一种空气反循环连续取心冰钻钻头的制作方法

本发明专利属于极地钻探技术领域，涉及一种空气反循环连续取心冰层钻进用钻头。

背景技术：

极地冰盖约占全球陆地面积的10％，其自然环境对人类具有重要价值。由于极地冰盖气温低、远离人群污染，同其它气候代用指标相比具有信息量大且保真度好、时间分辨率高、时间尺度范围大、分布面积广等特点，是研究全球气候变化最为关键的地区之一。通过冰层取心钻探技术，获取高质量冰心已成为极地科学的重要研究方向，对人类社会发展和对自然界的认知具有重要的科学意义和社会价值。然而受恶劣气候和地表冰雪环境的影响，极地钻探取心较为复杂，目前常采用铠装电缆式电动机械取心钻具进行冰层取心钻探。该方法利用铠装电缆将电动机械钻具送至孔内进行钻进，回次结束后利用电缆将钻具提至地表获取冰心和冰屑，然后再将钻具下放至孔底继续钻进，周而复始。由于该方法需要提钻取心，钻进辅助时间长，钻进效率低，且由于采用铠装电缆代替传统钻杆，一旦孔内发生卡钻等复杂事故，处理极为困难。因此，极地取心钻探施工周期较长，严重制约了极地钻探科学技术的发展。此外，现有钻探方法采用钻井液作为循环介质，在冰盖上部积雪层和雪冰层施工时，钻井液极易漏失而污染极地自然环境，且钻井液对冰心亦有一定的影响，因此急需一种环保、安全、快速的取心钻探技术。近年来，空气反循环连续取心钻进技术因其具有不停钻连续取心、钻进效率和取心率高、对岩心无污染等优点，在常规地质岩心钻探领域得到了广泛的应用。如若将其应用到极地冰层钻探中，将大幅提高极地钻探钻进效率。然而由于冰层与岩层的物性参数不同，常规地质岩心钻探用反循环钻头难以有效钻进冰层。钻头结构是空气反循环钻进的关键部件之一，其性能直接决定着反循环钻进的成败，如果反循环形成不彻底，将导致冰屑从钻具与冰壁的环形空间喷出，不但降低冰心冰样采取率，而且影响钻进效率，甚至会发生卡钻等孔内复杂事故。如何设计出能够快速钻进冰层的空气反循环取心钻头，已成为在极地冰盖实施空气反循环钻进急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够在冰层中快速钻进的对孔底具有强烈抽吸作用的空气反循环连续取心冰钻钻头。

本发明包括有钻头体、承喷管、冰心卡断器、切削刀头、双壁接头、导流罩及垫鞋，钻头体与双壁接头的双壁接头外管螺纹连接，钻头体的底唇面上通过螺栓固定若干个切削刀头，切削刀头前角向钻头中心通道方向倾斜角度α为5～15°，便于冰屑向中心通道运移。切削刀头的切削深度由垫鞋控制，垫鞋通过螺栓与切削刀头和钻头体连接。钻头体底唇面为成弧形面。承喷管与钻头体通过螺纹连接，冰心卡断器固定在钻头体内部台阶上。

冰心卡断器由半圆楔形结构及半圆形结构构成，承喷管与双壁接头内管组成环缝间隙。双壁接头外管和双壁接头内管组成环形空间，

双壁接头外管和双壁接头内管之间设有支撑块，导流罩通过螺纹与双壁接头外管螺纹连接，导流罩与钻头体外壁组成环形喷嘴，双壁接头外管上开设有若干进气孔。

本发明的工作过程和原理：

从孔内动力钻具或双壁钻杆进来的气体进入钻头的双壁接头的环形空间，一部分通过双壁接头外管上开设的进气孔进入导流罩与钻头体之间的环形空间向下喷射，在柯恩达附壁作用下气体沿着弧形面向钻头中心通道流动，对孔底的冰屑和气体产生抽吸作用，形成反循环。另一部分气体经由承喷管与双壁接头内管之间的极窄环缝间隙喷出，形成极薄的高速射流，对孔底气体及冰屑产生强大的二次抽吸作用。随着钻进的不断进行，冰心高度逐渐增加，当其接触到冰心卡断器的半圆楔形结构时，受到冰心卡断器的侧向挤压力而折断，随即被气体携带上返至地表，实现钻进过程中不提钻连续取心。

本发明的有益效果：

当气体从导流罩与钻头体外壁之间的环形空间高速喷出时，由于柯恩达附壁效应，气体沿着钻头体弧形底唇面流动而进入钻头中心通道，对孔底具有较强的抽吸作用。另一部分气体经过承喷管与双壁接头内管形成的环形喷嘴喷出时，对孔底产生二次抽吸作用，利于清除冰屑和形成有效的反循环，能够实现不停钻连续取心，有利于提高钻进效率和冰心采取率，从而大幅缩短极地钻探工程施工周期，降低产生孔内复杂事故的风险。

附图说明

图1为本发明的剖面示意图。

图2为图1的仰视图。

图3为本发明的的冰心卡断器示意图。

图4为本发明的切削刀头结构示意图。

其中：1-钻头体；101-弧形面；2-承喷管；201-环缝间隙；3-冰心卡断器；301-半圆楔形结构；302-半圆形结构；4-切削刀头；5-双壁接头；501-双壁接头内管；502-双壁接头外管；503-支撑块；504-环形空间；505-进气孔；6-导流罩；601-环形喷嘴；7-垫鞋。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本实施例包括有钻头体1、承喷管2、冰心卡断器3、切削刀头4、双壁接头5、导流罩6及垫鞋7，钻头体1与双壁接头5的双壁接头外管502螺纹连接，钻头体1的底唇面上通过螺栓固定若干个切削刀头4，切削刀头4前角向钻头中心通道方向倾斜角度α为5～15°，便于冰屑向中心通道运移。切削刀头4的切削深度由垫鞋7控制，垫鞋7通过螺栓与切削刀头4和钻头体1连接。钻头体1底唇面为成弧形面101。承喷管2与钻头体1通过螺纹连接，冰心卡断器3固定在钻头体1内部台阶上。

冰心卡断器3由半圆楔形结构301及半圆形结构302构成，承喷管2与双壁接头内管501组成环缝间隙201。双壁接头外管502和双壁接头内管501组成环形空间504，

双壁接头外管502和双壁接头内管501之间设有支撑块503，导流罩6通过螺纹与双壁接头外管502螺纹连接，导流罩6与钻头体1外壁组成环形喷嘴601，双壁接头外管502上开设有若干进气孔505。

本实施例的工作过程和原理：

从孔内动力钻具或双壁钻杆进来的气体进入钻头的双壁接头5的环形空间504，一部分通过双壁接头外管502上开设的进气孔505进入导流罩6与钻头体1之间的环形喷嘴601向下喷射，在柯恩达附壁作用下气体沿着弧形面101向钻头中心通道流动，对孔底的冰屑和气体产生抽吸作用，形成反循环。另一部分气体经由承喷管2与双壁接头内管501之间的极窄环缝间隙201喷出，形成极薄的高速射流，对孔底气体及冰屑产生强大的二次抽吸作用。随着钻进的不断进行，冰心高度逐渐增加，当其接触到冰心卡断器3的半圆楔形结构301时，受到冰心卡断器3的侧向挤压力而折断，随即被气体携带上返至地表，实现钻进过程中不提钻连续取心。