钻孔护壁组件、钻孔护壁装置及钻孔护壁方法与流程

本申请涉及钻孔技术领域，特别涉及一种钻孔护壁组件、钻孔护壁装置及钻孔护壁方法。

背景技术：

随着科技的发展，土壤钻孔技术被应用于多个技术领域方向，在许多技术领域中，对于土壤钻孔深度有一定的要求，如在对岩芯样品的获取技术中，以及在地下仪器探测技术中，都需要先在土壤中钻取较深的钻孔，然而，由于现有土壤钻孔技术的不足，当在土壤中钻取较深的钻孔时，钻孔容易发生缩径、破碎、掉块、坍塌等不良变化，导致进一步的操作无法顺利进行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钻孔护壁组件、钻孔护壁装置及钻孔护壁方法，用于在钻孔过程中，维持孔壁的稳定性，防止钻孔发生缩径、破碎、掉块、坍塌等不良变化。

本申请所述钻孔护壁组件用以与钻具配合使用，包括n个护壁套筒和n-1个限位件，n为大于1的自然数，第n-1个护壁套筒的内径等于或大于第n个护壁套筒的外径，所述第n-1个护壁套筒包括相对设置的第一端和第二端；

所述第n-1个护壁套筒套接于所述第n个护壁套筒上时，第n-1个限位件用以限定所述第n个护壁套筒在沿所述第一端向所述第二端的方向上移动。

其中，所述第n-1个限位件包括一个限位部，所述限位部设置在所述第n-1个护壁套筒的内表面或所述第n个护壁套筒的外表面。

其中，所述第n-1个限位件包括两个限位部，两个所述限位部分别设置在所述第n-1个护壁套筒的内表面和所述第n个护壁套筒的外表面。

其中，所述限位部为弹性限位部。

其中，所述第n个护壁套筒的长度大于所述第n-1个护壁套筒的长度。

其中，每一所述护壁套筒的外表面设有外螺纹。

其中，每一所述护壁套筒的外表面设有润滑层。

其中，所述钻孔护壁组件还包括套筒架，所述套筒架包括安装面，所述安装面上开设有收容槽，所述收容槽用以收容n个所述护壁套筒。

其中，所述安装面上还设有贯穿所述套筒架的通孔，所述通孔的内径等于或大于任一所述护壁套筒的外径。

本申请所述钻孔护壁装置，包括钻具和上述的钻孔护壁组件，所述钻具用以钻孔，所述钻具包括钻杆与钻头，所述钻孔护壁组件用以保护所述钻具钻出的钻孔。

其中，还包括机械手，所述机械手用以将所述第n个护壁套筒放入所述第n-1个护壁套筒内。

其中，还包括固定件，所述固定件用以将所述钻杆与一个所述护壁套筒相对固定。

其中，还包括绳索，所述绳索用以将所述钻具从护壁套筒中取出。

本申请所述钻孔护壁的方法，使用了上述钻孔护壁装置，其步骤包括：

形成第n-1个钻孔；

将所述第n-1个护壁套筒放入所述第n-1钻孔内；

钻具穿过所述第n-1个护壁套筒进行钻孔，形成第n个钻孔；

将所述钻具从所述护壁套筒中取出，将所述第n个护壁套筒放入所述第n个钻孔内。

其中，在钻具穿过所述第n-1个护壁套筒进行钻孔之前，利用固定件将所述钻杆与所述第n-1个护壁套筒固定。

其中，在将所述护壁套筒放入所述钻孔的过程中，用机械手将所述护壁套筒放入所述钻孔。

其中，在将所述钻具穿过所述护壁套筒及从所述护壁套筒中取出的过程中，用绳索将所述钻具穿过所述护壁套筒及从所述护壁套筒中取出。

使用本申请的钻孔护壁组件能够有效维持钻孔过程中孔壁的稳定性，使钻孔不会发生缩径、破碎、掉块、坍塌等不良变化，保证了钻孔过程的顺利进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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的一些实施例，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是本申请实施例提供的一种钻孔护壁组件的结构示意图。

图2是图1所示钻孔护壁组件中护壁套筒的剖面结构示意图。

图3是本申请实施例提供的一种钻孔护壁组件的组合结构示意图。

图4是图3所示钻孔护壁组件在另一种实施方式下的结构示意图。

图5是图3所示钻孔护壁组件在第三种实施方式下的结构示意图。

图6是本申请实施例提供的一种钻孔护壁组件中套筒架的安装面的俯视图。

图7是本申请实施例提供的另一种钻孔护壁组件的结构示意图。

图8是本申请实施例提供的第三种钻孔护壁组件的结构示意图。

图9是本申请实施例提供的一种钻孔护壁装置的结构示意图。

图10是本申请实施例提供的一种钻孔护壁的方法的流程示意图。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并请参阅图1和图2，图1是本申请实施例提供的一种钻孔护壁组件100的结构示意图。图2是图1所示钻孔护壁组件100中护壁套筒10的剖面结构示意图。

本申请实施例所示钻孔护壁组件100用于在钻孔过程中与钻具配合使用，其中，所述钻孔过程包括且不限于地面钻孔、墙壁钻孔、深海钻孔或月基表面钻孔等钻孔过程。

钻孔护壁组件100包括n个护壁套筒10和n-1个限位件20，n为大于1的自然数。第n-1个护壁套筒10的内径等于或大于第n个护壁套筒10的外径。第n-1个护壁套筒10包括相对设置的第一端101和第二端102。第n-1个护壁套筒10套接于第n个护壁套筒10上时，第n-1个限位件20用以限定第n个护壁套筒10在沿第一端101向第二端102的方向上移动。其中，在钻孔护壁组件100使用过程中，第一端101朝向地表面，第二端102朝向地底下。

使用本申请实施例提供的钻孔护壁组件100能够有效维持钻孔过程中孔壁的稳定性，使钻孔不会发生缩径、破碎、掉块、坍塌等不良变化，保证了钻孔过程的顺利进行。

本实施例提供的钻孔护壁组件100以n＝3为例进行详细的说明，可以理解的是，n可以为大于1的任意自然数，对于n为其他数值的情况，可以参考n＝3的实施例内容，在此不进行进一步的赘述。

当n＝3时，钻孔护壁组件100包括三个护壁套筒10和两个限位件20。本实施例中，每一护壁套筒10为圆筒状结构。具体的，护壁套筒10的外表面设有外螺纹30。在钻孔护壁过程中，由于护壁套筒10外表面的外螺纹30的存在，使得护壁套筒10更加容易以旋进的方式放入所挖的钻孔中，且在护壁套筒10固定在对应的钻孔中后，由于外螺纹30的存在，增加了护壁套筒10外表面与钻孔之间的摩擦力，使得护壁套筒10不会因为振动或其他原因从钻孔中脱离或从钻孔中向外发生位移从而导致工艺缺陷。进一步的，护壁套筒10的内表面设置有润滑层40。在n个护壁套筒10套接在一起时，由于润滑层40的存在，减小了两两护壁套筒10之间的摩擦力，更容易套接在一起，即第n个护壁套筒10更容易套接在第n-1个护壁套筒10上。

请一并参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种钻孔护壁组件100的组合结构示意图。

三个护壁套筒10分别为第一护壁套筒11、第二护壁套筒12和第三护壁套筒13。第一个护壁套筒11的内径等于第二个护壁套筒12的外径，第二个护壁套筒12的内径等于第三个护壁套筒13的外径。即第一个护壁套筒11能恰好套接在第二个护壁套筒12上，且第一个护壁套筒11的内表面与第二个护壁套筒12的外表面相贴合。同时，第二个护壁套筒12能恰好套接在第三个护壁套筒13上，且第二个护壁套筒12的内表面与第三个护壁套筒13的外表面相贴合。也就是说，第一个护壁套筒11、第二个护壁套筒12及第三个护壁套筒13能从外到内依次套接在一起，且相邻护壁套筒10之间，位于内部的护壁套筒10的外表面与位于外部的护壁套筒10的内表面部分贴合。

一种实施方式中，两个限位件20分别为第一限位件21和第二限位件22。每个限位件20包括一个限位部，即第一限位件21包括第一限位部211，第二限位件22包括第二限位部221。其中，第一限位部211设置在第一个护壁套筒11的内表面，第二限位部221设置在第二个护壁套筒12的内表面。

可以理解的是，第一限位件21用于限定第二个护壁套筒12沿第一端101向第二端102的方向上移动，第二限位件22用于限定第三护壁套筒13沿第一端101向第二端102的方向上移动。具体的，当第一个护壁套筒11已安装在地底下时，第二个护壁套筒12从第一个护壁套筒11里面沿第一端101向第二端102的方向放下去，此时第一限位件21为可通过状态，第二个护壁套筒12能顺利的放置在第二个钻孔中，而当第二个护壁套筒12与第二个钻孔贴合后，第一限位件21在沿第二端102向第一端方向101为不可通过状态，此时第一限位件21限定第二个护壁套筒12不能沿第二端102向第一端101方向移动。第二限位件22的作用机理与第一限位件21的作用机理大致相同，在此不再进行赘述。

限位件20的存在使得位于内侧的护壁套筒10不会因为振动或其他原因从位于外侧的护壁套筒10中脱离从而导致工艺缺陷，且护壁套筒10的底部会始终与对应钻孔的底部贴合，不会对钻孔过程造成不良影响。

参阅图4，图4是图3所示钻孔护壁组件100在另一种实施方式下的结构示意图。

本实施方式所示钻孔护壁组件100与上述实施方式所示钻孔护壁组件100的不同之处在于，限位部设置在护壁套筒10的外表面，即第一限位部211设置在第二个护壁套筒12的外表面，第二限位部221设置在第三个护壁套筒13的外表面。限位件20的存在限制了护壁套筒10的移动，使得护壁套筒10之间的连接更加稳定。

参阅图5，图5是图3所示钻孔护壁组件100在第三种实施方式下的结构示意图。

本实施方式所示钻孔护壁组件100与上述两种实施方式所示钻孔护壁组件100的不同之处在于，每个限位件20包括两个限位部。具体的，第一限位件21包括第一限位部211和第三限位部212，第一限位部211设置在第一个护壁套筒11的内表面，第三限位部212设置在第二个护壁套筒12的外表面。第二限位件22包括第二限位部221和第四限位部222，第二限位部221设置在第二个护壁套筒12的内表面，第四个限位部设置在第三个护壁套筒13的外表面。每个限位件20都有两个限位部，使得每个护壁套筒10的内外表面均设置有限位部，两个限位部同时限定能够使每个护壁套筒10与相邻的护壁套筒20之间的连接更加稳定。

其中，限位件20可以为卡扣限位件20、螺栓限位件20、弹簧限位件20或其他类型的限位件20，在本实施例中，限位件20为弹性材料制成，限位件20的结构为横截面为三角形的环形立体结构。

本实施例提供的钻孔护壁组件100，由于其多个钻孔护壁之间能够相互套接在一起，且存在限位件20限定护壁套筒10只能向指定的方向移动，当多个护壁套筒10组装在一起时，其组装结构的稳定性更强，在使用本实施例提供的钻孔护壁组件100组装成的装置进行钻孔护壁时，能更好的维持钻孔的孔壁稳定性，使其不会发生钻孔缩径、破碎、掉块、坍塌等情况。

请参阅图6，图6是本申请实施例提供的一种钻孔护壁组件中套筒架50的安装面51的俯视图。

本实施例中，钻孔护壁套筒100还包括套筒架50。护壁套筒通过套筒架50进行固定，套筒架50包括安装面51，在安装面51上开设有多个规律排布的收容槽52，收容槽52用来放置护壁套筒，可以理解的是，每个收容槽52可以依据情况放置多个护壁套筒，同时，每个收容槽52的大小也可以互不相同，且每个收容槽52用来放置一个相对应的护壁套筒，即每个收容槽52的大小与其相对应的护壁套筒的大小相匹配。

套筒架50的作用在于能够在各种复杂环境下，垂直固定护壁套筒，使其方便拿取和放置，当每个收容槽52只放置一个相对应的护壁套筒时，还可以通过收容槽52的规律排布快速定位不同内径的护壁套筒10的位置。

需要说明的是，在安装面51的中间位置，即多个规律排布的收容槽52中间，还设置有贯通安装面51的通孔53，通孔53的半径大于所挖钻孔的半径，护壁套筒可以通过通孔53后放入对应的钻孔中。

参阅图7，图7是本申请实施例提供的另一种钻孔护壁组件100的结构示意图。

本申请实施例所示钻孔护壁组件100与上述实施例所示钻孔护壁组件100的不同之处在于，第n个护壁套筒10的长度大于第n-1个护壁套筒10的长度，同样以n＝3为例进行说明，即第一个护壁套筒11的长度大于第二个护壁套筒12的长度，第二个护壁套筒12的长度大于第三个护壁套筒13的长度。

将三个护壁套筒10套接在一起时，三个护壁套筒10的第一端在同一水平面上，而处于内部的护壁套筒10的第二端从处于外部的护壁套筒10的第二端延伸出来，即第二个护壁套筒12的第二端会从第一个护壁套筒11的第二端伸出来，第三个护壁套筒13的第二端会从第二个护壁套筒12的第二端伸出来。在使用本实施例提供的钻孔护壁组件100组装成的装置进行钻孔护壁时，第一个护壁套筒11对第一个钻孔进行护壁；第二个护壁套筒12位于第一个护壁套筒11内的上半部分同时对第一个钻孔进行护壁，第二个护壁套筒12从第一个护壁套筒11第二端伸出来的下半部分对第二个钻孔进行护壁；第三个护壁套筒13位于第一个护壁套筒11内的上半部分同时对第一个钻孔进行护壁，第三个护壁套筒13位于第二个护壁套筒12内的中间部分同时对第二个钻孔进行护壁，第三个护壁套筒13从第二个护壁套筒12第二端伸出来的下半部分对第三个钻孔进行护壁。由于上述结构，在钻孔护壁的过程中，存在多个护壁套筒10对同一钻孔进行共同护壁的情况，且沿第一个护壁套筒11的第二端至第一端方向，多个护壁套筒10的重叠层数逐渐增多，即越靠近钻孔口，护壁套筒10重叠的层数越多，增加了护壁装置的稳定性，对于维持钻孔的孔壁稳定性有更好的效果，更不容易发生钻孔缩径、破碎、掉块、坍塌等问题。

参阅图8，图8是本申请实施例提供的第三种钻孔护壁组件100的结构示意图。

本申请实施例所示钻孔护壁组件100与上述实施例所示钻孔护壁组件100的不同之处在于，第n-1个护壁套筒10的内径大于第n个护壁套筒10的外径，同样以n＝3为例进行说明，即第一个护壁套筒11的内径大于第二个护壁套筒12的外径，第二个护壁筒的内径大于第三个护壁套筒13的外径，当护壁套筒10进行套接时，相邻护壁套筒10之间存在间隙。

在使用本实施例提供的钻孔护壁组件100组成的装置进行钻孔护壁时，只需使钻孔大小与相应的护壁套筒10的大小相匹配，则套接在一起的护壁套筒10之间的间隙就不会产生不良影响，由于护壁套筒10的存在，同样能起到良好的护壁效果，且相邻的护壁套筒10之间存在一定的间隙，也就是说明，在套接过程中，相邻护壁套筒10之间不存在摩擦力，更有利于套接过程的进行。当本实施例提供的钻孔护壁组件100中的第一个护壁套筒11的形状大小与第一个实施例提供的钻孔护壁组件100中的第一个护壁套筒11的形状大小相同时，很容易可以理解的是，在本申请实施例提供的钻孔护壁组件100中的第二个护壁套筒12以及第三个护壁套筒13相对于第一个实施例提供的钻孔护壁组件100中的第二个护壁套筒12以及第三个护壁套筒13来说，尺寸进一步减小，从而降低了生产成本。

参阅图9，图9是本申请实施例提供的一种钻孔护壁装置200的结构示意图。

本申请实施例涉及的钻孔技术可用于对岩芯样品的获取、地下仪器探测、月球内部资源的获取等多个领域，本申请实施例提供一种钻孔护壁装置200，可用于对岩芯样品的获取。

本实施例提供的钻孔护壁装置200包括上述任意实施例提供的钻孔护壁组件100以及钻具60，钻具60包括钻杆61和钻头62，其中，钻头62上还设置有取芯装置，钻头62用来钻孔的同时，其上设置的取芯装置会对岩芯进行收集，钻杆61用来连接钻头62，在使用本申请实施例提供的钻孔护壁装置200进行钻孔护壁时，使用钻具60进行钻孔操作，使用钻孔护壁组件100对钻具60钻出的孔进行保护，维持孔壁的稳定性，整个钻孔护壁装置200能够有效完成钻孔护壁流程。

其中，钻孔护壁装置200中的钻具60用来进行钻孔操作，钻取沿地表垂直向下方向重叠分布的多个钻孔，且沿地表向下方向，多个钻孔的半径逐渐减小。钻孔护壁组件100中的多个护壁套筒10分别放入与其大小相匹配的多个钻孔中，钻孔护壁组件100中的多个限位件20限制多个护壁套筒10之间的连接固定，使多个护壁套筒10之间的结构更加稳定，达到更好的护壁效果。

钻孔护壁装置200还包括机械手70，机械手70用于将第n个护壁套筒10通过所述第n-1个护壁套筒10，放入相应的钻孔内，即将第二个护壁套筒12通过第一个护壁套筒11放入第二个钻孔内，将第三个护壁套筒13通过第二个护壁套筒12放入第三个钻孔内。其中，工作人员可利用机械手70进行远程操控，使得无论在何种恶劣环境下，不需要操作人员现场操作即可完成必要的钻孔护壁工艺，能有效克服恶劣环境的影响。

钻孔护壁装置200还包括固定件80，固定件80用以将钻杆61与一个护壁套筒10固定，固定件80为可人工操控使其收缩或者膨胀的结构。具体的，当需要将钻杆61与一个护壁套筒10固定时，膨胀位于钻杆61和护壁套筒10之间的固定件80，使固定件80分别与钻杆61和护壁套筒10的内表面接触，增加了固定件80与钻杆61和护壁套筒10之间的摩擦力，间接的使钻杆61与护壁套筒10之间不发生相对运动，即固定钻杆61与护壁套筒10。固定件80的存在使得在钻孔过程中，钻杆61不会与护壁套筒10之间发生相对运动，始终进行垂直钻孔，提高了钻孔的稳定性。当需要将钻杆61从护壁套筒10中取出时，只需收缩固定件80，减小固定件80与钻杆61和护壁套筒10之间的摩擦力，从而可以将钻杆61取出。

需要说明的是，在与固定件80相接触的护壁套筒10的内表面位置不设置有润滑层，从而保证了固定件80与相应护壁套筒10之间的摩擦力。

钻孔护壁装置200还包括绳索90，绳索90用以将所述钻具60从护壁套筒10中取出。

在使用本实施例提供的钻孔护壁装置200进行钻孔护壁时，其中，钻具60进行孔壁的钻取，钻孔护壁组件100用以维持所钻取的钻孔稳定性，两者组成的钻孔护壁装置200有效完成了整个钻孔护壁流程。

请一并参阅图10，图10是本申请实施例提供的一种钻孔护壁的方法的流程示意图。

本申请实施例所示钻孔护壁的方法，使用了本申请实施例所示的钻孔护壁装置，其步骤包括：

形成第n-1个钻孔；

将第n-1个护壁套筒10放入第n-1钻孔内；

钻具60穿过第n-1个护壁套筒10进行钻孔，形成第n个钻孔；

将钻具60从第n-1护壁套筒10中取出，将所述第n个护壁套筒10放入第n个钻孔内。

在使用本实施例所示的钻孔护壁的方法进行钻孔护壁时，多个护壁套筒组合结构进行循环护壁，能够有效维持钻孔过程中孔壁的稳定性，使钻孔不会发生缩径、破碎、掉块、坍塌等不良变化，保证了钻孔过程的顺利进行。

以n＝3为例进行具体说明，在使用本申请实施例提供的钻孔护壁装置200进行钻孔护壁时，钻孔护壁方法包括：

步骤s1，对目标区域进行挖掘，形成大小深度与第一个护壁套筒11相匹配的第一个钻孔。

步骤s2，将第一个护壁套筒11放置在第一个钻孔中。具体的，使第一个护壁套筒11的外表面与第一个钻孔的内壁相贴合，第一个护壁套筒11的底部与第一个钻孔的底部处于同一水平面上，第一个护壁套筒11的顶部与地表处于同一水平面上。

步骤s3，将钻具60穿过所述第一个护壁套筒11对第一个护壁套筒11围成的区域内下方的空间进行钻孔，形成大小、长度与第二个护壁套筒12相配合的第二个钻孔。

步骤s4，将钻具60从第一个护壁套筒11中取出，将第二个护壁套筒12放入第二个钻孔中。具体的，使第二个护壁套筒12的外表面与第二个钻孔的内壁相贴合，第二个护壁套筒12的底部与第二个钻孔的底部处于同一水平面上，第二个护壁套筒12的顶部与第二个钻孔的顶部处于同一水平面上。

步骤s5，将钻具60穿过所述第二个护壁套筒12对第二个护壁套筒12围成的区域内下方的空间进行钻孔，形成大小、长度与第三个护壁套筒13相配合的第三个钻孔。

步骤s6，将钻具60从第二个护壁套筒12中取出，将第三个护壁套筒13放入第三个钻孔中。具体的，使第三个护壁套筒13的外表面与第三个钻孔的内壁相贴合，第三个护壁套筒13的底部与第三个钻孔的底部处于同一水平面上，第三个护壁套筒13的顶部与第三个钻孔的顶部处于同一水平面上。

可以理解的是，n可以为大于1的任意自然数，对于n为其他数值的情况，可以参考n＝3的实施例内容，以同样的方式循环进行钻孔-放套筒过程，直到钻出的钻孔达到所需深度，即可停止钻孔过程，在此不进行进一步的赘述。

其中，在步骤s3中，在钻具60进行钻孔之前，可以用固定件80将钻杆61与第一个护壁套筒11的内表面相固定，使钻具60在钻孔过程中，钻杆61上部保持稳定，实现垂直钻孔，从而使得钻取的钻孔的形状更加规整，结构更加稳定。

同样的，在步骤s5中，也可以用固定件80将钻杆61与第二个护壁套筒12的内表面相固定，实现垂直钻孔的目的。

可以理解的是，在步骤s2、s4、s6中，可以通过机械手70实现对护壁套筒10的拿取、移动和放置。在进行月基表面钻孔及深海钻孔时，采用人工操作

进行护壁套筒10的放置具有较大的难度和较高的风险，如在月基表面钻孔时，首先要克服技术障碍将人员送至月球表面，同时还需要克服月球表面的超高真空、微重力、极端温差、高宇宙辐射等特殊环境条件；在进行深海钻孔时则需要克服海底巨大的压力。此时采用机械手70自动化操作进行护壁套筒10的放置为必要的选择。

在步骤s3、s4、s5、s6中，在将钻具60穿过所述护壁套筒10及从护壁套筒10中取出的过程中，可以用绳索90对所述钻具60进行拉取、移动及放置，使得操作更加方便。

在使用本实施例提供的钻孔护壁方法进行钻孔护壁时，先将外部的护壁套筒10放入与之大小、长度相配合的挖好的钻孔中，再对外部的护壁套筒10围成的区域内下方的空间进行钻孔，形成大小、长度与相邻的内部护壁套筒10相配合的钻孔，从而将相邻的内部护壁套筒10放入钻孔中，同时通过限位件20将相邻的护壁套筒10之间紧固连接在一起，以同样的方式循环进行钻孔-放套筒过程，直到钻出的钻孔达到所需深度，即可停止钻孔过程。上述操作简便可行，且循环进行钻孔-放套筒的过程能实现更深的钻孔需求，多个护壁套筒10的存在能够有效达到钻孔护壁的功能。