一种页岩气原位钻探采集装置

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种页岩气原位钻探采集装置。

背景技术

目前各种不良地质特别是页岩气对隧道施工安全威胁巨大，随着“页岩气”隧道施工瓦斯灾害事故的不断增加，人们越来越认识到防范和减轻瓦斯灾害的重要性，关于页岩气隧道成因类型和赋存特征、运聚模式和富集规律尚未完全探索清楚，相关研究工作开展较少，为了对其进行防治，需要收集整理地形地貌、地质构造、地层岩性等资料，在所需地区进行页岩气的钻探采集分析，利用页岩气钻孔采集检测数据和资料，分析研究地层内页岩气的赋存状态，结合隧道深孔及隧道开挖的气体持续监测工作，实现对页岩气的预防防治工作。

而目前对页岩气进行钻探采集时，通常需要通过钻机对应位置进行钻探，然后通过钻孔对岩层进行压裂后，将内部的页岩气排出，但此种方式无法构成一个封闭的采集环境，会造成一定量的页岩气溢出损耗，只适合大量采集页岩气，无法精确的收集地质环境中的页岩气，不适合小规模的勘探工作，难以对地层内页岩气进行方便快捷准确的钻探采集分析。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种页岩气原位钻探采集装置，以解决目前页岩气钻探采集设备无法构成一个封闭的采集环境，会造成一定量的页岩气溢出损耗，难以对地层内页岩气进行方便快捷准确的钻探采集分析的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种页岩气原位钻探采集装置，包括有原位固定架，所述原位固定架的中心处安装设置有环形采集架，还包括：

负压采集筒，固定设置于所述环形采集架的中间，所述负压采集筒的底部设置有连通开口，所述负压采集筒的顶部外侧环绕设置有封闭气囊，所述封闭气囊的外侧连接设置有气泵，所述封闭气囊的中间竖向贯穿设置有气体采集管，所述气体采集管的中间设置有采集单向阀；

泵送活塞，嵌合滑动设置于所述负压采集筒的内侧，所述泵送活塞的上方转动连接设置有牵引螺杆，所述负压采集筒的顶端转动连接设置有牵引齿盘，所述牵引齿盘的中心处设置有牵引螺套，所述牵引螺套与所述牵引螺杆嵌套连接；

气水分离罐，设置于所述气体采集管的外端，所述气水分离罐的底部和顶部分别设置有进气口和排气口，所述气水分离罐通过进气口与气体采集管相互连通，所述气水分离罐通过所述球头万向节与所述环形采集架相互连接；

样品采集筒，连接设置于所述排气口的外侧，所述排气口的外端连接设置有采集接口，所述样品采集筒的底部中间设置有进气接口，所述样品采集筒通过进气接口与采集接口相互连接，所述进气接口的中间设置有进气单向阀，所述样品采集筒的内部设置有储存气囊，所述储存气囊通过进气单向阀与进气接口相互连接。

进一步的，所述原位固定架的外侧均匀环绕连接设置有多个支撑螺纹套，所述支撑螺纹套的内侧嵌套设置有多个支撑螺杆，所述支撑螺杆的外端连接设置有调节旋柄，所述支撑螺杆的底端连接设置有球头万向节，所述球头万向节的外侧连接设置有支撑脚盘，所述支撑脚盘的中间设置有螺栓固定孔。

进一步的，所述原位固定架的中心处设置有固定安装环，所述固定安装环的内侧环绕设置有旋转连接槽，所述旋转连接槽的上方均匀环绕连接设置有多个嵌合连接槽。

进一步的，还包括环形钻探架，所述环形采集架与所述固定安装环之间尺寸相互配合，所述环形钻探架与所述固定安装环之间尺寸相互配合，所述环形钻探架和所述环形采集架的外侧均环绕设置有多个嵌合连接块，所述嵌合连接块与所述嵌合连接槽一一对应设置且尺寸相互配合，所述嵌合连接块与所述旋转连接槽之间尺寸相互配合，所述环形采集架通过嵌合连接块沿嵌合连接槽滑动嵌入旋转连接槽与固定安装环相互连接。

进一步的，所述环形钻探架的中心处设置有旋转轴套，所述旋转轴套的上方设置有滑动导向架，所述滑动导向架底部与所述环形钻探架固定连接，所述滑动导向架的中间滑动连接设置有移动钻探架，所述移动钻探架的上方连接设置有牵引绞盘，所述移动钻探架的中间设置有钻机，所述钻机的下方连接设置有钻杆，所述钻杆嵌套转动设置于所述旋转轴套的内侧，所述钻杆的底端连接设置有钻头。

进一步的，所述牵引螺杆的内侧设置有补水输送管，所述补水输送管的底端设置有单向输送阀，所述补水输送管通过所述单向输送阀与所述泵送活塞下侧相互连通，所述单向输送阀的输送方向为由补水输送管至泵送活塞下侧。

进一步的，所述气水分离罐的侧壁顶部连接设置有溢流管，所述溢流管的中间设置有电磁开关阀，所述气水分离罐的内侧顶部和底部均设置有检测电极片，所述检测电极片与所述电磁开关阀电性连接。

进一步的，所述采集接口的外侧连接设置有采集座，所述采集座与所述环形采集架固定连接，所述采集座的外侧设置有采集导向架，所述采集导向架的中间滑动连接设置有采集压盘，所述采集压盘的后侧连接设置有气动伸缩杆，所述气动伸缩杆的上下两端分别与所述采集压盘和所述采集导向架固定连接。

进一步的，所述采集座的上方设置有旋转采集盘，所述旋转采集盘与所述采集座转动连接，所述旋转采集盘的中间呈圆周状均匀环绕设置有多个采集安装套，所述采集安装套的内侧嵌套滑动设置有滑动压环，所述滑动压环的下方设置有复位弹簧。

进一步的，所述样品采集筒与所述采集安装套之间尺寸相互配合，所述旋转采集盘通过多个采集安装套同时装载多个样品采集筒，所述旋转采集盘带动所有样品采集筒同步转动依次经过采集座与采集压盘之间，所述样品采集筒的外侧环绕设置有安装压环。

本发明的有益效果：从上面所述可以看出，本发明提供的一种页岩气原位钻探采集装置，通过负压采集筒插入需要进行采集的岩壁钻孔中，将负压采集筒插入后向柔性的封闭气囊中充气，使环形的封闭气囊整体膨胀以填充负压采集筒与岩壁钻孔之间的封闭，与负压采集筒配合将岩壁钻孔开口处完全封堵，使岩壁钻孔内部构成一个封闭的采集环境，避免内部页岩气泄漏溢出造成危险和影响检测采集分析精度，并通过泵送活塞的循环上下移动将岩壁钻孔附近岩石中的页岩气不断输送至样品采集筒进行收集采集，整体采集更加方便快捷准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的结构示意图；

图4为本发明实施例的结构示意图；

图5为本发明实施例的结构示意图；

图6为本发明实施例的结构示意图；

图7为本发明实施例的结构示意图；

图8为本发明实施例的结构示意图；

图9为本发明实施例的结构示意图；

图10为本发明实施例的结构示意图。

图中标记为：

1、原位固定架；101、支撑螺纹套；102、支撑螺杆；103、调节旋柄；104、球头万向节；105、支撑脚盘；106、螺栓固定孔；2、固定安装环；201、旋转连接槽；202、嵌合连接槽；3、环形钻探架；301、旋转轴套；302、滑动导向架；303、移动钻探架；304、牵引绞盘；305、钻机；306、钻杆；307、钻头；4、环形采集架；401、嵌合连接块；402、负压采集筒；403、连通开口；404、封闭气囊；405、气泵；406、气体采集管；407、采集单向阀；5、泵送活塞；501、牵引螺杆；502、补水输送管；503、单向输送阀；504、牵引螺套；505、牵引齿盘；506、驱动齿轮；507、牵引电机；6、气水分离罐；601、进气口；602、排气口；603、溢流管；604、电磁开关阀；605、检测电极片；7、采集座；701、采集接口；702、采集导向架；703、采集压盘；704、气动伸缩杆；8、旋转采集盘；801、采集安装套；802、滑动压环；803、复位弹簧；804、旋转齿环；805、旋转齿轮；806、旋转电机；9、样品采集筒；901、进气接口；902、进气单向阀；903、储存气囊；904、平衡开口；905、安装压环；906、提手。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，一种页岩气原位钻探采集装置，包括有原位固定架1，原位固定架1的中心处安装设置有环形采集架4，还包括：

负压采集筒402，固定设置于环形采集架4的中间，负压采集筒402的底部设置有连通开口403，负压采集筒402的顶部外侧环绕设置有封闭气囊404，封闭气囊404的外侧连接设置有气泵405，封闭气囊404的中间竖向贯穿设置有气体采集管406，气体采集管406的中间设置有采集单向阀407；

泵送活塞5，嵌合滑动设置于负压采集筒402的内侧，泵送活塞5的上方转动连接设置有牵引螺杆501，负压采集筒402的顶端转动连接设置有牵引齿盘505，牵引齿盘505的中心处设置有牵引螺套504，牵引螺套504与牵引螺杆501嵌套连接；

气水分离罐6，设置于气体采集管406的外端，气水分离罐6的底部和顶部分别设置有进气口601和排气口602，气水分离罐6通过进气口601与气体采集管406相互连通，气水分离罐6通过球头万向节104与环形采集架4相互连接；

样品采集筒9，连接设置于排气口602的外侧，排气口602的外端连接设置有采集接口701，样品采集筒9的底部中间设置有进气接口901，样品采集筒9通过进气接口901与采集接口701相互连接，进气接口901的中间设置有进气单向阀902，样品采集筒9的内部设置有储存气囊903，储存气囊903通过进气单向阀902与进气接口901相互连接。

在本实施例中，装置通过负压采集筒402插入需要进行采集的岩壁钻孔中，插入时向负压采集筒402中灌水，负压采集筒402插入后，便可以通过气泵405向柔性的封闭气囊404中充气，使环形的封闭气囊404整体膨胀以填充负压采集筒402与岩壁钻孔之间的封闭，与负压采集筒402配合将岩壁钻孔开口处完全封堵，使岩壁钻孔内部构成一个封闭的采集环境，避免内部页岩气泄漏溢出造成危险和影响检测采集分析精度，进行采集时，牵引螺套504带动泵送活塞5上下移动，泵送活塞5向下移动时，将负压采集筒402中的水通过连通开口403压入外侧的岩壁钻孔中，从而通过水将岩壁钻孔中的气体即岩壁散发的页岩气通过气体采集管406压出，然后通过进气口601输送至气水分离罐6，气水分离罐6中含有一定的水，可以将输送来的水留下，而气体则通过排气口602进一步输送至样品采集筒9中进行采集收集，而泵送活塞5向上移动时，则将水通过连通开口403抽入负压采集筒402中，而气体采集管406的中间设置有采集单向阀407，只允许气体排出至外侧，从而可以在外侧的封闭的岩壁钻孔内构成负压环境，便于岩壁加快溢出页岩气填充外部，从而通过泵送活塞5的循环上下移动，便可以将岩壁钻孔附近岩石中的页岩气不断输送至样品采集筒9进行收集采集，并且样品采集筒9通过进气接口901与采集接口701相互连接，可以通过拔插进行快速更换，便于持续收集大量的页岩气样本，同时样品采集筒9通过内部的储存气囊903储存收集气体样本，具有弹性的储存气囊903在充气时膨胀，也便于后续自然排气，同时样品采集筒9顶部中心处设置有平衡开口904用于平衡气压和观察内部储存气囊903，整体采集更加方便快捷准确，并且全程采集均通过水作为介质导压，安全性更高。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，优选的，装置通过原位固定架1固定在需要进行钻探采集的勘探处，而原位固定架1的外侧均匀环绕连接设置有多个支撑螺纹套101，支撑螺纹套101的内侧嵌套设置有多个支撑螺杆102，支撑螺杆102的外端连接设置有调节旋柄103，支撑螺杆102的底端连接设置有球头万向节104，球头万向节104的外侧连接设置有支撑脚盘105，支撑脚盘105的中间设置有螺栓固定孔106，从而原位固定架1通过支撑脚盘105支撑在岩面上，支撑脚盘105则通过螺栓固定孔106中打入的固定螺栓进行固定，进而便于固定原位固定架1进行钻探采集工作，同时通过调节旋柄103可以旋转支撑螺杆102，同时支撑螺杆102通过球头万向节104与支撑脚盘105，从而可以调节每个支撑节点的高度和支撑脚盘105的角度，进而便于调节原位固定架1整体的平衡，以安放固定在各种环境的岩面上，有利于提高整体的使用灵活性。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，优选的，装置的原位固定架1的中心处设置有固定安装环2，固定安装环2的内侧环绕设置有旋转连接槽201，旋转连接槽201的上方均匀环绕连接设置有多个嵌合连接槽202，同时装置还包括环形钻探架3，环形钻探架3上安装设置有对应的钻孔设备，可以在对应需要采集的岩壁钻孔，而环形采集架4与固定安装环2之间尺寸相互配合，环形钻探架3与固定安装环2之间尺寸相互配合，环形钻探架3和环形采集架4的外侧均环绕设置有多个嵌合连接块401，嵌合连接块401与嵌合连接槽202一一对应设置且尺寸相互配合，嵌合连接块401与旋转连接槽201之间尺寸相互配合，环形采集架4通过嵌合连接块401沿嵌合连接槽202滑动嵌入旋转连接槽201与固定安装环2相互连接，然后通过转动便可以对环形采集架4或环形钻探架3进行锁定，从而通过以上的结构可以实现对环形采集架4和环形钻探架3进行快速安装和拆卸，实现先打孔后采集的连续化工作，有利于提高整体的钻探采集效率。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，优选的，装置通过在对应需要采集的岩壁钻孔，而环形钻探架3的中心处设置有旋转轴套301，旋转轴套301的上方设置有滑动导向架302，滑动导向架302底部与环形钻探架3固定连接，滑动导向架302的中间滑动连接设置有移动钻探架303，移动钻探架303的上方连接设置有牵引绞盘304，牵引绞盘304安装设置在滑动导向架302的顶端，移动钻探架303的中间设置有钻机305，钻机305的下方连接设置有钻杆306，钻杆306嵌套转动设置于旋转轴套301的内侧，钻杆306的底端连接设置有钻头307，从而钻机305可以通过钻杆306带动钻头307转动，而牵引绞盘304带动移动钻探架303和钻机305上下移动，进而带动钻头307上下移动，实现对岩壁的钻孔工作。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，优选的，装置通过牵引螺杆501带动泵送活塞5上下移动进行页岩气的泵送采集工作，而牵引螺杆501的内侧设置有补水输送管502，从而在负压采集筒402插入后可以通过补水输送管502向负压采集筒402和岩壁钻孔中灌水，以便于根据岩壁钻孔空间大小和页岩气多少进行调节和补水工作，使用时更加灵活方便，并且补水输送管502的底端设置有单向输送阀503，补水输送管502通过单向输送阀503与泵送活塞5下侧相互连通，单向输送阀503的输送方向为由补水输送管502至泵送活塞5下侧，避免水和气体反向溢出。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，优选的，装置通过气水分离罐6分离采集的页岩气和水，而气水分离罐6的侧壁顶部连接设置有溢流管603，溢流管603的中间设置有电磁开关阀604，气水分离罐6的内侧顶部和底部均设置有检测电极片605，检测电极片605与电磁开关阀604电性连接，从而当气水分离罐6中收集的水过多将上下两个检测电极片605均淹没时，便可以导通相应电路，开启电磁开关阀604，将多余的水由溢流管603排出，有利于提高装置整体的可靠性。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，优选的，装置的采集接口701的外侧连接设置有采集座7，采集座7与环形采集架4固定连接，采集座7的外侧设置有采集导向架702，采集导向架702的中间滑动连接设置有采集压盘703，采集压盘703的后侧连接设置有气动伸缩杆704，气动伸缩杆704的上下两端分别与采集压盘703和采集导向架702固定连接，并且采集座7的上方设置有旋转采集盘8，旋转采集盘8与采集座7转动连接，旋转采集盘8的中间呈圆周状均匀环绕设置有多个采集安装套801，采集安装套801的内侧嵌套滑动设置有滑动压环802，滑动压环802的下方设置有复位弹簧803，同时样品采集筒9与采集安装套801之间尺寸相互配合，旋转采集盘8通过多个采集安装套801同时装载多个样品采集筒9，旋转采集盘8带动所有样品采集筒9同步转动依次经过采集座7与采集压盘703之间，样品采集筒9的外侧环绕设置有安装压环905，并且旋转采集盘8的外侧环绕设置有旋转齿环804，旋转齿环804的外侧啮合连接设置有旋转齿轮805，旋转齿轮805的轴端连接设置有旋转电机806，从而装置可以同时装载多个样品采集筒9，并通过旋转采集盘8的旋转进行切换，并且样品采集筒9上设置有提手906便于进行移动装卸，当样品采集筒9移动至采集座7与采集压盘703之间时，气动伸缩杆704便可以带动采集压盘703向下移动，以压动样品采集筒9向下移动，样品采集筒9通过安装压环905压动滑动压环802以压缩复位弹簧803，并使对应样品采集筒9的进气接口901与采集接口701相互连接，收集采集页岩气样本，完成采集后，气动伸缩杆704则带动采集压盘703向上移动，复位弹簧803通过滑动压环802和安装压环905推动样品采集筒9向上移动复位，同时进气接口901与采集接口701相互分离，而后旋转采集盘8继续转动下一个样品采集筒9移动至采集座7与采集压盘703之间，从而实现页岩气的自动连续样品采集工作，整体采集效率更高。

使用时，首先将原位固定架1固定在所需钻探位置，固定时，将支撑脚盘105通过螺栓固定孔106中打入的固定螺栓固定在岩面上，然后通过调节旋柄103旋转支撑螺杆102，调节每个支撑节点的高度和支撑脚盘105的角度，进而调节原位固定架1整体的平衡，完成原位固定架1的固定调节后，先将环形钻探架3安装至原位固定架1的固定安装环2上，然后钻机305可以通过钻杆306带动钻头307转动，而牵引绞盘304带动移动钻探架303和钻机305上下移动，进而带动钻头307上下移动，实现对岩壁的钻孔工作，完成钻孔工作后，将环形钻探架3取下，然后将环形采集架4安装至固定安装环2上，而负压采集筒402则插入需要进行钻出的岩壁钻孔中负压采集筒402插入后，通过气泵405向柔性的封闭气囊404中充气，使环形的封闭气囊404整体膨胀以填充负压采集筒402与岩壁钻孔之间的封闭，与负压采集筒402配合将岩壁钻孔开口处完全封堵，使岩壁钻孔内部构成一个封闭的采集环境，然后通过补水输送管502向负压采集筒402和岩壁钻孔中灌入一定量的水，而牵引齿盘505的外侧啮合设置有驱动齿轮506，驱动齿轮506轴端连接设置有牵引电机507，牵引电机507与环形采集架4固定连接，从而牵引电机507通过驱动齿轮506和牵引齿盘505带动牵引螺套504转动，牵引螺套504便通过牵引螺杆501带动泵送活塞5上下移动，泵送活塞5向下移动时，将负压采集筒402中的水通过连通开口403压入外侧的岩壁钻孔中，从而通过水将岩壁钻孔中的气体即岩壁散发的页岩气通过气体采集管406压出，然后通过进气口601输送至气水分离罐6，并进一步输送至采集接口701，而泵送活塞5向上移动时，则将水通过连通开口403抽入负压采集筒402中，而气体采集管406的中间设置有采集单向阀407，只允许气体排出至外侧，从而可以在外侧的封闭的岩壁钻孔内构成负压环境，便于岩壁加快溢出页岩气填充外部，从而通过泵送活塞5的循环上下移动将岩壁钻孔附近岩石中的页岩气不断输送，旋转电机806通过旋转齿轮805和旋转齿环804驱动旋转采集盘8转动，进而旋转采集盘8带动所有样品采集筒9同步转动，当样品采集筒9移动至采集座7与采集压盘703之间时，气动伸缩杆704便带动采集压盘703向下移动，以压动样品采集筒9向下移动，样品采集筒9通过安装压环905压动滑动压环802以压缩复位弹簧803，并使对应样品采集筒9的进气接口901与采集接口701相互连接，收集采集页岩气样本，完成采集后，气动伸缩杆704则带动采集压盘703向上移动，复位弹簧803通过滑动压环802和安装压环905推动样品采集筒9向上移动复位，同时进气接口901与采集接口701相互分离，而后旋转采集盘8继续转动下一个样品采集筒9移动至采集座7与采集压盘703之间，从而实现页岩气的自动连续样品采集工作。

本发明提供的页岩气原位钻探采集装置，通过负压采集筒402插入需要进行采集的岩壁钻孔中，将负压采集筒402插入后向柔性的封闭气囊404中充气，使环形的封闭气囊404整体膨胀以填充负压采集筒402与岩壁钻孔之间的封闭，与负压采集筒402配合将岩壁钻孔开口处完全封堵，使岩壁钻孔内部构成一个封闭的采集环境，避免内部页岩气泄漏溢出造成危险和影响检测采集分析精度，并通过泵送活塞5的循环上下移动将岩壁钻孔附近岩石中的页岩气不断输送至样品采集筒9进行收集采集，整体采集更加方便快捷准确。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。