CN115788341A - 一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩石钻探技术领域，具体公开了一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，包括设置有安装腔的取芯钻头、同轴设置且套装在安装腔内的取芯筒、套装在取芯筒内且与取芯筒之间形成环形腔的内隔层、套装在环形腔内的内衬套筒、套装在内衬套筒内且用于岩芯覆膜的覆膜机构、以及与内衬套筒底部铰接且用于对岩芯底部密封的密封装置；所述取芯筒与取芯钻头转动连接；所述覆膜机构与内衬套筒传动配合且用于控制内衬套筒沿其轴向移动。本发明能在月球极端低温，真空环境中实现对岩芯的随钻成膜，通过膜层保护岩芯内部赋存物质信息与层理结构，保证月球岩芯维持原始真实状态。
Description
技术领域
本发明涉及岩石钻探技术领域，更具体地讲，涉及一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置。
背景技术
月壤月岩中拥有丰富的资源、能源，获取准确反映月球信息的岩芯样本具有重大科学意义，能为月球资源准确勘探评估，建设月球基地，月球演化科学探索提供指导。但受限于月球极端低温、真空极端环境与取芯时外界机械扰动等因素，获取的“普通岩芯”严重失真，岩芯内可挥发性气体散失，难以真实反映月球原位地质层序结构、物理力学特性和物质资源丰度等，造成月基取芯的科学意义降低。因此，需要开发月基随钻保真取芯技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置；能在月球极端低温，真空环境中实现对岩芯的随钻成膜，通过膜层保护岩芯内部赋存物质信息与层理结构，保证月球岩芯维持原始真实状态。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，包括设置有安装腔的取芯钻头、同轴设置且套装在安装腔内的取芯筒、套装在取芯筒内且与取芯筒之间形成环形腔的内隔层、套装在环形腔内的内衬套筒、套装在内衬套筒内且用于岩芯覆膜的覆膜机构、以及与内衬套筒底部铰接且用于对岩芯底部密封的密封装置；所述取芯筒与取芯钻头转动连接；所述覆膜机构与内衬套筒传动配合且用于控制内衬套筒沿其轴向移动。
取芯时，将整个装置垂直放置在月基表面，控制取芯钻头进行取芯，在取芯过程中覆膜机构将对岩芯的外侧面和顶面进行覆膜，对外侧面和顶面进行保护，取芯结束后，将岩芯折断，并整个装置及岩芯上提，在此过程中取芯钻头将带动取芯筒向下运动，覆膜机构将与内衬套筒传动，并驱动内衬套筒向下运动，使得密封装置对于岩芯的底部进行保护和密封；完成后，整个岩芯的表面将被覆膜，通过覆膜保护岩芯内部赋存物质信息与层理结构，保证月球岩芯维持原始真实状态。
在一些可能的实施方式中，为了有效的对于岩芯外侧面的覆膜；
所述覆膜机构包括套装在内衬套筒内且与取芯筒顶部连接的内隔层、套装在内衬套筒内且与内隔层连通形成成膜材料腔的侧面覆膜层、与取芯钻头同轴设置且位于成膜腔内的中心杆、以及位于成膜腔内的传动膜材料；
所述中心杆沿取芯钻头的轴向设置且与成膜腔滑动配合且其远离密封装置的一端贯穿取芯筒；
在一些可能的实施方式中，
所述成膜材料腔的内径与岩芯的外径大小一致。
在一些可能的实施方式中，为了使得中心杆能够与侧面覆膜层和传动膜材料的配合实现对于岩芯外侧的覆膜；
所述中心杆包括位于成膜材料腔内的岩芯活塞、与岩芯活塞同轴连接且另外一端穿过取芯钻头的滑动轴，所述成膜材料设置在岩芯活塞上方。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现覆膜机构能够有效的对内衬套筒施加向下的作用力；
所述内隔层的顶部设置使得成膜材料对于内衬套筒施加向下作用力的U型通道；所述U型通道与成膜材料腔连通。
在一些可能的实施方式中，
所述内衬套筒的顶部与取芯筒的顶部之间形成环形腔体，所述U型通道与环形腔体连通；
在岩芯取样完成后，成膜材料腔内的传动膜材料受取芯钻头向下挤压将穿过U型通道并向内衬套筒施加向下的作用力，在该作用力下密封装置将对于岩芯的底部密封。
在一些可能的实施方式中，
所述侧面覆膜层呈筒状结构，其壁厚与内隔层的壁厚一致；两者相互靠近一侧相互抵接。
在一些可能的实施方式中，
在安装腔的顶部内侧设置有防转轴承，所述取芯筒顶部与防转轴承连接；所述取芯筒与安装腔的内侧面之间存在间隙。
在一些可能的实施方式中，
所述密封装置包括多组沿内衬套筒周向均匀设置且一端分别与内衬套筒底部铰接的密封瓣、以及设置在密封瓣上的底部成膜膜层。
在一些可能的实施方式中，
所述侧面覆膜层、传动膜材料、底部成膜膜层的材质相同，均采用粘弹性高分子材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过覆膜机构、侧面覆膜层以及密封装置的配合能够有效的实现对于岩芯外表面的覆膜；在岩芯的所有表面都形成一体化、均匀无缝隙、完整密封的膜材，膜材发挥其阻隔特性，有效阻挡岩芯的的气体物质挥发，保护岩芯内的原始物质信息，提高取芯价值；
本发明中通过粘弹性高分子材料来制成侧面覆膜层、传动膜材料、底部成膜膜层，使得岩体外侧的覆膜具有良好的自愈合、自成型以及阻隔性能；有效保护月基岩石的原始层理和力学特性。
本发明在取芯过程中，粘弹性高分子材料还将分散取芯钻头所产生的热量，提高取芯钻头的钻进寿命，防止钻头过早损坏。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明中岩芯取样完成后，密封装置未进行岩芯底部封闭时的剖面结构示意图；
图3为本发明中，密封装置将岩芯底部封闭后的剖面结构示意图；
图4为图1中A处的放大示意图；
图5为图2中B处的放大示意图；
图6为图3中C处的放大示意图；
图7为本发明中内衬套筒、侧面覆膜层、密封装置、底部成膜膜层取芯时的的连接关系示意图；
图8为本发明中内衬套筒、侧面覆膜层、密封装置、底部成膜膜层在密封装置将内衬套筒封闭时的连接关系示意图；
其中：1、中心杆；2、取芯钻头；3、防转轴承；4、取芯筒；5、传动膜材料；6、内衬套筒；7、侧面覆膜层；8、密封装置；9、底部成膜膜层；10、顶部覆膜膜层；11、岩芯；12、内隔层；13、岩芯活塞；14、滑动轴。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。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。
下面对本发明进行详细说明。
如图1-图8所示：
一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，包括设置有安装腔的取芯钻头2、同轴设置且套装在安装腔内的取芯筒4、套装在取芯筒4内且与取芯筒4之间形成环形腔的内衬套筒6、套装在内衬套筒6内且用于岩芯11覆膜的覆膜机构、以及与内衬套筒6底部铰接且用于对岩芯11底部密封的密封装置8；所述取芯筒4与取芯钻头2转动连接；所述覆膜机构与内衬套筒6传动配合且用于控制内衬套筒6沿其轴向移动。
取芯时，将整个装置垂直放置在月基表面，控制取芯钻头2进行取芯，在取芯过程中覆膜机构将对岩芯11的外侧面和顶面进行覆膜，对外侧面和顶面进行保护，取芯结束后，将岩芯11折断，取芯钻头2继续钻进，使得岩芯11位于密封装置8的上方，然后将整个装置及岩芯11上提，在此过程中覆膜机构将与内衬套筒6传动，并驱动内衬套筒6向下运动，使得密封装置8对于岩芯11的底部进行保护和密封；完成后，整个岩芯11的表面将被覆膜，通过覆膜保护岩芯11内部赋存物质信息与层理结构，保证月球岩芯维持原始真实状态。
在一些可能的实施方式中，为了有效的对于岩芯11外侧面的覆膜；
所述覆膜机构包括套装在内衬套筒6内且与取芯筒4顶部连接的内隔层12、套装在内衬套筒6内且与内隔层12连通形成成膜材料腔的侧面覆膜层7、与取芯钻头2同轴设置且位于成膜腔内的中心杆1、以及位于成膜腔内的传动膜材料5；
所述中心杆1沿取芯钻头2的轴向设置且与成膜腔滑动配合且其远离密封装置8的一端贯穿取芯筒4；
在进行岩芯11顶部覆膜时，可以采用在岩芯活塞13的底部设置顶部覆膜膜层10，然后进行钻进；也可采用在待在取样位置设置顶部覆膜膜层10，然后进行钻进；采用上述两者方式均能实现对于岩芯11的顶部进行覆膜；
取芯过程中，取芯钻头2旋转并向月基钻进，所取岩芯11将随中心杆1施加作用力，顶部覆膜膜层10立即接触岩芯11并使岩芯11顶部覆膜；在移动过程中中心杆1切割侧面覆膜层7，使得侧面覆膜层7能够覆膜在岩芯11的外侧；
在一些可能的实施方式中，
所述成膜材料腔的内径与岩芯11的外径大小一致。即侧面覆膜层7的内径一致并与岩芯11的外径相同；
在一些可能的实施方式中，为了使得中心杆1能够与侧面覆膜层7和传动膜材料5的配合实现对于岩芯11外侧的覆膜；
所述中心杆1包括位于成膜材料腔内的岩芯活塞13、与岩芯活塞13同轴连接且另外一端穿过取芯钻头2的滑动轴14，所述成膜材料设置在岩芯活塞13上方。
优选的，岩芯活塞13的外径与岩芯11的外径大小一致；
岩芯活塞13在取芯过程中对于侧面覆膜层7刮涂，修整侧面覆膜层7的形状，使侧面覆膜层7自成型为岩芯11相同直径，降低岩芯11进入取芯筒4的阻力。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现覆膜机构能够有效的对内衬套筒6施加向下的作用力；
所述内隔层12的顶部设置使得成膜材料对于内衬套筒6施加向下作用力的U型通道；所述U型通道与成膜材料腔连通。
在一些可能的实施方式中，
所述内衬套筒6的顶部与取芯筒4的顶部之间形成环形腔体，所述U型通道与环形腔体连通；
在取芯结束后，将对岩芯11折断，控制取芯钻头2继续向下钻进，使得岩芯11底部全部位于内衬套筒6内，且岩芯11的底部位于密封装置8的上方；将整个装置与岩芯11向上提，在上提过程中，岩芯活塞13与取芯桶4配合持续挤压其上方的传动膜材料5，使得传动膜材料5通过U型通道并进入环形腔内向内衬套筒6施加向下的作用力，使得与内衬套筒6底部铰接的密封装置8绕铰接点旋转，从而实现对于岩芯11底部的保护和封闭，此时岩芯活塞13上方的传动膜材料5将全部被挤压进入环形腔内，岩芯活塞13的顶部将与内衬套筒6的顶部抵接。
在一些可能的实施方式中，
所述侧面覆膜层7呈筒状结构，其壁厚与内隔层12的壁厚一致；两者相互靠近一侧相互抵接。
采用该设置将有效的保证岩芯活塞13能够在成膜材料腔内沿竖向做直线运动，对于侧面覆膜层7进行修整处理。
在一些可能的实施方式中，
在安装腔的顶部内侧设置有防转轴承3，所述取芯筒4顶部与防转轴承3连接；所述取芯筒4与安装腔的内侧面之间存在间隙。
优选的，防转轴承3包括与取芯钻头2连接的外圈、套装在外圈内且与外圈转动配合的内圈，内圈与的顶部与取芯筒4的顶部连接，中心杆1中的滑动轴14将穿过内圈并伸出取芯钻头2的顶部；在取芯过程中，中心杆1和内衬套筒6不会随着取芯钻头2的转动而转动，中心杆1与取芯筒4只沿其轴线做直线运动，且中心杆1向远离岩芯11的一侧运动，取芯筒4向靠近岩芯11的一侧运动，从而对于内衬套筒6内的侧面覆膜层7进行刮涂修整，使得能够覆膜在岩芯11的外侧。
设置防转轴承3，使得取芯筒4不产生旋转，降低对岩芯11和岩芯11外侧覆膜的损伤。
在一些可能的实施方式中，
所述密封装置8包括多组沿内衬套筒6周向均匀设置且一端分别与内衬套筒6底部铰接的密封瓣、以及设置在密封瓣上的底部成膜膜层9。
优选的，密封瓣呈花瓣状，其一端与内衬套筒6的底部铰接；多组密封瓣相互配合将内衬套筒6的底部可实现封闭；在取芯过程中密封瓣上的成膜材料将与侧面覆膜层7在同一内侧面上；在取芯完成进行密封时，密封瓣绕铰接点向靠近内衬套筒6的一侧旋转，将使得底部成膜膜层9位于岩芯11的底部并对于岩芯11底部覆膜；
进一步的，密封瓣的外侧呈倾斜设置，且由上至下向靠近岩芯11的一侧倾斜，在内衬套筒6的底部设置有与密封瓣配合的斜面，两个斜面的配合使得在密封时，密封瓣更加容易对于岩芯11底部封闭。
在一些可能的实施方式中，
所述侧面覆膜层7、传动膜材料5、底部成膜膜层9、顶部覆膜膜层10的材质相同，均采用粘弹性高分子材料制成。
这里所描述的粘弹性高分子材料可以为聚硼硅氧烷、有机硅、橡胶、聚醚硫脲、聚氨酯、聚氨酯脲、环氧树脂、聚醋酸乙烯酯、聚己内酯中的一种或多种；具备自成型性能，在受定向外力作用下产生蠕变、延展形成特定形状的特性；具备自愈合性能，在覆膜受外力断裂，将断裂面接触后，材料分子链中可逆动态建自动键合，重新结合形成完整一体化膜材的特性；具备阻隔性能，能够阻隔气体分子通过的特性。这些侧面覆膜层7、传动膜材料5、底部成膜膜层9能在月基极端环境(月昼平均温度约107℃，月夜平均温度约-153℃、真空)中保持自身结构稳定性，但需至少在-40℃以上时，分子链能保持较高活性，才能稳定发挥其自成型、自愈合性能。
在取芯过程中，取芯钻头2将产生大量热量，该热量将传导至取芯筒4内部，加热取芯筒4内部的膜材(侧面覆膜层7、传动膜材料5、底部成膜膜层9)至-40℃以上，使其能发挥其自成型、自愈合特性；取芯结束完成后，在取芯钻头2钻进生热的作用下，使取芯筒4内部膜材的温度达到-40℃以上，膜材具备自愈合能力。取芯后膜材(顶部覆膜膜层10、侧面覆膜层7、传动膜材料5、底部成膜膜层9)，岩芯11外侧与顶面、底面的覆膜层的结合点位置均产生自愈合重组；最终在岩芯11的所有表面都形成一体化、均匀无缝隙、完整密封的膜材，膜材发挥其阻隔特性，有效阻挡岩芯11的的气体物质挥发，保护岩芯11内的原始物质信息，提高取芯价值。
进一步的，侧面覆膜层7、顶部覆膜膜层10、底部成膜膜层9、传动膜材料5的厚度相等，为1-3mm。
实施例：
采用本发明的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置进行取芯时，首先在岩芯活塞13的底部附上顶部覆膜膜层10，将本装置垂直安装在月基岩石的表面；然后进行钻进取芯；
岩芯顶部成膜：
如图1所示，在钻进取芯时，取芯钻头2钻进，岩芯11将进入成膜材料腔，岩芯活塞底部的顶部覆膜膜层10将自动与岩芯11顶部贴合，在岩芯顶部完整成膜；
岩芯侧面成膜：
如图2所示，取芯过程中，中心杆1保持静止，取芯钻头2旋转和直线复合钻进运动。取芯钻头2在钻进月基岩石将产生大量热量，热量传导至取芯筒4内部，加热取芯筒4内部的膜材至-40℃以上，使膜材能发挥其自成型、自愈合特性。同时，可分散钻头中产热，提高钻头的钻进寿命，防止钻头过早损坏。
通过防转轴承3，取芯筒4可直线向下运动，不产生旋转，降低对岩芯11和膜材的损伤。随钻过程中，中心杆1与取芯筒4、岩芯侧面预成型膜材料7产生相对运动，中心杆1的岩芯活塞13与岩芯11直径相同，随钻刮涂侧面覆膜层7，修整岩芯11侧面的侧面覆膜层7的形状，使岩芯11的侧面覆膜层7自成型为岩芯11相同的直径，降低岩芯11进入取芯筒4的阻力。由于膜材具备柔软自成型特性，能有效贴合岩芯11的侧面均匀完整成膜，通过软接触缓冲取芯钻头2冲击钻进的机械干扰，有效保护月基岩石的原始层理和力学特性。
岩芯底面成膜：
如图3所示，取芯完成后，岩芯11底部被切断，取芯钻头2与取芯筒4继续向下钻进一段，中心杆1静止；使得岩芯11底部全部位于内衬套筒6内，且岩芯11的底部位于密封装置8的上方；将整个装置与岩芯11向上提，在上提过程中，岩芯活塞13与取芯钻头2、取芯筒4做相向运动，从而实现挤压传动膜材料5，使传动膜材料5发生自成型流动，流动到取芯筒4与取芯筒内隔层12之间的环形空间中，并推动内衬套筒6的顶端，迫使内衬套筒6向下运动；内衬套筒6带动取芯筒4底部密封花瓣片8向下运动，取芯筒4底部密封花瓣片8底部与取芯筒4下底部斜面接触，在相互作用力下，使取芯筒4底部密封花瓣片8以铰支座为中心向内收缩，在岩芯11底部形成机械闭合。附着于取芯筒4底部密封花瓣片8之上的岩芯底部预成型膜材料9在机械力辅助作用下也完成收合，与岩芯11底部贴合。
取芯动作完成后，在取芯砖头2钻进生热的作用下，使取芯筒3内部膜材的温度达到-40℃以上，膜材具备自愈合能力。取芯后膜材重新的结合点，如中心杆1底部的顶部覆膜膜层10与内衬套筒6内壁的侧面覆膜层7顶部重新接触，产生自愈合重组；内衬套筒6内壁的侧面覆膜层7底部与闭合后的取芯筒底部密封花瓣片8上的底部成膜膜层9重新接触，产生自愈合重组；取芯筒底部密封花瓣片8上的岩芯11底部底部成膜膜层99闭合后相互接触，产生自愈合重组。最终在岩芯11的所有表面都形成一体化、均匀无缝隙、完整密封的膜材，膜材发挥其阻隔特性，有效阻挡岩芯的的气体物质挥发，保护岩芯11内的原始物质信息，提高取芯价值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，包括设置有安装腔的取芯钻头、同轴设置且套装在安装腔内的取芯筒、套装在取芯筒内且与取芯筒之间形成环形腔的内隔层、套装在环形腔内的内衬套筒、套装在内衬套筒内且用于岩芯覆膜的覆膜机构、以及与内衬套筒底部铰接且用于对岩芯底部密封的密封装置；所述取芯筒与取芯钻头转动连接；所述覆膜机构与内衬套筒传动配合且用于控制内衬套筒沿其轴向移动。
2.根据权利要求1所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述覆膜机构包括套装在内衬套筒内且与取芯筒顶部连接的内隔层、套装在内衬套筒内且与内隔层连通形成成膜材料腔的侧面覆膜层、与取芯钻头同轴设置且位于成膜腔内的中心杆、以及位于成膜腔内的传动膜材料；
所述中心杆沿取芯钻头的轴向设置且与成膜腔滑动配合且其远离密封装置的一端贯穿取芯筒。
3.根据权利要求2所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于；所述成膜材料腔的内径与岩芯的外径大小一致。
4.根据权利要求2所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述中心杆包括位于成膜材料腔内的岩芯活塞、与岩芯活塞同轴连接且另外一端穿过取芯钻头的滑动轴，所述成膜材料设置在岩芯活塞上方。
5.根据权利要求2所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述内隔层的顶部设置使得成膜材料对于内衬套筒施加向下作用力的U型通道；所述U型通道与成膜材料腔连通。
6.根据权利要求5所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述内衬套筒的顶部与取芯筒的顶部之间形成环形腔体，所述U型通道与环形腔体连通；
在岩芯取样完成后，成膜材料腔内的传动膜材料受取芯钻头向下挤压将穿过U型通道并向内衬套筒施加向下的作用力，在该作用力下密封装置将对于岩芯的底部密封。
7.根据权利要求2所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述侧面覆膜层呈筒状结构，其壁厚与内隔层的壁厚一致；两者相互靠近一侧相互抵接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，在安装腔的顶部内侧设置有防转轴承，所述取芯筒顶部与防转轴承连接；所述取芯筒与安装腔的内侧面之间存在间隙。
9.根据权利要求2-7任一项所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述密封装置包括多组沿内衬套筒周向均匀设置且一端分别与内衬套筒底部铰接的密封瓣、以及设置在密封瓣上的底部成膜膜层。
10.根据权利要求9所述的一种月基极端环境随钻成膜保真取芯装置，其特征在于，所述侧面覆膜层、传动膜材料、底部成膜膜层的材质相同，均采用粘弹性高分子材料制成。
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