一种用于地应力测试中快速钻进的钻头的制作方法

本公开一般涉及岩土、采矿等地下工程应力测试技术领域，具体涉及一种用于地应力测试中快速钻进的钻头。

背景技术：

目前我国一批重大交通、水电、油气、采矿等地下工程相继规划与兴建。西部地区多深山峡谷，构造运动强烈，地震活动频发，地应力水平较高。在工程的建设过程中，地应力水平直接影响工程的设计与施工方案。因此，准确测量工程场区地应力水平是上述工程建设过程中的必要内容。

目前，空心包体钻孔应力解除法是测量地下工程原岩应力最常用的方法之一。该方法的主要步骤是：钻大孔-磨平大孔底-钻锥形孔-钻小孔-小孔内安装空芯包体-解除含包体岩芯-数据处理并计算地应力。从上述过程中可以看出，当大孔施工至目标位置处后，传统方法施工小孔的详细过程为：安装磨平钻头-安装并推送钻杆-磨平大孔底-拆卸钻杆-安装锥形钻头-安装并推送钻杆-施工锥形孔-拆卸钻杆-安装小孔钻头-安装并推送钻杆-施工小孔-拆卸钻杆。上述过程钻杆需进出6次，施工速度非常慢。公开文件[CN 106121544 A]的方法详细过程为：安装锥磨一体化钻头-安装并推送钻杆-磨平大孔底并施工锥形孔-拆卸钻杆-安装小孔钻头-安装并推送钻杆-施工小孔-拆卸钻杆。上述过程钻杆需进出4次，施工速度较慢。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种用于地应力测试中快速钻进的技术方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种用于地应力测试中快速钻进的钻头，包括：

第一取芯管，其一端可与大孔钻头可拆卸的连接，其外径略小于所述大孔钻头的外径；

锥形钻头，其第一端的外径与所述大孔钻头的外径相同，所述锥形钻头与所述第一取芯管可拆卸的连接；

第二取芯管，其第一端与所述锥形钻头的第二端连接，其外径略小于所述锥形钻头第二端的外径；

取芯钻头，与所述第二取芯管的第二端连接，其外径与所述锥形钻头第二端的外径相同；

所述锥形钻头内设有联通所述第一取芯管和所述第二取芯管的过水通道。

所述第二取芯管的外径比所述取芯钻头的外径小2-6mm，可以保护小孔岩芯管，防止小孔岩芯管与岩壁摩擦，从而保证小孔的居中。

所述第二取芯管的壁厚为6.5-8.0mm，可以满足刚度要求，并能满足规范中“中心测试孔应与解除孔同轴，两孔孔轴允许偏差不应大于2mm”的要求。

所述锥形钻头的锥形面与所述第一取芯管轴线的夹角为30-60°。

所述取芯钻头采用金刚石钻头或聚晶金刚石复合片钻头。

所述锥形钻头的锥形外表面为电镀金刚石。

一种用于地应力测试中快速钻进的方法，包括以下步骤：

通过具有大孔钻头的钻机钻进大孔至设定深度；

将设于第一取芯管端部的大孔钻头拆除，并安装取芯钻头，所述取芯钻头与所述大孔钻头之间设有锥形钻头和第二取芯管，所述锥形钻头第一端的外径与所述大孔钻头的外径相同，所述锥形钻头第二端的外径与所述取芯钻头的外径相同，所述第二取芯管的外径比所述取芯钻头的外径小2-6mm；

利用具有所述取芯钻头的钻机进行小孔钻进，钻进深度满足所述锥形钻头的所述第一端深于所述大孔的设定深度，并在所述大孔的端部形成平滑过渡的锥形孔和小孔。

所述锥形钻头的锥形面与所述第一取芯管轴线的夹角为30-60°。

所述钻进深度满足所述锥形钻头的所述第一端比所述大孔的设定深度深1-2cm。

形成所述锥形孔和小孔后，通过过水通道清洗所述小孔，退出钻杆。

本申请实施例提供的用于地应力测试中快速钻进的钻头及施工方法，其中的锥形钻头和通过第二取芯管和取芯钻头直接连接，可一次完成锥形孔与小孔的施工，简化施工工序，大大提高了钻孔的施工效率；第二取芯管的外径比取芯钻头的外径略小，可以保护第二取芯管，防止第二取芯管与岩壁摩擦，并能保证钻取的大孔和小孔之间基本同心，可以满足规范对小孔居中效果的要求；锥形钻头的两端分别与第一取芯管和第二取芯管的外径相同，使施工出的钻孔没有平台，锥形孔与大孔、小孔间实现平滑过渡，能够确保包体顺利进入小孔，从而大幅提高了试验的成功率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例中锥形孔与小孔一体化钻头示意图；

图2本申请实施例施工出的钻孔示意图；

图3为传统方法施工出的钻孔示意图；

其中，1、锥形钻头；2、小孔岩芯管；3、小孔钻头；4、大孔岩芯管；5、内孔；7、小孔；8、锥形孔；9、导向杆；10、大孔；11、空芯包体；12、大孔底平台。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如背景技术中提到的，现有技术中空心包体钻孔应力解除法具有操作繁琐、耗时较长等缺点。

另一方面，《工程岩体试验方法标准》中，有如下要求：“2应用套钻解除钻头钻至预定的测试深度，并应取出岩心，进行描述。3应用磨平钻头磨平孔底，并应用锥形钻头大喇叭口。4应用小孔径钻头钻中心测试孔……中心测试孔应与解除孔同轴，两孔孔轴允许偏差不应大于2mm。”按照上述规定在实际施工过程中，由于大孔直径大于锥形孔直径，大孔底部会存在平台，如图3所示。在包体安装过程中，当包体居中效果不好或包体导向杆9前端较长时，导向杆9可能触及大孔底平台12致使胶体流出，最终导致试验失败。

鉴于现有技术的上述缺陷，本申请实施例提供了一种用于地应力测试的锥形孔与小孔一体化钻头，该钻头可以提高安装孔施工效率及试验成功率，具有较高的工程应用价值。如图1所示，钻头包括小孔钻头3、小孔岩芯管2、锥形钻头1。小孔钻头3外径为38mm，其内表面设有螺纹，小孔岩芯管2外径为36mm，长40cm，其两端外表面设有螺纹，锥形钻头1两端内表面设有螺纹。小孔钻头3与小孔岩芯管2 通过螺纹连接；小孔岩芯管2与锥形钻头1通过螺纹连接，锥形钻头1 与大孔岩芯管4采用螺纹连接，其中大孔岩芯管4的外径为128mm。锥形钻头1为中空锥形结构，内孔5为冷却水通道，锥形外表面为电镀金刚石，外表面与钻头中心线成30度夹角。锥形钻头1一端外径与大孔钻头相同，均为130mm，另一端外径与小孔岩芯管2相同，均为38mm。锥形面与岩心管轴线的夹角30-60度。锥形钻头1及小孔钻头3为金刚石钻头或聚晶金刚石复合片，小孔钻头3为取芯钻头。

采用该钻头在钻进过程中，冷却水流动方向为：钻杆→大孔岩芯管→锥形钻头→小孔岩芯管→小孔钻头→小孔→锥形孔→大孔。

采用本实用新型施工小孔的步骤如下：安装锥形孔与小孔一体化钻头-安装并推送钻杆-施工锥形孔8及小孔7-拆卸钻杆。上述过程钻杆只需进出2次，施工速度大幅提高。

运用锥形孔与小孔一体化钻头施工地应力测试钻孔的具体施工过程以下：

步骤1：安装并固定钻机，开孔仰角取20度，并测量方位角。

步骤2：采用外径130mm的大孔钻头施工大孔10，当大孔10深达到目标深度15m时，退出钻杆，并拆除大孔钻头。

步骤3：安装锥形孔与小孔一体化钻头，不断安装并推送钻杆至大孔底；然后，不断向前钻取小孔与锥形孔，当锥形钻头1后端到达深度15m位置时，继续向前钻孔1-2cm，保证锥形孔与大孔实现平滑连接；从而一次完成锥形孔与小孔的施工。

步骤4：减小钻杆推力并将钻杆稍后退5-10mm；用清水清洗小孔，然后退出钻杆，拆除锥形孔与小孔一体化钻头。

步骤5：待小孔完全干燥后，安装空芯包体11。

步骤6：待胶体完全固化后，安装大孔钻头，将小孔及包体一同解除。

步骤7：测量岩芯的弹性模量及泊松比，并计算地应力大小及方向。

从上述步骤可以看出，本实施例的技术优势在于：

1、与现有技术相比，本实施例可一次完成锥形孔与小孔的施工，简化了施工工序，大大提高了钻孔的施工效率。

2、如图3所示，采用现有技术施工出的钻孔中，由于现有锥形钻头由平面及锥面组成，在大孔底部会出现平台10，在空芯包体11推送过程中，当包体居中效果不好时，导向杆9可能触及大孔底部的平台10，致使胶体挤出而试验失败。与现有技术成孔相比，本实施例施工出的钻孔如图2所示，施工出的钻孔没有平台，锥形孔与大孔、小孔间实现平滑过渡，能够确保包体顺利进入小孔，从而大幅提高了试验的成功率。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。