CN113622849A

CN113622849A - 一种密闭取心钻具

Info

Publication number: CN113622849A
Application number: CN202111194818.8A
Authority: CN
Inventors: 陈晨; 王义红; 张坚
Original assignee: Shaanxi Taihe Intelligent Drilling Co ltd
Current assignee: Guizhou Taihe Intelligent Drilling Co ltd
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2041-10-14
Also published as: CN113622849B

Abstract

本发明涉及煤矿勘探技术领域，公开了一种密闭取心钻具，包括：外管以及嵌套于外管内的岩心管、钻头、传动机构和球阀，传动机构设置于外管内，球阀的外壳固定于岩心管的下端，球阀的旋转轴连接有从动齿轮，从动齿轮与传动机构连接，以使从动齿轮带动旋转轴产生转动从而使球阀的球孔与岩心管连通，本发明通过传动机构带动球阀转动，从而实现在钻孔状态时，球阀的球体完全将岩心管进行封堵，在到达取样位后通过传动机构带动球阀转动90°使球阀上的球孔与岩芯管连通，从而使煤心进入岩心管内，再次通过传动机构带动球阀转动实现岩芯切割和岩芯管封闭功能，用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题，同时也实现了煤芯的封堵和割断功能。

Description

一种密闭取心钻具

技术领域

本发明涉及煤矿勘探技术领域，特别涉及一种密闭取心钻具。

背景技术

瓦斯（煤层气）含量的测定对矿井通风、瓦斯灾害治理以及煤层气资源开发意义重大。

以往瓦斯含量测定方法主要是通过钻孔取出煤芯，然后装筒密封，再送入实验室进行测定，这项工艺在取样过程中没有严格地考虑密封，导致大量瓦斯逸出，最终测定结果存在较大误差。为解决此问题，国内外开展了大量的研究工作，研制出了多种煤矿专用的卸压密闭取芯装置，包括双管卸压取芯钻具、三重管卸压取芯钻具和带密闭液室的取芯钻具等。这些钻具虽然考虑了在取芯过程中对煤芯的封堵密闭，具有一定的针对性和实用性，但仍然存在一定弊端：煤芯的封堵和割断功能分离，由不同的机构完成，在取样过程中没有实现密闭功能；采用密闭液的方式来密闭所取样品，取芯成功率低，成本不菲，且在近水平孔乃至仰孔中，密闭功效有待商椎。

发明内容

本发明提供一种密闭取心钻具，采用机械式密闭取芯代替密闭液，用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题，同时也实现了煤芯的封堵和割断功能。

本发明提供了一种密闭取心钻具，包括：

外管以及嵌套于外管内的岩心管，外管的下端固定有钻头，钻头上具有贯穿其纵向的进样孔；

传动机构，设置于外管内；

球阀，球阀的外壳固定于岩心管的下端，球阀的旋转轴连接有从动齿轮，从动齿轮与传动机构连接，以使从动齿轮带动旋转轴产生转动从而使球阀的球孔与岩心管连通。

可选的，钻头内通过剪切销连接有挡头，挡头的下部沿进样孔延伸出钻头的下端面，球阀位于挡头的上方，挡头的外径小于球孔的孔径，当球孔与岩心管连通时挡头正对球孔。

可选的，钻头内还设置有导向压盖，导向压盖与外壳的下端螺纹连接，外壳内还固定有卡簧，卡簧位于球阀的球体的上方。

可选的，从动齿轮位于述外壳的外侧，从动齿轮的端面与外壳的外铣平面之间连接有密封圈。

可选的，传动机构包括：

齿轮箱，固定于岩心管的上端，齿轮箱与外管之间有间隙；

驱动电机，设置于齿轮箱内；

主动齿轮，通过驱动电机驱动其转动；

齿条，沿岩心管的纵向滑动连接于岩心管的外壁，并与主动齿轮啮合，从动齿轮与齿条啮合。

可选的，齿条为两个，两个齿条上下排布，上方的齿条与主动齿轮啮合，下方的齿条与从动齿轮啮合，两个齿条之间固定有滑动套，滑动套套设于岩心管的外周，滑动套的侧壁上具有一沿其纵向开设的滑孔，岩心管的外壁固定有沿其纵向的导向肋，导向肋的外侧穿过滑孔并与其滑动配合。

可选的，传动机构还包括：

主动伞齿轮，固定于驱动电机的输出轴上；

被动伞齿轮，通过齿轮轴与齿轮箱连接，被动伞齿轮与主动伞齿轮垂直啮合，主动齿轮连接于齿轮轴延伸出齿轮箱外的部分上。

可选的，还包括上接头，上接头呈上部直径大下部直径小的阶梯状，外管与上接头固定连接，岩心管与外管之间形成流通道，上接头上开设有分流孔，分流孔与流通道连通，钻头上具有与流通道相连通的出液孔。

可选的，球阀的外壳与钻头之间套接有扶正轴承，扶正轴承上开有水槽，水槽与流通道连通。

可选的，还包括顶针阀，岩心管的上部封闭，顶针阀的阀套与岩心管的封闭端固连，顶针阀上具有通孔，岩心管的封闭端具有连通孔，连通孔同时与通孔及岩心管相连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过传动机构带动球阀转动，从而实现在钻孔状态时，球阀的球体完全将岩心管进行封堵，使岩心管内达到密封无杂状态，在到达取样位后通过传动机构带动球阀转动90°使球阀上的球孔与岩芯管连通，从而使煤心经钻头上的进样孔及球阀上的球孔进入岩心管内，再次通过传动机构带动球阀转动实现岩芯切割和岩芯管封闭功能，用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题，同时也实现了煤芯的封堵和割断功能，既提高了密闭取芯的成功率，又大大降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种密闭取心钻具的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的主动齿轮和齿条以及从动齿轮的装配图；

图3为本发明实施例提供的传动机构的结构示意图；

图4为图1中G处的局部结构放大示意图。

附图标记说明：

10-外管，11-钻头，12-挡头，13-上接头，14-流通道，15-分流孔，16-出液孔，17-剪切销，18-进样孔，20-岩心管，21-导向压盖，22-卡簧，23-顶针阀，24-通孔，25-导向肋，26-滑动套，27-连通孔，30-传动机构，300-驱动电机，301-主动齿轮，302-齿条，303-主动伞齿轮，304-被动伞齿轮，305-齿轮轴，306-齿轮箱，31-滑孔，40-从动齿轮，50-球阀，500-外壳，501-密封环组，502-球体，51-密封圈，52-扶正轴承，53-水槽，60-电气短节，600-短接外壳，601-连接套，602-电路密封盖，603-电池，604-控制板，70-单动机构，700-推力轴承，701-轴承压盖，702-径向轴承，703-锁母。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

基于以上问题，本发明提供一种密闭取心钻具，采用机械式密闭取芯代替密闭液，用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题，同时也实现了煤芯的封堵和割断功能，以下结合附图进行具体说明，其中，图1为本发明实施例提供的一种密闭取心钻具的结构示意图，图2为本发明实施例提供的主动齿轮和齿条以及从动齿轮的装配图，图3为本发明实施例提供的传动机构的结构示意图，图4为图1中G处的局部结构放大示意图。

如图1和4所示，本发明实施例提供的一种密闭取心钻具，包括：内管总成及嵌套于内管总成外部的外管总成，外管总成由上接头13、外管10和钻头11组成，上接头13呈上部直径大下部直径小的阶梯状，外管10与上接头13的上部螺纹连接，钻头11上具有贯穿其纵向的进样孔18，在本实施例中钻头11采用阶梯底喷式结构形式，内管总成由单动机构70、电气短节60、岩心管20、传动机构30组成，传动机构30设置于外管10内，球阀50的外壳500固定于岩心管20的下端，球阀50的旋转轴连接有从动齿轮40，从动齿轮40与传动机构30连接，以使从动齿轮40带动旋转轴产生转动从而使球阀50的球孔与岩心管20连通，单动机构70由推力轴承700、径向轴承702串组、轴承压盖701、锁母703等组成，推力轴承700、径向轴承702串组均安装于上接头13的长导向柱上，保障强度和同心度要求，外管10承受扭矩和钻压，轴承压盖701安装于推力轴承700及径向轴承702串组之间，锁母703固定在径向轴承702串组下端的上接头13的长导向柱上，该单动机构70外部通过连接套601与岩心管20连接，主要特点是直径大，刚度好，在水平孔取心时能承受内管的重力，保障同心度，推力轴承700承受部分钻压引起的轴向力，多组径向轴承702能保障同心度，通过在轴承压盖701上方或锁母703之间加入垫片可以微弱调整内管总成前段与钻头11之间的轴向间隙，电气短节60由控制板604、电池603、连接套601、电路密封盖602和短接外壳600组成，短接外壳600固定于连接套601的下部，轴承压盖701固定在连接套601的上部，控制板604、电池603、电路密封盖602均封闭于短接外壳600内，通过控制板604启动传动机构30，可实现对球阀正转或反转的旋转控制，电池节由多组电池603组成，该电气短节60具有防爆功能，岩心管20与外管10之间形成流通道14，上接头13上开设有分流孔15，分流孔15与流通道14连通，使冲洗液流至流通道14中，钻头11上具有与流通道14相连通的出液孔16，冲洗液经出液孔16流出，钻头11采用阶梯底喷式结构形式，避免冲刷煤心，实现快速钻进的目的，钻头11的内径小于球阀50的通过直径。

本发明通过传动机构带动球阀转动，从而实现在钻孔状态时，球阀的球体完全将岩心管进行封堵，使岩心管内达到密封无杂状态，在到达取样位后通过传动机构带动球阀转动90°使球阀上的球孔与岩芯管连通，从而使煤心经钻头上的进样孔及球阀上的球孔进入岩心管内，再次通过传动机构带动球阀转动实现岩芯切割和岩芯管封闭功能，用机械式密封既解决了钻孔中的密封问题，同时也实现了煤芯的封堵和割断功能，既提高了密闭取芯的成功率，又大大降低了成本。

可选的，钻头11内通过剪切销17连接有挡头12，挡头12的下部沿进样孔18延伸出钻头11的下端面，球阀50位于挡头12的上方，挡头12的外径小于球孔的孔径，当球孔与岩心管20连通时挡头12正对球孔，在本实施例中，挡头12的外径与进样孔18的孔径配合，可封闭进样孔18，由于水平钻孔内可能存在残渣，为避免下入钻具使大量残渣进入岩心管20内部，在此设计有挡头12，挡头12上有密封圈和剪切小孔，挡头12上的销孔和钻头11上的销孔通过剪切销17（铁丝销）连接，当球阀50关闭时，此时挡头12封闭进样孔18，借助球阀50的端面和剪切销17剪切强度保障挡头12相对静止，当球阀50打开后，并且钻具受到钻压顶力时，剪切销17剪断，挡头12与钻头11相对运动，随煤心先后进入球体502和岩心管20之中，并且具有煤心导向的作用。

可选的，钻头11内还设置有导向压盖21，导向压盖21与外壳500的下端螺纹连接，外壳500内还固定有卡簧22，卡簧22位于球阀50的球体502的上方，外壳500与卡簧22固定的部分带有2~3°锥度，球阀50实现下部密闭功能，球阀50的外壳500上部通过外螺纹与岩心管20连接，外壳500下部直径大，由下向上顺序装入球体的上密封环、球体502、下密封环，其中上密封环和下密封环组成密封环组501，并通过导向压盖21的旋入固定和调整球体502和密封环组501的间隙，密封环为同材质，与球体502达到旋转密封。球体502上开孔，煤心从孔进入岩心管20内部，球体502由旋转轴连接在外壳500上，一端为圆柱形的旋转轴，球体502的另一端为内方，内方中焊接旋转轴穿过球体502及外壳500与外部的从动齿轮40连接，导向压盖21一方面容纳卡簧22，另一方面为球阀50内组件的压紧固定件，导向压盖21下部带有2~3°锥度，与卡簧22配合，进一步辅助球阀50实现卡断煤心的作用。

为了进一步保证气密性，从动齿轮40位于述外壳500的外侧，从动齿轮40的端面与外壳500的外铣平面之间连接有密封圈51。

可选的，球阀50的外壳500与钻头11之间套接有扶正轴承52，扶正轴承52上开有水槽53，水槽53与流通道14连通，由于钻具多为近水平取心，为了保障内外管总成的同心度和单动性，球阀50前段外部装有扶正轴承52，扶正轴承52外面带有花键式的水槽53，便于通过冲洗液，为了保障扶正轴承52转动灵活，扶正轴承52内部为含油滑动副（即自润滑滑动轴承内骨架）。

参考图2-3，传动机构30包括：驱动电机300、齿轮箱306、主动齿轮301、齿条302、主动伞齿轮303和被动伞齿轮304，齿轮箱306固定于岩心管20的上端，齿轮箱306同时与短接外壳600固定，齿轮箱306与外管10之间有间隙，驱动电机300设置于齿轮箱306内，主动伞齿轮303固定于驱动电机300的输出轴上，齿条302沿岩心管20的纵向滑动连接于岩心管20的外壁，并与主动齿轮301啮合，从动齿轮40与齿条302啮合，主动伞齿轮303连接于驱动电机300的输出轴上，被动伞齿轮304通过齿轮轴305与齿轮箱306连接，被动伞齿轮304与主动伞齿轮303垂直啮合，主动齿轮301连接于齿轮轴305延伸出齿轮箱306外的部分上，被动伞齿轮304通过齿轮轴305与岩心管20连接，被动伞齿轮304与主动伞齿轮303垂直啮合，主动齿轮301连接于齿轮轴305延伸出岩心管20外的部分上，齿条302沿岩心管20的纵向滑动连接于岩心管20的外壁，并与主动齿轮301啮合，从动齿轮40与齿条302啮合，齿轮箱306的外部设置有齿轮齿条机构，齿轮箱306内部密封，不与冲洗液接触，被动伞齿轮304的齿轮轴305与外部齿轮/齿条连接，该部位通过外部齿轮的端面密封圈与齿轮箱306外端面实现密封，由于直径小，转速低，容易实现密封。齿轮箱306内部为黄油填充，驱动电机300为低压直流电机或步进电机，通过控制板604启动回转，可正转和翻转实现对球阀50的旋转控制，控制板604的程序包括定时、检测回转电流、启动/停止转动等功能。

可选的，齿条302为两个，两个齿条302上下排布，上方的齿条302与主动齿轮301啮合，下方的齿条302与从动齿轮40啮合，两个齿条302之间固定有滑动套26，滑动套26套设于岩心管20的外周，滑动套26的侧壁上具有一沿其纵向开设的滑孔31，岩心管20的外壁固定有沿其纵向的导向肋25，导向肋25的外侧穿过滑孔31并与其滑动配合。

传动机构由上、下各一副齿轮齿条结构以及滑动套26组成。齿轮齿条机构实现转动变直线运动和直线运动变转动的功能，在从动齿轮40的转动带动下部球阀50的90°旋转密封，以及切割煤心，滑动套26在岩心管20外部滑动，此时岩心管20为它的滑动导向管，同时岩心管20上有一条导向肋25，使得滑动套26只能上下滑动不能相对旋转，保障齿轮齿条的运动精度。

可选的，还包括顶针阀23，岩心管20的上部封闭，顶针阀23的阀套与岩心管20的封闭端固连，顶针阀23上具有通孔24，岩心管20的封闭端具有连通孔27，连通孔27同时与通孔24及岩心管20相连通，岩心管20主要收纳煤心，其上部通过销钉和密封圈把齿轮箱306与电气短节60连接起来，岩心管20上部设计有抽真空和取瓦斯气的结构，通过顶针阀23的前、后部均带微密封圈的顶针旋进和旋出，把岩心管20与真空机或瓦斯传感器联通起来。当钻具准备下孔取样时，球阀50关闭，此时把通孔24与机械式真空机连接，抽取空气，使内部具有一定真空度，关闭顶针阀23，取掉真空机，这样最大程度克服了钻具外部空气对瓦斯气浓度压力检测的影响，取样完成提出地表后，连接瓦斯检测传感器，内部提前抽取真空，再打开顶针阀23，岩心管20内的瓦斯进入检测***实现瓦斯参量的检测。

使用方法及工作原理：

1、入孔前，首先写入控制程序，设置球阀50密闭开启时间，组装好内管总成，使球阀50关闭即球孔与岩心管20不连通，真空机与三通（通孔24）相连，开启顶针阀23，对仓体内进行抽真空处理，达到一定真空度后，关闭顶针阀23，此时，岩心管20内为真空。

2、把内管总成与单动机构70组装好，钻头11和挡头12等部件组装好，等待钻具下孔取样。

3、通过钻机下入密闭钻具，边通水边送入钻具，由于球阀50关闭，同时特制双球头挡头12挡住钻具的进样孔18，并挡住前部煤渣，此时钻具球阀50前部均处于无渣洁净状态，冲洗液则从钻头11的出液孔16冲刷钻孔，完成清孔作业。

4、钻具下到孔底钻位，按设置的时间，驱动电机300启动，球阀50打开，对钻具加压，在给进力作用下，底部煤层迫使剪切销17受压剪断（球阀50失去了顶压力作用），正常取心钻进，挡头12和煤样先后进入岩心管20。

5、煤样取满后，钻具稍提离孔底，煤心由卡簧22卡断，等待球阀50关闭。

6、程序中的球阀50关闭时间已到，球阀50旋转，球阀50挤压煤心，通过驱动电机300的正反转反复搓动和转动，球阀50刃口剪切前部煤心，直到球阀50完全关闭（检测到球阀关闭），完成密闭取样。

7、提出钻具，把瓦斯压力和浓度传感器连接至三通（通孔24），抽取测试管路内的空气后，打开顶针阀23，瓦斯进入传感***，完成瓦斯含量和压力的测试。

本发明提供的一种密闭取心钻具具有以下优势：

（1）采用推力轴承承受部分钻压引起的轴向力，采用多组径向轴承和扶正轴承联动发挥作用，在近水平孔中保证内外管总成的同轴度，使岩芯得以顺利进入岩芯管。

（2）岩芯管上部预留有顶针阀，用于抽真空和瓦斯检测，实现全程封闭式瓦斯检测，最大程度的避免了外部空气干扰。

（3）利用电气短节驱动密闭球阀实现岩芯切割和岩芯管封闭功能，同时添加入口挡头，防止残渣进入岩芯管，既提高了密闭取芯的成功率，又保证了岩芯的纯洁性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种密闭取心钻具，包括：外管（10）以及嵌套于所述外管（10）内的岩心管（20），所述外管（10）的下端固定有钻头（11），所述钻头（11）上具有贯穿其纵向的进样孔（18），其特征在于，还包括：

传动机构（30），设置于所述外管（10）内；

球阀（50），所述球阀（50）的外壳（500）固定于所述岩心管（20）的下端，所述球阀（50）的旋转轴连接有从动齿轮（40），所述从动齿轮（40）与所述传动机构（30）连接，以使所述从动齿轮（40）带动所述旋转轴产生转动从而使所述球阀（50）的球孔与所述岩心管（20）连通。

2.如权利要求1所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述钻头（11）内通过剪切销（17）连接有挡头（12），所述挡头（12）的下部沿所述进样孔（18）延伸出所述钻头（11）的下端面，所述球阀（50）位于所述挡头（12）的上方，所述挡头（12）的外径小于所述球孔的孔径，当所述球孔与所述岩心管（20）连通时所述挡头（12）正对所述球孔。

3.如权利要求1所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述钻头（11）内还设置有导向压盖（21），所述导向压盖（21）与所述外壳（500）的下端螺纹连接，所述外壳（500）内还固定有卡簧（22），所述卡簧（22）位于所述球阀（50）的球体（502）的上方。

4.如权利要求1所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述从动齿轮（40）位于所述述外壳（500）的外侧，所述从动齿轮（40）的端面与所述外壳（500）的外铣平面之间连接有密封圈（51）。

5.如权利要求1所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述传动机构（30）包括：

齿轮箱（306），固定于所述岩心管（20）的上端，所述齿轮箱（306）与所述外管（10）之间有间隙；

驱动电机（300），设置于所述齿轮箱（306）内；

主动齿轮（301），通过所述驱动电机（300）驱动其转动；

齿条（302），沿所述岩心管（20）的纵向滑动连接于所述岩心管（20）的外壁，并与所述主动齿轮（301）啮合，所述从动齿轮（40）与所述齿条（302）啮合。

6.如权利要求5所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述齿条（302）为两个，两个所述齿条（302）上下排布，上方的所述齿条（302）与所述主动齿轮（301）啮合，下方的所述齿条（302）与所述从动齿轮（40）啮合，两个所述齿条（302）之间固定有滑动套（26），所述滑动套（26）套设于所述岩心管（20）的外周，所述滑动套（26）的侧壁上具有一沿其纵向开设的滑孔（31），所述岩心管（20）的外壁固定有沿其纵向的导向肋（25），所述导向肋（25）的外侧穿过所述滑孔（31）并与其滑动配合。

7.如权利要求5所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述传动机构（30）还包括：

主动伞齿轮（303），固定于所述驱动电机（300）的输出轴上；

被动伞齿轮（304），通过齿轮轴（305）与所述齿轮箱（306）连接，所述被动伞齿轮（304）与所述主动伞齿轮（303）垂直啮合，所述主动齿轮（301）连接于所述齿轮轴（305）延伸出所述齿轮箱（306）外的部分上。

8.如权利要求1或5所述的密闭取心钻具，其特征在于，还包括上接头（13），所述上接头（13）呈上部直径大下部直径小的阶梯状，所述外管（10）与所述上接头（13）固定连接，所述岩心管（20）与所述外管（10）之间形成流通道（14），所述上接头（13）上开设有分流孔（15），所述分流孔（15）与所述流通道（14）连通，所述钻头（11）上具有与所述流通道（14）相连通的出液孔（16）。

9.如权利要求1所述的密闭取心钻具，其特征在于，所述球阀（50）的外壳（500）与所述钻头（11）之间套接有扶正轴承（52），所述扶正轴承（52）上开有水槽（53），所述水槽（53）与所述流通道（14）连通。

10.如权利要求9所述的密闭取心钻具，其特征在于，还包括顶针阀（23），所述岩心管（20）的上部封闭，所述顶针阀（23）的阀套与所述岩心管（20）的封闭端固连，所述顶针阀（23）上具有通孔（24），所述岩心管（20）的封闭端具有连通孔（27），所述连通孔（27）同时与所述通孔（24）及岩心管（20）相连通。