专利名称：带压干钻取心钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土工程岩样取心钻头，特别是一种带压干钻取心钻头。
背景技术：
在岩土工程和石油工程中，岩石力学性质是工程设计最基本的数据，往往要通过大量力学实验获得工程岩石的力学参数，而岩样的钻取是整个过程的第一步，也是影响实验数据有效性的第一步，由此引出一个问题:取心过程一定包含损伤，这些损伤对后期参数测量有一定的影响，对于一些坚硬或高强度岩石，这一影响可以忽略不记，而对于一些弱胶结、层状或裂缝性岩石，取心成功率极低，即便获得完整的岩心，损伤的影响对岩石性质的改变亦很显著。
发明内容
本发明即针对上述缺陷提供一种解决取心过程因轴向压力释放以及岩心圆柱壁面与钻头壁面摩擦引起岩心损伤的带压干钻取心钻头。为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种带压干钻取心钻头。按照本发明第一方面的带压干钻取心钻头包括钻头柱、活塞、弹簧，其中弹簧嵌入钻头柱内部，弹簧上端与钻头柱内表面接触，弹簧下端与活塞相连，钻头柱上包括注液口和排液口。优选的是，所述活塞的数量为至少两个。优选的是，所述带压干钻取心钻头的活塞包括活塞A和活塞B。优选的是，所述带压干钻取心钻头还包括旋转接头。优选的是，所述活塞A的上部与弹簧相连。优选的是，所述活塞B下端与所述旋转接头相连。 优选的是，所述活塞A与所述活塞B之间构成液压腔。优选的是，所述活塞B的侧面与钻头柱内表面配合。优选的是，所述活塞B的侧面与钻头柱内表面的配合方式为间隙配合。优选的是，所述活塞B的侧面与钻头柱内表面的配合方式为过渡配合。优选的是，所述活塞A与弹簧构成限压装置，所述限压装置使液压腔内满足一定压力，并将该压力施加到活塞B上，继而将该压力传递至岩心。优选的是，所述钻头柱的材料为45#钢。优选的是，所述钻头柱的材料为合金钢。优选的是，在钻头柱外壁面上设有刻度线。优选的是，所述钻头柱底端与钻头连接。优选的是，所述钻头包括钻头齿。优选的是，所述旋转接头包括旋转部分和非旋转部分。优选的是,所述旋转接头的旋转部分与活塞B接触。
优选的是，所述旋转接头的非旋转部分与岩心接触。优选的是，所述活塞A的材料为45#钢。优选的是，所述活塞B的材料为45#钢。优选的是，所述弹簧的材料为合金弹簧钢丝。优选的是，所述弹簧的材料为60Si2Mn。本发明第一方面的带压干钻取心钻头的工作方式是:将液体从注液口注入液压腔，使液压腔内注满液体，然后关闭注液口，在液压作用下活塞B推动旋转接头与岩石接触；推动钻头向下压，并旋转切削岩石，此时随着钻头柱下压，钻头内液压腔的内压力升高，同时，液压腔的内压推动活塞A向上移动，弹簧阻碍活塞A的移动；当液压腔内的压力达到预定值时，活塞A在液压作用下向上移动并压缩弹簧，且弹簧的变形量超过一定限度，活塞A的下端退回至排液口以上时，液压腔内的液体从排液口排出；此时，液压腔内的压力下降，活塞A下端所受的液体内压降低，在弹簧弹力和液体内压的压力差作用下，活塞A向下运动，从而使液压腔内的液体内压恢复到一定值，并促使活塞B推动旋转接头压住岩心，此后，继续推动钻头向下压并旋转切削岩石。钻头下压过程中，钻头内液压腔的内压再次升高，推动活塞A向上移动并高于排液口，液压腔内的液体排出，液压腔内压下降，活塞A向下运动，液压腔封闭并保证一定压力促使活塞B推动旋转接头与岩心接触。带压干钻取心钻头如上述过程反复循环，不断推动钻头柱向下压，并旋转切削岩心，每次取心完成后，可通过注液口注入液体，液压腔工作时为密封状态。本发明第一方面提供的带压干钻取心钻头可避免对岩心的损害，取心成功率高，对于现场勘测和实验室研究数据的提取均具有很强的必要性。本发明第一方面所提供的带压干钻取心钻头的技术方案包括上述各部分的任意组合，上述各部分组件的简单变化或组合仍为本发明的保护范围。本发明的第二方面还提供一种带压干钻取心方法，其包括如下步骤:a.通过注液口向钻头柱液压腔内注满液体；b.将注液口封闭；c.推动活塞B使之与旋转接头接触；d.推动旋转接头与岩石接触；e.朝向岩石基岩方向压下钻头；f.转动钻头柱对岩石进行切削；g.钻头钻入预设的深度后停止切削，取出岩心。优选的是，以上步骤依次进行。优选的是，所述钻头为本发明第一方面所提供的带压干钻取心钻头。优选的是，所述带压干钻取心钻头包括活塞A和活塞B。优选的是，所述活塞A的上部与弹簧相连。优选的是,所述活塞B下端与所述旋转接头相连。优选的是，所述活塞B的侧面与钻头柱内表面配合。优选的是，在钻头柱外壁面上设有刻度线。更多操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，不再赘述。
本发明第二方面所提供的带压干钻取心方法的技术方案包括上述各部分的任意组合，上述各部分组件的简单变化或组合仍为本发明的保护范围。
图1为按照本发明第一方面的带压干钻取心钻头的一优选实施例的结构示意图；图2为图1所示实施例的取心过程示意图。图1、图2中数字分别表示:I弹簧2活塞A3排液口 4注液口5液压腔 6钻头柱7活塞B 8旋转接头9岩心10岩体
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合附图详细描述按照本发明第一方面的带压干钻取心钻头的结构的优选实施例。图1为按照本发明第一方面的带压干钻取心钻头的一优选实施例的结构示意图，本实施例中，带压干钻取心钻头包括钻头柱6、活塞A2、活塞B7、弹簧1，其中弹簧I嵌入钻头柱6内部，弹簧I上端与钻 头柱6内表面接触，弹簧I下端与活塞A2相连，钻头柱6上包括注液口 4和排液口 3，活塞B7下端与旋转接头8相连，活塞A2与活塞B7之间构成液压腔5。本实施例中，所述活塞B7的侧面与钻头柱6的内表面配合。本实施例中，所述活塞B7的侧面与钻头柱6内表面的配合方式为间隙配合。本实施例中，所述活塞B7的侧面与钻头柱6内表面的配合方式为过渡配合。本实施例中，所述活塞A2与弹簧I构成限压装置，所述限压装置使液压腔5内满足一定压力，并将该压力施加到活塞B7上，继而将该压力传递至岩心9。本实施例中，所述钻头柱6的材料为45#钢。本实施例中，所述钻头柱6的材料为合金钢。本实施例中，所述活塞A2的材料为45#钢。本实施例中，所述活塞B7的材料为45#钢。本实施例中，所述弹簧I的材料为合金弹簧钢丝。本实施例中，所述旋转接头包括旋转部分和非旋转部分。本实施例中，所述旋转接头的旋转部分与活塞B接触。本实施例中，所述旋转接头的非旋转部分与岩心接触。本实施例中带压干钻取心钻头的工作方式是:将液体从注液口 4注入液压腔5，使液压腔5内注满液体，然后关闭注液口 4，在液压作用下活塞B7推动旋转接头8与岩体10接触；推动钻头柱6向下压，并旋转切削岩石，此时随着钻头柱6下压，钻头柱6内液压腔5的内压力升高，同时，液压腔5的内压推动活塞A2向上移动，弹簧I阻碍活塞A2的移动；当液压腔5内的压力达到预定值时，活塞A2在液压作用下向上移动并压缩弹簧1，且弹簧I的变形量超过一定限度，活塞A2的下端退回至排液口 3以上时，液压腔5内的液体从排液口3排出；此时，液压腔5内的压力下降，活塞A2下端所受的液体内压降低，在弹簧I的弹力和液体内压的压力差作用下，活塞A2向下运动，从而使液压腔5内的液体内压恢复到一定值，并促使活塞B7推动旋转接头8压住岩心9，此后，继续推动钻头柱6向下压并旋转切削岩石。钻头柱6下压过程中，钻头柱6内液压腔5的内压再次升高，推动活塞A2向上移动并高于排液口 3，液压腔5内的液体排出，液压腔5内压下降，活塞A2向下运动，液压腔5封闭并保证一定压力促使活塞B7推动旋转接头8与岩心9接触。本实施例中，带压干钻取心钻头如上述过程反复循环，不断推动钻头柱6向下压，并旋转切削岩心9，工作完成后，可通过注液口注入液体，工作时为密封状态。图2为图1所示实施例的取心过程示意图，本实施例中X为刚开始取心时的工作状态，此时液压腔5容积较大，所需的液体较多，弹簧I的伸缩量较小；Y所示的状态为取心中间过程中的状态之一，此时液压腔5的容积中等Z所示的状态为取心结束前的状态，此时取心过程接近尾声，此后，通过调节进液口排量至较大值，冲洗钻孔中的钻屑，缓慢旋转并提升钻头至X所示的位置，然后取出切削好的圆柱形岩心，清理取出的岩心并编号。更多操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，不再赘述。本实施例中所述的带压干钻取心钻头可避免对岩心的损害，取心成功率高，对于现场勘测和实验室研究数据的提取均具有较好的积极效果。本实施例所述的带压干钻取心钻头的技术方案包括上述各部分的任意组合，上述各部分组件的简单变化或组合仍为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种带压干钻取心钻头，包括钻头、活塞、弹簧，其中弹簧嵌入钻头内部，弹簧上端与钻头内表面接触，弹簧下端与活塞相连，钻头上包括注液口和排液口，其特征在于:所述活塞的数量为至少两个。
2.如权利要求1所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述带压干钻取心钻头的活塞包括活塞A和活塞B，所述活塞A的上部与弹簧相连。
3.如权利要求1所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述带压干钻取心钻头包括旋转接头。
4.如权利要求2或3所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述活塞B下端与所述旋转接头相连。
5.如权利要求4所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述活塞B的侧面与钻头柱内表面配合。
6.如权利要求2所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述活塞B的侧面与钻头柱内表面的配合方式为间隙配合。
7.如权利要求1所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述钻头柱的材料为合金钢。
8.如权利要求2所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述活塞A的材料为45#钢。
9.如权利要求2所述的带压干钻取心钻头，其特征在于:所述活塞B的材料为45#钢。
全文摘要
一种带压干钻取心钻头，包括钻头柱、活塞、弹簧，其中弹簧嵌入钻头内部，弹簧上端与钻头内表面接触，弹簧下端与活塞相连，钻头上包括注液口和排液口，所述活塞的数量为至少两个。所述活塞A与弹簧构成限压装置，所述限压装置使液压腔内满足一定压力，并将该压力施加到活塞B上，继而将该压力传递至岩心。本发明所提供的带压干钻取心钻头可避免对岩心的损害，取心完整性好，对于现场勘测和实验室研究数据的提取均具有重要意义。
文档编号E21B10/02GK103206171SQ201310104670
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者张广清 申请人:中国石油大学(北京)