具有切断器安装环（301），切断器安装环上开有若干与所述底喷孔（103）对应的刀片槽孔（302），刀片槽孔（302）连通切断器安装环（301）外壁和内壁，刀片槽孔（302）内经转轴（303）可转动安装有与刀片槽孔相适配的切割刀片（304），切割刀片上接有复位弹簧（305）。
2.根据权利要求1所述的连续取芯反循环钻头，其特征在于：所述取样器（4）具有取样管和接于取样管上端的端帽（402），取样管由两个半圆管（401）拼合而成。
3.根据权利要求2所述的连续取芯反循环钻头，其特征在于：所述端帽（402）上开有若干透气孔（403）。
4.根据权利要求1所述的连续取芯反循环钻头，其特征在于：所述切割刀片（304）的朝向所述底喷孔（103）的端面为斜向上的导流面（3041）。
5.一种连续取芯装置，其特征在于：具有权利要求1~4任意一项所述的连续取芯反循环钻头。
6.一种连续取芯方法，其特征在于，步骤如下：
冲锤冲击权利要求1~4任意一项所述连续取芯反循环钻头的尾部；
在冲锤冲击力下钻头的锥刃夯入土层，土样沿钻头内的取芯通道向上填充；
当土样充满取芯通道内的取样器（4）后推动取样器（4）向上运动；
当取样器（4）挡住内喷孔（102）后，压缩气体供气间隙（6）内的压缩气体将进入底喷孔（103）推动土样切断器（3）内的切割刀片（304）切断取芯通道内的土样，同时经土样切断器（3）进入取芯通道内的压缩气体推动土样切断器上方的土样继续向上运动；
当取样器（4）完全越过内喷孔（102）位置后，气体从内喷孔（102）继续推动土样上返形成反循环；
当取样器（4）到达孔口后再将空的取样器（4）放回，在重力作用下使取样器（4）复位到初始状态。
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