[发明专利]一种基于4D打印技术的簧片式取心工具及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于4D打印技术的簧片式取心工具，包括岩心管和若干簧片，若干簧片的一端通过定位销固定在岩心管内壁、沿岩心管内壁圆周等高均匀分布，若干簧片的另一端向岩心管内圆弧状弯曲、呈鱼篓状；所述簧片由镍钛形状记忆合金材料并通过4D打印技术制成：钻头回转钻探、温度较高，簧片紧贴岩心管内壁，此时簧片处于张开状态；钻进回次结束进行取心时，钻头停止回转、温度下降，簧片向岩心管内圆弧状弯曲，此时簧片处于合拢状态。本发明簧片式取心工具的形状记忆合金簧片响应及时，在碎块岩样重力以及形状记忆回复力的双重作用下，能有效保证岩心的取心率，且形状记忆簧片可拆卸，更换方便高效。

技术领域

本发明涉及地质勘探设备和增材制造技术领域，尤其涉及一种基于4D打印技术的簧片式取心工具及其制备方法，簧片式取心工具适用于松散破碎底层中的取心钻探。

背景技术

在钻探过程中获取岩矿样品(岩心、岩屑)是钻探工作的主要任务之一。地质工作者为顺利开展岩矿样品的物理和化学测试工作，确定所研究岩层的空间变化情况，往往需要保证岩心的取心率、完整性、纯洁性和代表性，要在复杂的地质条件下获得满足上述要求的岩矿样品并非易事。

合理的取心工具应与岩石的类型或物理力学性质相适应，在钻进过程中岩心不致人为破坏，能在回次结束时顺利拉断岩心，并在取心过程中可靠地夹持岩心并保证不脱落。钻探过程中采用的岩心卡簧主要有内槽式、外槽式以及切槽式，它们主要适用于中硬以上质地较致密、结构完整岩石的金刚石钻进或硬质合金钻进。

而对于松散、破碎或胶结性差的岩石，为满足对钻探样品的基本要求，应当采用簧片式取心工具进行取心。该取心方式的主要原理是各簧片在待取碎块岩样的重力作用下从张开状态转为合拢状态，从而堵住岩石不使其掉落，然而由于簧片材料等因素，在钻具停止回转上提时，簧片仅受岩石重力作用无法及时、完全的聚拢，无法保证岩心的提取率。因此，为更好的适应不完整地层的取心工作，新的簧片式取心工具亟待探究。

4D打印技术的出现为制备簧片式取心工具提供了新的思路。4D打印技术以数字三维模型数据为依据，以形状记忆合金为材料，通过扫描电镜控制高能激光束有选择地熔化粉末材料，通过逐层叠加的方式来成形具有形状记忆效应的零件。4D打印技术与钻探工艺技术相结合，为制备簧片式取心工具提供了新的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明结合4D打印技术以及钻探工艺技术制得了一种簧片式取心工具；本发明的簧片式取心工具中簧片采用形状记忆材料通过增材制造设备成形，簧片能够根据不同温度采取不同的工作形态。

在本发明中，一方面提供了一种簧片式取心工具，该簧片式取心工具包括岩心管和若干簧片，若干簧片的一端通过定位销固定在岩心管内壁、沿岩心管内壁圆周等高均匀分布，若干簧片的另一端向岩心管内圆弧状弯曲、呈鱼篓状；

所述簧片由镍钛形状记忆合金材料制成：钻头回转钻探、温度较高，簧片紧贴岩心管内壁，此时簧片处于张开状态；钻进回次结束进行取心时，钻头停止回转、温度下降，簧片向岩心管内圆弧状弯曲，此时簧片处于合拢状态。

进一步地，所述簧片的数量为6、8或10。

在本发明中，另一方面提供了一种基于4D打印技术制备上述簧片式取心工具的方法，包括以下步骤：

S1、利用4D打印技术制备若干数量由镍钛形状记忆合金材料制成的具有形状记忆功能的簧片；

S2、将步骤(1)中若干簧片通过定位销与岩心管拼装，即得到簧片式取心工具。

进一步地，在步骤S1中，制备具有形状记忆功能的簧片具体包括以下步骤：

(1)通过Solid Works软件建立簧片的三维模型，将簧片的三维模型进行切片分层处理，并将其转为STL格式数据导入4D打印设备的控制系统中；

(2)将镍钛形状记忆合金材料粉末装入设备的送粉系统内；