一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备。

背景技术

大直径导井是用于地质勘探和资源开发的一种重要工具，一般通过在地下钻取大直径的井筒，使得勘探和开发过程更加高效和可控，同时便于获取地下地质信息。

在目前的实践中，大直径导井通常被用于采集各种数据，以评估井的地质情况、地下储层特性以及资源开发潜力；采集项目包括岩心取样、自然伽马测井、电阻率测井以及地下水取样等。其中，地下水的取样可用于对地下水资源的分布、质量和可用性进行评估，是地质勘探用大直径导井内部数据采集重要的一环。

为了保证研究数据的有效性，水文地质勘探以及研究作业要求地下水取样在大直径导井钻井过程中同步进行。而现有普通地质勘探用大直径导井内部数据采集装备一般是在大直径导井完工后才能投入使用，无法在钻井过程中进行同步处理。

针对此问题，水文地质勘探时，需要用到专门的数据采集装备水样钻进器进行采样处理。但是，现有水样钻进器结构复杂，且要配备水泵使用，这就导致需要根据钻井深度配备对应长度的管道，整个钻井过程中需要多次调整，采集作业难度大；并且现有水样钻进器无法分层取水，无法确保整个钻井过程中地下水样品的有效采集，存在局限性。因此亟需设计一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备来解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备，解决了上述背景技术中提出的现有数据采集装备在钻井过程中同步采集数据难度大、效率低以及地下水采样时无法分层采集影响检测结果的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备，包括方杆、钻杆、钻铤以及钻头，还包括：

安装杆以及采集杆，所述方杆与钻杆之间、钻杆与钻铤之间、钻铤与安装杆、采集杆与钻头之间均安装有螺纹连接件；

采集部，所述采集部包括开设在采集杆内的采集腔，且采集腔内固定安装有多个隔板，多个所述隔板将采集腔分为多个存样腔，每个所述存样腔底部均安装有水位传感器，每个所述存样腔内均安装有采集组件；

控制部，所述控制部包括开设在安装杆内的安装腔，且安装腔内固定安装有电机，所述电机的驱动端安装有控制组件，且控制组件与采集组件相配合。

进一步的，所述螺纹连接件由螺纹套、连接柱以及螺纹柱组成，所述螺纹柱固定安装在连接柱上端，所述螺纹套螺纹连接在螺纹柱上。

进一步的，所述采集杆的侧壁上均匀开设有多个采集口，且每个采集口分别与对应的存样腔互通。

进一步的，所述采集组件包括密封转动连接在采集杆上的螺杆，且螺杆位于存样腔内的一端螺纹连接有与存样腔滑动密封连接的活塞板，所述螺杆位于采集杆外的一端固定安装有固定齿轮。

进一步的，所述控制组件包括密封转动连接在安装杆与采集杆之间的转盘，且转盘底部开设有凹槽，所述凹槽内固定安装有不完全齿轮，所述不完全齿轮与多个固定齿轮相配合，所述转盘顶部固定安装有对接轴，所述电机的驱动端固定连接有与对接轴相配合的驱动轴。

进一步的，所述转盘的侧壁上固定安装有与采集杆密封转动连接的密封环，且密封环上开设有抽取口，所述抽取口与多个采集口相配合，所述抽取口内固定安装有滤板。

进一步的，所述转盘的上下两侧壁均开设有环形槽，所述安装杆以及采集杆上均固定安装有密封圈，且两个密封圈分别与对应的环形槽相配合，所述环形槽的内径小于凹槽的直径。

进一步的，所述安装杆、采集杆以及密封环的直径均小于钻头的直径，所述密封环上设有多个安装槽，每个安装槽内分别安装有伽马探测器、感应电阻率传感器以及双元声波传感器。

进一步的，所述安装杆的侧壁上固定安装有多个连接杆，且每个连接杆的底部均固定安装有弧形块，每个所述弧形块均通过两个连接螺栓与采集杆固定连接。

进一步的，所述不完全齿轮上带齿部分弧长小于两个相邻固定齿轮以不完全齿轮轴心为圆点的最小弧长。

与现有的技术相比，本发明优点在于：

1：在对导井内部数据进行采集时，具有可在钻井过程中对地下水进行分层采集的优点，具体通过采集杆与多个采集口的配合，可依次将不同深度的地下水采集入对应存样腔中，并在采集过程中对该处是否存在地下水以及地下水含量进行检测，可有效确保整个钻井过程中地下水样品的有效采集。

2：在对导井内部数据进行采集时，具有分批采集互不干扰的优点，具体通过密封环与其上抽取口的设计，可将多次地下水采集进行有效分隔，避免相互影响导致地下水数据采集结果不准确。

3：在对导井内部数据进行采集时，具有在钻井过程中同步完成自然伽马测井、电阻率测井以及声波测井的数据采集处理的优点，有效提高了该采集装备的适用性以及数据采集的高效性。

综上所述，本发明可在钻井过程中实现对自然伽马测井、电阻率测井、声波测井以及地下水数据的采集处理，适用性广的同时数据采集效率更高；并且在采集地下水时可根据需要进行分层采集，避免因钻井过程中的搅动以及反冲洗处理导致地下水数据采集结果不准确。

附图说明

图1为本发明提出的一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备的结构示意图；

图2为图1的结构分解示意图；

图3为图2中安装杆、采集杆以及密封环的结构放大示意图；

图4为图3向下偏转一定角度后的结构示意图；

图5为图4中转盘的结构放大示意图；

图6为图4中采集杆内部结构放大示意图；

图7为图1中安装杆、采集杆以及密封环的俯视图；

图8为图7中a面的结构示意图；

图9为图8的立体结构示意图；

图10为图4中不完全齿轮与固定齿轮的连接结构示意图；

图11为图1中采集杆以及密封环的结构放大示意图；

图12为图11去除密封环后的结构示意图；

图13为图8中A部分的结构放大示意图；

图14为安装杆与采集杆的连接示意图。

图中：1、方杆；2、钻杆；3、钻铤；4、钻头；5、螺纹连接件；6、安装杆；7、采集杆；8、采集腔；9、采集口；10、转盘；11、活塞板；12、螺杆；13、固定齿轮；14、凹槽；15、不完全齿轮；16、密封环；17、抽取口；18、滤板；19、环形槽；20、密封圈；21、安装腔；22、电机；23、驱动轴；24、对接轴；25、连接杆；26、连接螺栓；27、隔板。

具体实施方式

参照图1-图4，一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备，包括方杆1，方杆1下端通过螺纹连接件5固定安装有钻铤3，钻铤3下端通过螺纹连接件5固定安装有安装杆6、安装杆6下端安装有采集杆7，采集杆7下端通过螺纹连接件5固定安装有钻头4，其中方杆1用于和现有钻井设备中的提升系统相互连接，为该装备的运行提供驱动力，钻头4可根据钻井深度以及钻井直径进行对应选择；

采集杆7用于对地下水进行采集处理，螺纹连接件5由螺纹套、连接柱以及螺纹柱组成，其中螺纹套与螺纹柱之间螺纹连接，实现与螺纹柱之间的固定，从而实现上下两端组件的固定，同时也便于进行拆卸，其中螺纹套、螺纹柱以及连接柱均未在图中标出。

参照图14，安装杆6的侧壁上固定安装有多个连接杆25，每个连接杆25底部均固定安装有弧形块，每个弧形块与采集杆7之间均螺纹连接有两个连接螺栓26，在连接杆25、弧形块与连接螺栓26的配合下，可实现安装杆6与采集杆7之间的固定，同时在完成数据采集后，也便于进行二者之间的分离，从而可在完成数据采集后将采集杆7中采集的地下水方便地取出进行检测。

参照图2-图13，采集杆7上设有采集部，采集部包括开设在采集杆7内的采集腔8，且采集腔8内固定安装有将其内部空间分为多个存样腔的多个隔板27，同时每个存样腔内均安装有水位传感器，在水位传感器的设计作用下，可在钻井至一定深度对地下水进行采集处理时，用于检测该处是否存在地下水以及通过进入存样腔内的地下水流量对该处地下水含量进行判定。

采集杆7侧壁上设有多个采集口9，每个采集口9与对应存样腔互通，采集口9用于将地下水抽取至对应存样腔内，多个存样腔的设计，可用于在钻井过程中每隔一段距离进行一定地下水的采集处理，提高该装备的数据采集跨度，无需频繁进行下放以及提升，能在一定程度上提高地下水采集准确性。

每个存样腔均安装有采集组件，采集组件包括密封转动在采集杆7上的螺杆12，螺杆12位于存样腔内的一端密封螺纹连接有与存样腔滑动密封设置的活塞板11，螺杆12与活塞板11之间的螺纹密封可通过对螺纹形状和尺寸进行调节以及使用对应的表面处理来实现，使得螺杆12转动带动活塞板11上下移动时，存样腔内压力可相应发生变化，从而可在螺杆12带动活塞板11上移时，使得对应采集口9可顺利将地下水收入存样腔内进行收集；螺杆12位于采集杆7外的一端固定安装有固定齿轮13。

安装杆6上安装有控制部，控制部包括开设在安装杆6内的安装腔21，安装腔21内固定安装有电机22，且电机22的输出端安装有与采集组件相配合的控制组件，控制组件包括固定连接在电机22输出端上的驱动轴23，驱动轴23底部卡接有对接轴24，对接轴24底部固定安装有转盘10，转盘10底部开设有凹槽14，凹槽14内固定安装有与多个固定齿轮13相配合的不完全齿轮15，在电机22工作时，可通过驱动轴23与对接轴24的配合带动转盘10转动，从而使得不完全齿轮15相对多个固定齿轮13发生转动，在不完全齿轮15转动过程中其上带齿部分会依次与对应固定齿轮13啮合带动其转动，此时则可通过对应螺杆12与活塞板11的配合将地下水抽入对应存样腔内进行采集。

为了避免泥沙进入安装杆6与采集杆7之间造成转盘10转动受阻等磨损加快的问题，在转盘10上下两侧壁均设置环形槽19，同时在安装杆6与采集杆7上均固定设置与相应环形槽19密封转动连接的密封圈20，以此对安装杆6与采集杆7之间起到密封效果，同时环形槽19的内径大于凹槽14的直径。

转盘10侧壁上固定设置密封环16，密封环16与采集杆7之间为密封转动，同时密封环16上设置抽取口17，抽取口17与多个采集口9相配合，当抽取口17与对应采集口9位置相互重叠时，该位置处的存样腔才可对地下水进行抽取，通过此设计，使得在无需采集地下水时，可保证存样腔与钻井空间之间的密封，避免非指定位置水源或钻井过程中反冲洗用水源进入存样腔内对地下水样品造成污染，抽取口17内固定安装有滤板18，通过滤板18的设置，可避免在抽取地下水过程中将泥沙一同抽入导致样品被污染的问题。

不完全齿轮15上带齿部分弧长小于两个相邻固定齿轮13以不完全齿轮15轴心为圆点的最小弧长，通过此处设计，可使得不完全齿轮15同一时间仅可与一个固定齿轮13实现啮合，密封环16上的抽取口17初始位置在水平面上的投影位于不完全齿轮15上带齿部分在水平面上投影处的中间位置；且不完全齿轮15对多个固定齿轮13进行驱动，实现抽取地下水操作时的转动方向为顺时针方向，通过抽取口17以及不完全齿轮15的转动方向设置，可以保证在对地下水进行采集时，同一时间内多个存样腔仅有一个处于开启状态，且在存样腔开启之前其内部已经产生负压作用，可保证在其开启时对地下水的抽取效果。

密封环16、安装杆6以及采集杆7直径均小于钻头4直径，通过此设计，可确保钻井后密封环16、安装杆6以及采集杆7均不与井壁直接接触，确保后续数据采集顺利进行，密封环16侧壁上设有多个安装槽，每个安装槽内分别安装有伽马探测器、感应电阻率传感器以及双元声波传感器，安装槽未在图中示出，伽马探测器、感应电阻率传感器以及双元声波传感器均为现有产品，同时也均未在图中示出。

其中伽马探测器会不断地记录地层中的自然伽马辐射水平，这些数据会随着深度的变化而变化，形成一个与深度相关的自然伽马测井曲线，其中感应电阻率传感器通过在地下岩石中感应电流，并测量电流与电压之间的关系来获取电阻率信息；双元声波传感器包括同时具有发射和接收功能的声波传感器，能够在同一时间和位置发射声波信号并接收反射回来的信号，从而实现对地下岩石的声波测量；通过将这些传感器集成设置在密封环16上，可在对地下水进行采集的过程中，同时完成对自然伽马测井、电阻率测井以及声波测井等数据的采集处理，并且由于在对地下水采集过程中密封环16处于转动状态，上述数据采集的范围也会由于密封环16的转动而更加广泛，可在一定程度上提高自然伽马测井、电阻率测井以及声波测井等数据的采集效果。其中伽马探测器、感应电阻率传感器以及双元声波传感器的使用以及具体配套设备可采用现有技术，因此在此不做具体阐述。

电机22可采用ACM6004M2H型号的伺服电机，当完成对地下水的抽取后，可利用电机22的反向转动将存样腔内的地下水样品排出，并且由于安装杆6与采集杆7之间采用的可拆卸式连接方式以及驱动轴23和对接轴24之间采用的插接式连接方式，可在完成数据采集后更换新的采集杆7，并将其安装在原来位置，且可将采集有地下水的原采集杆7进行保存处理，便于在采集数据不足时继续进行操作；拆下采集杆7也可将其内收集的地下水更方便地取出。

本发明中，一种地质勘探用大直径导井内部数据采集装备的工作原理包括以下步骤：

钻井处理：如图1将该采集装备各组件进行组装，并配合现有钻井设备中的提升系统进行钻井处理；

分层式地下水的数据采集操作：钻井过程中，根据单根钻杆2的长度对钻入深度进行分层，具体可分为八层之内（图中所示）（根据存样腔数量而定），分别记录为第一深度、第二深度、第三深度、第四深度等（依次类推）；

当钻入第一深度时，停止提升系统，启动电机22，使得不完全齿轮15转动一定幅度，具体转动幅度也根据分层数量进行等比划分，在不完全齿轮15转动过程中，通过其与固定齿轮13的啮合，会使对应存样腔底部产生负压，同时由于密封环16的转动，会在不完全齿轮15转动过程中，使得抽取口17做靠近对应采集口9、相互重叠以及远离对应采集口9的动作，在此过程中即可将对应深度的地下水抽入至对应存样腔中；

通过对应存样腔内水位传感器的检测数值，可对该深度是否存在地下水以及地下水含量进行判定；

其他导井数据的采集：在钻井以及地下水采集过程中，可通过密封环16上的伽马探测器、感应电阻率传感器以及双元声波传感器的设计，同时对自然伽马测井、电阻率测井以及声波测井数据进行采集处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。