CN113513255A - 深冰下基岩取芯钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深冰下基岩取芯钻具，包括钻具和驱动钻具转动的驱动装置；所述驱动装置包括套设在钻具外的刚性环体；所述刚性环体内圈壁上开设有环形凹槽；所述凹槽内嵌设有环形高强度密封弹性套体；所述弹性套体内填充有电流变液；所述电流变液通过外部电场控制相态；通过一可开闭的输送管控制弹性套体内电流变液的量；所述刚性环体外圈沿径向开设有直齿；该钻具利用电流变液的特性，能够克服现有钻探取芯技术的难点，高效稳定的完成取芯工作，能够适用于不同粗度的钻杆，通过间歇扭转的方式实现钻杆的稳定旋转，能够有效避免钻杆折断，取芯破损率低，整体结构简单，体积小，可模块化拆装，从而适用于恶劣的野外探测环境。

Description

深冰下基岩取芯钻具

技术领域

本发明涉及一种勘探设备领域，具体为深冰下基岩取芯钻具。

背景技术

南北极在全球海平面变化和碳循环中扮演着关键角色，并蕴藏着地球如何从新生代初期的温室转向现代冰室演变过程的关键信息，因而成为地球科学研究的热点地区。极地地质钻探计划(如DSDP/ODP/IODP/ICDP)研究所取得的成就令人瞩目，刷新了人类对过去全球变化的认识，成为探究地球气候系统演化的一个窗口。通过这些钻探计划，发现了新生代以来气候变冷，南北极冰盖几乎同时形成；揭示了南极冰盖形成和陆地风化的加剧，导致南极中深层水和底层水的生产加速并向北推进，造成全球大洋环流的重大变化；南大洋对大气CO2的调控作用、全球大洋深部循环、营养盐的分布和海洋生产力等多方面在不同时间尺度上都发挥着重要作用；检验了南北极冰盖形成和消融与海平面变化的关系，为人类预测未来海平面变化提供了历史依据。未来的南北极国际大洋发现(IODP)计划将继续关注于极地冰盖的演变历史、南大洋古海洋学演变历史，追踪北极海—陆环境的联系及其对全球气候的影响。这些结果将对未来全球气候预测提供重要的参考和边界条件。

在极地钻探技术领域中，深冰下基岩取芯是一个重要的样品获取和研究方向及一句，深冰下基岩取芯一般采用铠装电缆式电动机械取芯钻具或长钻杆式取芯钻机，由于冰层的坚硬和光滑特性，前者难以保障钻取的平直性，获得的取芯样本不准确，后者设备体积大、重量重、需要现场架设较高的支架，安装要求高，钻杆容易折断。

发明内容

本发明提供深冰下基岩取芯钻具，该钻具利用电流变液的特性，能够克服现有钻探取芯技术的难点，高效稳定的完成取芯工作，能够适用于不同粗度的钻杆，通过间歇扭转的方式实现钻杆的稳定旋转，能够有效避免钻杆折断，取芯破损率低，整体结构简单，体积小，可模块化拆装，从而适用于恶劣的野外探测环境。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

深冰下基岩取芯钻具，包括钻具和驱动钻具转动的驱动装置；所述驱动装置包括套设在钻具外的刚性环体；所述刚性环体内圈壁上开设有环形凹槽；所述凹槽内嵌设有环形高强度密封弹性套体；所述弹性套体内填充有电流变液；所述电流变液通过外部电场控制相态；通过一可开闭的输送管控制弹性套体内电流变液的量；所述刚性环体外圈沿径向开设有直齿；一个或多个齿轮与所述直齿啮合传动；一个或多个电机通过扭矩变速箱驱动齿轮转动。

其中，一个或多个液压装置或直线电机支撑并调节刚性环体的高度。

其中，所述钻具包括转杆和钻头；所述钻杆包括外筒，所述外筒外圆周壁开设有旋进螺纹；所述外筒内部套接有收集外管，所述收集外管内部放置有收集内管，所述钻头可拆卸连接在外筒底端；所述收集外管顶端两边部开设有L型槽，所述L型槽底端外侧边部连接有弹簧，所述弹簧一端连接有限位销，所述限位销顶端嵌入有插销，所述插销顶端固定安装有拉手；

其中，所述收集内管顶端固定安装有端盖，所述端盖顶端连接有把手，所述收集内管内侧顶部连接有限位弹簧，所述限位弹簧底端连接有底板，所述底板与收集内管内壁密封滑动配合；所述底板与端盖之间的收集内管内壁上设置有行程开关，所述底板至收集内管底端开放端的收集内管内壁上抵靠有至少两片弧形收集板。

其中，所述外筒内壁开设有多个环形槽，所述收集外管外壁开设有多个环形槽，所述外筒与收集外管之间分布有多个连接环，所述连接环与环形槽均契合连接，使外筒与收集外管转动连接。

其中，所述收集内管正对L型槽槽口处开设有孔，所述限位销外壁契合孔内壁。

其中，所述收集内管内壁与弧形收集板之间均匀镶嵌有滚珠。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便；

1、本发明利用电流变液的特性，能够克服现有钻探取芯技术的难点，高效稳定的完成取芯工作，能够适用于不同粗度的钻杆，通过间歇扭转的方式实现钻杆的稳定旋转，能够有效避免钻杆折断，取芯破损率低，整体结构简单，体积小，可模块化拆装，从而适用于恶劣的野外探测环境。

2、本发明外筒外壁设置旋进螺纹，一方面利用旋进螺纹将外筒受到的径向扭转力转化为轴向掘深力；另一方面可以增加弹性套体与外筒表面的接触面积，增强紧箍力。

3、本发明的转杆由外至内依次设置外筒、收集外管、收集内管以及弧形收集板；收集外管设置在外筒与收集内管之间，一方面因为再收集外管与收集内管之间只用了简单便捷的插销结构，进而还利用了收集外管与外筒之间的连接环结构，从而为收集内筒提供了支撑；另一方面利用收集外管与外筒之间的连接环结构配合地下泥土的阻力还能够使收集内筒不跟随外筒转动，从而保障了取芯样本的稳定。

4、本发明由于采用对钻杆扭转的方式实现钻探取芯，因此钻杆尾部可以简单快速的连接钻杆分段，从而提高钻探效率，降低安装和拓长难度；而且钻杆受力均匀，承力面积大，不易损害钻杆，能够有效避免钻杆折断。

5、本发明一是解决了现有技术中钻杆容易折断，弯曲的问题；二是解决了取芯样本在取芯过程中容易因震动、抖动或碰撞损坏的问题；三是解决了取芯样品在取出过程中容易损坏的问题；四是解决了现有取芯设备大，结构复杂，难以运输和在恶劣环境中工作的弊端；五是解决了对于现有的不同型号尺寸钻杆的适应问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明驱动装置的结构示意图；

图2是本发明钻具的结构示意图；

图3是本发明钻具的剖视示意图；

图4是本发明去除外筒后的钻杆的结构示意图；

图5是本发明图4的A区域结构示意图；

图6是本发明收集内管的结构示意图；

图7是本发明弧形收集板被限位弹簧部分弹出的结构示意图；

图8是本发明弧形收集板的结构示意图。

图中标号：

1、外筒；11、旋进螺纹；201、刚性环体；202、环形凹槽；203、弹性套体；204、电流变液；205、输送管；206、直齿；207、齿轮；208、电机；209、扭矩变速箱；210、液压装置或直线电机；3、钻头；401、收集外管；402、收集内管；403、L型槽；404、弹簧；405、限位销；406、插销；407、拉手；408、端盖；409、把手；411、限位弹簧；412、底板；415、行程开关；416、弧形收集板；5、连接环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1-8所示，本发明提供一种技术方案，

深冰下基岩取芯钻具，包括钻具和驱动钻具转动的驱动装置；所述驱动装置包括套设在钻具外的刚性环体201；所述刚性环体201内圈壁上开设有环形凹槽202；所述凹槽202内嵌设有环形高强度密封弹性套体203；所述弹性套体203内填充有电流变液204；所述电流变液204通过外部电场控制相态；通过一可开闭的输送管205控制弹性套体203内电流变液204的量；所述刚性环体201外圈沿径向开设有直齿206；一个或多个齿轮207与所述直齿206啮合传动；一个或多个电机208通过扭矩变速箱209驱动齿轮207转动。

进一步的，一个或多个液压装置或直线电机210支撑并调节刚性环体201的高度。

进一步的，所述钻具包括转杆和钻头3；所述钻杆包括外筒1，所述外筒1外圆周壁开设有旋进螺纹11；所述外筒1内部套接有收集外管401，所述收集外管401内部放置有收集内管402，所述钻头3可拆卸连接在外筒1底端；所述收集外管401顶端两边部开设有L型槽403，所述L型槽403底端外侧边部连接有弹簧404，所述弹簧404一端连接有限位销405，所述限位销405顶端嵌入有插销406，所述插销406顶端固定安装有拉手407；

进一步的，所述收集内管402顶端固定安装有端盖408，所述端盖408顶端连接有把手409，所述收集内管402内侧顶部连接有限位弹簧411，所述限位弹簧411底端连接有底板412，所述底板412与收集内管402内壁密封滑动配合；所述底板412与端盖408之间的收集内管402内壁上设置有行程开关415，所述底板412至收集内管402底端开放端的收集内管402内壁上抵靠有至少两片弧形收集板416。

进一步的，所述外筒1内壁开设有多个环形槽，所述收集外管401外壁开设有多个环形槽，所述外筒1与收集外管401之间分布有多个连接环5，所述连接环5与环形槽均契合连接，使外筒1与收集外管401转动连接。

进一步的，所述收集内管402正对L型槽403槽口处开设有孔，所述限位销405外壁契合孔内壁。

进一步的，所述收集内管402内壁与弧形收集板416之间均匀镶嵌有滚珠。

本发明的工作原理及使用流程：将钻杆竖立在钻地取芯位置，套入刚性环体201，立起液压装置或直线电机210并与支撑和连接刚性环体201，安装固定电机208并使齿轮207与刚性环体201上的直齿206下部啮合；通过输送管205向弹性套体203内加压泵入电流变液204，使弹性套体203鼓起并紧箍外筒1外圆周面；外部电场对电流变液204施加强电场，使弹性套体203内的电流变液由液态瞬间转化为固态；电机208启动并通过扭矩变速箱209提高扭矩后通过齿轮207带动刚性环体201转动，刚性环体201此时抱夹外筒1，从而带动外筒1转动，并在外筒1外表面的旋进螺纹11作用下向地下旋进；也可在外筒1上端施加下压力以提高进给速度；在旋进的过程中，泥土等被压入收集内管402内，并推动底板412向顶端移动同时在这过程中压缩纤维弹簧411，且被多个弧形收集板416一起夹持；当底板412移动至触碰行程开关415后，行程开关触发施加在电流变液204上的电场关闭，电流变液204瞬间转化为液体，电机208无法再驱动钻杆转动；向外抽出部分电流变液204使刚性环体201和外筒1分离；

暂时关闭电机208(也可不关闭)，液压装置或直线电机210提升刚性环体201至初始高度，重复上述过程；

取芯时，反转电机208使外筒1反向转出地面，拔除插销406，限位销405在弹簧404的作用下复位，收集内管402与收集外管402分离，通过把手拔出收集内管402；此时，由于不再受到泥土挤压，弧形收集板416及被夹持在多块弧形收集板416之间的泥土样本在限位弹簧411的回复力下由收集内管402下端开放端部分弹出，此时操作者只需要抱紧或捆扎弧形收集板416避免泥土散掉即可将泥土芯整体拔出。

为了获得不同深冰下基岩的样本，当转杆本身的长度无法满足需求时，可在外筒1下端连接加长筒，从而延长泥土芯的长度，也可在挖掘过程中在外筒1上端(顶端)连接加长筒，使钻具整体成为一个新的复合钻头。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：包括钻具和驱动钻具转动的驱动装置；所述驱动装置包括套设在钻具外的刚性环体(201)；所述刚性环体(201)内圈壁上开设有环形凹槽(202)；所述凹槽(202)内嵌设有环形高强度密封弹性套体(203)；所述弹性套体(203)内填充有电流变液(204)；所述电流变液(204)通过外部电场控制相态；通过一可开闭的输送管(205)控制弹性套体(203)内电流变液(204)的量；所述刚性环体(201)外圈沿径向开设有直齿(206)；一个或多个齿轮(207)与所述直齿(206)啮合传动；一个或多个电机(208)通过扭矩变速箱(209)驱动齿轮(207)转动。

2.如权利要求1所述的深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：一个或多个液压装置或直线电机(210)支撑并调节刚性环体(201)的高度。

3.如权利要求1所述的深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：所述钻具包括转杆和钻头(3)；所述钻杆包括外筒(1)，所述外筒(1)外圆周壁开设有旋进螺纹(11)；所述外筒(1)内部套接有收集外管(401)，所述收集外管(401)内部放置有收集内管(402)，所述钻头(3)可拆卸连接在外筒(1)底端；所述收集外管(401)顶端两边部开设有L型槽(403)，所述L型槽(403)底端外侧边部连接有弹簧(404)，所述弹簧(404)一端连接有限位销(405)，所述限位销(405)顶端嵌入有插销(406)，所述插销(406)顶端固定安装有拉手(407)。

4.如权利要求3所述的深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：所述收集内管(402)顶端固定安装有端盖(408)，所述端盖(408)顶端连接有把手(409)，所述收集内管(402)内侧顶部连接有限位弹簧(411)，所述限位弹簧(411)底端连接有底板(412)，所述底板(412)与收集内管(402)内壁密封滑动配合；所述底板(412)与端盖(408)之间的收集内管(402)内壁上设置有行程开关(415)，所述底板(412)至收集内管(402)底端开放端的收集内管(402)内壁上抵靠有至少两片弧形收集板(416)。

5.如权利要求4所述的深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：所述外筒(1)内壁开设有多个环形槽，所述收集外管(401)外壁开设有多个环形槽，所述外筒(1)与收集外管(401)之间分布有多个连接环(5)，所述连接环(5)与环形槽均契合连接，使外筒(1)与收集外管(401)转动连接。

6.如权利要求5所述的深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：所述收集内管(402)正对L型槽(403)槽口处开设有孔，所述限位销(405)外壁契合孔内壁。

7.如权利要求6所述的深冰下基岩取芯钻具，其特征在于：所述收集内管(402)内壁与弧形收集板(416)之间均匀镶嵌有滚珠。

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