专利名称：带压湿钻取心方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土工程和石油工程岩样取心方法特别是一种带压湿钻取心滅。
背景技术：
在岩土工程中，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，损伤的影响也极大地改变了岩心的性质。
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压力释放以及岩心壁面摩擦引起损伤的带压湿钻取心钻头。为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种带压湿钻取心钻头。按照本发明第一方面的带压湿钻取心钻头包括钻头柱、钻头、旋转接头、活塞、弹簧，钻头柱下方与钻头连接，钻头柱内嵌装旋转接头，活塞与弹簧连接，钻头柱内包括岩心夹持腔，旋转接头下部与岩心夹持腔接触，活塞与弹簧置于岩心夹持腔内下部，活塞与岩心接触。优选的是，所述岩心夹持腔包括排液口。优选的是，所述岩心夹持腔包括进液口。优选的是，所述岩心夹持腔的进液口位于岩心夹持腔的顶部。优选的是，所述岩心夹持腔内包括液压腔。优选的是，所述岩心夹持腔下部外侧有一圈凸起，用于保证岩心与钻头的轴心线重合。 优选的是，所述液压腔内的液体为煤油。优选的是，所述液压腔内的液体为柴油。优选的是，所述液压腔内的液体为矿物油。优选的是，所述液压腔内的液体为针对岩石性质专门设计配制的取心介质。优选的是，所述活塞包括限压活塞，所述限压活塞内开有槽口，用于限制岩心夹持腔内压力过高，保证安全钻取。优选的是，所述活塞包括小活塞，所述小活塞的形状为圆柱形，用于维持岩心夹持腔内的压力。优选的是，所述岩心夹持腔内包括限压结构，该限压结构包括弹簧和小活塞，所述限压结构的位移和弹簧刚度决定限压值的大小。
优选的是，所述小活塞位于限压活塞的槽口内，小活塞与限压活塞为过渡配合。优选的是，所述液压腔内的压力通过限压结构维持在一定数值范围内。优选的是，所述液压腔的压力范围为5-10atm。优选的是，钻头柱与活塞通过螺纹连接。优选的是，钻头柱与活塞为间隙配合。优选的是，钻头柱包括直径不同的两段柱体。优选的是，旋转接头嵌装在钻头柱的直径较大的柱体内。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钻头柱接触。优选的是，所述旋转接头的非旋转部分与所述岩心夹持腔接触。本发明第一方面的带压湿钻取心钻头的装配步骤是:1.在岩心夹持腔内注入液体；2.将活塞压入岩心夹持腔；3.将上一步骤中的岩心夹持腔放入钻头柱内腔中，顶住旋转接头；4.将钻头安装/装配到钻头柱的下方。本发明第一方面的带压湿钻取心钻头的工作方式是:将装配好的带压湿钻取心钻头置于待取心的岩体上，从钻头柱顶端注入取心液，进入钻头柱的取心液充入钻头柱内岩心夹持腔外部的空隙；液压腔下部的限压结构在液压推动下通过限压活塞与岩石接触，此时旋转钻头柱，则钻头柱下方的钻头在钻头柱的带动下旋转切削岩石，随着切削量增加，钻头及钻头柱不断向岩体内深入，则钻头柱内的旋转接头也带动岩心夹持腔向下移动，在旋转接头和岩心的压力下，液压腔内的液体被压缩，液体压力升高，位于岩心夹持腔下部的限压活塞和小活塞被迫向下移动，小活塞下部的弹簧则阻碍活塞移动，因此液压腔内的压力缓慢升高，当液压腔内的压力达到预定值时，弹簧变形量也达到预定值，所述弹簧变形量的预定值促使限压活塞的位置低于排液口的位置，因而液体从排液口排出，液体压力下降，钻头不再向下移动钻取岩心；当液压低于一定值后，弹簧变形量减小，弹簧弹力也随之减小，因此限压活塞向上运动，限压活塞的位置高于排液口，因而液压腔重新变成密闭状态。液压腔中的液体压力再次推动限压活塞与岩石接触，钻头旋转切削岩石，切削量继续增加，钻头及钻头柱继续深入，液压腔压力增大，弹簧变形增加并再次推动限压活塞向下运动至低于排液口的位置，液体排出，液体压力下降，随之液压降低后弹簧变形量再次减小，限压活塞再向上运动至高于排液口的位置，液压腔密闭并保持一定的压力，如此反复循环，促使液压腔内保持一定压力，压住岩心。取心完成后，可拆卸钻头，整体取出岩心夹持腔，达到循环利用的目的。带压湿钻取心钻头如上述过程反复循环，不断推动钻头向下压，并旋转切削岩心。本发明第一方面提供的带压湿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很强的必要性。本发明第一方面所提供的带压湿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湿钻取心方法，其包括如下步骤:a.在液压腔中住满液体；
b.通过钻头柱顶端的开口向钻头柱内注入液体；c.将注液口封闭；d.通过液压推动活塞使之与岩体接触；e.朝向岩石基岩方向压下钻头；f.转动钻头对岩石进行切削。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湿钻取心钻头。优选的是，所述带压湿钻取心钻头包括岩心夹持腔。优选的是，所述岩心夹持腔包括排液口。优选的是，所述活塞包括限压活塞，所述限压活塞内开有槽口，用于限制岩心夹持腔内压力过高，保证安全钻取。优选的是，所述活塞包括小活塞，所述小活塞的形状为圆柱形，用于维持岩心夹持腔内的压力。优选的是，所述小活塞位于限压活塞的槽口内，小活塞与限压活塞为过渡配合。
优选的是，钻头柱与活塞通过螺纹连接。优选的是，钻头柱包括直径不同的两段柱体。优选的是，旋转接头嵌装在钻头柱的直径较大的柱体内。优选的是，钻头下移的速率为0.1-0.5mm/s。优选的是，切削岩石时钻头的转动速度为360_420rpm。优选的是，切削岩石过程中岩心受到的轴向压力为不大于5kg。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湿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湿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钻头柱2取心液注入通道3旋转接头 4液压腔5岩心夹持腔 6限压活塞7弹簧8排液口9钻头10岩心11小活塞12注液口
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湿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湿钻取心钻头的一优选实施例的结构示意图，本实施例中，带压湿钻取心钻头包括钻头柱1、钻头9、旋转接头3、限压活塞6、小活塞11、弹簧7，钻头柱I下方与钻头9连接，钻头柱I内嵌装旋转接头3，旋转接头3下部与岩心夹持腔5接触，限压活塞6内嵌装弹簧7，限压活塞6置于岩心夹持腔5下部，限压活塞6与岩心10接触。本实施例中，所述岩心夹持腔5包括排液口 8。本实施例中，所述岩心夹持腔5包括进液口。本实施例中，所述岩心夹持腔5内包括液压腔4。本实施例中，所述岩心夹持腔5下部外侧有一圈凸起，用于限制岩心与钻头保持轴心线重合。本实施例中，所述限压活塞6为开有槽口的活塞，其槽口用于限制岩心夹持腔内压力过高。本实施例中，所述小活塞11的形状为圆柱形，用于维持岩心夹持腔内的压力。本实施例中，所述小活塞11位于限压活塞6的槽口内，小活塞11与限压活塞6为过渡配合。本实施例中，钻头柱I与限压活塞6通过螺纹连接。本实施例中，钻头柱I包括直径不同的两段柱体。本实施例中，旋转接头3嵌装在钻头柱I的直径较大的柱体内。优选的是，所述旋转接头3包括旋转部分和非旋转部分。优选的是，所述旋转接头3的旋转部分与钻头柱I接触。优选的是，所述旋转接头3的非旋转部分与所述岩心夹持腔5接触。本实施例中带压湿钻取心钻头的装配步骤是:1.将岩心夹持腔的注液口 12封闭；2.在岩心夹持腔5内注入液体；3.将活塞压入岩心夹持腔5 ；4.将上一步骤中的岩心夹持腔5放入钻头柱I内腔中，顶住旋转接头；5.将钻头9安装/装配到钻头柱I的下方。本实施例中带压湿钻取心钻头的工作方式是:将装配好的带压湿钻取心钻头置于待取心的岩体上,从钻头柱I顶端注入取心液,进入钻头柱I的取心液充入钻头柱I内岩心夹持腔5外部的空隙；液压腔4下部的限压结构在液压推动下通过限压活塞6与岩石接触，此时旋转钻头柱1，则钻头柱I下方的钻头9在钻头柱I的带动下旋转切削岩石，随着切削量增加，钻头9及钻头柱I不断向岩体内推进，则钻头柱I内的旋转接头3也带动岩心夹持腔5向下移动，在旋转接头3和岩心10的压力下，液压腔4内的液体被压缩，液体压力升高，位于岩心夹持腔5下部的限压活塞6和小活塞11被迫向下移动，小活塞11下部的弹簧7则阻碍小活塞11和限压活塞6移动，因此液压腔4内的压力缓慢升高，当液压腔4内的压力达到预定值时，弹簧7变形量也达到预定值，所述弹簧7变形量的预定值促使限压活塞6的位置低于排液口 8的位置，因而液体从排液口 8排出，液体压力下降，钻头9不再向下移动钻取岩心10 ;当液压低于一定值后，弹簧7变形量减小，弹簧7弹力也随之减小，因此限压活塞6向上运动，限压活塞6的位置高于排液口 8，因而液压腔4重新变成密闭状态。液压腔4中的液体压力再次推动限压活塞6与岩石接触，钻头9旋转切削岩石，切削量继续增加，钻头9及钻头柱I继续深入，液压腔4压力增大，弹簧7变形增加并再次推动限压活塞6向下运动至低于排液口 8的位置，液体排出，液体压力下降，随之液压降低后弹簧7变形量再次小，限压活塞6再向上运动至高于排液口 8的位置，液压腔4密闭并保持一定的压力，如此反复循环，促使液压腔4内保持一定压力，压住岩心10 ;取心完成后，可拆卸钻头9，整体取出岩心夹持腔5，达到循环利用的目的。带压湿钻取心钻头如上述过程反复循环，不断推动钻头9向下压，并旋转切削岩心10。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，此时液压腔容积较大，所需的液体较多，弹簧的伸缩量较小；γ所示的状态为取心中间过程中的状态之一，此时液压腔的容积中等；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，可通过调节进液口排量至较大值，冲洗钻孔中的钻屑，缓慢旋转并提升取心钻头至初始位置，然后取出圆柱形岩心，清理、编号，至此，取心过程完成。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湿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湿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
1.一种带压湿钻取心方法，包括其包括如下步骤: a.在液压腔中住满液体； b.通过钻头柱顶端的开口向钻头柱内注入液体； c.将注液口和去取心液注入通道封闭； d.通过液压推动活塞使之与岩体接触； e.朝向岩石基岩方向压下钻头； f.转动钻头对岩石进行切削。
其特征在于:以上步骤依次进行。
2.如权利要求1所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:采用本发明所述带压湿钻取心钻头。
3.如权利要求2所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:所述带压湿钻取心钻头包括岩心夹持腔，所述岩心夹持腔包括排液口。
4.如权利要求1所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:所述活塞包括限压活塞。
5.如权利要求1所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:所述活塞包括小活塞。
6.如权利要求4所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:所述限压活塞包括槽口。
7.如权利要求4或5或6所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:所述小活塞位于限压活塞的槽口内，小活塞与限压活塞为过渡配合。
8.如权利要求1所述的带压湿钻取心方法，其特征在于:钻头柱包括直径不同的两段柱体。
全文摘要
一种带压湿钻取心方法，包括其包括如下步骤a.在液压腔中住满液体；b.通过钻头柱顶端的开口向钻头柱内注入液体；c.将注液口封闭；d.通过液压推动活塞使之与岩体接触；e.朝向岩石基岩方向压下钻头；f.转动钻头对岩石进行切削。以上步骤依次进行。本发明提供的带压湿钻取心方法可避免对岩心的损害，取心完整性高，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E21B25/10GK103195366SQ20131010475
公开日2013年7月10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)