CN113389512A - 多功能地质勘查钻探装置 - Google Patents

Abstract

多功能地质勘查钻探装置，包括钻井钻头、外钻筒、中心供水管和四组取芯组件，中心供水管同中心设置在外钻筒内，钻井钻头固定安装在外钻筒的下端，外钻筒和中心供水管之间的环腔通过四块竖直隔板分隔为四个容纳腔，四组取芯组件分别对应收纳设置在四个容纳腔中，外钻筒的外圆周上圆周阵列设置有若干个支撑机构，中心供水管的下端设置有第一电动截止阀，中心供水管的上端与地面冷却液输送管连接，中心供水管与各组取芯组件之间均连接有冷却液供液管，各根冷却液供液管上均设置有第二电动截止阀，钻井钻头的底部设有若干个旋转破碎机构。本发明能够一次在四个目标深度层取岩芯，效率高，岩芯断面平整，能提高对坚硬岩石的切削钻进效果。

Description

多功能地质勘查钻探装置

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体的说，涉及一种多功能地质勘查钻探装置。

背景技术

岩芯是研究和了解地下地质和矿产情况的重要实物材料，例如在油、气田勘探和开发中，按勘查得到的地层层位和设计深度，钻井后向井内下入取芯工具，钻取处岩芯，从而了解地下油层及所含流体特征。

一般取芯是先进行钻井，再下取芯钻具，在井底钻取，一次只能钻取一块岩芯，效率低，如果要再钻取更深的岩芯时，则需要重新下钻井钻头，工作量大，而且取芯时通常将岩芯拉断，容易对岩芯和取芯钻具造成损坏，岩芯的断面不平整。

钻进过程中，钻进钻头有时会遇到较坚硬的岩石，则受到的阻力较大，地面钻井平台通过钻杆传递给钻进钻头的扭矩不足以继续钻进，而且会对钻杆造成扭曲变形，钻进工作难以进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能地质勘查钻探装置，本发明能够一次在四个目标深度层取岩芯，效率高，岩芯断面平整，能提高对坚硬岩石的切削钻进效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

多功能地质勘查钻探装置，包括钻井钻头、外钻筒、中心供水管和四组取芯组件，中心供水管同中心设置在外钻筒内，钻井钻头固定安装在外钻筒和中心供水管的下端，外钻筒和中心供水管之间的环腔内圆周阵列设置有四块竖直隔板，四块竖直隔板将外钻筒和中心供水管之间的环腔分隔为四个容纳腔，四组取芯组件圆周阵列分别对应收纳设置在四个容纳腔中，外钻筒的筒壁上对应四组取芯组件开设有四个摆出通孔，外钻筒的筒壁内侧安装有四个分别对应封堵四个摆出通孔的启闭门结构，外钻筒的外圆周上对应取芯组件的上方和下方圆周阵列设置有若干个外侧敞口的安装槽，各个安装槽中均安装有支撑机构，中心供水管的下端设置有位于最下侧一组取芯组件下方的第一电动截止阀，中心供水管的上端与地面冷却液输送管连接，外钻筒上端与最下部的一根标准钻杆下端同轴向螺栓连接，中心供水管的下端固定连接在钻井钻头的中心出水孔上端，中心供水管与各组取芯组件之间均连接有冷却液供液管，各根冷却液供液管上均设置有第二电动截止阀，钻井钻头包括上部的圆柱段和下部的圆台段，圆台段为上粗下细结构，钻井钻头的底面设有若干个底部敞口的破碎盲孔，各个破碎盲孔中均设置有可上下伸缩的旋转破碎机构。

左侧的取芯组件包括水平支板、取芯液压马达、两个第一液压油缸和两个第二液压油缸，水平支板的右侧边前侧和后侧分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板上，水平支板的上表面沿左右方向设置有两条前后间隔设置的导轨，取芯液压马达的底部滑动连接在两条导轨上，取芯液压马达的机壳左侧中部固定设置有套在取芯液压马达的动力轴外部的支撑套筒，取芯液压马达的动力轴外圆周与支撑套筒的内圆周密封转动连接，取芯液压马达的动力轴左端同轴传动连接有取芯钻杆，取芯钻杆的右侧部密封转动连接在支撑套筒中，取芯钻杆的左侧部伸出支撑套筒的左端，取芯钻杆的中部开设有左侧敞口的取芯腔，取芯钻杆的左端连接有取芯钻头，取芯钻头为中空钻头，取芯钻头的内径与取芯腔的内径相同，两个第一液压油缸前后间隔竖向设置在水平支板的下方，两个第一液压油缸的缸体底部分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板上，两个第一液压油缸的活塞杆均向上伸出并分别铰接在水平支板的下表面中部前侧和后侧，两个第二液压油缸前后间隔沿左右方向水平设置在水平支板的上方，两个第二液压油缸的缸体底部分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板上，两个第二液压油缸的活塞杆均向左伸出并分别铰接在取芯液压马达的机壳前侧面和后侧面上，取芯钻杆的外圆周左侧部开设有四个圆周阵列的环切通孔，环切通孔沿径向设置，环切通孔的内端与取芯腔的内部连通，环切通孔内密封滑动设置有圆柱形环切刀，环切通孔的外端处取芯钻杆的外圆周上固定连接有用于密封封堵环切通孔的圆形端盖，圆柱形环切刀的内端呈锥形刀刃，圆柱形环切刀的内端与环切通孔的内端齐平，圆柱形环切刀的外端位于环切通孔内，圆柱形环切刀的外端面中部开设有外侧敞口的施力盲孔，施力盲孔的孔底与圆形端盖的内表面中部之间连接有第一拉簧，取芯钻杆的左侧部同中心设有液压圆环腔，取芯钻杆的左侧部设有若干个分别对应连通液压圆环腔与各个环切通孔的第一供油通道，取芯钻杆的外圆周右侧部开设有外侧敞口且左右间隔的第一液压环槽、第二液压环槽和冷却环槽，取芯钻杆的上侧部沿轴向设有连通第一液压环槽与液压圆环腔的第二供油通道，支撑套筒的左侧上部沿径向开设有第一输油通道，第一输油通道的内端与第一液压环槽连通，第一输油通道的外端通过第一供油接头连接有第一供油管，取芯腔的腔底中心设有气压凹槽，取芯钻杆中部下侧设有与气压凹槽连通的气压通道，气压通道的外端位于取芯钻杆下侧部并安装有加气密封盖，取芯钻杆上设置有喷胶防漏气系统，取芯钻头上设置有冷却管路系统。

喷胶防漏气系统包括两个扇形喷头，取芯钻杆的左端部同中心设有位于液压圆环腔左侧的供胶圆环腔，供胶圆环腔的直径小于液压圆环腔的直径，取芯钻杆的左端部前上侧和后下侧均沿径向设有一个喷胶通孔，两个喷胶通孔径向对称，前上侧的喷胶通孔外左内右倾斜设置，两个喷胶通孔的外端均与供胶圆环腔连通，两个喷胶通孔的内端均与取芯腔连通，两个扇形喷头分别对应密封固定安装在两个喷胶通孔中，两个扇形喷头的喷射端分别与两个喷胶通孔的内端齐平，前上侧的扇形喷头朝后下方喷射，后下侧的扇形喷头朝前上方喷射，取芯钻杆的左端部前上侧沿径向设有加胶通道，加胶通道的内端与供胶圆环腔连通，加胶通道的外端安装有加胶密封盖，取芯钻杆的左侧部前上侧沿轴向设有圆筒型液压腔，圆筒型液压腔中密封滑动设置有挤压活塞，挤压活塞的右侧面与圆筒型液压腔的右侧面之间连接有第二拉簧，取芯钻杆的前上侧沿轴向设有连通第二液压环槽与圆筒型液压腔的第三供油通道，取芯钻杆的左端部前上侧沿轴向设有连通供胶圆环腔与圆筒型液压腔的第四供油通道，支撑套筒的中部前上侧沿径向开设有第二输油通道，第二输油通道的内端与第二液压环槽连通，第二输油通道的外端通过第二供油接头连接有第二供油管。

冷却管路系统包括若干个冷却液喷孔，各个冷却液喷孔均匀布置在取芯钻头的左端环面上，取芯钻头的中部同中心设有冷却圆环腔，取芯钻头的左侧部沿轴向设有若干个分别对应连通冷却圆环腔和各个冷却液喷孔的第一冷却液通道，取芯钻头的右侧前下部和取芯钻杆的前下部沿轴向设有左右贯通的第二冷却液通道，第二冷却液通道的左端与冷却圆环腔连通，第二冷却液通道的右端与冷却环槽连通，支撑套筒的右侧部前下侧沿径向开设有输水通道，输水通道的内端与冷却环槽连通，输水通道的外端通过供水接头连接一根冷却液供液管。

左侧的启闭门结构包括密闭门和第三液压油缸，密闭门的尺寸与左侧的摆出通孔相适配，密闭门为与外钻筒筒壁形状适配的弧形板结构，密闭门的前后两侧边分别对应滑动连接在摆出通孔前后两侧边沿的外钻筒的筒壁内侧面上，第三液压油缸竖向固定安装在外钻筒的筒壁内左侧且位于密闭门的正上方，第三液压油缸的活塞杆向下伸出，第三液压油缸的活塞杆下端固定连接密闭门的上侧边中部，密闭门外圆设有与外钻筒内圆之间密封连接的密封条。

左侧的支撑机构包括铰接支座、竖直支撑压板和第四液压油缸，铰接支座通过若干根螺钉固定安装在左侧的安装槽底部，竖直支撑压板沿前后方向竖向设置且位于左侧的安装槽左侧，第四液压油缸的缸体底部铰接在铰接支座的上侧部，第四液压油缸的活塞杆向左上方伸出，第二液压油缸的活塞杆上端铰接在竖直支撑压板的右侧面中部上侧，竖直支撑压板的右侧面中部下侧铰接有第一连杆，第一连杆左高右低倾斜设置，第一连杆的右侧部与铰接支座的下侧部之间铰接有两根平行的第二连杆，竖直支撑压板的左侧面为粗糙面。

钻井钻头的圆台段外圆周和底面均匀设置有若干个金刚石刀头，钻井钻头的上部中心设有进水盲孔，钻井钻头的底部设有两个出水孔，钻井钻头的中部设有两个L型出水通道，L型出水通道的上端与进水盲孔连接，L型出水通道的下端与出水孔连接，钻井钻头的底面设置有压力传感器。

旋转破碎机构包括第五液压油缸和破碎液压马达，第五液压油缸和破碎液压马达均同中心竖向设置在破碎盲孔中，第五液压油缸的缸体底部固定安装在破碎盲孔的孔底，破碎液压马达滑动设置在破碎盲孔中，第五液压油缸的活塞杆向下伸出，第五液压油缸的活塞杆下端固定连接在破碎液压马达的上部中心，破碎液压马达的动力轴下端固定安装有破碎钻头，第五液压油缸的外部套装有第三拉簧，第三拉簧的上端固定连接在破碎盲孔的孔底，第三拉簧的下端固定连接在破碎液压马达的上部，破碎盲孔的孔壁沿竖向设置有花键槽，破碎液压马达的外壳外圆周沿竖向设置有与花键槽匹配滑动连接的花键。

破碎盲孔共设置九个，其中一个破碎盲孔位于钻井钻头的中心处，其余八个破碎盲孔分为四组，每一组的两个破碎盲孔关于钻井钻头的中心对称设置，其中一组破碎盲孔的最外侧位于圆台段下端面的外圆上，四组破碎盲孔的回转轨迹为四个同心圆环。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的工作原理为：首先通过地面钻井平台驱动外钻筒和钻井钻头在地质勘探区域向下钻进，地面冷却液输送管向中心供水管中输送冷却液，第一电动截止阀处于打开状态，各个第二电动截止阀处于关闭状态，各个第四液压油缸的活塞杆均处于收缩状态，各块竖直支撑压板分别对应收纳在各个安装槽的槽口，各组取芯组件分别收纳在相应的容纳腔中，冷却液通过中心供水管流向钻井钻头的进水盲孔中，并通过两个L型出水通道向下从两个出水孔中流出，实现对钻井过程中的钻井钻头冷却，同时水流将携带钻渣从外钻筒、钻杆与钻井井壁之间的环腔向上排出，钻井钻头钻进到预定取样深度时，各组取芯组件到达相应待采样的岩层位置，停止钻井钻头的钻进，并且关闭第一电动截止阀，在井口处通过钻杆与钻井井壁的之间的环腔下放泥浆管，泥浆管下端口下放到与钻井钻头基本接触时停止下放，启动泥浆泵将外钻筒、钻杆与钻井井壁之间的环腔内的泥浆抽出，为取样提供无水的环境，然后同时控制各个第四液压油缸的活塞杆伸出，第四液压油缸的活塞杆推动相应的竖直支撑压板向外伸出并使竖直支撑压板紧压在井壁上，使外钻筒能够稳定支撑在钻井中，再控制第一组取芯组件上方的第三液压油缸的活塞杆向上收缩，该第三液压油缸的活塞拉动相应的密闭门向上移动，从而打开与第一组取芯组件对应的摆出通孔，然后同时控制第一组取芯组件的相应两个第一液压油缸的活塞杆伸出，两个第二液压油缸的活塞杆收缩，上述的两个第一液压油缸的活塞杆推动相应的水平支板从倾斜向上翻转至水平，两个第二液压油缸也转至水平，然后，启动第一组取芯组件的取芯液压马达，打开相应的第二电动截止阀，取芯液压马达的动力轴驱动相应的取芯钻杆高速转动，取芯钻杆带动取芯钻头高速转动，控制两个第二液压油缸的活塞杆同时伸出，两个第二液压油缸的活塞杆推动取芯液压马达在相应的导轨上向外移动，取芯液压马达向外通过摆出通孔伸出外钻筒，取芯钻头对井壁进行侧向钻进，同时，中心供水管中的冷却液通过相应的冷却液供液管、供水接头、输水通道、冷却环槽、第二冷却液通道、冷却圆环腔、各个第一冷却液通道和各个冷却液喷孔从取芯钻头外端面喷出，实现对取芯钻头的冷却，取芯钻杆钻入井壁内一定距离，则在取芯钻头的钻进作用下，取芯钻杆的取芯腔中便填充有一段圆柱形的岩芯，然后两个第二液压油缸的活塞杆停止动作，通过第一供油管、第一供油接头、第一输油通道、第一液压环槽和第二供油通道向液压圆环腔中泵入液压油，液压圆环腔中的液压油通过各个第一供油通道注入到各个环切通孔中，液压油压力大于各个第一拉簧的拉力，液压油压迫各个圆柱形环切刀同步向内移动，各个圆柱形环切刀的内端向内伸入到取芯腔中并顶压岩芯的外圆周，各个圆柱形环切刀随取芯钻杆一起旋转对岩芯进行切割，各个圆柱形环切刀在液压油的作用下逐步向内移动，直至各个圆柱形环切刀的内端伸入到取芯腔的中心，将岩芯切断，岩芯断面平整，然后卸油压，液压油压力减小为零，则各个圆柱形环切刀在各个第一拉簧的作用下向外移动复位至各个环切通孔中，取芯液压马达停止转动，关闭上述的第二电动截止阀，再通过第二供油管、第二供油接头、第二输油通道、第二液压环槽和第三供油通道向圆筒型液压腔中泵入液压油，其中初始时，预先打开加胶密封盖，通过加胶通道向供胶圆环腔中加满有胶液，再拧紧加胶密封盖，液压油压力大于第二拉簧的拉力，液压油压迫挤压活塞使挤压活塞向左移动，挤压活塞挤压胶液，使胶液通过两个扇形喷头喷出并分别均匀喷在岩芯断面上，胶液渗入到岩芯断面与取芯腔内壁之间的缝隙并凝固，使岩芯断面与取芯腔内壁之间的缝隙封堵，确保岩芯中含有的气体不会逸出，然后控制两个第二液压油缸的活塞杆同步收缩，两个第二液压油缸的活塞杆拉动取芯液压马达返回复位，使取芯钻杆和取芯钻头从井壁的钻孔中抽出，然后同时控制第一组取芯组件的相应两个第一液压油缸的活塞杆收缩，两个第二液压油缸的活塞杆伸出，上述的两个第一液压油缸的活塞杆拉动相应的水平支板从水平向下翻转至倾斜，两个第二液压油缸也转至倾斜，进而使取芯液压马达、取芯钻杆和取芯钻头重新收纳到外钻筒内的相应容纳腔中，再控制上述的第三液压油缸的活塞杆向下伸出，第三液压油缸的活塞推动第一个密闭门向下移动复位，从而关闭与第一组取芯组件对应的摆出通孔，然后控制各个第四液压油缸的活塞杆同时收缩复位，使相应各块竖直支撑压板重新收纳在各个安装槽的槽口，各块竖直支撑压板与井壁分离，如此，便完成第一组岩芯的取芯工作，之后再打开第一电动截止阀，重新启动地面钻井平台，使钻井钻头继续向下钻进至下一个目标层，使各组取芯组件到达相应待采样的岩层位置，停止钻井钻头的钻进，之后同上述取芯过程，第二组取芯组件在该相应待采样的岩层位置对井壁进行侧向取芯，获得第二个岩芯，如此重复操作，使第三组取芯组件、第四组取芯组件均采得相应的岩芯，最后，将外钻筒、中心供水管和钻进钻头提出地面，进而将四组取芯组件同时提到地面上，为了得到取芯腔中的岩芯，可先将取芯钻头拆掉，使用刀具将凝固的胶划开，然后，打开加气密封盖，将气压通道外端接气泵，通过气压通道将高压气体注入到气压凹槽中，气体将岩芯从取芯钻杆的取芯腔内推出来。

在钻进过程中，正常情况下，初始各个第五液压油缸未注液压油，在第三拉簧的拉动作用下第五液压油缸的活塞杆处于收缩状态，使破碎液压马达和破碎钻头收纳在破碎盲孔中，如果钻进钻头遇到较坚硬的岩石时，压力传感器便会受到较大压力，压力传感器反馈信息到地面控制站，则通过液压管路向各个第五液压油缸注液压油，控制各个第五液压油缸的活塞杆同步向下伸出，各个第五液压油缸的活塞杆同步推动各个破碎液压马达向下移动，使各个破碎钻头的下端伸出破碎盲孔的下端，同时控制各个破碎液压马达启动，各个破碎液压马达的动力轴下端带动破碎钻头转动，各个破碎钻头对岩石进行钻进破碎，则各个破碎钻头自转的同时随钻进钻头进行公转，从而实现对岩石的破碎，提高对坚硬岩石的切削钻进效果，保证钻进工作顺利进行。

本发明能够一次在四个目标深度层取岩芯，效率高，岩芯断面平整，能提高对坚硬岩石的切削钻进效果。

附图说明

图1是本发明的主视简易图。

图2是本发明的俯视简易图。

图3是本发明的取芯组件收纳在外钻筒内时的剖视图。

图4是本发明的取芯组件进行钻取岩心时的剖视图。

图5是本发明的取芯组件的结构示意图。

图6是图5中的A-A向剖视图。

图7是图6中的B-B向剖视图。

图8是图6中的C-C向剖视图。

图9是图6中的D-D向剖视图。

图10是本发明的支撑机构的结构示意图。

图11是图8中的E处局部放大图。

图12是本发明的钻井钻头的仰视图。

图13是图12中的F-F向剖视图。

图14是图13中的G处局部放大图。

图15是图14中的H-H向剖视图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-图15所示，多功能地质勘查钻探装置，包括钻井钻头1、外钻筒2、中心供水管3和四组取芯组件4，中心供水管3同中心设置在外钻筒2内，钻井钻头1固定安装在外钻筒2和中心供水管3的下端，外钻筒2和中心供水管3之间的环腔内圆周阵列设置有四块竖直隔板5，四块竖直隔板5将外钻筒2和中心供水管3之间的环腔分隔为四个容纳腔，四组取芯组件4圆周阵列分别对应收纳设置在四个容纳腔中，外钻筒2的筒壁上对应四组取芯组件4开设有四个摆出通孔6，外钻筒2的筒壁内侧安装有四个分别对应封堵四个摆出通孔6的启闭门结构，外钻筒2的外圆周上对应取芯组件4的上方和下方圆周阵列设置有若干个外侧敞口的安装槽7，各个安装槽7中均安装有支撑机构，中心供水管3的下端设置有位于最下侧一组取芯组件4下方的第一电动截止阀，中心供水管3的上端与地面冷却液输送管连接，中心供水管3的下端固定连接在钻井钻头1的中心出水孔上端，中心供水管3与各组取芯组件4之间均连接有冷却液供液管8，各根冷却液供液管8上均设置有第二电动截止阀9，钻井钻头1包括上部的圆柱段和下部的圆台段，圆台段为上粗下细结构，钻井钻头1的底面设有若干个底部敞口的破碎盲孔59，各个破碎盲孔中均设置有可上下伸缩的旋转破碎机构。

左侧的取芯组件4包括水平支板10、取芯液压马达11、两个第一液压油缸12和两个第二液压油缸13，水平支板10的右侧边前侧和后侧分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板5上，水平支板10的上表面沿左右方向设置有两条前后间隔设置的导轨14，取芯液压马达11的底部滑动连接在两条导轨14上，取芯液压马达11的机壳左侧中部固定设置有套在取芯液压马达11的动力轴外部的支撑套筒15，取芯液压马达11的动力轴外圆周与支撑套筒15的内圆周密封转动连接，取芯液压马达11的动力轴左端同轴传动连接有取芯钻杆16，取芯钻杆16的右侧部密封转动连接在支撑套筒15中，取芯钻杆16的左侧部伸出支撑套筒15的左端，取芯钻杆16的中部开设有左侧敞口的取芯腔17，取芯钻杆16的左端连接有取芯钻头18，取芯钻头18为中空钻头，取芯钻头18的内径与取芯腔17的内径相同，两个第一液压油缸12前后间隔竖向设置在水平支板10的下方，两个第一液压油缸12的缸体底部分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板5上，两个第一液压油缸12的活塞杆均向上伸出并分别铰接在水平支板10的下表面中部前侧和后侧，两个第二液压油缸前后间隔沿左右方向水平设置在水平支板10的上方，两个第二液压油缸的缸体底部分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板5上，两个第二液压油缸的活塞杆均向左伸出并分别铰接在取芯液压马达11的机壳前侧面和后侧面上，取芯钻杆16的外圆周左侧部开设有四个圆周阵列的环切通孔19，环切通孔19沿径向设置，环切通孔19的内端与取芯腔17的内部连通，环切通孔19内密封滑动设置有圆柱形环切刀20，环切通孔19的外端处取芯钻杆16的外圆周上固定连接有用于密封封堵环切通孔19的圆形端盖21，圆柱形环切刀20的内端呈锥形刀刃，圆柱形环切刀20的内端与环切通孔19的内端齐平，圆柱形环切刀20的外端位于环切通孔19内，圆柱形环切刀20的外端面中部开设有外侧敞口的施力盲孔22，施力盲孔22的孔底与圆形端盖21的内表面中部之间连接有第一拉簧23，取芯钻杆16的左侧部同中心设有液压圆环腔24，取芯钻杆16的左侧部设有若干个分别对应连通液压圆环腔24与各个环切通孔19的第一供油通道25，取芯钻杆16的外圆周右侧部开设有外侧敞口且左右间隔的第一液压环槽26、第二液压环槽27和冷却环槽28，取芯钻杆16的上侧部沿轴向设有连通第一液压环槽26与液压圆环腔24的第二供油通道29，支撑套筒15的左侧上部沿径向开设有第一输油通道30，第一输油通道30的内端与第一液压环槽26连通，第一输油通道30的外端通过第一供油接头31连接有第一供油管32，取芯腔17的腔底中心设有气压凹槽33，取芯钻杆16中部下侧设有与气压凹槽33连通的气压通道34，气压通道34的外端位于取芯钻杆16下侧部并安装有加气密封盖35，取芯钻杆16上设置有喷胶防漏气系统，取芯钻头18上设置有冷却管路系统。

喷胶防漏气系统包括两个扇形喷头36，取芯钻杆16的左端部同中心设有位于液压圆环腔24左侧的供胶圆环腔37，供胶圆环腔37的直径小于液压圆环腔24的直径，取芯钻杆16的左端部前上侧和后下侧均沿径向设有一个喷胶通孔38，两个喷胶通孔38径向对称，前上侧的喷胶通孔38外左内右倾斜设置，两个喷胶通孔38的外端均与供胶圆环腔37连通，两个喷胶通孔38的内端均与取芯腔17连通，两个扇形喷头36分别对应密封固定安装在两个喷胶通孔38中，两个扇形喷头36的喷射端分别与两个喷胶通孔38的内端齐平，前上侧的扇形喷头36朝后下方喷射，后下侧的扇形喷头36朝前上方喷射，取芯钻杆16的左端部前上侧沿径向设有加胶通道39，加胶通道39的内端与供胶圆环腔37连通，加胶通道39的外端安装有加胶密封盖40，取芯钻杆16的左侧部前上侧沿轴向设有圆筒型液压腔41，圆筒型液压腔41中密封滑动设置有挤压活塞42，挤压活塞42的右侧面与圆筒型液压腔41的右侧面之间连接有第二拉簧43，取芯钻杆16的前上侧沿轴向设有连通第二液压环槽27与圆筒型液压腔41的第三供油通道44，取芯钻杆16的左端部前上侧沿轴向设有连通供胶圆环腔37与圆筒型液压腔41的第四供油通道59，支撑套筒15的中部前上侧沿径向开设有第二输油通道45，第二输油通道45的内端与第二液压环槽27连通，第二输油通道45的外端通过第二供油接头46连接有第二供油管47。

冷却管路系统包括若干个冷却液喷孔，各个冷却液喷孔均匀布置在取芯钻头18的左端环面上，取芯钻头18的中部同中心设有冷却圆环腔48，取芯钻头18的左侧部沿轴向设有若干个分别对应连通冷却圆环腔48和各个冷却液喷孔的第一冷却液通道49，取芯钻头18的右侧前下部和取芯钻杆16的前下部沿轴向设有左右贯通的第二冷却液通道50，第二冷却液通道50的左端与冷却圆环腔48连通，第二冷却液通道50的右端与冷却环槽28连通，支撑套筒15的右侧部前下侧沿径向开设有输水通道51，输水通道51的内端与冷却环槽28连通，输水通道51的外端通过供水接头52连接一根冷却液供液管8。

左侧的启闭门结构包括密闭门53和第三液压油缸，密闭门53的尺寸与左侧的摆出通孔6相适配，密闭门53为与外钻筒2筒壁形状适配的弧形板结构，密闭门53的前后两侧边分别对应滑动连接在摆出通孔6前后两侧边沿的外钻筒2的筒壁内侧面上，第三液压油缸竖向固定安装在外钻筒2的筒壁内左侧且位于密闭门53的正上方，第三液压油缸的活塞杆向下伸出，第三液压油缸的活塞杆下端固定连接密闭门53的上侧边中部，密闭门53外圆设有与外钻筒内圆之间密封连接的密封条。

左侧的支撑机构包括铰接支座54、竖直支撑压板55和第四液压油缸56，铰接支座54通过若干根螺钉固定安装在左侧的安装槽7底部，竖直支撑压板55沿前后方向竖向设置且位于左侧的安装槽7左侧，第四液压油缸56的缸体底部铰接在铰接支座54的上侧部，第四液压油缸56的活塞杆向左上方伸出，第二液压油缸13的活塞杆上端铰接在竖直支撑压板55的右侧面中部上侧，竖直支撑压板55的右侧面中部下侧铰接有第一连杆57，第一连杆57左高右低倾斜设置，第一连杆57的右侧部与铰接支座54的下侧部之间铰接有两根平行的第二连杆58，竖直支撑压板55的左侧面为粗糙面。

钻井钻头1的圆台段外圆周和底面均匀设置有若干个金刚石刀头60，钻井钻头1的上部中心设有进水盲孔61，钻井钻头1的底部设有两个左右对称的出水孔69，钻井钻头1的中部设有两个左右对称的L型出水通道62，L型出水通道62的上端与进水盲孔61连接，L型出水通道62的下端与出水孔69连接，钻井钻头1的底面设置有压力传感器（图未示）。

旋转破碎机构包括第五液压油缸63和破碎液压马达64，第五液压油缸63和破碎液压马达64均同中心竖向设置在破碎盲孔59中，第五液压油缸63的缸体底部固定安装在破碎盲孔59的孔底，破碎液压马达64滑动设置在破碎盲孔59中，第五液压油缸63的活塞杆向下伸出，第五液压油缸63的活塞杆下端固定连接在破碎液压马达64的上部中心，破碎液压马达64的动力轴下端安装有破碎钻头65，第五液压油缸63的外部套装有第三拉簧66，第三拉簧66的上端固定连接在破碎盲孔59的孔底，第三拉簧66的下端固定连接在破碎液压马达64的上部，破碎盲孔59的孔壁沿竖向设置有花键槽67，破碎液压马达64的外壳外圆周沿竖向设置有与花键槽67匹配滑动连接的花键68。

破碎盲孔59共设置九个，其中一个破碎盲孔59位于钻井钻头1的中心处，其余八个破碎盲孔59分为四组，每一组的两个破碎59关于钻井钻头1的中心对称设置，其中一组破碎盲孔59的最外侧位于圆台段下端面的外圆上，四组破碎盲孔59的回转轨迹为四个同心圆环，即四组破碎盲孔59的中心线到钻井钻头1的中心线的径向距离不同。九个破碎盲孔59中心连线呈十字形布置。这样可使九个旋转破碎机构尽多覆盖圆台段下端面，提高对坚硬岩石的切削钻进效果。第一电动截止阀、地面冷却液输送管、密封条和第三液压油缸在图中均未示出，所有的液压管路、控制线路均穿过外钻筒2和钻杆至地面。

本发明的工作原理为：首先通过地面钻井平台驱动外钻筒2和钻井钻头1在地质勘探区域向下钻进，地面冷却液输送管向中心供水管3中输送冷却液，第一电动截止阀处于打开状态，各个第二电动截止阀9处于关闭状态，各个第四液压油缸56的活塞杆均处于收缩状态，各块竖直支撑压板55分别对应收纳在各个安装槽7的槽口，各组取芯组件4分别收纳在相应的容纳腔中，冷却液通过中心供水管3流向钻井钻头1，实现对钻井过程中的钻井钻头1冷却，同时水流将携带钻渣从外钻筒2、钻杆与钻井井壁之间的环腔向上排出，钻井钻头1钻进到预定取样深度时，各组取芯组件4到达相应待采样的岩层位置，停止钻井钻头1的钻进，并且关闭第一电动截止阀，在井口处通过钻杆与钻井井壁的之间的环腔下放泥浆管，泥浆管下端口下放到与钻井钻头1基本接触时停止下放，启动泥浆泵将外钻筒2、钻杆与钻井井壁之间的环腔内的泥浆抽出，为取样提供无水的环境，然后同时控制各个第四液压油缸56的活塞杆伸出，第四液压油缸56的活塞杆推动相应的竖直支撑压板55向外伸出并使竖直支撑压板55紧压在井壁上，使外钻筒2能够稳定支撑在钻井中，再控制第一组取芯组件4上方的第三液压油缸的活塞杆向上收缩，该第三液压油缸的活塞拉动相应的密闭门53向上移动，从而打开与第一组取芯组件4对应的摆出通孔6，然后同时控制第一组取芯组件4的相应两个第一液压油缸12的活塞杆伸出，两个第二液压油缸13的活塞杆收缩，上述的两个第一液压油缸12的活塞杆推动相应的水平支板10从倾斜向上翻转至水平，两个第二液压油缸13也转至水平，然后，启动第一组取芯组件4的取芯液压马达11，打开相应的第二电动截止阀9，取芯液压马达11的动力轴驱动相应的取芯钻杆16高速转动，取芯钻杆16带动取芯钻头18高速转动，控制两个第二液压油缸13的活塞杆同时伸出，两个第二液压油缸13的活塞杆推动取芯液压马达11在相应的导轨14上向外移动，取芯液压马达11向外通过摆出通孔6伸出外钻筒2，取芯钻头18对井壁进行侧向钻进，同时，中心供水管3中的冷却液通过相应的冷却液供液管8、供水接头52、输水通道51、冷却环槽28、第二冷却液通道50、冷却圆环腔48、各个第一冷却液通道49和各个冷却液喷孔从取芯钻头18外端面喷出，实现对取芯钻头18的冷却，取芯钻杆16钻入井壁内一定距离，则在取芯钻头18的钻进作用下，取芯钻杆16的取芯腔17中便填充有一段圆柱形的岩芯，然后两个第二液压油缸13的活塞杆停止动作，通过第一供油管32、第一供油接头31、第一输油通道30、第一液压环槽26和第二供油通道29向液压圆环腔24中泵入液压油，液压圆环腔24中的液压油通过各个第一供油通道25注入到各个环切通孔19中，液压油压力大于各个第一拉簧23的拉力，液压油压迫各个圆柱形环切刀20同步向内移动，各个圆柱形环切刀20的内端向内伸入到取芯腔17中并顶压岩芯的外圆周，各个圆柱形环切刀20随取芯钻杆16一起旋转对岩芯进行切割，各个圆柱形环切刀20在液压油的作用下逐步向内移动，直至各个圆柱形环切刀20的内端伸入到取芯腔17的中心，将岩芯切断，岩芯断面齐平，然后卸油压，液压油压力减小为零，则各个圆柱形环切刀20在各个第一拉簧23的作用下向外移动复位至各个环切通孔19中，取芯液压马达11停止转动，关闭上述的第二电动截止阀9，再通过第二供油管47、第二供油接头46、第二输油通道45、第二液压环槽27和第三供油通道44向圆筒型液压腔41中泵入液压油，其中初始时，预先打开加胶密封盖40，通过加胶通道39向供胶圆环腔37中加满有胶液，再拧紧加胶密封盖40，液压油压力大于第二拉簧43的拉力，液压油压迫挤压活塞42使挤压活塞42向左移动，挤压活塞42挤压胶液，使胶液通过两个扇形喷头36喷出并分别均匀喷在岩芯断面上，胶液渗入到岩芯断面与取芯腔17内壁之间的缝隙并凝固，使岩芯断面与取芯腔17内壁之间的缝隙封堵，确保岩芯中含有的气体不会逸出，然后控制两个第二液压油缸13的活塞杆同步收缩，两个第二液压油缸13的活塞杆拉动取芯液压马达11返回复位，使取芯钻杆16和取芯钻头18从井壁的钻孔中抽出，然后同时控制第一组取芯组件4的相应两个第一液压油缸12的活塞杆收缩，两个第二液压油缸13的活塞杆伸出，上述的两个第一液压油缸12的活塞杆拉动相应的水平支板10从水平向下翻转至倾斜，两个第二液压油缸13也转至倾斜，进而使取芯液压马达11、取芯钻杆16和取芯钻头18重新收纳到外钻筒2内的相应容纳腔中，再控制上述的第三液压油缸的活塞杆向下伸出，第三液压油缸的活塞推动第一个密闭门53向下移动复位，从而关闭与第一组取芯组件4对应的摆出通孔6，然后控制各个第四液压油缸56的活塞杆同时收缩复位，使相应各块竖直支撑压板55重新收纳在各个安装槽7的槽口，各块竖直支撑压板55与井壁分离，如此，便完成第一组岩芯的取芯工作，之后再打开第一电动截止阀，重新启动地面钻井平台，使钻井钻头1继续向下钻进至下一个目标层，使各组取芯组件4到达相应待采样的岩层位置，停止钻井钻头1的钻进，之后同上述取芯过程，第二组取芯组件4在该相应待采样的岩层位置对井壁进行侧向取芯，获得第二个岩芯，如此重复操作，使第三组取芯组件4、第四组取芯组件4均采得相应的岩芯，最后，将外钻筒2、中心供水管3和钻进钻头提出地面，进而将四组取芯组件4同时提到地面上，为了得到取芯腔17中的岩芯，可先将取芯钻头18拆掉，使用刀具将凝固的胶划开，然后，打开加气密封盖35，将气压通道34外端接气泵，通过气压通道34将高压气体注入到气压凹槽33中，气体将岩芯从取芯钻杆16的取芯腔17内推出来。

在钻进过程中，正常情况下，初始各个第五液压油缸63未注液压油，在第三拉簧66的拉动作用下第五液压油缸63的活塞杆处于收缩状态，使破碎液压马达64和破碎钻头65收纳在破碎盲孔59中，如果钻进钻头1遇到较坚硬的岩石时，压力传感器受到较大压力时，压力传感器反馈信息到地面控制站，则通过液压管路向各个第五液压油缸63注液压油，控制各个第五液压油缸63的活塞杆同步向下伸出，各个第五液压油缸63的活塞杆同步推动各个破碎液压马达64向下移动，使各个破碎钻头65的下端伸出破碎盲孔59的下端，同时控制各个破碎液压马达64启动，各个破碎液压马达64的动力轴下端带动破碎钻头65转动，各个破碎钻头65对岩石进行钻进破碎，则各个破碎钻头65自转的同时随钻进钻头1进行公转，从而实现对岩石的破碎，提高对坚硬岩石的切削钻进效果，保证钻进工作顺利进行。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：包括钻井钻头、外钻筒、中心供水管和四组取芯组件，中心供水管同中心设置在外钻筒内，钻井钻头固定安装在外钻筒的下端，外钻筒和中心供水管之间的环腔内圆周阵列设置有四块竖直隔板，四块竖直隔板将外钻筒和中心供水管之间的环腔分隔为四个容纳腔，四组取芯组件圆周阵列分别对应收纳设置在四个容纳腔中，外钻筒的筒壁上对应四组取芯组件开设有四个摆出通孔，外钻筒的筒壁内侧安装有四个分别对应封堵四个摆出通孔的启闭门结构，外钻筒的外圆周上对应取芯组件的上方和下方圆周阵列设置有若干个外侧敞口的安装槽，各个安装槽中均安装有支撑机构，中心供水管的下端设置有位于最下侧一组取芯组件下方的第一电动截止阀，中心供水管的上端与地面冷却液输送管连接，外钻筒上端与最下部的一根标准钻杆下端同轴向螺栓连接，中心供水管的下端固定连接在钻井钻头的中心出水孔上端，中心供水管与各组取芯组件之间均连接有冷却液供液管，各根冷却液供液管上均设置有第二电动截止阀，钻井钻头包括上部的圆柱段和下部的圆台段，圆台段为上粗下细结构，钻井钻头的底面设有若干个底部敞口的破碎盲孔，各个破碎盲孔中均设置有可上下伸缩的旋转破碎机构。

2.根据权利要求1所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：左侧的取芯组件包括水平支板、取芯液压马达、两个第一液压油缸和两个第二液压油缸，水平支板的右侧边前侧和后侧分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板上，水平支板的上表面沿左右方向设置有两条前后间隔设置的导轨，取芯液压马达的底部滑动连接在两条导轨上，取芯液压马达的机壳左侧中部固定设置有套在取芯液压马达的动力轴外部的支撑套筒，取芯液压马达的动力轴外圆周与支撑套筒的内圆周密封转动连接，取芯液压马达的动力轴左端同轴传动连接有取芯钻杆，取芯钻杆的右侧部密封转动连接在支撑套筒中，取芯钻杆的左侧部伸出支撑套筒的左端，取芯钻杆的中部开设有左侧敞口的取芯腔，取芯钻杆的左端连接有取芯钻头，取芯钻头为中空钻头，取芯钻头的内径与取芯腔的内径相同，两个第一液压油缸前后间隔竖向设置在水平支板的下方，两个第一液压油缸的缸体底部分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板上，两个第一液压油缸的活塞杆均向上伸出并分别铰接在水平支板的下表面中部前侧和后侧，两个第二液压油缸前后间隔沿左右方向水平设置在水平支板的上方，两个第二液压油缸的缸体底部分别铰接在相应左侧的两块竖直隔板上，两个第二液压油缸的活塞杆均向左伸出并分别铰接在取芯液压马达的机壳前侧面和后侧面上，取芯钻杆的外圆周左侧部开设有四个圆周阵列的环切通孔，环切通孔沿径向设置，环切通孔的内端与取芯腔的内部连通，环切通孔内密封滑动设置有圆柱形环切刀，环切通孔的外端处取芯钻杆的外圆周上固定连接有用于密封封堵环切通孔的圆形端盖，圆柱形环切刀的内端呈锥形刀刃，圆柱形环切刀的内端与环切通孔的内端齐平，圆柱形环切刀的外端位于环切通孔内，圆柱形环切刀的外端面中部开设有外侧敞口的施力盲孔，施力盲孔的孔底与圆形端盖的内表面中部之间连接有第一拉簧，取芯钻杆的左侧部同中心设有液压圆环腔，取芯钻杆的左侧部设有若干个分别对应连通液压圆环腔与各个环切通孔的第一供油通道，取芯钻杆的外圆周右侧部开设有外侧敞口且左右间隔的第一液压环槽、第二液压环槽和冷却环槽，取芯钻杆的上侧部沿轴向设有连通第一液压环槽与液压圆环腔的第二供油通道，支撑套筒的左侧上部沿径向开设有第一输油通道，第一输油通道的内端与第一液压环槽连通，第一输油通道的外端通过第一供油接头连接有第一供油管，取芯腔的腔底中心设有气压凹槽，取芯钻杆中部下侧设有与气压凹槽连通的气压通道，气压通道的外端位于取芯钻杆下侧部并安装有加气密封盖，取芯钻杆上设置有喷胶防漏气系统，取芯钻头上设置有冷却管路系统。

3.根据权利要求2所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：喷胶防漏气系统包括两个扇形喷头，取芯钻杆的左端部同中心设有位于液压圆环腔左侧的供胶圆环腔，供胶圆环腔的直径小于液压圆环腔的直径，取芯钻杆的左端部前上侧和后下侧均沿径向设有一个喷胶通孔，两个喷胶通孔径向对称，前上侧的喷胶通孔外左内右倾斜设置，两个喷胶通孔的外端均与供胶圆环腔连通，两个喷胶通孔的内端均与取芯腔连通，两个扇形喷头分别对应密封固定安装在两个喷胶通孔中，两个扇形喷头的喷射端分别与两个喷胶通孔的内端齐平，前上侧的扇形喷头朝后下方喷射，后下侧的扇形喷头朝前上方喷射，取芯钻杆的左端部前上侧沿径向设有加胶通道，加胶通道的内端与供胶圆环腔连通，加胶通道的外端安装有加胶密封盖，取芯钻杆的左侧部前上侧沿轴向设有圆筒型液压腔，圆筒型液压腔中密封滑动设置有挤压活塞，挤压活塞的右侧面与圆筒型液压腔的右侧面之间连接有第二拉簧，取芯钻杆的前上侧沿轴向设有连通第二液压环槽与圆筒型液压腔的第三供油通道，取芯钻杆的左端部前上侧沿轴向设有连通供胶圆环腔与圆筒型液压腔的第四供油通道，支撑套筒的中部前上侧沿径向开设有第二输油通道，第二输油通道的内端与第二液压环槽连通，第二输油通道的外端通过第二供油接头连接有第二供油管。

4.根据权利要求3所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：冷却管路系统包括若干个冷却液喷孔，各个冷却液喷孔均匀布置在取芯钻头的左端环面上，取芯钻头的中部同中心设有冷却圆环腔，取芯钻头的左侧部沿轴向设有若干个分别对应连通冷却圆环腔和各个冷却液喷孔的第一冷却液通道，取芯钻头的右侧前下部和取芯钻杆的前下部沿轴向设有左右贯通的第二冷却液通道，第二冷却液通道的左端与冷却圆环腔连通，第二冷却液通道的右端与冷却环槽连通，支撑套筒的右侧部前下侧沿径向开设有输水通道，输水通道的内端与冷却环槽连通，输水通道的外端通过供水接头连接一根冷却液供液管。

5.根据权利要求4所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：左侧的启闭门结构包括密闭门和第三液压油缸，密闭门的尺寸与左侧的摆出通孔相适配，密闭门为与外钻筒筒壁形状适配的弧形板结构，密闭门的前后两侧边分别对应滑动连接在摆出通孔前后两侧边沿的外钻筒的筒壁内侧面上，第三液压油缸竖向固定安装在外钻筒的筒壁内左侧且位于密闭门的正上方，第三液压油缸的活塞杆向下伸出，第三液压油缸的活塞杆下端固定连接密闭门的上侧边中部，密闭门外圆设有与外钻筒内圆之间密封连接的密封条。

6.根据权利要求1-5任一项所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：左侧的支撑机构包括铰接支座、竖直支撑压板和第四液压油缸，铰接支座通过若干根螺钉固定安装在左侧的安装槽底部，竖直支撑压板沿前后方向竖向设置且位于左侧的安装槽左侧，第四液压油缸的缸体底部铰接在铰接支座的上侧部，第四液压油缸的活塞杆向左上方伸出，第二液压油缸的活塞杆上端铰接在竖直支撑压板的右侧面中部上侧，竖直支撑压板的右侧面中部下侧铰接有第一连杆，第一连杆左高右低倾斜设置，第一连杆的右侧部与铰接支座的下侧部之间铰接有两根平行的第二连杆，竖直支撑压板的左侧面为粗糙面。

7.根据权利要求6所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：钻井钻头的圆台段外圆周和底面均匀设置有若干个金刚石刀头，钻井钻头的上部中心设有进水盲孔，钻井钻头的底部设有两个出水孔，钻井钻头的中部设有两个L型出水通道，L型出水通道的上端与进水盲孔连接，L型出水通道的下端与出水孔连接，钻井钻头的底面设置有压力传感器。

8.根据权利要求7所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：旋转破碎机构包括第五液压油缸和破碎液压马达，第五液压油缸和破碎液压马达均同中心竖向设置在破碎盲孔中，第五液压油缸的缸体底部固定安装在破碎盲孔的孔底，破碎液压马达滑动设置在破碎盲孔中，第五液压油缸的活塞杆向下伸出，第五液压油缸的活塞杆下端固定连接在破碎液压马达的上部中心，破碎液压马达的动力轴下端固定安装有破碎钻头，第五液压油缸的外部套装有第三拉簧，第三拉簧的上端固定连接在破碎盲孔的孔底，第三拉簧的下端固定连接在破碎液压马达的上部，破碎盲孔的孔壁沿竖向设置有花键槽，破碎液压马达的外壳外圆周沿竖向设置有与花键槽匹配滑动连接的花键。

9.根据权利要求7所述的多功能地质勘查钻探装置，其特征在于：破碎盲孔共设置九个，其中一个破碎盲孔位于钻井钻头的中心处，其余八个破碎盲孔分为四组，每一组的两个破碎盲孔关于钻井钻头的中心对称设置，其中一组破碎盲孔的最外侧位于圆台段下端面的外圆上，四组破碎盲孔的回转轨迹为四个同心圆环。

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