CN112377131A - 一种近水平定向连续取芯装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种近水平定向连续取芯装置与方法，包括取芯钻具、与取芯钻具连接的偏心导向头、孔口密封件以及与取芯钻具相连的水便；该方法首先采用定向钻进技术在需要取芯的岩体中沿设计取芯轨迹施工定向钻孔，然后提出所有钻具，下入连续取芯装置，安装孔口密封件，在钻机给进和回转作用下使导向头沿已施工的定向钻孔滑动，引导下方取芯钻具钻进取芯；钻进取芯时，冲洗液由水便进入双壁钻杆内管和外管间空隙，从钻头水眼冲至孔底后，携带岩心从钻头通孔至双壁钻杆内管，经水便内管冲出孔外。本发明能实现沿设计取芯轨迹连续取芯，钻具结构简单，施工便捷，具有广泛应用价值。

Description

一种近水平定向连续取芯装置与方法
技术领域
本发明属于地质勘探领域，具体涉及一种近水平定向连续取芯装置与方法。
背景技术
岩心是研究和了解地下矿产和地质情况的重要实物资料，通过钻取的岩心可以了解地下岩石的各种物理力学性质，岩矿的结构构造、空间分布及相互关系等情况，是进行地质构造研究，矿产资源评价，隐蔽致灾因素探查，矿产开采和工程建筑物设计的可靠依据。现有取芯技术普遍采用常规钻进取芯，钻进轨迹不可控，所获取岩心与设计取芯位置相差较大，导致后期通过岩心判定的地质情况与实际情况有较大差异，易对工程实践造成误导。
现有的定向取芯技术是基于定向钻进技术的定点取芯，即通过定向钻进技术控制取芯钻孔的轨迹，到达设计取芯位置后，提出所有钻具，再下入定点取芯装置实现一次取芯。该方法虽然钻进轨迹可控，所获取岩心位置的精度有了较大提高，但每次取芯都要反复下钻，提钻，程序复杂，工作量大，且单次取芯长度有限，不能实现连续取芯，漏失了大量地层信息，只适用于对特定位置的少量取样，不能满足工程实践对地层信息透明度的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种近水平定向连续取芯装置与方法，该装置及方法可实现沿设计取芯轨迹连续取芯的目的，钻具结构简单，施工便捷，能有效实现定向连续取芯的目的，可为地质勘探、探矿，隐蔽致灾因素探查等提供重要实物资料，具有广泛应用价值。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种近水平定向连续取芯装置，包括取芯钻具、与取芯钻具连接的偏心导向头、孔口密封件以及与取芯钻具相连的水便；
所述偏心导向头包括导向头和连在导向头一端下部的套筒，所述导向头的中心轴线和套筒的中心轴线平行。
所述取芯钻具包括依次同轴连接的钻头、双壁钻杆和水便，在靠近钻头的双壁钻杆外壁设有环形安装槽；
所述套筒同轴套在双壁钻杆外且套筒位于环形安装槽内，套筒套在环形安装槽后，套筒外壁和与其相邻的双壁钻杆外壁平齐，钻头位于导向头下方；所述环形安装槽的槽壁上设有多个均沿周向布设的第一凹槽，在套筒内壁设有与第一凹槽相对的第二凹槽，在第一凹槽和与其相对的第二凹槽之间设有多个滚珠。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述导向头前端为圆锥形、半球形或其他具有导向功能的形状，导向头后端与其下部套筒连接处呈平滑曲面；导向头的最大直径略小于其所在定向钻孔直径。
具体的，在所述钻头所对应的导向头下部设有凹槽，以使钻头安装后，导向头下沿低于钻头上沿，但高于钻头通孔上沿。
具体的，所述导向头位于定向钻孔内，取芯钻具位于取芯钻孔内，取芯钻孔与定向钻孔轨迹平行且二者连通；导向头与套筒连接断面最窄处小于定向钻孔和取芯钻孔连通处断面相交弦长。
具体的，所述取芯钻具中，双壁钻杆包括内管、同轴套在内管外的外管以及设在内管和外管之间的支架，且在支架上设有通水孔。
具体的，所述双壁钻杆的外管与钻头螺纹连接；相邻双壁钻杆的外管之间螺纹连接，双壁钻杆的外管与水便的外管之间通过螺纹连接；双壁钻杆的内管与钻头之间插接，相邻双壁钻杆的内管之间插接，双壁钻杆的内管与水便的内管之间插接连接。
具体的，所述双壁钻杆的内管内径和钻头通孔内径相等，采用反循环钻进取芯；
所述钻头在切削齿处内径小于钻头通孔内径，保证所钻取岩心直径小于钻头通孔直径。
具体的，在钻头通孔内壁设有卡断器，以使所钻取的岩心达到指定长度时能在卡断器作用下断裂。
具体的，所述孔口密封件包括设在定向钻孔孔口内的定向钻孔封孔管、设在取芯钻孔孔口内且套在双壁钻杆外的取芯钻孔封孔管和套在位于取芯钻孔孔口段的双壁钻杆外的密封件，定向钻孔封孔管外径略小于定向钻孔孔径，定向钻孔封孔管与定向钻孔孔壁固结，取芯钻孔封孔管外径略小于取芯钻孔孔径，取芯钻孔封孔管与取芯钻孔孔壁固结；密封件内设有橡胶圈，密封件紧密套在双壁钻杆上，确保双壁钻杆自由转动时不会渗漏冲洗液。
一种近水平定向连续取芯方法，该方法首先采用定向钻进技术在需要取芯的岩体中沿设计取芯轨迹施工定向钻孔，然后提出所有钻具，下入权利要求5所述的连续取芯装置，安装孔口密封件，在钻机给进和回转作用下使导向头沿已施工的定向钻孔滑动，引导下方取芯钻具钻进取芯；钻进取芯时，冲洗液由水便进入双壁钻杆内管和外管间空隙，从钻头水眼冲至孔底后，携带岩心从钻头通孔至双壁钻杆内管，经水便内管冲出孔外。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
1、该取芯装置设计巧妙，结构简单，加工维修难度小，制造成本低廉，应用在定向取芯领域后将大幅降低了定向取芯成本。
2、该方法施工便捷，定向钻孔施工完毕后，只需一趟钻即可实现全孔段连续取芯，避免了重复下钻、提钻工作，所获取的岩心在冲洗液反循环作用下冲至孔口，工作量小，大幅节省了劳动力。
3、该方法能实现沿设计取芯轨迹全孔段连续取芯，避免了因取芯不连续造成的地层信息漏失，可为工程实践提供完整的地质信息，在地质构造研究、矿产资源评价、隐蔽致灾因素探查、构建透明矿山以及矿产开采等众多技术领域具有广泛应用价值。
附图说明
图1为本发明的近水平定向连续取芯原理示意图；
图2为本发明的定向连续取芯装置示意图；
图3为本发明的定向连续取芯装置1-1剖面图；
图4为本发明的定向连续取芯装置2-2剖面图；
图5为本发明的定向连续取芯装置局部放大图；
图6为本发明的定向钻孔与取芯钻孔相对位置示意图；
图7位本发明的孔口密封件示意图；
图8位本发明的钻头示意图；
图9位本发明的水便示意图。
附图标号含义：
1.取芯钻具，2.偏心导向头，3.孔口密封件，4.水便，5.钻机，6.岩体，7.定向钻孔，8.取芯钻孔；
11.钻头，12.双壁钻杆，121.内管，122.外管，123.支架，124.通水孔，13.水便，14.卡断器；
21.导向头，22.套筒，23.滚珠；
31.定向钻孔封孔管，32.取芯钻孔封孔管，33.密封件；
41.水便进水孔，42.水便内管，43.轴承。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1至图9所示，本实施例提供一种近水平定向连续取芯装置，包括取芯钻具1、与取芯钻具1连接的偏心导向头2、孔口密封件3以及与取芯钻具1相连的水便4。
偏心导向头2包括导向头21和连在导向头21一端下部的套筒22，导向头21的中心轴线和套筒22的中心轴线平行。
取芯钻具1包括依次同轴连接的钻头11、双壁钻杆12和水便13，在靠近钻头11的双壁钻杆12外壁设有环形安装槽。
套筒22同轴套在双壁钻杆12外且套筒22位于环形安装槽内，套筒22套在环形安装槽后，套筒22外壁和与其相邻的双壁钻杆12外壁平齐，钻头11位于导向头21下方；环形安装槽的槽壁上设有多个均沿周向布设的第一凹槽，在套筒22内壁设有与第一凹槽相对的第二凹槽，在第一凹槽和与其相对的第二凹槽之间设有多个滚珠23。保证偏心导向头2不转动的情况下取芯钻具1可自由转动。套筒22和取芯钻具1间的滚珠23是通过套筒22第二凹槽对应位置预留孔洞安装，待滚珠23安装完毕后，采用螺栓封堵孔洞。
导向头21前端为前端为圆锥形、半球形或其他具有导向功能的形状以减少导向头滑动阻力，导向头21后端与其下部套筒22连接处呈平滑曲面；导向头21的最大直径略小于其所在定向钻孔直径。
在钻头11所对应的导向头21下部设有凹槽，以使钻头11安装后，导向头21下沿低于钻头11上沿，但高于钻头11通孔上沿。
导向头21位于定向钻孔内，取芯钻具1位于取芯钻孔内，取芯钻孔与定向钻孔轨迹平行且二者连通；导向头21与套筒22连接断面最窄处小于定向钻孔和取芯钻孔连通处断面相交弦长。保证偏心导向头2能按定向钻孔顺利滑动。
取芯钻具1中，双壁钻杆12包括内管121、同轴套在内管121外的外管122以及设在内管121和外管122之间的支架123，且在支架123上设有通水孔124。
双壁钻杆12的外管122与钻头11螺纹连接；相邻双壁钻杆12的外管122之间螺纹连接，双壁钻杆12的外管122与水便13的外管之间通过螺纹连接；双壁钻杆12的内管121与钻头11之间插接，相邻双壁钻杆12的内管121之间插接，双壁钻杆12的内管121与水便13的内管之间插接连接。本实施例水便为双壁水便，双壁水便包括水便内管42、水便外管和设在水便外管上的水便进水孔41，双壁水便设置有轴承43，可保证钻杆转动的情况下，水便不转动。钻进取芯时，冲洗液由双壁水便进水孔进入双壁钻杆内外管间空隙，从钻头水眼至孔底后，携带岩心从钻头通孔至双壁钻杆内管，经双壁水便内管冲出孔外。
双壁钻杆12的内管121内径和钻头11通孔内径相等，采用反循环钻进取芯；钻头11在切削齿处内径小于钻头11通孔内径，保证所钻取岩心直径小于钻头通孔直径。
在钻头11通孔内壁设有卡断器14，以使所钻取的岩心达到指定长度时能在卡断器14作用下断裂。
孔口密封件3包括设在定向钻孔孔口内的定向钻孔封孔管31、设在取芯钻孔孔口内且套在双壁钻杆12外的取芯钻孔封孔管32和套在位于取芯钻孔孔口段的双壁钻杆12外的密封件33，定向钻孔封孔管31外径略小于定向钻孔孔径，定向钻孔封孔管31与定向钻孔孔壁固结，取芯钻孔封孔管32外径略小于取芯钻孔孔径，取芯钻孔封孔管32与取芯钻孔孔壁固结；密封件33内设有橡胶圈，密封件33紧密套在双壁钻杆12上，确保双壁钻杆12自由转动时不会渗漏冲洗液；为保证冲洗液在孔内形成反循环，在下入定向连续取芯装置后需安装孔口密封件，使孔口段钻杆和孔壁间密封。
实施例2：
本实施例提供一种近水平定向连续取芯方法，如图1所示，该方法首先采用定向钻进技术在需要取芯的岩体6中沿设计取芯轨迹施工定向钻孔7，然后提出所有钻具，下入实施例1的连续取芯装置，安装孔口密封件，在钻机5给进和回转作用下使导向头沿已施工的定向钻孔7滑动，引导下方取芯钻具钻进取芯并形成取芯钻孔8；钻进取芯时，冲洗液由水便进入双壁钻杆内管和外管间空隙，从钻头水眼冲至孔底后，携带岩心从钻头通孔至双壁钻杆内管，经水便内管冲出孔外。

Claims (10)

1.一种近水平定向连续取芯装置，其特征在于，包括取芯钻具(1)、与取芯钻具(1)连接的偏心导向头(2)、孔口密封件(3)以及与取芯钻具(1)相连的水便(4)；
所述偏心导向头(2)包括导向头(21)和连在导向头(21)一端下部的套筒(22)，所述导向头(21)的中心轴线和套筒(22)的中心轴线平行；
所述取芯钻具(1)包括依次同轴连接的钻头(11)、双壁钻杆(12)和水便(13)，在靠近钻头(11)的双壁钻杆(12)外壁设有环形安装槽；
所述套筒(22)同轴套在双壁钻杆(12)外且套筒(22)位于环形安装槽内，套筒(22)套在环形安装槽后，套筒(22)外壁和与其相邻的双壁钻杆(12)外壁平齐，钻头(11)位于导向头(21)下方；所述环形安装槽的槽壁上设有多个均沿周向布设的第一凹槽，在套筒(22)内壁设有与第一凹槽相对的第二凹槽，在第一凹槽和与其相对的第二凹槽之间设有多个滚珠(23)。
2.如权利要求1所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，所述导向头(21)前端为圆锥形、半球形或其他具有导向功能的形状，导向头(21)后端与其下部套筒(22)连接处呈平滑曲面；导向头(21)的最大直径略小于其所在定向钻孔直径。
3.如权利要求1所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，在所述钻头(11)所对应的导向头(21)下部设有凹槽，以使钻头(11)安装后，导向头(21)下沿低于钻头(11)上沿，但高于钻头(11)通孔上沿。
4.如权利要求1所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，所述导向头(21)位于定向钻孔内，取芯钻具(1)位于取芯钻孔内，取芯钻孔与定向钻孔轨迹平行且二者连通；导向头(21)与套筒(22)连接断面最窄处小于定向钻孔和取芯钻孔连通处断面相交弦长。
5.如权利要求1所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，所述取芯钻具(1)中，双壁钻杆(12)包括内管(121)、同轴套在内管(121)外的外管(122)以及设在内管(121)和外管(122)之间的支架(123)，且在支架(123)上设有通水孔(124)。
6.如权利要求5所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，所述双壁钻杆(12)的外管(122)与钻头(11)螺纹连接；相邻双壁钻杆(12)的外管(122)之间螺纹连接，双壁钻杆(12)的外管(122)与水便(13)的外管之间通过螺纹连接；双壁钻杆(12)的内管(121)与钻头(11)之间插接，相邻双壁钻杆(12)的内管(121)之间插接，双壁钻杆(12)的内管(121)与水便(13)的内管之间插接连接。
7.如权利要求5所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，所述双壁钻杆(12)的内管(121)内径和钻头(11)通孔内径相等；
所述钻头(11)在切削齿处内径小于钻头(11)通孔内径。
8.如权利要求1所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，在钻头(11)通孔内壁设有卡断器(14)。
9.如权利要求1所述的近水平定向连续取芯装置，其特征在于，所述孔口密封件(3)包括设在定向钻孔孔口内的定向钻孔封孔管(31)、设在取芯钻孔孔口内且套在双壁钻杆(12)外的取芯钻孔封孔管(32)和套在位于取芯钻孔孔口段的双壁钻杆(12)外的密封件(33)，定向钻孔封孔管(31)外径略小于定向钻孔孔径，定向钻孔封孔管(31)与定向钻孔孔壁固结，取芯钻孔封孔管(32)外径略小于取芯钻孔孔径，取芯钻孔封孔管(32)与取芯钻孔孔壁固结；密封件(33)内设有橡胶圈，密封件(33)紧密套在双壁钻杆(12)上，确保双壁钻杆(12)自由转动时不会渗漏冲洗液。
10.一种近水平定向连续取芯方法，其特征在于，该方法首先采用定向钻进技术在需要取芯的岩体中沿设计取芯轨迹施工定向钻孔，然后提出所有钻具，下入权利要求5所述的连续取芯装置，安装孔口密封件，在钻机给进和回转作用下使导向头沿已施工的定向钻孔滑动，引导下方取芯钻具钻进取芯；钻进取芯时，冲洗液由水便进入双壁钻杆内管和外管间空隙，从钻头水眼冲至孔底后，携带岩心从钻头通孔至双壁钻杆内管，经水便内管冲出孔外。
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