專利名稱：沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程勘察松散地層取樣技術(shù)，尤其涉及一種粉土、粉細(xì)砂、 中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化巖等沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置及其方法。具體地說(shuō)，主要是針對(duì)復(fù)雜地層松散取樣困難的土層進(jìn)行勘探取樣，突顯一 個(gè)回次可任意長(zhǎng)度取樣，取樣內(nèi)管中樣品易取出、封存，且取樣率和取樣質(zhì)量高 等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于層理不受擾動(dòng)的沉積物柱狀土取樣、精細(xì)分層取樣、保持樣 品一定的原始結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及生物擾動(dòng)痕跡等特殊要求的勘察取樣工作。
背景技術(shù)：
在海洋沉積學(xué)調(diào)查研究中，物理探測(cè)技術(shù)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。如多波束全覆 蓋精密測(cè)深技術(shù)，深拖系統(tǒng)的高分辨率海底地形、地貌掃描成像技術(shù)，高分辨率 淺、中地層結(jié)構(gòu)探測(cè)技術(shù)等等。但海洋沉積物的物理探測(cè)也不能完全代替沉積物 取樣。只有采取到一定數(shù)量的沉積物樣品,才能進(jìn)行直接的結(jié)構(gòu)分析、成分分析 以及年代測(cè)試等，從中獲取物理探測(cè)難以取到的地質(zhì)信息。因此，沉積物的取樣 是海洋沉積學(xué)研究的重要前提和基礎(chǔ)之一。重力活塞取樣器是采取海底未固結(jié)沉 積物柱狀巖芯的器具之一，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、 一般不受水深限制而被 廣泛應(yīng)用。關(guān)于重力式柱狀取樣技術(shù)，國(guó)外早在本世紀(jì)50 60年代就盛行理論研 究和相應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得了一些重要成果。最近IO多年來(lái)，國(guó)外取樣器向兩個(gè) 方向發(fā)展， 一是某些特殊功能取樣器的研制，如英國(guó)重新設(shè)計(jì)的Kasten取芯器，意 大利的能保持海底壓力的活塞取芯器,加拿大的自控水下取芯系統(tǒng)以及美國(guó)的能 直接測(cè)量樣品密度的取樣器等等；其二是向能采取長(zhǎng)巖芯的重型化發(fā)展，如法國(guó) 調(diào)査船Marion Duf resne號(hào)上使用的Kullenberg型重型取芯器重量達(dá)12t,樣管長(zhǎng) 可達(dá)60m,在北大西洋取到過(guò)最長(zhǎng)達(dá)53m的柱狀巖芯。國(guó)內(nèi)的此類研究開(kāi)始于60年代，盛行于70 80年代,多偏重于重力活塞取樣 器的研制方面，取得了一定的成績(jī)。其他方面,特別是取樣操縱和監(jiān)控設(shè)備極少 有人涉獵。致使我國(guó)的重力式柱狀取樣技術(shù)距國(guó)際先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)。單就所取 單站柱狀巖芯長(zhǎng)度而言，至今極少突破10m大關(guān)。而且這種差距有越來(lái)越大之趨 勢(shì)。為了取得層理不受擾動(dòng)的沉積物柱狀土樣，做到精細(xì)分層取樣，保持土樣一 定的原始結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及生物擾動(dòng)痕跡,進(jìn)行深入的地質(zhì)與環(huán)境研究，需要研制 能夠滿足這一要求的取樣裝置。基于目前松散沉積物地層特殊的勘察取樣要求，研究雙管雙動(dòng)內(nèi)沖擊管取芯 裝置，并提出相關(guān)工藝要求，必將具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有松散地層取樣技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供 一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置及其方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一、沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置(簡(jiǎn)稱本裝置)如圖l，本裝置包括導(dǎo)正桿(1)、穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管 (4)、取樣內(nèi)管(5)、雙層活頁(yè)瓣簧片(6)和沖擊鉆頭(7);其連接關(guān)系是導(dǎo)正桿(1)的上端與鉆機(jī)的鉆桿相連，導(dǎo)正桿(1)的下端依次穿過(guò)穿心沖擊綞(2)、沖擊墊盤(3)后與外套管(4)相連，在外套管(4)的下端連接有沖 擊鉆頭(7);穿心沖擊錘(2)與鉆機(jī)的巻揚(yáng)鋼絲繩的自動(dòng)脫錘裝置相連，并在沖擊墊盤 (3)之上，可沿導(dǎo)正桿(1)上下自由運(yùn)動(dòng)；在外套管(4)的內(nèi)壁設(shè)置有取樣內(nèi)管(5)，在取樣內(nèi)管(5)的下端連接有 雙層活頁(yè)瓣簧片(6)。 本裝置工作原理取樣時(shí)，將本裝置通過(guò)鉆機(jī)的鉆桿吊放至取樣孔位，通過(guò)連接于鉆機(jī)的巻揚(yáng)鋼絲繩上自動(dòng)脫鉤裝置起吊穿心沖擊錘(2)，使穿心沖擊錘(2)在導(dǎo)正桿(1) 上作自由落體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)沖擊墊盤(3)的傳遞形成對(duì)外套管(4)及沖擊鉆頭(7) 的沖擊；沖擊鉆頭(7)帶動(dòng)外套管(4)和取樣內(nèi)管(5)同時(shí)貫入松散地層獲 得進(jìn)尺；沖擊鉆頭(7)的管靴起到切削土體的作用；樣品隨著取樣內(nèi)管(5)的 貫入，以較小的擾動(dòng)進(jìn)入取樣內(nèi)管(5);當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定深度后，巻揚(yáng)鋼絲繩將取 樣內(nèi)管(5)提出外套管(4)，打開(kāi)對(duì)開(kāi)式的取樣內(nèi)管(5)，將樣品放置于盛樣 筒中，密封保存，并相應(yīng)作好記錄。二、沖擊式雙管雙動(dòng)取芯方法(簡(jiǎn)稱本方法)本方法包括下列步驟① 將導(dǎo)正桿(1)上端與鉆機(jī)的鉆桿連接；② 將本裝置置于鉆孔位，用鉆機(jī)的巻揚(yáng)鋼絲繩起吊穿心沖擊綞(2)至固定 高度自由落下，擊打沖擊墊盤(3)，使本裝置貫入土中；③ 根據(jù)地層情況，在本裝置達(dá)到預(yù)定深度后，依次卸掉導(dǎo)正桿(1)、穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管起吊箍(4.1)和圓形調(diào)節(jié)墊塊(5.1)，露出 取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)，將球閥(5.2)放入取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)的氣水通道 中；④ 用鉆桿與取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)連接，用鉆機(jī)的巻揚(yáng)鋼絲繩提升取樣內(nèi) 管(5);⑤ 卸除取樣內(nèi)管接頭(5.5)，將對(duì)開(kāi)式的取樣內(nèi)管(5)中的樣品依次放入 盛樣筒中，密封，并做好標(biāo)記，完成一個(gè)回次的沖擊取樣；⑥ 同時(shí)加長(zhǎng)外套管(4)和取樣內(nèi)管(5)，將取樣內(nèi)管(5)放入外套管(4)， 依次連接沖擊墊盤(3)、穿心沖擊錘(2)和導(dǎo)正桿(1)，并與鉆機(jī)的鉆桿連接；⑦ 重復(fù)步驟② ⑥，完成下一回次取樣任務(wù)，直至本鉆孔取樣完成。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果① 在取樣過(guò)程中，可根據(jù)需要調(diào)整本裝置的長(zhǎng)度，完成一個(gè)回次的取樣工作。② 外套管能夠切削土體并起到護(hù)壁作用，且可以不斷接長(zhǎng)，保證取樣內(nèi)管所 取樣品的連續(xù)性和無(wú)重疊性。③ 本裝置工作原理直觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、易于操作、拆卸方便，對(duì)安裝、操作人員沒(méi)有很強(qiáng)的技術(shù)要求。④本發(fā)明不僅對(duì)復(fù)雜地層松散條件下勘察取樣具有顯著優(yōu)點(diǎn)，也可運(yùn)用于水 下、海洋工程等領(lǐng)域的地質(zhì)勘察取樣。


圖1是本裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是取樣內(nèi)管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3. 1是雙層活頁(yè)瓣簧片結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)。圖3.2是雙層活頁(yè)瓣簧片結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視、剖面)。其中1—導(dǎo)正桿；2 —穿心沖擊錘；3 —沖擊墊盤；4一外套管，4. l一外套管起吊箍， 4.3 —可接卸外套管，5 —取樣內(nèi)管，5.1 —圓形調(diào)節(jié)墊塊， 5.3—取樣內(nèi)管起吊箍， 5.5 —取樣內(nèi)管接頭， 5.7—底部對(duì)開(kāi)取樣管;6— 雙層活頁(yè)瓣簧片，6. l —外層旋弧活頁(yè)瓣， 6.3 —活頁(yè)瓣固定螺釘， 6.5 —活頁(yè)瓣固定環(huán)；7— 沖擊鉆頭。4.4.5. 5.5.6. 6.2—頂部外套管， 4一底部外套管；2—球閥，4一頂部對(duì)開(kāi)取樣管， 6—可接卸對(duì)開(kāi)取樣管，2—內(nèi)層旋弧活頁(yè)瓣， 4一簧片固定螺釘，具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明一、 本裝置按圖l、圖2、圖3. l和圖3.2生產(chǎn)、安裝。二、 各部件結(jié)構(gòu)及其功能1、 導(dǎo)正桿(1)如圖1，導(dǎo)正桿(1)是一種中空?qǐng)A形長(zhǎng)桿，要求外壁光滑，起連接和導(dǎo)軌 的作用。2、 穿心沖擊錘(2)如圖1，穿心沖擊錘(2)是一種中空?qǐng)A柱型金屬綞，要求內(nèi)壁光滑，且其 內(nèi)徑比導(dǎo)正桿(1)外徑大2mm左右為宜，其重量可根據(jù)土層的軟硬程度調(diào)整。3、 沖擊墊盤(3)如圖l，沖擊墊盤(3)是一種中空?qǐng)A形金屬盤，起傳力和緩沖的作用。4、 外套管(4)如圖1，外套管(4)包括上下依次連接的外套管起吊箍(4.1)、頂部外套 管(4.2)、可接卸外套管(4.3)和底部外套管(4.4);實(shí)際應(yīng)用中，外套管(4)是一種地質(zhì)鋼管，其外徑為①127inm，壁厚為8mm， 每節(jié)長(zhǎng)度1000mm， 一端內(nèi)攻絲，另一端外攻絲，內(nèi)壁光滑。兩節(jié)可接卸外套管 (4.3)可直接對(duì)接。外套管起吊箍(4.1)中心設(shè)置有氣水通道，在本裝置貫入過(guò)程中，進(jìn)入取 樣內(nèi)管(5)中的土樣上部的氣、水可以通過(guò)氣水通道和導(dǎo)正桿(1)及鉆桿中心 孔道排除，避免形成氣水塞。5、 取樣內(nèi)管(5)如圖l、 2，取樣內(nèi)管(5)包括上下依次連接的圓形調(diào)節(jié)墊塊(5.1)、球閥 (5. 2)、取樣內(nèi)管起吊箍(5. 3)、頂部對(duì)開(kāi)取樣管(5. 4)、取樣內(nèi)管接頭(5. 5)、 可接卸對(duì)開(kāi)取樣管(5.6)、底部對(duì)開(kāi)取樣管(5.7);實(shí)際應(yīng)用中，取樣內(nèi)管(5)是一種對(duì)開(kāi)式地質(zhì)鋼管，其外徑為①108mm, 壁厚5ram，每節(jié)長(zhǎng)度1000mm，兩端外攻絲，內(nèi)壁打磨光滑，作防銹處理。以外徑 (D108ram，長(zhǎng)度100 mra內(nèi)攻絲的內(nèi)取樣管接頭(5.5)相互連接。內(nèi)管起吊箍(5.3)中心設(shè)置有氣水通道，提升取樣內(nèi)管時(shí)，將球閥(5.2) 放入內(nèi)管起吊箍(5.3)的氣水通道中，阻斷取樣內(nèi)管(5)與上部的氣水通道， 在提升過(guò)程中形成一定的真空度，并阻擋了取樣內(nèi)管(5)外水壓力作用，避免 提升過(guò)程中鉆孔的抽吸作用。6、 雙層活頁(yè)瓣簧片(6)如圖1、 3.1、 3.2,雙層活頁(yè)瓣簧片(6)包括外層旋弧活頁(yè)瓣(6.1)、內(nèi) 層旋弧活頁(yè)瓣(6.2)、活頁(yè)瓣固定螺釘(6.3)、簧片固定螺釘(6.4)和活頁(yè)瓣 固定環(huán)(6.5);外層旋弧活頁(yè)瓣(6. 1)和內(nèi)層旋弧活頁(yè)瓣(6. 2)通過(guò)活頁(yè)瓣固定螺釘(6. 3) 固定在活頁(yè)瓣固定環(huán)(6.5)上；雙層活頁(yè)瓣簧片(6)通過(guò)簧片固定螺釘(6.4)與底部對(duì)開(kāi)取樣管(5.7)相 對(duì)固定。夕卜、內(nèi)層旋弧活頁(yè)瓣(6.1、 6.2)為一種帶尾翼的旋弧型簧片?；善谕翗?進(jìn)入時(shí)打開(kāi)，提取土樣時(shí)，由于簧片的彈性支撐作用及雙層設(shè)計(jì)，更能防止松散 土樣脫落，確保土樣的連續(xù)性和下一回次土樣不重疊，減少傳統(tǒng)取樣清孔所帶來(lái) 的麻煩。7、 沖擊鉆頭(7)沖擊鉆頭(7)為一種常用鉆頭，起切削土樣的作用。 三、注意事項(xiàng)鉆具組裝在鉆頭與套管、套管與套管及鉆桿連接處的螺紋擰緊的情況下，不 僅要切實(shí)保證取樣內(nèi)管(5)下端立在鉆頭內(nèi)臺(tái)肩上，而且調(diào)節(jié)墊塊要合適，確 保取樣內(nèi)管(5)與外套管(4)緊密接觸；這樣在鉆進(jìn)過(guò)程中，就不至于使樣品 進(jìn)入內(nèi)外管的環(huán)狀間隙內(nèi)，防止鉆時(shí)出現(xiàn)故障。為防止孔斜，開(kāi)孔時(shí)吊錘行程宜控制在0.3 0.5m，打入l根套管后，錘擊 行程可逐漸增高到0. 5 1. 5m，錘擊頻率15 25次/分。
權(quán)利要求
1、一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置，其特征在于包括導(dǎo)正桿(1)、穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管(4)、取樣內(nèi)管(5)、雙層活頁(yè)瓣簧片(6)和沖擊鉆頭(7)；其連接關(guān)系是導(dǎo)正桿(1)的上端與鉆機(jī)的鉆桿相連，導(dǎo)正桿(1)的下端依次穿過(guò)穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)后與外套管(4)相連，在外套管(4)的下端連接有沖擊鉆頭(7)；穿心沖擊錘(2)與鉆機(jī)的卷?yè)P(yáng)鋼絲繩的自動(dòng)脫錘裝置相連，并在沖擊墊盤(3)之上；在外套管(4)的內(nèi)壁設(shè)置有取樣內(nèi)管(5)，在取樣內(nèi)管(5)的下端連接有雙層活頁(yè)瓣簧片(6)。
2、 按權(quán)利要求1所述的一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置，其特征在于外套管(4)包括上下依次連接的外套管起吊箍(4. 1)、頂部外套管(4.2)、 可接卸外套管(4.3)和底部外套管(4.4)。
3、 按權(quán)利要求1所述的一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置，其特征在于 取樣內(nèi)管(5)包括上下依次連接的圓形調(diào)節(jié)墊塊(5.1)、球閥(5.2)、取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)、頂部對(duì)開(kāi)取樣管(5.4)、取樣內(nèi)管接頭(5.5)、可接卸對(duì) 開(kāi)取樣管(5.6)、底部對(duì)開(kāi)取樣管(5.7)。
4、 按權(quán)利要求1所述的一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置，其特征在于雙層活頁(yè)瓣簧片(6)包括外層旋弧活頁(yè)瓣(6.1)、內(nèi)層旋弧活頁(yè)瓣(6.2)、 活頁(yè)瓣固定螺釘(6.3)、簧片固定螺釘(6.4)和活頁(yè)瓣固定環(huán)(6.5);外層旋弧活頁(yè)瓣(6. 1)和內(nèi)層旋弧活頁(yè)瓣(6. 2)通過(guò)活頁(yè)瓣固定螺釘(6. 3) 固定在活頁(yè)瓣固定環(huán)(6.5)上；雙層活頁(yè)瓣簧片(6)通過(guò)簧片固定螺釘(6.4)與底部對(duì)開(kāi)取樣管(5.7)相 對(duì)固定；夕卜、內(nèi)層旋弧活頁(yè)瓣(6.1、 6.2)為一種帶尾翼的旋弧型彈簧片。 5、 一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯方法，其特征在于包括下列步驟① 將導(dǎo)正桿(1)上端與鉆機(jī)的鉆桿連接；② 將本裝置置于鉆孔位，用鉆機(jī)的巻揚(yáng)鋼絲繩起吊穿心沖擊錘(2)至固定 高度自由落下，擊打沖擊墊盤(3)，使本裝置貫入土中；③ 根據(jù)地層情況，在本裝置達(dá)到預(yù)定深度后，依次卸掉導(dǎo)正桿(l)、穿心沖 擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管起吊箍(4.1)和圓形調(diào)節(jié)墊塊(5.1)，露出 取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)，將球閥(5.2)放入取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)的氣水通道 中；④ 用鉆桿與取樣內(nèi)管起吊箍(5.3)連接，用鉆機(jī)的巻揚(yáng)鋼絲繩提升取樣內(nèi) 管(5);⑤ 卸除取樣內(nèi)管接頭(5.5)，將對(duì)開(kāi)式的取樣內(nèi)管(5)中的樣品依次放入 盛樣筒中，密封，并做好標(biāo)記，完成一個(gè)回次的沖擊取樣；⑥ 同時(shí)加長(zhǎng)外套管(4)和取樣內(nèi)管(5)，將取樣內(nèi)管(5)放入外套管(4)， 依次連接沖擊墊盤(3)、穿心沖擊錘(2)和導(dǎo)正桿(1)，并與鉆機(jī)的鉆桿連接；⑦ 重復(fù)步驟② ⑥，完成下一回次取樣任務(wù)，直至本鉆孔取樣完成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了尤其涉及一種沖擊式雙管雙動(dòng)取芯裝置及其方法，涉及巖土工程勘察松散地層取樣技術(shù)。本裝置的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)正桿(1)的上端與鉆機(jī)的鉆桿相連，導(dǎo)正桿(1)的下端依次穿過(guò)穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)后與外套管(4)相連，在外套管(4)的下端連接有沖擊鉆頭(7)；穿心沖擊錘(2)與鉆機(jī)的卷?yè)P(yáng)鋼絲繩的自動(dòng)脫錘裝置相連，并在沖擊墊盤(3)之上；在外套管(4)的內(nèi)壁設(shè)置有取樣內(nèi)管(5)，在取樣內(nèi)管(5)的下端連接有雙層活頁(yè)瓣簧片(6)。本發(fā)明不僅對(duì)復(fù)雜地層松散條件下勘察取樣具有顯著優(yōu)點(diǎn)，也可運(yùn)用于水下、海洋工程等領(lǐng)域的地質(zhì)勘察取樣。
文檔編號(hào)E21B25/00GK101235710SQ200810046949
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者余克服, 孟慶山, 超 楊, 稔 汪, 王新志, 胡明鑒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所