CN112554824A - 半合式仿生岩芯内管及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半合式仿生岩芯内管及其加工方法，其中半合式仿生岩芯内管包括由第一半合管和第二半合管扣合而成的岩芯内管本体，岩芯内管本体的内壁上设置有仿生减阻结构而其外壁上设置有防止岩芯内管本体转动的仿生抗扭结构，且第一半合管和第二半合管之间设置有定位结构。本发明充分利用蜣螂鞘翅表面的凹凸结构，将半合式岩芯内管的内表面加工成具有微小凸起和微小凹坑的凹凸结构，使得岩芯能够沿着内管顺利向上运动，降低了内管出现堵塞的几率，增加了岩芯的回次长度；仿生抗扭结构能够减少冲洗液湍流对内管外壁的扭矩，进一步降低内管发生相对转动的几率，提高了半合式单动双管的单动性。

Description

半合式仿生岩芯内管及其加工方法

技术领域

本发明涉及水利水电勘测领域的钻探机具，尤其是涉及一种用于半合式单动双管钻具的半合式仿生岩芯内管，本发明还提供了一种半合式仿生岩芯内管的加工方法。

背景技术

半合式单动双管钻具包括固定组件和转动组件，固定组件包括沉砂管、外管接头、外管、扩孔器和钻头等，转动组件包括转动机构和由两片半圆管组成的半合式内管，且半合时内管相对外管不转动。工作时，冲洗液经过钻杆、沉砂管、半合式内管和外管之间的间隙达到钻头底部，然后沿钻具和孔壁之间的间隙返出孔口，钻具连续旋转切削岩体，使岩芯进入半合式内管，得到岩芯。然而，现有半合式单动双管在使用时往往存在以下技术问题：

首先，当松散岩芯进入半合式内管后，岩芯容易膨胀或倾斜靠在半合式内管的内壁上，由于岩芯内管内表面的摩擦阻力较大，将会出现岩芯堵塞情况，进而导致地层取芯作业回次长度较短，需要频繁提钻，降低施工效率；

其次，半合式内管和外管间隙设置，当冲洗液流经半合式内管和外管之间的间隙时，冲洗液的流态多为湍流，冲洗液兼顾轴向运动和周向旋转，因而冲洗液会给内管传递扭矩，导致半合式内管发生旋转，促使岩芯对磨，影响岩芯质量。

发明内容

本发明目的在于提供一种半合式仿生岩芯内管，其岩芯内管本体的内壁具有仿蜣螂鞘翅表面结构的微小凸起和微小凹坑，降低了内壁的摩擦阻力，其外壁具有仿鲨鱼鳞盾结构的微小沟槽，减少冲洗液对岩芯内管的扭矩，提高单动性；本发明还提供了一种半合式仿生岩芯内管的加工方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的半合式仿生岩芯内管，包括由第一半合管和第二半合管扣合而成的岩芯内管本体，所述岩芯内管本体的内壁上设置有仿生减阻结构而其外壁上设置有防止岩芯内管本体转动的仿生抗扭结构，且所述第一半合管和第二半合管之间设置有定位结构；其中，所述仿生减阻结构，包括

多排微小凸起，间隔设置在岩芯内管本体的内壁上，且每排所述微小凸起均沿着所述岩芯内管本体的长度方向等间距间隔布设； 以及

多排微小凹坑，间隔设置在岩芯内管本体的内壁上，且多排微小凹坑沿着第一半合管或第二半合管的周向等间距间隔布设；

其中，多排微小凸起和多排微小凹坑沿着岩芯内管本体的周向依次等间距交叉排布，且相邻的一排微小凸起和一排微小凹坑错位布设。

在本发明的一个优选实施方式中，每个所述微小凸起均为直径在20μm～50μm的半球状结构，每个所述微小凹坑均为直径在20μm～50μm的半球状凹槽。

在本发明的一个优选实施方式中，所述微小凸起的直径均为30μm，每排微小凸起中的相邻两个微小凸起的间距为60μm；所述微小凹坑的直径为30μm，每排微小凸起中的相邻两个微小凹坑的间距为60μm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述仿生抗扭结构，包括

多个第一沟槽，等间距开设在所述第一半合管的外壁上，且每个所述第一沟槽均斜向设置在第一半合管；以及

多个第二沟槽，等间距开设在所述第一半合管的外壁上，且每个所述第二沟槽均斜向设置在第二半合管上；

其中，第一沟槽和第二沟槽对应设置，且第一沟槽和与其对应的第二沟槽连接形成椭圆形槽。

在本发明的一个优选实施方式中，相邻两个第一沟槽的间距和相邻两个第二沟槽的间距相等，均为100μm～400μm。

在本发明的一个优选实施方式中，每个所述第一沟槽和每个所述第二沟槽的深度均为10μm～40μm，每个第一沟槽和第二沟槽的宽度均为50μm～150μm。更优选地，每个第一沟槽和第二沟槽的深度均为25μm，每个第一沟槽和第二沟槽的宽度均为50μm，且第一沟槽的间距和第二沟槽的间距均为200μm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述定位结构包括设置在第一半合管的每个长边上的卡扣，和设置在所述第二半合管的每个长边上的卡槽，所述卡扣卡装在与其对应的卡槽内。

在本发明的另一个优选实施方式中，所述定位结构包括设置在延伸设置在所述第一半合管的每个长边处的连接边，和设置在所述第二半合管的每个长边上的卡台，所述连接边卡装在与其对应的卡台上。

本发明还提供了一种半合式仿生岩芯内管的加工方法，包括以下步骤：

第一步，用切割机切割钢板，使切割后的钢板长度与内管的设计长度一致，使其宽度与内管的设计周长一致；

第二步，用激光雕刻设备在切割后的钢板的一表面等间距雕刻多排微小凸起，并每排微小凸起中的多个凸起沿钢板的长度方向等间距间隔布设；

用激光雕刻设备在每相邻两微小凸起之间的中心位置对钢板融凝造型，使每相邻两排微小凸起之间具有一排微小凹坑，多排微小凸起等间距布设，且相邻的一排微小凸起和微小凹坑错位布设；

用激光雕刻设备对钢板的另一表面进行融凝造型，使钢板另一表面加工出多条等间距间隔布设的微小沟槽，并使得钢板卷制成钢管后每条微小沟槽呈椭圆形；

第三步，用钢板卷圆机将钢板卷制加工成钢管，并在车床上在钢管的两端部分别加工外螺纹；然后利用切割设备将圆形钢管切割成第一半合管和第二半合管；在切割时并在第一半合管和第二半合管切割出定位结构，完成半合式岩芯内管的加工作业。

本发明优点在于：蜣螂鞘翅表面分布有多个细小的微小凹坑和微小凸起，鞘翅的纵向剖面为波浪形结构，当蜣螂在黏土中运动时，不断受到微小凸起部分的作用，使得微小凹坑处形成无土区，使得蜣螂即使在含水较多的粘性图中运动时，也依然能够减少蜣螂体表与土的接触面积，从而降低了土的粘附力。本发明充分利用蜣螂鞘翅表面的凹凸结构，将半合式岩芯内管的内表面加工成具有微小凸起和微小凹坑的凹凸结构，克服了传统光滑内壁阻力大的技术问题，降低了半合式岩芯内管和岩芯之间的摩擦阻力，提高了半合式内管的耐磨性，使得岩芯能够沿着内管顺利向上运动，不仅降低了内管出现堵塞的几率，还增加了岩芯的回次长度，延长了内管的使用寿命。

本发明优点还在于：鲨鱼鳞盾沟槽的存在会阻碍由于湍流运动引起的瞬时横向流动的发生，使得边界层内湍流动能减小，进而降低湍流与壁面之间的摩擦阻力。本发明充分利用鲨鱼鳞盾的沟槽结构将内管的外壁上加工多个呈椭圆形结构的沟槽，减少冲洗液湍流对内管外壁的扭矩，进一步降低内管发生相对转动的几率，提高了半合式单动双管的单动性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述第一半合管展开后的内壁局部放大图。

图3是图2的A-A向剖视图。

图4是图2的B-B向剖视图。

图5是本发明所述第一半合管展开后的外壁局部放大图。

图6是本发明所述定位结构的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

需要说明的是，本发明中术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如“固定”可以是固定连接，或可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1所示，本发明所述的半合式仿生岩芯内管，包括由第一半合管1和第二半合管2扣合而成的岩芯内管本体，岩芯内管本体的外管壁的两端部均具有外螺纹3，可通过两端部的外螺纹3安装在半合式单动双管钻具上；

如图1-4所示，岩芯内管本体的内壁上设置有仿生减阻结构，其包括

多排微小凸起，间隔设置在岩芯内管本体的内壁上，且每排微小凸起均沿着岩芯内管本体的长度方向等间距间隔布设，微小凸起4为直径30μm的半球状结构，每排微小凸起中相邻两个微小凸起4的中心间距为60μm；以及

多排微小凹坑，间隔设置在岩芯内管本体的内壁上，且多排微小凹坑沿着第一半合管1或第二半合管2的周向等间距间隔布设，每个微小凹坑5为直径30μm的半球状凹槽，每排微小凹坑中相邻两个微小凹坑5的中心间距为60μm；

其中，多排微小凸起和多排微小凹坑按照一排微小凸起、一排微小凹坑、一排微小凸起和一排微小凹坑的等间距交叉排列，且相邻一排微小凸起和一排微小凹坑错位布设，使得每排微小凸起中相邻两个微小凸起4和位于两微小凸起4之间的一个微小凹坑5呈正三角形结构布设，具体如图2所示。仿生减阻结构为仿蜣螂鞘翅表面的凹点和凸点设计的凹凸结构，具有减阻耐磨作用，减少松散岩芯在岩芯内管和岩芯外管之间的堵塞，同时避免松散的岩芯堵塞岩芯内管，提高了岩芯内管的单动性，增加了取芯回次长度，提高了岩芯质量。

如图1和图5所示，岩芯内管本体的外壁上设置有防止岩芯内管本体转动的仿生抗扭结构，仿生抗扭结构包括

多个第一沟槽6，等间距间隔开设在第一半合管1的外壁上，且每个第一沟槽6均斜向设置在第一半合管1上，相邻两个第一沟槽6的间距为200μm；

多个第二沟槽7，等间距间隔开设在第二半合管2的外壁上，且每个第二沟槽7均斜向设置在第二半合管2上，相邻两个第二沟槽7的间距为200μm；

其中，第一沟槽6和第二沟槽7的深度均为25μm；第一沟槽6和第二沟槽7的宽度均为50μm，且第一沟槽6和第二沟槽7一一对应，每个第一沟槽6和与其对应的第二沟槽7连接形成一个椭圆形槽。即岩芯内管本体的外壁为仿鲨鱼鳞盾沟槽结构。

本发明将岩芯内管本体的外壁加工成仿鲨鱼鳞盾沟槽结构，将岩芯内管本体的内壁加工成仿蜣螂鞘翅表面的凹凸结构，具有很好的减阻耐磨作用，能够有效减少松散岩芯在岩芯内管内的卡堵现象，在用冲洗液冲洗岩芯内管和岩芯外管之间的间隙时能够有效减少冲洗液对岩芯内管的扭矩，提高了岩芯外管的单动性，防止岩芯内管发生转动的几率，增加了取芯回次长度，提高了岩芯质量，进一步提高了钻进效率。

如图1所示，第一半合管1和第二半合管2之间设置有定位结构，定位结构包括设置在第一半合管1的每个长边上的卡扣8.1（第一半合管1的每个长边上设置有一个卡扣8.1），和设置在第二半合管2的每个长边上的卡槽8.2（第一半合管1的每个长边上设置有一个卡槽8.2，每个卡扣8.1卡装在对其对应的卡槽8.2内，增加了岩芯内管的抗胀裂性，提升了岩芯内管的密封性能。

当然在实际安装时，定位结构还可以采用如图6的结构：如图6所示，定位结构包括设置在第一半合管1的每个长边上的连接边9.1和设置在第二半合管2的每个长边上的卡台9.2，连接边9.1卡装在与其对应的卡台9.2上，实现了第一半合管1和第二半合管2的卡装连接，增加了岩芯内管的抗胀裂性和密封性。

本发明所述的半合式岩芯内管的加工方法，包括以下步骤：

第一步，用切割机切割钢板，使切割后的钢板长度与内管的设计长度一致，使其宽度与内管的设计周长一致；

第二步，用激光雕刻设备在切割后的钢板上等间距雕刻多排直径30μm且呈半球形的微小凸起4，并每排微小凸起中相邻两微小凸起4的间距为60μm；

用激光雕刻设备在每相邻两排微小凸起之间的中心位置雕刻一排微小凹坑（为直径30μm的半球状凹槽），使多排微小凹坑和多排微小凸起交叉排布，并确保相邻的一排微小凸起和微小凹坑5错位布设，具体如图2所示；

用激光雕刻设备对钢板的另一表面进行融凝造型，在钢板另一表面加工出多个等间距间隔布设的微小沟槽（间距为200μm），并确保钢板卷制成钢管时每个微小沟槽为椭圆形槽，具体如图5所示；

第三步，用钢板卷圆机将钢板卷制加工成钢管，并在车床上在钢管的两端部分别加工外螺纹3；然后利用切割设备将圆形钢管切割成第一半合管1和第二半合管2；在切割时并在第一半合管1和第二半合管2切割出定位结构，即使得第一半合管1的两长边分别切割出一个卡扣8.1，第二半合管2的两长边上分别切割出一个卡槽8.2，在使用时由于卡扣8.1卡装在卡槽8.2上；

或使得第一半合管1的每个长边分别切割出一个连接边9.1（即第一半合管1为大半圆结构），第二半合管2的每个长边切割出来一个卡台9.2，使得连接边9.1正好卡装在卡台9.2上，完成半合式岩芯内管的加工作业。

需要强调的是，上述实施例仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因而，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种半合式仿生岩芯内管，包括由第一半合管和第二半合管扣合而成的岩芯内管本体，其特征在于：所述岩芯内管本体的内壁上设置有仿生减阻结构而其外壁上设置有防止岩芯内管本体转动的仿生抗扭结构，且所述第一半合管和第二半合管之间设置有定位结构；其中，所述仿生减阻结构，包括

多排微小凸起，间隔设置在岩芯内管本体的内壁上，且每排所述微小凸起均沿着所述岩芯内管本体的长度方向等间距间隔布设； 以及

多排微小凹坑，间隔设置在岩芯内管本体的内壁上，且多排微小凹坑沿着第一半合管或第二半合管的周向等间距间隔布设；

其中，多排微小凸起和多排微小凹坑沿着岩芯内管本体的周向依次等间距交叉排布，且相邻的一排微小凸起和一排微小凹坑错位布设。

2.根据权利要求1所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：每个所述微小凸起均为直径在20μm～50μm的半球状结构，每个所述微小凹坑均为直径在20μm～50μm的半球状凹槽。

3.根据权利要求2所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：所述微小凸起的直径均为30μm，每排微小凸起中的相邻两个微小凸起的间距为60μm；所述微小凹坑的直径为30μm，每排微小凸起中的相邻两个微小凹坑的间距为60μm。

4.根据权利要求1所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：所述仿生抗扭结构，包括

多个第一沟槽，等间距开设在所述第一半合管的外壁上，且每个所述第一沟槽均斜向设置在第一半合管；以及

多个第二沟槽，等间距开设在所述第一半合管的外壁上，且每个所述第二沟槽均斜向设置在第二半合管上；

其中，第一沟槽和第二沟槽对应设置，且第一沟槽和与其对应的第二沟槽连接形成椭圆形槽。

5.根据权利要求4所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：相邻两个第一沟槽的间距和相邻两个第二沟槽的间距相等，均为100μm～400μm。

6.根据权利要求5所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：相邻两个第一沟槽的间距和相邻两个第二沟槽的间距均为200μm。

7.根据权利要求4所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：每个所述第一沟槽和每个所述第二沟槽的深度均为10μm～40μm，每个第一沟槽和第二沟槽的宽度均为50μm～150μm。

8.根据权利要求1所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：所述定位结构包括设置在第一半合管的每个长边上的卡扣，和设置在所述第二半合管的每个长边上的卡槽，所述卡扣卡装在与其对应的卡槽内。

9.根据权利要求1所述的半合式仿生岩芯内管，其特征在于：所述定位结构包括设置在延伸设置在所述第一半合管的每个长边处的连接边，和设置在所述第二半合管的每个长边上的卡台，所述连接边卡装在与其对应的卡台上。

10.一种半合式仿生岩芯内管的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，用切割机切割钢板，使切割后的钢板长度与内管的设计长度一致，使其宽度与内管的设计周长一致；

第二步，用激光雕刻设备在切割后的钢板的一表面等间距雕刻多排微小凸起，并每排微小凸起中的多个凸起沿钢板的长度方向等间距间隔布设；

用激光雕刻设备在每相邻两微小凸起之间的中心位置对钢板融凝造型，使每相邻两排微小凸起之间具有一排微小凹坑，多排微小凸起等间距布设，且相邻的一排微小凸起和微小凹坑错位布设；

用激光雕刻设备对钢板的另一表面进行融凝造型，使钢板另一表面加工出多条等间距间隔布设的微小沟槽，并使得钢板卷制成钢管后每条微小沟槽呈椭圆形；

第三步，用钢板卷圆机将钢板卷制加工成钢管，并在车床上在钢管的两端部分别加工外螺纹；然后利用切割设备将圆形钢管切割成第一半合管和第二半合管；在切割时并在第一半合管和第二半合管切割出定位结构，完成半合式岩芯内管的加工作业。

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