CN106837230A - 一种双动双管单钻头取心钻具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双动双管单钻头取心钻具及其使用方法，属于地质勘查钻探机械领域。本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，包括内外岩心管接头、外管、内管和设于内管端部上的钻头体，外管和内管分别固定在内外岩心管接头上，且在外管和内管之间留有环状间隙，内外岩心管接头上设有分水孔，钻头体的外侧面上均匀分布有4～8个凸缘肋骨，该凸缘肋骨上具有一台阶，外管的端部套坐在凸缘肋骨的台阶上，钻头体及凸缘肋骨的底面上镶嵌有双排排列的硬质合金钻头。本发明利用凸缘肋骨式钻头增加了钻具的同轴度和整体刚度，减少了钻进时的钻具振动；并且显著提高了第四纪松散地层、基岩风化带、煤层露头的岩矿心采心质量和采取率；同时提高了钻进效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种地质勘查工程领域的取心钻具，更具体地说，涉及一种双动双管单钻头取心钻具及其使用方法。
背景技术
在地质勘查工程领域中，对于松散地层取心，一般多采用单管、双管取心钻具。单管取心钻具在钻探过程中，岩心直接进入岩心管内，钻进时岩心随岩心管转动而转动，但在钻探过程中需要冲洗液保护孔壁、排除岩粉、冷却钻头、润滑钻具等，而冲洗液直接通过岩心，对岩心有较大的冲蚀作用，因此难以保持与地下地层的结构原状性、原位性和真实性；双管取心钻具一般由双管接头、内外管、钻头等组成，其冲洗液是通过双管接头、内外管间隙流经钻头至孔底的，然后通过外管与孔壁间隙返至地面，相比单管取心钻具，冲洗液对岩心的冲蚀较小。双管取心钻按驱动方式又分为单动双管和双动双管，这两种双管取心钻的冲洗液流动方式相同，但事实上，由于钻头底部的压力较大，有部分冲洗液依然会对岩心造成一定的冲蚀。因此，随着对取心质量的不断提高，冲洗液对岩心的冲蚀问题逐渐被人们重视起来，并投入了大量研究，提供了非常多的解决方案来解决这一问题。
双动双管取心钻对于降低冲洗液的冲蚀有较好的作用，但目前的普通双动双管钻具均是内、外管下部各连接一个钻头(即采用双钻头)，钻进过程中，内、外钻头一起回转以阶梯形式参与碎岩。该类双动双管钻具存在以下被忽视的问题：
一、整体刚性较差，易发生钻孔弯曲，钻进振动大，影响了岩矿心采取质量及采取率；
二、钻进效率不高，不能充分发挥阶梯碎岩作用，比较容易发生泥包钻头的问题；
三、需使用2个两种口径的钻头，钻进成本相对较高。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有双动双管钻具存在的上述不足，提供一种双动双管单钻头取心钻具及其使用方法，采用本发明的技术方案，利用凸缘肋骨式钻头增加了钻具的同轴度和整体刚度，减少了钻进时的钻具振动，不会发生钻孔弯曲等问题；并且利用凸缘肋骨之间的过水断面有效防止了冲洗液直接冲刷岩心的问题，显著提高了第四纪松散地层、基岩风化带、煤层露头的岩矿心采心质量和采取率，采取率达到75％以上；同时仅采用一个硬质合金钻头，钻头过水面积大，排除岩粉快，在松软地层钻进时，不会发生泥包钻头等问题，提高了钻进效率，钻具成本也相对降低。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，包括内外岩心管接头、外管和内管，所述的外管和内管分别固定在内外岩心管接头上，且外管套设在内管的外侧，在外管和内管之间留有环状间隙，所述的内外岩心管接头上设有注液孔和连通上述环状间隙和注液孔的分水孔，还包括设于内管端部上的钻头体，所述的钻头体的外侧面上均匀分布有4～8个凸缘肋骨，该凸缘肋骨上具有一台阶，所述的外管的端部套坐在凸缘肋骨的台阶上，所述的钻头体及凸缘肋骨的底面上镶嵌有双排排列的硬质合金钻头。
更进一步地，所述的凸缘肋骨与钻头体焊接固定，且凸缘肋骨的底面与钻头体的底面相齐平。
更进一步地，所述的外管的底面距离钻头体的底面30～50mm。
更进一步地，所述的钻头体的唇部还开设有水口。
更进一步地，所述的硬质合金钻头为大八角柱状合金钻头。
更进一步地，所述的分水孔在内外岩心管接头上均匀布置有3～6个。
更进一步地，所述的内外岩心管接头上还设有连通内管和注液孔的止水阀，该止水阀包括设于内外岩心管接头底部的止水阀座和与止水阀座相配合的钢球。
更进一步地，所述的内外岩心管接头上还开设有连通内管和内外岩心管接头外侧的返水通道，该返水通道上还设有起到内管向返水通道单向导通作用的逆止阀。
更进一步地，所述的逆止阀包括设于内外岩心管接头底部的逆止阀阀座和设于逆止阀阀座上的逆止阀钢球。
本发明的一种上述的双动双管单钻头取心钻具的使用方法，包括以下步骤：
(a)取出钢球，将取心钻具下放到孔内，当取心钻具底部距离孔底0.5±0.1m时，开大泵量送水冲孔；
(b)扫孔到孔底之后，通过钻杆投入钢球使止水阀关闭，此时冲洗液经分水孔流入环状间隙，再经凸缘肋骨之间的过水断面从外管与孔壁之间间隙返回地面；
(c)控制钻进压力为4～10kN、转速为120～200r/min、冲洗液泵量为40～90L/min进行钻进；少量流入内管中的冲洗液随着岩心的进入，液流上升顶开逆止阀经返水通道流出管外；
(d)回次终了采用自然堵塞或干钻自卡方法采取岩心。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，其外管的端部套坐在凸缘肋骨的台阶上，增加了钻具同轴度及整体刚度，减少了钻进时的钻具振动，不会发生钻孔弯曲等问题；钻进中，冲洗液经钻头上的凸缘肋骨之间的过水断面，从外管及钻杆柱与孔壁的间隙返回地面，不直接冲刷岩心，显著提高了第四纪松散地层、基岩风化带、煤层露头的岩矿心采心质量，确保了其采取率达到75％以上；同时因只用一个带有凸缘肋骨的硬质合金钻头，钻头过水面积大，排除岩粉快，在松软地层钻进时，不会发生泥包钻头等问题，提高了钻进效率，与普通双动双管钻具相比，提高时效30％以上；此外，用单钻头与用2个钻头相比，其成本也有所降低；
(2)本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，其凸缘肋骨与钻头体焊接固定，且凸缘肋骨的底面与钻头体的底面相齐平，钻头制作方便；
(3)本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，其外管的底面距离钻头体的底面30～50mm，具体选择由钻进岩性决定，松散、风化严重地层其差距可大些，以尽量避免冲洗液对岩矿心的直接冲刷，反之可小一些，有效提高了岩心采取质量和采取率；
(4)本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，其钻头体的唇部还开设有水口，保证了一定的过水断面，使钻进时不泥包钻头，提高钻进效率；
(5)本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，其内外岩心管接头上还设有连通内管和注液孔的止水阀，该止水阀包括设于内外岩心管接头底部的止水阀座和与止水阀座相配合的钢球，止水阀结构简单，使用方便；
(6)本发明的一种双动双管单钻头取心钻具，其内外岩心管接头上还开设有连通内管和内外岩心管接头外侧的返水通道，该返水通道上还设有起到内管向返水通道单向导通作用的逆止阀，有效地将进入内管中的冲洗液排出管外，保证了岩心的结构原状性、原位性和真实性。
附图说明
图1为本发明的一种双动双管单钻头取心钻具的结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、内外岩心管接头；2、返水通道；3、逆止阀钢球；4、外管；5、内管；6、逆止阀阀座；7、钻头体；8、硬质合金钻头；9、凸缘肋骨；10、水口；11、止水阀座；12、钢球；13、分水孔。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
结合图1所示，本实施例的一种双动双管单钻头取心钻具，包括内外岩心管接头1、外管4和内管5，外管4和内管5分别固定在内外岩心管接头1上，且外管4套设在内管5的外侧，在外管4和内管5之间留有环状间隙，外管4和内管5可与内外岩心管接头1采用螺纹连接，内外岩心管接头1通过其上的螺纹与钻杆接头连接；在本实施例中，外管4外径为内管5与外管4相匹配，钻具整体长度1.5～2m。内外岩心管接头1上设有注液孔和连通上述环状间隙和注液孔的分水孔13，该分水孔13在内外岩心管接头1上均匀布置有3～6个为宜，且分水孔13的直径为较佳。本实施例的一种双动双管单钻头取心钻具，还包括设于内管5端部上的钻头体7，钻头体7也可采用螺纹结构与内管5相连，该钻头体7的外侧面上均匀分布有4～8个凸缘肋骨9，凸缘肋骨9上具有一台阶，呈“L”形结构，外管4的端部套坐在凸缘肋骨9的台阶上，钻头体7及凸缘肋骨9的底面上镶嵌有双排排列的硬质合金钻头8，该硬质合金钻头8采用大八角柱状合金钻头最佳，硬质合金钻头8的排列组数与凸缘肋骨9的数量相同，即在凸缘肋骨9的底面镶嵌一个硬质合金钻头8，在钻头体7的底面对应位置也镶嵌一个硬质合金钻头8，形成双排排列结构。
在本实施例中，凸缘肋骨9与钻头体7焊接固定于一体，钻头制作更加方便；并且，凸缘肋骨9的底面与钻头体7的底面相齐平，外管4的底面刚好抵在凸缘肋骨9的台阶上，且凸缘肋骨9的上部外侧面与外管4的内侧壁贴合最佳。另外，外管4的底面距离钻头体7的底面30～50mm较佳，具体选择由钻进岩性决定，松散、风化严重地层其差距可大些，以尽量避免冲洗液对岩矿心的直接冲刷，反之可小一些，能够有效提高了岩心采取质量和采取率。为了提高钻进效率，在钻头体7的唇部还开设有水口10，利用水口10保证了一定的过水断面，使钻进时不泥包钻头，当钻进松散、风化严重的地层时，亦可不留水口10。
接续图1所示，在本实施例中，内外岩心管接头1上还设有连通内管5和注液孔的止水阀，该止水阀包括设于内外岩心管接头1底部的止水阀座11和与止水阀座11相配合的钢球12，当钢球12放置于止水阀座11上后，止水阀即将注液孔与内管5相隔开，使注液孔改变水路，从分水孔13流向外管4和内管5之间的环状间隙。该止水阀结构简单，使用方便。另外，在内外岩心管接头1上还开设有连通内管5和内外岩心管接头1外侧的返水通道2，返水通道2的直径为数量1个，该返水通道2上还设有起到内管5向返水通道2单向导通作用的逆止阀，有效地将进入内管5中的冲洗液排出管外，保证了岩心的结构原状性、原位性和真实性。本实施例中的逆止阀包括设于内外岩心管接头1底部的逆止阀阀座6和设于逆止阀阀座6上的逆止阀钢球3，结构简单，制作方便。上述的止水阀座11和逆止阀阀座6均可采用螺纹旋紧在内外岩心管接头1的底部。
本实施例的一种双动双管单钻头取心钻具，外管4的端部套坐在凸缘肋骨9的台阶上，增加了钻具同轴度及整体刚度，减少了钻进时的钻具振动，不会发生钻孔弯曲等问题；钻进中，冲洗液经钻头上的凸缘肋骨9之间的过水断面，从外管4及钻杆柱与孔壁的间隙返回地面，不直接冲刷岩心，显著提高了第四纪松散地层、基岩风化带、煤层露头的岩矿心采心质量，确保了其采取率达到75％以上；同时因只用一个带有凸缘肋骨9的硬质合金钻头，钻头过水面积大，排除岩粉快，在松软地层钻进时，不会发生泥包钻头等问题，提高了钻进效率，与普通双动双管钻具相比，提高时效30％以上；此外，用单钻头与用2个钻头相比，其成本也有所降低。
在本实施例中，为了进一步理解本发明的内容，现结合图1给出本发明的一种双动双管单钻头取心钻具的使用方法。
本实施例的一种双动双管单钻头取心钻具的使用方法，包括以下步骤：
(a)取出钢球12，将取心钻具下放到孔内，当取心钻具底部距离孔底0.5±0.1m时，开大泵量送水冲孔；
(b)扫孔到孔底之后，通过钻杆投入钢球12使止水阀关闭而改变水路，此时冲洗液经分水孔13流入环状间隙，再经凸缘肋骨9之间的过水断面从外管4与孔壁之间间隙返回地面；
(c)根据岩石性质及钻头结构参数确定钻进规程，控制钻进压力为4～10kN、转速为120～200r/min、冲洗液泵量为40～90L/min进行钻进；并且严格控制一个回次进尺，一般不应超过内管5的取心长度；在钻进过程中，少量流入内管5中的冲洗液随着岩心的进入，液流上升顶开逆止阀经返水通道2流出管外；
(d)回次终了采用自然堵塞或干钻自卡方法采取岩心。
本发明的一种双动双管单钻头取心钻具及其使用方法，是在普通双动双管钻具基础上，只保留内管下部的单钻头，该钻头为带有凸缘的肋骨式硬质合金钻头，采用投球式专用内外岩心管接头，并在接头侧部设置一个逆止阀，正常钻进时，内外岩心管(内管和外管)及钻头一起回转，泵送的冲洗液经钻杆柱内孔、内外岩心管接头的分水孔，流入内、外管环状间隙，经钻头上的凸缘肋骨之间的过水断面，从外管及钻杆柱与孔壁的环状间隙返回地面；少量流入内管中的冲洗液随着岩心的进入，液流上升顶开逆止阀中的钢球经返水通道流出管外；回次终了采用自然堵塞或干钻自卡方法采取岩矿心。
本发明的一种双动双管单钻头取心钻具及其使用方法，利用凸缘肋骨式钻头增加了钻具的同轴度和整体刚度，减少了钻进时的钻具振动，不会发生钻孔弯曲等问题；并且利用凸缘肋骨之间的过水断面有效防止了冲洗液直接冲刷岩心的问题，显著提高了第四纪松散地层、基岩风化带、煤层露头的岩矿心采心质量和采取率，采取率达到75％以上；同时仅采用一个硬质合金钻头，钻头过水面积大，排除岩粉快，在松软地层钻进时，不会发生泥包钻头等问题，提高了钻进效率，钻具成本也相对降低。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双动双管单钻头取心钻具，包括内外岩心管接头(1)、外管(4)和内管(5)，所述的外管(4)和内管(5)分别固定在内外岩心管接头(1)上，且外管(4)套设在内管(5)的外侧，在外管(4)和内管(5)之间留有环状间隙，所述的内外岩心管接头(1)上设有注液孔和连通上述环状间隙和注液孔的分水孔(13)，其特征在于：还包括设于内管(5)端部上的钻头体(7)，所述的钻头体(7)的外侧面上均匀分布有4～8个凸缘肋骨(9)，该凸缘肋骨(9)上具有一台阶，所述的外管(4)的端部套坐在凸缘肋骨(9)的台阶上，所述的钻头体(7)及凸缘肋骨(9)的底面上镶嵌有双排排列的硬质合金钻头(8)。
2.根据权利要求1所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的凸缘肋骨(9)与钻头体(7)焊接固定，且凸缘肋骨(9)的底面与钻头体(7)的底面相齐平。
3.根据权利要求1所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的外管(4)的底面距离钻头体(7)的底面30～50mm。
4.根据权利要求1所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的钻头体(7)的唇部还开设有水口(10)。
5.根据权利要求1所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的硬质合金钻头(8)为大八角柱状合金钻头。
6.根据权利要求1所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的分水孔(13)在内外岩心管接头(1)上均匀布置有3～6个。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的内外岩心管接头(1)上还设有连通内管(5)和注液孔的止水阀，该止水阀包括设于内外岩心管接头(1)底部的止水阀座(11)和与止水阀座(11)相配合的钢球(12)。
8.根据权利要求7所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的内外岩心管接头(1)上还开设有连通内管(5)和内外岩心管接头(1)外侧的返水通道(2)，该返水通道(2)上还设有起到内管(5)向返水通道(2)单向导通作用的逆止阀。
9.根据权利要求8所述的一种双动双管单钻头取心钻具，其特征在于：所述的逆止阀包括设于内外岩心管接头(1)底部的逆止阀阀座(6)和设于逆止阀阀座(6)上的逆止阀钢球(3)。
10.一种权利要求9所述的双动双管单钻头取心钻具的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)取出钢球(12)，将取心钻具下放到孔内，当取心钻具底部距离孔底0.5±0.1m时，开大泵量送水冲孔；
(b)扫孔到孔底之后，通过钻杆投入钢球(12)使止水阀关闭，此时冲洗液经分水孔(13)流入环状间隙，再经凸缘肋骨(9)之间的过水断面从外管(4)与孔壁之间间隙返回地面；
(c)控制钻进压力为4～10kN、转速为120～200r/min、冲洗液泵量为40～90L/min进行钻进；少量流入内管(5)中的冲洗液随着岩心的进入，液流上升顶开逆止阀经返水通道(2)流出管外；
(d)回次终了采用自然堵塞或干钻自卡方法采取岩心。
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