一种多角度钻取各向异性介质实验岩样装置

技术领域

本发明涉及地质勘查中岩石物理实验用的机械加工技术领域，特别涉及一种多角度钻取各向异性介质实验岩样装置。

背景技术

目前，公知的实验岩心钻取装置都是在现有的台式钻床上安装一个空心取样钻头取样，而且全直径夹持器是没有弧度的平板虎口钳，全直径岩心与夹持器接触面积小，钻样时全直径岩心容易滑动，影响钻样成功率。只能钻取垂直于全直径岩心轴方向的岩样即平行全直径方向取样。经过文献查新调研发现许多盆地储层岩石具有明显的各向异性特征，例如鄂尔多斯盆地、准格尔盆地、四川盆地、Bongor盆地等，而现有的取样机不能钻取各向异性岩石力学实验所需要的不同角度和方位的岩样，限制了各向异性岩样实验研究的精确性与多样性。

另外，现有取样机都是采用自来水接管直接冲淋钻头外部方式降温润滑，钻取岩样时润滑液会随着钻头旋转的惯性甩向四周，污染了岩心钻台周围工作环境。用于润滑的冲淋钻头的水伴随钻样排放造成资源浪费，无专用的润滑冷却钻头的装置，即使有润滑和降温性能好的润滑液也无处添加。

发明内容

为了解决自来水接管直接冲淋钻头污染工作环境、取样角度单一、夹持不够稳定的问题，本发明提供一种多角度钻取各向异性介质实验岩样装置，可针对不同岩性添加相应的润滑液，实现内润滑取样，不仅实现取样多角度化、提高了取样成功率，还使岩样钻取作业环境干净整洁。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种多角度钻取各向异性介质实验岩样装置，包括钻机底座、支撑组件、钻头组件、动力组件、润滑组件和夹持组件；

所述支撑组件和夹持组件设置在钻机底座上，所述动力组件设置在支撑组件上端部；所述钻头组件与动力组件连接，且钻头组件底部能够延伸至所述夹持组件内部对岩心取样；所述润滑组件设置在钻头组件上；

所述润滑组件包括润滑液箱，润滑液箱底部设置有润滑液控制开关；

所述钻头组件包括钻头动力传输轴和空心取样钻头，所述钻头动力传输轴为空心轴，所述钻头动力传输轴顶部与所述润滑液控制开关相连通；所述钻头动力传输轴由动力组件驱动转动；所述空心取样钻头设置在钻头动力传输轴下端部，且所述空心取样钻头内部与钻头动力传输轴内腔连通；

所述夹持组件为角度可调结构。

作为本发明的进一步改进，所述支撑组件包括钻机螺杆立柱，所述钻机螺杆立柱竖向设置在所述钻机底座上；所述钻机螺杆立柱为可升降结构，钻机螺杆立柱上设置有用于调节其高度的钻机升降旋盘。

作为本发明的进一步改进，所述动力组件包括钻机横梁、顶部保护壳、取样机电机、主动带轮和从动带轮；所述取样机电机设置在所述支撑组件上，所述钻机横梁、顶部保护壳组装且均与支撑组件上部连接；所述主动带轮与取样机电机输出轴连接，主动带轮和从动带轮通过动力传递三角带连接，所述主动带轮和从动带轮均设置在顶部保护壳内部；从动带轮驱动所述钻头组件转动。

作为本发明的进一步改进，所述夹持组件包括变角度夹持器底板、固定夹板、取心角度测量仪和变角度滑动撑杆；所述变角度夹持器底板通过活动轴承设置在钻机底座上，所述变角度夹持器底板上具有滑动轨道，两个相对设置的固定夹板设置在所述滑动轨道上；两个固定夹板通过夹板移动旋转螺杆连接进行相对距离调节；

所述取心角度测量仪设置在变角度夹持器底板端部，取心角度测量仪外部设置有角度调节杆；角度调节杆一端与钻机底座铰接，另一端设置有角度调节旋钮套管，所述变角度滑动撑杆一端设置在角度调节旋钮套管内，另一端与钻机底座铰接，角度调节旋钮套管上设置有角度调节旋钮；钻机底架、角度调节杆和变角度滑动撑杆形成可变三角形结构。

作为本发明的进一步改进，所述固定夹板为弧形夹板，两个弧形夹板弧口相对，且弧形夹板内设置有橡胶垫片。

作为本发明的进一步改进，所述钻头动力传输轴为可升降轴，钻头动力传输轴上具有钻头升降旋转手柄。

作为本发明的进一步改进，所述钻头动力传输轴包括空心动力转轴内芯和空心动力转轴外套筒；所述空心动力转轴内芯设置在空心动力转轴外套筒内，空心动力转轴内芯外部设置有空心动力转轴内芯配套轴承，空心动力转轴外套筒外部设置有空心动力转轴外套筒配套轴承，空心动力转轴外套筒与空心取样钻头连接；空心动力转轴内芯配套轴承与空心动力转轴外套筒配套轴承之间通过拉力弹簧连接；

所述空心动力转轴外套筒外部为齿槽，钻头升降旋转手柄端部设置有齿轮；空心动力转轴外套筒与齿轮啮合。

作为本发明的进一步改进，所述夹持组件调节角度为0～90度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明固定在钻机横梁上方的润滑液箱中的润滑液在重力作用下通过空心动力传输轴内部传递到空心取样钻头，可针对不同岩性添加相应的润滑液，实现内润滑取样，不仅提高了取样成功率，还使岩样钻取作业环境干净整洁。

进一步，该各向异性取样装置可以为各向异性(ORT、HIV、TIV)地层，例如具有横观各向同性纵向各向异性的鄂尔多斯盆地延长组TIV地层，砂泥岩互层发育，非均质性明显砂岩、粉砂岩和泥质砂岩地层，具有较强的各向异性特征，提供实验研究所需钻取不同角度岩样，研究声学、岩石力学、渗透力学等因地层各向异性产生的石油工程当中的问题。可以在钻样时根据不同岩性岩样添加相应润滑液内部润滑，工作界面整洁，方便多角度取样，并对岩样进行保护，能满足各向异性介质实验的多角度岩样钻取要求，该装置结构简单，操作方便，钻取岩样成功率高。

进一步，尤其是一多方位、变角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等)带润滑系统的实验岩样钻取装置，尤其是能钻取各向异性实验的多种角度岩样。

进一步，该装置带内润滑系统的弧形夹持，变角度圆柱体岩样钻取装置，该装置可以任意角度钻取岩样，钻样成功率高、工作界面干净整洁。

进一步，松动角度调节旋钮可以任意旋转岩心夹持器角度，再次调紧可固定角度，实现任意角度取样。夹持器的两块夹板采用弧形曲面设计，且曲面上粘贴了5mm橡胶垫片，夹持稳固，扭动夹板旋转螺杆两夹板互相靠近紧紧地夹紧被取样岩心。采用单相1100w电机驱动带轮经三角带将动力传递给空心动力传输轴，动力传输轴连接空心取样钻头。该装置结构简单，操作方便，钻取岩样成功率高。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1整机安装配置三维结构外观图；

图2空心动力传输轴与钻头升降旋转手柄内部构造；

其中：1—钻机螺杆立柱；2—钻机升降旋盘；3—取样机电机；4—主动带轮；5—从动带轮；6—动力传递三角带；7—顶部保护壳；8-钻机横梁；9—钻头升降旋转手柄；10—钻头动力传输轴；11—1英寸内径空心取样钻头；12—固定夹板；13—滑动轨道；14—钻机方位调节旋钮；15—变角度夹持器底板；16—固定夹板；17—取心角度测量仪；18—夹板移动旋转螺杆；19—角度调节旋钮；20—变角度滑动撑杆；21—钻机底座；22—润滑液箱；23—润滑液控制开关；24—润滑液回收盒。101-空心动力转轴内芯配套轴承；102-空心动力转轴内芯；103-拉力弹簧；104-空心动力转轴外套筒配套轴承；105-空心动力转轴外套筒；106-齿轮；107-空心取样钻头。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明采用的技术方案是：

如图1所示，一种多角度钻取各向异性介质实验岩样装置，包括钻机底座21、支撑组件、钻头组件、动力组件、润滑组件和夹持组件；

所述支撑组件和夹持组件设置在钻机底座21上，所述动力组件设置在支撑组件上端部；所述钻头组件与动力组件连接，且钻头组件底部能够延伸至所述夹持组件内部对岩心；所述润滑组件设置在钻头组件上；

所述润滑组件包括润滑液箱22，润滑液箱22底部设置有润滑液控制开关23；

所述钻头组件包括钻头动力传输轴10和空心取样钻头11，所述钻头动力传输轴10为空心轴，所述钻头动力传输轴10顶部与所述润滑液控制开关23相连通；所述钻头动力传输轴10由动力组件驱动转动；所述空心取样钻头11设置在钻头动力传输轴10下端部，且所述空心取样钻头11内部与钻头动力传输轴10内腔连通；

所述夹持组件为角度可调结构。

所述支撑组件包括钻机螺杆立柱1，所述钻机螺杆立柱1竖向设置在所述钻机底座21上；所述钻机螺杆立柱1为可升降结构，钻机螺杆立柱1上设置有用于调节其高度的钻机升降旋盘2。

所述动力组件包括钻机横梁8、顶部保护壳7、取样机电机3、主动带轮4和从动带轮5；所述取样机电机3设置在所述支撑组件上，所述钻机横梁8、顶部保护壳7组装且均与支撑组件上部连接；所述主动带轮4与取样机电机3输出轴连接，主动带轮4和从动带轮5通过动力传递三角带6连接，所述主动带轮4和从动带轮5均设置在顶部保护壳7内部；从动带轮5驱动所述钻头组件转动。

所述夹持组件包括变角度夹持器底板15、固定夹板、取心角度测量仪17和变角度滑动撑杆20；所述变角度夹持器底板15通过活动轴承设置在钻机底座21上，所述变角度夹持器底板15上具有滑动轨道13，两个相对设置的固定夹板设置在所述滑动轨道13上；两个固定夹板通过夹板移动旋转螺杆19连接进行相对距离调节；

所述取心角度测量仪17设置在变角度夹持器底板15端部，取心角度测量仪17外部设置有角度调节杆；角度调节杆一端与钻机底座21铰接，另一端设置有角度调节旋钮套管，所述变角度滑动撑杆20一端设置在角度调节旋钮套管内，另一端与钻机底座21铰接，角度调节旋钮套管上设置有角度调节旋钮19；钻机底架21、角度调节杆和变角度滑动撑杆20形成可变三角形结构。

所述钻头动力传输轴10为可升降轴，钻头动力传输轴10上具有钻头升降旋转手柄9。所述钻头动力传输轴10包括空心动力转轴内芯102和空心动力转轴外套筒105；所述空心动力转轴内芯102设置在空心动力转轴外套筒105内，空心动力转轴内芯102外部设置有空心动力转轴内芯配套轴承101，空心动力转轴外套筒105外部设置有空心动力转轴外套筒配套轴承104，空心动力转轴外套筒105与空心取样钻头107连接；空心动力转轴内芯配套轴承101与空心动力转轴外套筒配套轴承104之间通过拉力弹簧103连接；

所述空心动力转轴外套筒105外部为齿槽，钻头升降旋转手柄9端部设置有齿轮106；空心动力转轴外套筒105与齿轮106啮合。

以下结合附图1和实施例对本发明进行详细说明：

实施例

钻机底座21上竖直设置有钻机螺杆立柱1，钻机螺杆立柱1中部具有钻机升降旋盘2，钻机螺杆立柱1顶部一侧设置有取样机电机3，钻机螺杆立柱1顶部设置有顶部保护壳7。顶部保护壳7内具有主动带轮4和从动带轮5，主动带轮4和从动带轮5通过动力传递三角带6连接传动。从动带轮5下部设置有钻机横梁8，钻机横梁8另一端通过钻机方位调节旋钮14与钻机螺杆立柱1顶部固定。钻机横梁8下端设置有钻头动力传输轴10，钻头动力传输轴10上具有钻头升降旋转手柄9，钻头动力传输轴10下端设置1英寸内径空心取样钻头11。顶部保护壳7上设置有润滑液箱22，润滑液箱22提供润滑液。

钻机底座21上还设置有变角度夹持器底板15和取心角度测量仪17，变角度夹持器底板15上设置固定夹板16和固定夹板12，固定夹板16和固定夹板12通过设置有夹板移动旋转螺杆18调节间距。固定夹板16和固定夹板12在变角度夹持器底板15的滑动轨道13上滑动。取心角度测量仪17与角度调节旋钮19连接。变角度滑动撑杆20另一端与钻机底座21铰接。

具体的，润滑液箱22用输液管连通到钻头动力传输轴10中，空心取样钻头11连接钻头动力传输轴10使润滑液直达岩心；带垫片的两弧形夹持板预制螺母孔用长螺杆连接转动实现两夹板互相靠近或远离；两夹板与带滑动轨道13的底座与整机底架用活动轴承连接可随意转动，用角度调节旋钮19变角固定，在取心角度测量器17观测角度值。润滑系统从空心取样钻头内部传递润滑液，采用弧形变角度岩心夹持器底板15。

具体的，空心取样钻头11上预制螺母与钻头空心连接，形成润滑液传递流通的通道，连接空心动力传输轴10螺杆一端，空心动力传输轴10经轴承过钻机横梁8另一端采用键槽和从动带轮5连接。钻机横梁8上方的润滑液箱22输出口正对空心动力传输轴10，从动带轮5经三角带连接主动带轮4，主动带轮4与取样机电机3轴用键槽连接。

具体的，两弧形固定夹板12与带滑动轨道13的变角度夹持器底板15连接，变角度夹持器底板15两端芯棒与预制外套圈钻机底架21连接，形成轴承结构实现随意旋转角度，芯棒端口采用倒棱成正方形连接角度调节杆，通过取心角度测量仪17可观察调节角度，角度调节杆端部采用活动铆钉连接角度调节旋钮，角度调节旋钮19套管与变角度滑动撑杆20连接，变角度滑动撑杆20与钻机底座21活动连接，钻机底座21、角度调节杆、变角度滑动撑杆20三者形成三角形。

作为本发明进一步改进，如图2所示，空心动力传输轴与钻头升降旋转手柄内部构造为：

空心动力转轴内芯102与空心动力转轴外套筒105套接，空心动力转轴内芯102外部设置有空心动力转轴内芯配套轴承101，空心动力转轴外套筒105外部设置有空心动力转轴外套筒配套轴承104，空心动力转轴外套筒105与1英寸内径空心取样钻头107连接。空心动力转轴内芯配套轴承101与空心动力转轴外套筒配套轴承104之间通过拉力弹簧103连接。空心动力转轴外套筒105外部为齿槽，空心动力转轴外套筒105与齿轮106啮合。

钻机螺杆立柱1圆盘底座通过4个直径16mm螺栓与钻机底座连接固定，驱动电机和钻机横梁固定在钻机螺杆立柱套管上，钻机升降旋盘内部刻有与螺杆立柱匹配的螺纹。驱动电机转轴端部采用键槽与带轮固定连接，通过三角带连接从动带轮，空心动力传输轴上端采用键槽与从动带轮固定连接。

钻机横梁8上覆盖顶部保护壳与横梁固定，顶部保护壳上固定润滑液箱22，润滑液箱22底部润滑液体输出口加开关对准空心动力传递轴10，润滑液开关输出口连接软导管将润滑液送入空心取样钻头11，钻样后的润滑液回收、过滤继续使用，节约资源避免浪费。

空心动力转轴内芯102和外筒105采用花键连接，可以在转动的同时进行拉伸和缩短，空心动力转轴内芯102上的轴承101安装在整机横梁内部，空心动力转轴外套筒105连接轴承104用拉力弹簧103连接整机横梁的轴承101，在取样完毕时自动提升钻头。空心动力转轴套筒105外刻有横向凹槽与齿轮106咬合，钻头升降旋转手柄齿轮转动带动空心动力转轴套筒上下移动实现钻样和提升钻头。

全直径岩心夹持器的两块夹板，采用弧形曲面设计，并在曲面上粘贴5mm橡胶垫片，夹板预制螺母孔用长螺杆串接，扭动夹板上旋转螺杆两夹板互相靠近或远离用以夹紧或松开岩心，夹板与带滑动轨道的底座相连接，带滑动轨道的底座与整个钻机底座用活动轴承相连接(带滑动轨道的底座两端芯棒与预制外套圈钻机底架连接，形成轴承结构实现随意旋转角度)，角度调节杆连接角度调节旋钮，松动角度调节旋钮围绕量角板任意旋转，读取角度，调转到自己所要取样的角度拧紧角度调节旋钮，角度调节旋钮套管与变角度滑动撑杆连接，固定岩心夹持器角度位置，变角度滑动撑杆与钻机底架活动连接，钻机底架、角度调节杆、变角度滑动撑杆三者形成三角形实现任意角度取样。

本发明的具体特点如下：

(1)全直径岩心夹持器的两块夹板采用弧形曲面设计，并且添加了5mm加厚橡胶垫片，既增大了全直径岩心与夹板的接触面积，又增大了岩心与夹板之间的粗糙程度，因此该夹持器能紧紧地夹持住不规则全直径岩心，提高了钻取岩样的稳固性。

(2)两个夹板与带滑动轨道的底座相连接，扭动夹板上的旋转螺杆，两夹板互相靠近或远离用以夹紧或松开岩心，带滑动轨道的底座与整个钻机底座用活动轴承相连接，松动角度调节旋钮可以任意旋转岩心夹持器角度，调整到取样所需角度，拧紧角度调节旋钮，固定岩心夹持器，实现任意角度、任意方位钻样。

(3)采用单相1100W电机驱动带轮经三角带将动力传递给空心动力传输轴(空心动力传输轴分为两节，用内外花键连接，在转动的同时可以变换长短)，动力传输轴连接空心取样钻头。

固定在钻机横梁上方的润滑液箱中的润滑液在重力作用下通过空心动力传输轴内部传递到空心取样钻头，可针对不同岩性添加相应的润滑液，实现内润滑取样，不仅提高了取样成功率，还使岩样钻取作业环境干净整洁。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。