專利名稱：沖擊式雙管雙動取芯裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及巖土工程勘察松散地層取樣技術，尤其涉及一種粉土、粉細砂、 中粗砂、強風化巖等沖擊式雙管雙動取芯裝置及其方法。具體地說，主要是針對復雜地層松散取樣困難的土層進行勘探取樣，突顯一 個回次可任意長度取樣，取樣內管中樣品易取出、封存，且取樣率和取樣質量高 等優點，特別適用于層理不受擾動的沉積物柱狀土取樣、精細分層取樣、保持樣 品一定的原始結構和構造以及生物擾動痕跡等特殊要求的勘察取樣工作。
背景技術：
在海洋沉積學調查研究中，物理探測技術有突飛猛進的發展。如多波束全覆 蓋精密測深技術，深拖系統的高分辨率海底地形、地貌掃描成像技術，高分辨率 淺、中地層結構探測技術等等。但海洋沉積物的物理探測也不能完全代替沉積物 取樣。只有采取到一定數量的沉積物樣品,才能進行直接的結構分析、成分分析 以及年代測試等，從中獲取物理探測難以取到的地質信息。因此，沉積物的取樣 是海洋沉積學研究的重要前提和基礎之一。重力活塞取樣器是采取海底未固結沉 積物柱狀巖芯的器具之一，由于它結構簡單、使用方便、 一般不受水深限制而被 廣泛應用。關于重力式柱狀取樣技術，國外早在本世紀50 60年代就盛行理論研 究和相應的科學實驗，取得了一些重要成果。最近IO多年來，國外取樣器向兩個 方向發展， 一是某些特殊功能取樣器的研制，如英國重新設計的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以及美國的能 直接測量樣品密度的取樣器等等；其二是向能采取長巖芯的重型化發展，如法國 調査船Marion Duf resne號上使用的Kullenberg型重型取芯器重量達12t,樣管長 可達60m,在北大西洋取到過最長達53m的柱狀巖芯。國內的此類研究開始于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。其他方面,特別是取樣操縱和監控設備極少 有人涉獵。致使我國的重力式柱狀取樣技術距國際先進水平相差甚遠。單就所取 單站柱狀巖芯長度而言，至今極少突破10m大關。而且這種差距有越來越大之趨 勢。為了取得層理不受擾動的沉積物柱狀土樣，做到精細分層取樣，保持土樣一 定的原始結構和構造以及生物擾動痕跡,進行深入的地質與環境研究，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，研究雙管雙動內沖擊管取芯 裝置，并提出相關工藝要求，必將具有重要的工程應用價值。發明內容本發明的目的就是為了克服現有松散地層取樣技術存在的缺點和不足，提供 一種沖擊式雙管雙動取芯裝置及其方法。本發明的目的是這樣實現的一、沖擊式雙管雙動取芯裝置(簡稱本裝置)如圖l，本裝置包括導正桿(1)、穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管 (4)、取樣內管(5)、雙層活頁瓣簧片(6)和沖擊鉆頭(7);其連接關系是導正桿(1)的上端與鉆機的鉆桿相連，導正桿(1)的下端依次穿過穿心沖擊綞(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)與鉆機的巻揚鋼絲繩的自動脫錘裝置相連，并在沖擊墊盤 (3)之上，可沿導正桿(1)上下自由運動；在外套管(4)的內壁設置有取樣內管(5)，在取樣內管(5)的下端連接有 雙層活頁瓣簧片(6)。 本裝置工作原理取樣時，將本裝置通過鉆機的鉆桿吊放至取樣孔位，通過連接于鉆機的巻揚鋼絲繩上自動脫鉤裝置起吊穿心沖擊錘(2)，使穿心沖擊錘(2)在導正桿(1) 上作自由落體運動，通過沖擊墊盤(3)的傳遞形成對外套管(4)及沖擊鉆頭(7) 的沖擊；沖擊鉆頭(7)帶動外套管(4)和取樣內管(5)同時貫入松散地層獲 得進尺；沖擊鉆頭(7)的管靴起到切削土體的作用；樣品隨著取樣內管(5)的 貫入，以較小的擾動進入取樣內管(5);當鉆進至預定深度后，巻揚鋼絲繩將取 樣內管(5)提出外套管(4)，打開對開式的取樣內管(5)，將樣品放置于盛樣 筒中，密封保存，并相應作好記錄。二、沖擊式雙管雙動取芯方法(簡稱本方法)本方法包括下列步驟① 將導正桿(1)上端與鉆機的鉆桿連接；② 將本裝置置于鉆孔位，用鉆機的巻揚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 根據地層情況，在本裝置達到預定深度后，依次卸掉導正桿(1)、穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管起吊箍(4.1)和圓形調節墊塊(5.1)，露出 取樣內管起吊箍(5.3)，將球閥(5.2)放入取樣內管起吊箍(5.3)的氣水通道 中；④ 用鉆桿與取樣內管起吊箍(5.3)連接，用鉆機的巻揚鋼絲繩提升取樣內 管(5);⑤ 卸除取樣內管接頭(5.5)，將對開式的取樣內管(5)中的樣品依次放入 盛樣筒中，密封，并做好標記，完成一個回次的沖擊取樣；⑥ 同時加長外套管(4)和取樣內管(5)，將取樣內管(5)放入外套管(4)， 依次連接沖擊墊盤(3)、穿心沖擊錘(2)和導正桿(1)，并與鉆機的鉆桿連接；⑦ 重復步驟② ⑥，完成下一回次取樣任務，直至本鉆孔取樣完成。 本發明具有以下優點和積極效果① 在取樣過程中，可根據需要調整本裝置的長度，完成一個回次的取樣工作。② 外套管能夠切削土體并起到護壁作用，且可以不斷接長，保證取樣內管所 取樣品的連續性和無重疊性。③ 本裝置工作原理直觀、結構簡單、精度高、穩定性好、易于操作、拆卸方便，對安裝、操作人員沒有很強的技術要求。④本發明不僅對復雜地層松散條件下勘察取樣具有顯著優點，也可運用于水 下、海洋工程等領域的地質勘察取樣。
圖1是本裝置結構示意圖；圖2是取樣內管結構示意圖；圖3. 1是雙層活頁瓣簧片結構示意圖(俯視)。圖3.2是雙層活頁瓣簧片結構示意圖(側視、剖面)。其中1—導正桿；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 —取樣內管，5.1 —圓形調節墊塊， 5.3—取樣內管起吊箍， 5.5 —取樣內管接頭， 5.7—底部對開取樣管;6— 雙層活頁瓣簧片，6. l —外層旋弧活頁瓣， 6.3 —活頁瓣固定螺釘， 6.5 —活頁瓣固定環；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，4一頂部對開取樣管， 6—可接卸對開取樣管，2—內層旋弧活頁瓣， 4一簧片固定螺釘，具體實施方式
下面結合附圖對本發明進一步說明一、 本裝置按圖l、圖2、圖3. l和圖3.2生產、安裝。二、 各部件結構及其功能1、 導正桿(1)如圖1，導正桿(1)是一種中空圓形長桿，要求外壁光滑，起連接和導軌 的作用。2、 穿心沖擊錘(2)如圖1，穿心沖擊錘(2)是一種中空圓柱型金屬綞，要求內壁光滑，且其 內徑比導正桿(1)外徑大2mm左右為宜，其重量可根據土層的軟硬程度調整。3、 沖擊墊盤(3)如圖l，沖擊墊盤(3)是一種中空圓形金屬盤，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);實際應用中，外套管(4)是一種地質鋼管，其外徑為①127inm，壁厚為8mm， 每節長度1000mm， 一端內攻絲，另一端外攻絲，內壁光滑。兩節可接卸外套管 (4.3)可直接對接。外套管起吊箍(4.1)中心設置有氣水通道，在本裝置貫入過程中，進入取 樣內管(5)中的土樣上部的氣、水可以通過氣水通道和導正桿(1)及鉆桿中心 孔道排除，避免形成氣水塞。5、 取樣內管(5)如圖l、 2，取樣內管(5)包括上下依次連接的圓形調節墊塊(5.1)、球閥 (5. 2)、取樣內管起吊箍(5. 3)、頂部對開取樣管(5. 4)、取樣內管接頭(5. 5)、 可接卸對開取樣管(5.6)、底部對開取樣管(5.7);實際應用中，取樣內管(5)是一種對開式地質鋼管，其外徑為①108mm, 壁厚5ram，每節長度1000mm，兩端外攻絲，內壁打磨光滑，作防銹處理。以外徑 (D108ram，長度100 mra內攻絲的內取樣管接頭(5.5)相互連接。內管起吊箍(5.3)中心設置有氣水通道，提升取樣內管時，將球閥(5.2) 放入內管起吊箍(5.3)的氣水通道中，阻斷取樣內管(5)與上部的氣水通道， 在提升過程中形成一定的真空度，并阻擋了取樣內管(5)外水壓力作用，避免 提升過程中鉆孔的抽吸作用。6、 雙層活頁瓣簧片(6)如圖1、 3.1、 3.2,雙層活頁瓣簧片(6)包括外層旋弧活頁瓣(6.1)、內 層旋弧活頁瓣(6.2)、活頁瓣固定螺釘(6.3)、簧片固定螺釘(6.4)和活頁瓣 固定環(6.5);外層旋弧活頁瓣(6. 1)和內層旋弧活頁瓣(6. 2)通過活頁瓣固定螺釘(6. 3) 固定在活頁瓣固定環(6.5)上；雙層活頁瓣簧片(6)通過簧片固定螺釘(6.4)與底部對開取樣管(5.7)相 對固定。夕卜、內層旋弧活頁瓣(6.1、 6.2)為一種帶尾翼的旋弧型簧片。簧片在土樣 進入時打開，提取土樣時，由于簧片的彈性支撐作用及雙層設計，更能防止松散 土樣脫落，確保土樣的連續性和下一回次土樣不重疊，減少傳統取樣清孔所帶來 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 僅要切實保證取樣內管(5)下端立在鉆頭內臺肩上，而且調節墊塊要合適，確 保取樣內管(5)與外套管(4)緊密接觸；這樣在鉆進過程中，就不至于使樣品 進入內外管的環狀間隙內，防止鉆時出現故障。為防止孔斜，開孔時吊錘行程宜控制在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。
權利要求
1、一種沖擊式雙管雙動取芯裝置，其特征在于包括導正桿(1)、穿心沖擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管(4)、取樣內管(5)、雙層活頁瓣簧片(6)和沖擊鉆頭(7)；其連接關系是導正桿(1)的上端與鉆機的鉆桿相連，導正桿(1)的下端依次穿過穿心沖擊錘(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)與鉆機的卷揚鋼絲繩的自動脫錘裝置相連，并在沖擊墊盤(3)之上；在外套管(4)的內壁設置有取樣內管(5)，在取樣內管(5)的下端連接有雙層活頁瓣簧片(6)。
2、 按權利要求1所述的一種沖擊式雙管雙動取芯裝置，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、 按權利要求1所述的一種沖擊式雙管雙動取芯裝置，其特征在于 取樣內管(5)包括上下依次連接的圓形調節墊塊(5.1)、球閥(5.2)、取樣內管起吊箍(5.3)、頂部對開取樣管(5.4)、取樣內管接頭(5.5)、可接卸對 開取樣管(5.6)、底部對開取樣管(5.7)。
4、 按權利要求1所述的一種沖擊式雙管雙動取芯裝置，其特征在于雙層活頁瓣簧片(6)包括外層旋弧活頁瓣(6.1)、內層旋弧活頁瓣(6.2)、 活頁瓣固定螺釘(6.3)、簧片固定螺釘(6.4)和活頁瓣固定環(6.5);外層旋弧活頁瓣(6. 1)和內層旋弧活頁瓣(6. 2)通過活頁瓣固定螺釘(6. 3) 固定在活頁瓣固定環(6.5)上；雙層活頁瓣簧片(6)通過簧片固定螺釘(6.4)與底部對開取樣管(5.7)相 對固定；夕卜、內層旋弧活頁瓣(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取芯方法，其特征在于包括下列步驟① 將導正桿(1)上端與鉆機的鉆桿連接；② 將本裝置置于鉆孔位，用鉆機的巻揚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 根據地層情況，在本裝置達到預定深度后，依次卸掉導正桿(l)、穿心沖 擊錘(2)、沖擊墊盤(3)、外套管起吊箍(4.1)和圓形調節墊塊(5.1)，露出 取樣內管起吊箍(5.3)，將球閥(5.2)放入取樣內管起吊箍(5.3)的氣水通道 中；④ 用鉆桿與取樣內管起吊箍(5.3)連接，用鉆機的巻揚鋼絲繩提升取樣內 管(5);⑤ 卸除取樣內管接頭(5.5)，將對開式的取樣內管(5)中的樣品依次放入 盛樣筒中，密封，并做好標記，完成一個回次的沖擊取樣；⑥ 同時加長外套管(4)和取樣內管(5)，將取樣內管(5)放入外套管(4)， 依次連接沖擊墊盤(3)、穿心沖擊錘(2)和導正桿(1)，并與鉆機的鉆桿連接；⑦ 重復步驟② ⑥，完成下一回次取樣任務，直至本鉆孔取樣完成。
全文摘要
本發明公開了尤其涉及一種沖擊式雙管雙動取芯裝置及其方法，涉及巖土工程勘察松散地層取樣技術。本裝置的結構是導正桿(1)的上端與鉆機的鉆桿相連，導正桿(1)的下端依次穿過穿心沖擊錘(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)與鉆機的卷揚鋼絲繩的自動脫錘裝置相連，并在沖擊墊盤(3)之上；在外套管(4)的內壁設置有取樣內管(5)，在取樣內管(5)的下端連接有雙層活頁瓣簧片(6)。本發明不僅對復雜地層松散條件下勘察取樣具有顯著優點，也可運用于水下、海洋工程等領域的地質勘察取樣。
文檔編號E21B25/00GK101235710SQ200810046949
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月28日 優先權日2008年2月28日
發明者余克服, 孟慶山, 超 楊, 稔 汪, 王新志, 胡明鑒 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所