CN116378590A - 一种深地取芯的钻探系统 - Google Patents

Abstract

一种深地取芯的钻探系统，属于地质勘探技术领域。其特征在于：包括钻探装置（5），钻探装置（5）包括驱动电机（9），在驱动电机（9）的外部设置有驱动钻探装置（5）轴向移动的驱动机构，在驱动电机（9）的底部可转动的设置有钻孔机构，驱动电机（9）的电机轴（11）与钻孔机构固定，电机轴（11）为空心轴，钻孔机构为空心结构，电机轴（11）和钻孔机构轴心腔体上下对接，取芯装置（15）放置在电机轴（11）和钻孔机构的轴心腔体内。在本深地取芯的钻探系统中，在钻探装置内设置有驱动电机，驱动电机带动钻孔机构转动进行钻孔，从根本上克服了驱动电机因钻杆过长而扭力不足的情况，以使得该钻机与传统钻机相比能钻进更深的距离。

Description

一种深地取芯的钻探系统

技术领域

一种深地取芯的钻探系统，属于地质勘探技术领域。

背景技术

地层钻探取芯是进行地质勘探的重要手段，是进行工程地质勘察、矿物勘探、地层岩性勘探、地层年代划分、古气候及地质构造运动推演的重要技术手段，目前所应用的钻机在进行深层地质勘探时，往往需要在钻井口架设笨重的机架、使用高扭矩的钻机，对岩层进行钻孔，最后达到预定深度之后通过取芯装置进行取芯操作。

但是在进行钻探过程中，受到井壁的摩擦力等因素的影响，钻机的扭矩传达到深部地层的钻头时出现扭力损失，达不到预定的深度，造成取芯失败。同时，为了防止井壁变形，需要将钻杆及钻头提出井外才能进行下套管等护壁措施，这些影响使得钻进效率大打折扣。

因此设计一种自带动力，以避免现有技术中深层钻孔时因扭力下降而导致取芯失败的技术方案，成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在钻探装置内设置有驱动电机，驱动电机带动钻孔机构转动进行钻孔，从根本上克服了驱动电机因钻杆过长而扭力不足的情况，以使得该钻机与传统钻机相比能钻进更深距离的深地取芯的钻探系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该深地取芯的钻探系统，其特征在于：包括钻探装置，钻探装置包括驱动电机，在驱动电机的外部设置有驱动钻探装置轴向移动的驱动机构，在驱动电机的底部可转动的设置有钻孔机构，驱动电机的电机轴与钻孔机构固定，电机轴为空心轴，钻孔机构为空心结构，电机轴和钻孔机构轴心腔体上下对接，取芯装置放置在电机轴和钻孔机构的轴心腔体内。

优选的，钻孔机构包括扩张钻、钻杆和钻头，电机轴在扩张钻的内部与之固定，钻杆同心固定在在扩张钻下端，钻头固定在钻杆的底部。

优选的，驱动机构包括固定在驱动外壳表面的铰接装置，机械臂一端安装在铰接装置处，在铰接装置处设置有驱动机械臂转动的电机，机械臂的另一端设置有驱动轮，在机械臂处设置有带动驱动轮转动的电机。

优选的，在扩张钻处还设置有扩孔机构。

优选的，扩孔机构包括摆动臂，摆动臂一端与扩张钻铰接，另一端安装有扩张锤，扩张钻的外围还套装有扩张滑块，扩张滑块沿扩张钻的轴向上下滑动，扩张滑块位于所有摆动臂的下部。

优选的，在扩张钻顶部圆形凸台的下表面开设有摆动槽，摆动槽，沿扩张钻的轴线开设，并在扩张钻的外圈均匀开设有多个，摆动臂铰接在摆动槽内。

优选的，扩孔机构包括活动槽，活动槽沿扩张钻的径向开设，并在扩张钻的外圈均匀开设有多个，在每一个活动槽内，分别可伸缩的安装有一个扩张齿。

优选的，还设置有与钻探装置对接的取芯冷却管，在取芯冷却管内形成第一通道，钻探装置内设置有第二通道，在钻孔机构内形成第三通道，第一通道、第二通道以及第三通道自上而下依次对接。

优选的，取芯冷却管包括取芯管以及套装在取芯管外圈的钻井液管，取芯管和钻井液管之间为第一通道，取芯管与空心的电机轴对接，钻井液管与驱动外壳的顶部端口对接；

在驱动电机的外部套装有驱动外壳，驱动电机和驱动外壳之间形成第二通道；

在扩张钻内开设有若干扩张钻通道，在钻杆内轴向开设有钻杆通道，钻杆通道与其中一条扩张钻通道对接，在钻头内开设有与钻杆通道对接的钻头通道，扩张钻通道、钻杆通道以及钻头通道对接形成第三通道。

优选的，驱动机构设置在驱动外壳的表面，钻孔机构可转动的卡装在驱动外壳的下端口处。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本深地取芯的钻探系统中，在钻探装置内设置有驱动电机，驱动电机带动钻孔机构转动进行钻孔，从根本上克服了驱动电机因钻杆过长而扭力不足的情况，以使得该钻机与传统钻机相比能钻进更深的距离。真正地克服了钻机在钻进到一定深度后扭力不足的问题，加大钻进深度，能够应用于实际，便于在本领域内推广应用。

2、由于扩张钻连接在驱动电机的中空轴上，上缘与动力系统外壳滑动连接，保证了在钻进过程中扩张钻发生转动而驱动电机不发生转动。扩张钻内部开设有允许钻井液通过的空洞和管道，能够使得钻井液在其中通过并在扩张钻表面喷出。同时扩张钻表面布设有螺纹，增大了扩张钻与围岩之间的作用力，提高钻进效率。

3、由于钻杆与钻头内部设置有钻井液通道，能够使得钻井液在其下部喷出，起到冷却钻头和钻杆的目的。

4、由于驱动电机1外侧安装有驱动外壳，能起到很好的保护电机的作用，避免因上方落石而阻碍驱动电机的运行。同时驱动外壳与驱动电机之间存在一定空间，能够允许钻井液在其中通过，起到冷却电机的作用，避免电机因过热而停止运行。驱动外壳上部开设有钻井液释放孔，允许钻井液从中喷出，起到将周围岩土体吹走的作用。

5、通过设置下支撑机构，使得能够通过控制指令来控制铰接装置的伸展和收缩，从而起到将驱动电机固定在钻孔壁上的作用，防止驱动电机在钻进过程中晃动。驱动器顶端滚轮的存在减小了驱动器与钻孔壁之间的摩擦力，能够让驱动电机沿着钻孔壁上下运动。

6、由于电缆由两根主线组成，其间以三角形结构联结，提高了结构的稳定性。电缆具有较强的强度，能够将钻具从钻井中带出。驱动电机所需的电源线能固定在电缆上，为钻机提供电源，防止电源线在钻进过程中被破坏。

7、由于钻井液管套在取芯套管外部，钻井液管、取芯管分别与驱动外壳、驱动电机连接，两者之间固定装置刚性连接，构成双层管结构，钻井液能够在其间通过。同时，双层管结构之间通过刚性结构支撑，将两者之间的相对位置固定，防止发生偏斜。双层管结构、驱动外壳、扩张钻的钻井液释放孔、钻头钻井液通道构成完整的冷却系统，避免钻具在钻进过程中温度过高。同时可以利用钻井液的压力将钻孔中的土石清出。

8、由于双层管结构的任意位置处都可以加装加压泵，能够使通过钻井液管内部的流体压力增大从而避免驱动电机因过热导致钻井液流通不畅以及随深度增加钻井液难以到达井底的问题。

9、由于钻井液管外侧设置有上支撑机构，能够起到在钻进过程中支撑钻井液管的作用，使其保持竖直状态，防止其在钻进中发生偏斜。

10、由于护管具有较强的弹性和强度，使得护管能够到达一定深度后利用自身的弹性将其撑开，固定在钻孔壁上，对钻孔壁起到支撑作用，防止钻孔壁周围的松散岩土体掉落而影响钻进工作。

11、由于支撑体能够实现在向下钻进时张开，起到扩孔作用，同时向上移动时，支撑体收缩，使得钻机在护管护壁工作进行完之后仍能从钻孔中将钻机提出地面。

附图说明

图1为深地取芯的钻探系统工作示意图。

图2为实施例1深地取芯的钻探系统剖视图。

图3为图2中A处放大图。

图4为图2中B处放大图。

图5为图2中C处放大图。

图6为图2中D处放大图。

图7为图2中E处放大图。

图8为弹性护管俯视图。

图9为实施例2深地取芯的钻探系统剖视图。

图10为图9中F处放大图。

图11为实施例3深地取芯的钻探系统剖视图。

图12为图11中A-A向剖视放大图。

其中：1、取芯冷却管 2、电缆 3、岩层 4、弹性护管 5、钻探装置 6、取芯管 7、钻井液管 8、钻井液释放孔 9、驱动电机 10、驱动外壳 11、电机轴 12、扩张钻 13、钻杆 14、钻头 15、取芯装置 16、副支撑臂 17、支撑轮 18、主支撑臂 19、支撑弹簧 20、支撑连接段21、滑环 22、卡扣 23、摆动槽 24、摆动臂 25、扩张锤 26、扩张滑块 27、扩张钻通道 28、钻杆通道 29、驱动轮 30、机械臂 31、铰接装置 32、管体 33、支撑体 34、履带 35、扩张齿36、滑道 37、固定销 38、活动槽。

具体实施方式

图1~8是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~12对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种深地取芯的钻探系统（以下简称钻探系统），包括钻探装置5和接入钻探装置5的取芯冷却管1。钻探装置5在岩层3内形成钻孔，在钻孔的孔壁处设置有弹性护管4，利用弹性护管4对钻孔的孔壁起到支撑作用，防止钻孔壁周围的松散岩土体掉落而影响钻进工作。钻探装置5紧贴弹性护管4的内管壁并沿钻孔下行。钻探装置5下行的同时进一步加深钻孔的深度。取芯冷却管1自钻探装置5的顶部接入，在钻探装置5的顶部还吊装有电缆2，电缆2为钻探装置5供电的同时，对钻探装置5提供一端的吊装作用。

如图8所示，弹性护管4的管体32轴向开口，在管体32两侧的开口处设置有匹配的对接口。管体32的其中一个对接口弯曲至另一个对接口的内侧使管体32呈螺旋状，并在管体32的交错处设置支撑体33。当支撑体33锁闭时，管体32截面呈螺旋状，当支撑体33开启后，管体32利用其自身的弹力扩张，使其截面恢复为圆形，实现了对钻孔的支撑作用。

如图2所示，钻探装置5包括驱动电机9，在驱动电机9的外圈同心套装有驱动外壳10，驱动电机9和驱动外壳10之间形成上下贯通的流体通道，在驱动外壳10的顶部开设有多个与流通通道连通的钻井液释放孔8。在驱动电机9和驱动外壳10之间的流体通道内还设置有用于对钻井液进行加压的加压泵（图中未画出）。取芯冷却管1与该流体通道的上端口对接。驱动电机9的电机轴11为空心轴，取芯冷却管1包括取芯管6以及套装在取芯管6外圈的钻井液管7，取芯管6和钻井液管7之间形成用于输送钻井液的环形通道。

结合图4，取芯管6和钻井液管7之间通过轴向布置的多个支撑连接段20进行固定并保证同心，取芯管6的下端口与电机轴11的上端口对接，钻井液管7的下端口与驱动外壳10的顶部端口对接。在钻井液管7的下端口与驱动外壳10顶部端口对接处的外圈套装有卡扣22，卡扣22通过其内螺纹与驱动外壳10的顶部端口螺纹连接，实现钻井液管7与驱动外壳10顶部端口的固定，因此取芯管6、钻井液管7之间形成的环形通道与驱动电机9、驱动外壳10之间形成的流体通道上下对接。

取芯装置15从取芯管6的顶部放入，取芯装置15自取芯管6向下延伸并进入电机轴11内，最终完成取芯操作。取芯装置15采用本领域公知技术实现，其具体结构及工作过程在此不再赘述。

在驱动外壳10的下端口处设置有随电机轴11同步转动的扩张钻12，扩张钻12为上粗下细的锥形体。在扩张钻12的表面设置有钻头螺纹。结合图5，扩张钻12的顶部向外径向设置有圆形凸台，在圆形凸台的上表面开设有卡槽，驱动外壳10的下端口卡装在扩张钻12顶部的卡槽中，实现了驱动外壳10与扩张钻12之间的滑动连接。扩张钻12为空心结构，因此扩张钻12的顶部开口与驱动电机9、驱动外壳10之间形成的流体通道的下端口上下对接。

在扩张钻12的顶部还设置有随扩张钻12转动的扩孔机构，扩孔机构包括摆动臂24，在扩张钻12顶部圆形凸台的下表面开设有摆动槽23，摆动槽23在扩张钻12圆形凸台的外圈，沿扩张钻的轴向均匀开设有多个，在每一个摆动槽23内设置有一条摆动臂24。摆动臂24的上端铰接在摆动槽23内，摆动臂24的下端固定有扩张锤25。摆动槽23为摆动臂24提供摆动空间的同时对摆动臂24进行限位，当摆动臂24处于最大摆动角度时，扩张锤25位于扩张钻12顶部圆形凸台的外圈。

在扩张钻12的外围还套装有扩张滑块26，扩张滑块26沿扩张钻12的轴向上下滑动。扩张滑块26位于所有摆动臂24的下部。在扩张钻12 钻孔的过程中形成锥形孔，此时岩层3抵在扩张滑块26的下部，随着钻探装置5的下探，岩层3推动扩张滑块26上行，扩张滑块26进一步推动摆动臂24向上摆动，直至摆动臂24摆动至摆动槽23的顶部停止，此时扩张锤25位于扩张钻12的外圈，实现对岩层3的扩孔。

如图6所示，电机轴11自扩张钻12的顶部进入后延伸至扩张钻12的底部，并在扩张钻12的内部与扩张钻12螺纹连接；在扩张钻12的外部同样开设有螺纹，钻杆13的顶部通过螺纹连接在扩张钻12的底部，钻杆13向下延伸，并在钻杆13的底部螺纹连接有钻头14。

在扩张钻12内径向开设有若干扩张钻通道27，扩张钻通道27贯穿扩张钻12的内外表面；在钻杆13的内部轴向开设有贯穿的钻杆通道28，钻杆通道28与其中一条扩张钻通道27对接。在钻头14内同样开设有钻头通道，钻头通道与钻杆通道28的下端对接。上述取芯装置15下部的芯管向下延伸至钻头14与钻杆13的连接处，钻头14同样为中空结构，便于钻取的岩心被取芯装置15取出。

在本钻探系统内，还设置有支撑机构，支撑机构包括设置在取芯冷却管1的表面设置有上支撑机构，和设置在驱动外壳10外部的下支撑机构。

结合图3，上支撑机构包括套装在钻井液管7外圈的滑环21，在井口处设置有动力机构（如气缸、油缸等），动力机构通过钢索与滑环21相连，使滑环21在动力机构的拉动下沿钻井液管7上升。在滑环21的下部设置有铰接座，铰接座与滑环21之间通过支撑弹簧19相连，主支撑臂18一端与铰接座铰接，另一端安装有支撑轮17。副支撑臂16一端与滑环21铰接，另一端铰接在主支撑臂18的中部。

当动力机构拉动滑环21上升时，通过副支撑臂16拉动主支撑臂18远离弹性护管4，使支撑轮17与弹性护管4的罐壁之间形成间隙。滑环21上升的同时拉动支撑弹簧19使之发生形变。当动力装置的驱动力撤销后，滑环21在支撑弹簧19弹力作用下下降。当滑环21下降时，通过副支撑臂16推动主支撑臂18端部的支撑轮17与弹性护管4的罐壁接触。通过上支撑机构，对钻井液管7进行支撑，避免在钻井过程中发生偏斜。

结合图7，下支撑机构包括固定在驱动外壳10表面的铰接装置31，机械臂30与铰接装置31铰接，且在铰接装置31处设置有驱动机械臂30转动的电机。机械臂30的另一端设置有驱动轮29，在机械臂30处设置有驱动其转动的电机，当驱动轮29转动时，实现钻探装置5沿弹性护管4上升或下降。

具体工作过程及工作原理如下：

首先利用钻机在岩层3内形成一定深度的钻孔，然后依次放入多个弹性护管4，使弹性护管4自钻孔的底部延伸至钻孔的顶部。然后开启弹性护管4中的支撑体33，管体32利用其自身的弹力扩张，使其截面恢复为圆形，对钻孔进行支撑。

然后将本钻探系统放入弹性护管4内，钻探系统在驱动轮29的作用下沿钻孔下行，同时驱动电机9转动，同时带动扩张钻12转动，扩张钻12转动的同时带动钻杆13以及钻头14转动，进一步在岩层3内形成更深的钻孔。扩张钻12在形成钻孔的过程中，在岩层3内形成锥形钻孔，此时岩层3抵在扩张滑块26的下部，随着钻探装置5的下探，岩层3推动扩张滑块26上行，扩张滑块26进一步推动摆动臂24向上摆动，直至摆动臂摆动至摆动槽23的顶部停止，此时扩张锤25位于扩张钻12的外圈，实现对岩层3的扩孔，在岩层3内形成上下等粗的钻孔。

在钻孔过程中，钻井液通过取芯管6和钻井液管7之间的间隙送入，并进入驱动电机9以及驱动外壳10之间的间隙。钻井液在压力泵的作用下被加压，然后从钻井液释放孔8、扩张钻12表面的扩张钻通道27以及钻头14处的钻头通道处喷出，同时对驱动电机9进行冷却。

当驱动轮29向下行进至最下端弹性护管4的下沿处时，驱动电机9停止工作，此时扩张锤25已在最下端弹性护管4的下方形成更深距离的一段新钻孔，而钻头14又位于新钻孔的更深处，并且由于钻头14抵住岩层3，而使本钻探系统属于静止状态。

然后放入新的一段弹性护管4，在放入弹性护管4时，首先滑环21 上行，使支撑轮17远离钻孔的孔壁，将弹性护管4放入上支撑机构和下支撑机构之间，然后滑环21下行，使支撑轮17与钻孔接触，然后铰接装置31处的电机动作，使机械臂30端部的驱动轮29远离钻孔，将弹性护管4进一步下放，当弹性护管4下降至新钻孔的最低处时，开启支撑体33，管体32利用其自身的弹力扩张，使其截面恢复为圆形，新放入的弹性护管成为钻孔内最低端的一段弹性护管4。然后本钻探系统按照上述过程进一步下探，如此往复，直至达到预定深度，最终通过取芯装置15将岩心取出。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：下支撑机构的结构不同，如图9~10所示，在本实施例中，下支撑机构轴向设置有两组，在同一位置的两组下支撑机构端部的驱动轮29之间，通过履带34进行连接。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于：扩孔装置的结构不同，如图11~12所示，在扩张钻12顶部圆形凸台处开设有活动槽38，活动槽38在扩张钻12的外圈，沿扩张钻12的径向开设有多个，在每一个活动槽38内沿活动槽38的走向开设有一个滑道36，并在每一个活动槽38内设置有一个扩张齿35，在每一个滑道36内活动安装有一个固定销37，固定销37与对应的扩张齿35固定。

当扩张钻12沿钻孔方向转动时（记为逆时针），岩层3会给突出的固定销37一个相反方向的作用力，从而使固定销37沿着滑道36滑动，因为固定销37连接有扩孔齿35，故当扩张钻12逆时针钻进时，扩孔齿35会从活动槽38中伸出，对岩层3起到扩孔作用。当扩张钻12顺时针转动时，扩孔齿35会收缩回活动槽38中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种深地取芯的钻探系统，其特征在于：包括钻探装置（5），钻探装置（5）包括驱动电机（9），在驱动电机（9）的外部设置有驱动钻探装置（5）轴向移动的驱动机构，在驱动电机（9）的底部可转动的设置有钻孔机构，驱动电机（9）的电机轴（11）与钻孔机构固定，电机轴（11）为空心轴，钻孔机构为空心结构，电机轴（11）和钻孔机构轴心腔体上下对接，取芯装置（15）放置在电机轴（11）和钻孔机构的轴心腔体内。

2.根据权利要求1所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：钻孔机构包括扩张钻（12）、钻杆（13）和钻头（14），电机轴（11）在扩张钻（12）的内部与之固定，钻杆（13）同心固定在在扩张钻（12）下端，钻头（14）固定在钻杆（13）的底部。

3.根据权利要求1所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：驱动机构包括固定在驱动外壳（10）表面的铰接装置（31），机械臂（30）一端安装在铰接装置（31）处，在铰接装置（31）处设置有驱动机械臂（30）转动的电机，机械臂（30）的另一端设置有驱动轮（29），在机械臂（30）处设置有带动驱动轮（29）转动的电机。

4.根据权利要求2所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：在扩张钻（12）处还设置有扩孔机构。

5.根据权利要求4所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：扩孔机构包括摆动臂（24），摆动臂（24）一端与扩张钻（12）铰接，另一端安装有扩张锤（25），扩张钻（12）的外围还套装有扩张滑块（26），扩张滑块（26）沿扩张钻（12）的轴向上下滑动，扩张滑块（26）位于所有摆动臂（24）的下部。

6.根据权利要求5所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：在扩张钻（12）顶部的下表面开设有摆动槽（23），摆动槽（23），沿扩张钻（12）的轴线开设，并在扩张钻（12）的外圈均匀开设有多个，摆动臂（24）铰接在摆动槽（23）内。

7.根据权利要求4所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：扩孔机构包括活动槽（38），活动槽（38）沿扩张钻（12）的径向开设，并在扩张钻（12）的外圈均匀开设有多个，在每一个活动槽（38）内，分别可伸缩的安装有一个扩张齿（35）。

8.根据权利要求2所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：还设置有与钻探装置（5）对接的取芯冷却管（1），在取芯冷却管（1）内形成第一通道，钻探装置（5）内设置有第二通道，在钻孔机构内形成第三通道，第一通道、第二通道以及第三通道自上而下依次对接。

9.根据权利要求8所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：取芯冷却管（1）包括取芯管（6）以及套装在取芯管（6）外圈的钻井液管（7），取芯管（6）和钻井液管（7）之间为第一通道，取芯管（6）与空心的电机轴（11）对接，钻井液管（7）与驱动外壳（10）的顶部端口对接；

在驱动电机（9）的外部套装有驱动外壳（10），驱动电机（9）和驱动外壳（10）之间形成第二通道；

在扩张钻（12）内开设有若干扩张钻通道（27），在钻杆（13）内轴向开设有钻杆通道（28），钻杆通道（28）与其中一条扩张钻通道（27）对接，在钻头（14）内开设有与钻杆通道（28）对接的钻头通道，扩张钻通道（27）、钻杆通道（28）以及钻头通道对接形成第三通道。

10.根据权利要求9所述的深地取芯的钻探系统，其特征在于：驱动机构设置在驱动外壳（10）的表面，钻孔机构可转动的卡装在驱动外壳（10）的下端口处。

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