地气采集螺旋钻.pdf

本发明的地气采集螺旋钻属于钻具的技术领域，为了解决现有地气采集钻具存在的操作复杂、维护不方便、强度差和采集深度受限等问题，提出一种地气采集螺旋钻，包括锥形钻头体、封盖螺旋杆、钻杆和把手，锥形钻头体与封盖螺旋杆的锥形端螺纹连接，封盖螺旋杆的另一端与钻杆连接，钻杆再与把手连接，锥形钻头内设置集气室，钻头上设有与集气室相通的通气孔，在集气室内设有滤芯和密封垫，取气细长管含在滤芯中穿过密封垫中心，用压紧螺栓挤压密封垫使集气室与外部大气隔离；取气细长管依次穿过封盖螺旋杆、钻杆和把手与取气设备相接。该携带方便，组装简单，维护方便；强度高，操作方便、简单、可靠；集采、集气为一体的人力壤中气取样装置。

1.   一种地气采集螺旋钻，包括锥形钻头体、封盖螺旋杆、钻杆和把手，锥形钻头体与封盖螺旋杆的锥形端螺纹连接，封盖螺旋杆的另一端与钻杆连接，钻杆再与把手连接，其特征在于，锥形钻头内设置集气室，在锥形钻头外部有一环形凹槽，凹槽内布有4～8个等间距的通气孔与集气室相通；在集气室内设有滤芯，滤芯的一端与取气细长管螺旋相接，与滤芯相邻有一密封垫，取气细长管穿过密封垫中心，密封垫的另一端设有压紧螺栓，压紧螺栓与钻头螺纹连接，用旋紧压紧螺栓挤压密封垫使集气室与外部大气隔离；取气细长管依次穿过封盖螺旋杆、钻杆和把手，可与取气设备相接。

2.   如权利要求1所述的地气采集螺旋钻，其特征在于，所述封盖螺旋杆为外周设有双道螺旋刀的中空封盖螺旋体，从与钻头连接端起逐渐变粗直到与钻杆等直径，其余部分为等直径，封盖螺旋杆与锥形钻头螺纹相接；在封盖螺旋杆的另一端设有销钉固定孔和一字型母接口或公接口，在销钉固定孔内插入销钉定位于封盖螺旋杆上，该端外周上设有反向螺纹。

3.   如权利要求1或2所述的地气采集螺旋钻，其特征在于，封盖螺旋杆与锥形钻头用定位螺钉固定。

4.   如权利要求1所述的地气采集螺旋钻，其特征在于，钻杆为中空钻杆，一端设有与封盖螺旋杆配套的一字型公接口或母接口，绕该端外周有一环形凸缘以套在连接螺母内卡住连接螺母，钻杆与封盖螺旋杆以一字型接口相接，用连接螺母反向锁紧；钻杆另一端为矩形，具有内螺纹。

5.   如权利要求1所述的地气采集螺旋钻，其特征在于，把手中心设有与钻杆的矩形端相配套的矩形凹槽，矩形凹槽中心设有圆孔，将钻杆的矩形端放在把手的矩形凹槽中，紧固螺栓穿过把手与钻杆的内螺纹连接。

6.   如权利要求1所述的地气采集螺旋钻，其特征在于，在钻头上设有一拆卸孔以插入一杆件可旋紧或拆下锥形钻头，拆卸孔中有一通气孔与集气室相通。

地气采集螺旋钻
技术领域
本发明涉及一种钻具，更具体地说，本发明涉及一种采集土壤中气体的钻具。
背景技术
土壤游离烃法是利用气体采集器收集土壤孔隙中的气体，分析气体中烃类成分，进行油气化学勘探的气态烃方法。土壤游离烃用于油气勘探始于20世纪30年代，由于采样及分析测试技术的限制，在我国，该方法一直没有大的发展。
土壤游离烃的采集方法分为主动法和被动法两种，被动法不需要任何抽气装置，但要将捕集器装置在采样点上放置几天。主动法分为主动抽取法和主动浓集法，主动抽取法是直接抽取土壤中的气体，主动浓集法是令一定体积的气体以恒速通过一种捕集器，从而选择吸收指定成分的气体。取样方法的共同点是在取样点用钢钎打一深孔，再采用一种措施隔绝与大气交换，用气泵或注射器抽取孔内气体。其难点之一是孔口的密封，以防止上部气体混入。现有的采气技术操作烦琐，抽气与集气分为两个步骤，易造成因操作不当而导致大气混入，不能保证采集质量；不能采集指定深度区域内的气体，现有装置均为固定长度杆件，超过人体长度，不仅不易运输，而且难操作，限制了采集深度，使得所采的气体易受浅表气体呼吸、生物根系呼吸影响而造成大的波动，稳定性不好；不易采集到湿润土壤区的壤中气体，现有的抽气装置气路空间大，在提取壤中气前，需要排空气路中的残留气体，当土壤湿度较大情况下，抽取一定量气体后，孔内就会发生积水现象，所以在湿润土壤区上述方法不适用。尽管专利CN 2385073Y以及我院发明的“地气采集钻具”(CN 1292148C)已能克服上述缺陷，但因透气部分的滤网、卡瓦式过滤保护器结构，受到一定的限制、维护不太方便，强度受到影响，以及前端钻头较长，也不能适应南方化探取气的需求。
实用新型专利CN 2385073Y为机械动力钻具，其主要特征是利用机械动力使用八字型钻头破碎土壤，将钻具送入地层，利用集气螺旋和封盖螺旋对于土壤的排粉量不同实现了对于气体的封闭，土壤中的气体通过八字钻头间的空隙以及集气螺旋管上的进气孔进入集气螺旋管，然后通过集气螺旋管中的毛细管、依次通过过滤网，毛细管，集气接口，进入集气瓶中。这种钻具在干旱区，沙漠区，的确发挥了气体采集的作用，遗憾的是，在土壤湿润区域、道路不方便的山地，就发挥不了应有的作用，存在的主要问题是：其一、对进气气路没有设置保护措施，在专利说明中没有说明两截毛细管间的滤网所起的作用，我们可以认为是对气路进行保护，但从结构说明上可以看出，气体必须通过下部毛细管，才能过过滤网，一旦下部毛细管堵塞(水堵，泥土挤压)，下部气体就不会被抽取上来：其二、不适应中国的南部区域勘探的要求，南部区域，多山，道路崎岖，土壤覆盖层薄，道路难行势必要增加钻具的搬运成本，甚至不可行，土壤覆盖层薄，将使得此钻具难以实现对气体的封闭，因而采集不到合格的气体。其三、在农业耕作区，车辆难以准点到达预定采集点，需要钻机配套的钻具必然是不能适应工区的情况；其四、该专利的前提是利用车辆将钻具及其配套设备(钻机，维护工具等)送到采集点，如果利用人力搬运，理论上应该可以，但是其人力成本将是非常的昂贵。
发明专利CN 1292148C为人力采集壤中气提供了一种可以实现的方案，它是利用人力将钻具旋进土壤中，利用对土壤的挤压实现对于气体的封闭，壤中气须通过卡瓦式滤网保护器上的小孔、过滤网，进入集气室，然后通过连通集气室与集气瓶的毛细管从集气室进入毛细管。钻具内部是依靠密封垫圈完成集气室与地表气体的分割。其特点是重量轻，组装方便，基本能满足潮湿、农业耕作区对于气体的采集要求。但在应用中发现有如下的不足；其一、强度不够，在硬土地上难以发挥其应用的作用，由于在钻头体上有卡瓦式滤网保护器和滤网，以及固定卡瓦式滤网保护器的螺母，使得集气室的外部直径必须小于钻头体的最大直径，此处也就成了钻具强度最为薄弱之处，如果增加其直径，必然要增加钻头体的长度以及封盖螺旋体的直径，不仅增加重量，也使得人力钻进的体力消耗增加；其二、不能适应南方土壤覆盖层薄的区域采集土壤气体的需要，由于采用了卡瓦式滤网保护器、滤网结构，根据我们的实施结果，进气孔距离钻头尖部的距离不应小于25厘米，钻头螺纹到封盖螺旋螺纹的间距约有20厘米，而南方山区的土壤覆盖层通常在50-70厘米，也就是说，在70厘米的土壤层情况下，封盖螺旋也仅进入土壤层25厘米，显然达不到对于土壤层中的气体的封闭作用，利用此种钻具就不能在目前能源重点勘探的南方区域采集到合格的气体。其三、钻具所使用的牙口对接方式对于加工精度要求高，从理论上是能满足对接要求，由于实际操作过程中人力钻不可能在钻进中保持钻具垂直，以及加工的难度，使得其接口极易损坏，难以实用长久。
因此，从国家对能源的迫切需求出发，迫切需要研制一种便于操作、易于维护、强度高、能满足农业耕作区、湿润土壤区以及南方山地需要、经久耐用的人力地气采集装置。
发明内容
本发明为了解决现有地气采集钻具存在的操作复杂、维护不方便、强度差和采集深度受限等问题，提出了一种地气采集螺旋钻。
具体技术方案如下。
本发明的地气采集螺旋钻，包括锥形钻头体、封盖螺旋杆、钻杆和把手，锥形钻头体与封盖螺旋杆的锥形端螺纹连接，封盖螺旋杆的另一端与钻杆连接，钻杆再与把手连接，锥形钻头内设置集气室，在锥形钻头外部有一环形凹槽，凹槽内布有4～8个，优选6个等间距的通气孔与集气室相通；在集气室内设有滤芯，滤芯的一端与取气细长管螺旋相接，与滤芯相邻有一密封垫，取气细长管穿过密封垫中心，密封垫的另一端设有压紧螺栓，压紧螺栓与钻头螺纹连接，用旋紧压紧螺栓挤压密封垫使集气室与外部大气隔离；取气细长管依次穿过封盖螺旋杆、钻杆和把手，可与取气设备相接。
所述封盖螺旋杆为外周设有双道螺旋刀的中空封盖螺旋体，从与钻头连接端起逐渐变粗直到与钻杆等直径，其余部分为等直径，封盖螺旋杆与锥形钻头螺纹相接，还可以进一步用两个定位螺钉固定，在封盖螺旋杆的另一端设有销钉固定孔和一字型母接口或公接口，该端外周上设有反向螺纹。
所述钻杆为中空钻杆，一端设有与封盖螺旋杆配套的一字型公接口或母接口，绕该端外周有一环形凸缘以套在连接螺母内卡住连接螺母，钻杆与封盖螺旋杆以一字型接口相接，用连接螺母反向锁紧，并在封盖螺旋杆的销钉固定孔内插入销钉定位；钻杆另一端为矩形，具有内螺纹。
所述把手中心设有与钻杆的矩形端相配套的矩形凹槽，矩形凹槽中心设有圆孔，将钻杆的矩形端放在把手的矩形凹槽中，紧固螺栓穿过把手的圆孔和矩形凹槽与钻杆的内螺纹连接。对于把手的形状和构成没有特别的限定，只要便于使用就可以，可以在把手中心构件上安装两个或三个杆件，这样便于用力旋转。
因为钻头为圆锥形，体积比较小，在与封盖螺旋杆连接或拆卸时，不便于握住，所以优选在所述钻头上设置一拆卸孔，在拆卸孔中插入一杆件，这样握住杆件就可以旋紧或拆下锥形钻头，拆卸孔中有一通气孔与集气室相通，从而集气室又增加一条通气孔，并且位置比环形凹槽中的通气孔稍低，更有利于采气。
可与本发明的地气采集螺旋钻连接的取气设备由气泵(注射器)、针头、取气细长管、集气瓶等组成，将与取气细长管连接的针头插入装满饱和盐水的集气瓶中，同样将与注射器连接的针头插入集气瓶中，用注射器抽出集气瓶中的盐水，使取气细长管中气体的压强低于土壤气体压强，在气体压差的作用下，地气由通气孔，经集气室，通过取气细长管进入集气瓶中。此即用人力将钻具旋入土壤中，通过螺旋叶片密封、将大气与土壤中的气体隔绝，采用直接排水负压取气法直接取气的地气采集螺旋钻。
本发明的地气采集螺旋钻在普光气田、建南气田、东北十屋断陷区、盐城朱家墩气田均进行了应用，采集的地气异常地与已知油气田吻合，取得了很好的效果。
本发明的通气孔距钻头顶部可以是2～3厘米，与发明CN 200310102236.8相比，距离减少了22厘米，使得钻头孔所受挤压作用小，因而使得本发明取气钻具有易透气和省力的特点，在采集同样深度气体的情况下，本发明钻具的长度要短于CN 200310102236.8大约22厘米，显然钻具的重量要明显减轻。
本发明的钻头为小圆锥体，在钻进和退出过程中，所受力矩较小，不易受损，而封盖螺旋为一整体，两者以螺纹密切相接，从而提高了钻具的强度。从几个工区的应用情况看，此部分的强度完全能满足野外采样的工程需要。
本发明的封盖螺旋为双道螺纹，与单道螺纹相比，提高了封盖效果，提高了钻进速度，与达到同样封盖效率相比，可以减少封盖螺纹的长度，间接的减少了钻具的重量。
本发明的接口是一字型直插接口，与对接牙口相比，装卸简便，加工容易，强度高，接口不易损坏，从而保证了钻具的整体强度，能适应工程取气的需要。
本发明在结构设计上，去掉了遮瓦式护网过滤装置，使得钻具的整体线条流畅，造型优美，提高了其商业推广价值。
由于本发明的结构更为合理，不仅使得维护更为方便，且维护工具较小，使得野外所携带的维护工具重量减少，间接地提高了工作效率。
本发明为人力中空螺旋钻具，钻头进气，钻柄抽气，携带方便，组装简单，维护方便；本发明的钻头不采用滤网、卡瓦式过滤保护器结构，从而增加了强度，本发明的钻头体积较小，这样在钻地时扭矩较小，不易损坏，操作方便、简单、可靠；集采、集气为一体的人力壤中气取样装置。
附图说明
图1为本发明的地气采集螺旋钻的结构示意图。
图2为本发明的地气采集螺旋钻的钻头的剖面示意图。
图3为本发明的地气采集螺旋钻的封盖螺旋杆的剖面示意图。
图4为本发明的地气采集螺旋钻的钻杆的剖面示意图。
图5为本发明的地气采集螺旋钻的把手的示意图。
符号说明：
1.滤芯；2.通气孔；3.取气细长管；4.定位螺钉；5.密封垫；6.压紧螺栓；7.封盖螺旋杆；8.一字接头；9.钻杆；10.紧固螺栓；11.把手；12.销钉固定孔；13.连接螺母；14.拆卸孔；15.钻头；16.集气室。
具体实施方式
下面参照附图进一步解释本发明的地气采集螺旋钻。
如图1所示，本发明的地气采集螺旋钻，包括锥形钻头体15、封盖螺旋杆7、钻杆9和把手11，锥形钻头体15与封盖螺旋杆7的锥形端螺纹连接，封盖螺旋杆7的另一端与钻杆9连接，钻杆9再与把手11连接，如图2所示，锥形钻头15内设置集气室16，在锥形钻头15外部有一环形凹槽，凹槽内布有6个等间距的通气孔2与集气室16相通；在集气室16内设有滤芯1，阻止土壤进入取气细长管3，避免取气细长管3被堵，气体通过滤芯1进入取气细长管3；滤芯1的一端与取气细长管3螺旋相接，与滤芯1相邻有一密封垫5，取气细长管3穿过密封垫5中心，密封垫5的另一侧设有压紧螺栓6，压紧螺栓6与钻头15以螺纹连接，用旋紧压紧螺栓6挤压密封垫5使集气室16与外部大气隔离；取气细长管3依次穿过封盖螺旋杆7、钻杆9和把手11，可与取气设备相接。
如图1和3所示，所述封盖螺旋杆7为外周设有双道螺旋刀的中空封盖螺旋体，从与钻头连接端起逐渐变粗直到与钻杆等直径，其余部分为等直径，封盖螺旋杆7与锥形钻头15螺纹相接，可用两个定位螺钉4固定，在封盖螺旋杆7的另一端设有销钉固定孔12和一字型母接口或公接口8，该端外周上设有反向螺纹。
如图1和4所示，钻杆9为中空钻杆，一端设有与封盖螺旋杆7配套的一字型公接口或母接口，绕该端外周有一环形凸缘以套在连接螺母13内卡住连接螺母13，钻杆9与封盖螺旋杆7以一字型接口直插相接，用连接螺母反向锁紧，并在封盖螺旋杆7的销钉固定孔12内插入销钉定位，以确保钻具反转过程中不会脱落；钻杆9另一端为矩形，具有内螺纹。
把手11中心设有与钻杆9的矩形端相配套的矩形凹槽，矩形凹槽中心设有圆孔，将钻杆9的矩形端放在把手11的矩形凹槽中，紧固螺栓10穿过把手11的圆孔与钻杆9的内螺纹连接。
在钻头15上设有一拆卸孔14，在拆卸孔14中插入一杆件可旋紧或拆下锥形钻头，拆卸孔中有一通气孔与集气室16相通。
本领域的技术人员看到，在不脱离本发明的精神和要旨下，可以对本发明的地气采集螺旋钻进行许多修改，这些修改仍然在本发明的保护范围内。