CN112324374B - 一种保应力取心装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保应力取心装置，至少包括钻头和岩心管，所述岩心管按照能够插入到所述钻头沿其轴线开孔形成的管道腔内的方式设置在所述钻头的内部，其特征在于，所述岩心管至少包括岩心内管和保应力部，所述岩心内管的开口端与所述保应力部的外环开口相连接构成具有封闭腔室且能够向保应力部施加围压的高压流体腔；在所述高压流体腔充入高压流体的情况下，所述高压流体能够按照向所述保应力部的岩心容纳腔的腔壁施加围压的方式使得所述岩心容纳腔向其腔室内的岩心施加压力，从而实现对采收到的岩心应力保真；所述岩心容纳腔按照其内壁能够贴覆包裹柱形岩心侧壁的方式对岩心施加相当于其所处的初始地层的围压。

Description

一种保应力取心装置及方法

技术领域

本发明涉及岩体钻孔取样技术领域，尤其涉及一种保应力取心装置及方法。

背景技术

随着社会对能源需求的日益增多，而地表和地球浅层可开采能源的减少，向地球深部进军，开采地球较深层的油气资源是目前能源开采的方向之一。在向地下钻进的过程中会逐渐从浅部进入深部地层，随之会面临高自重应力和构造应力，即高地应力环境。而高地应力地层岩石的破坏机理和力学性能与浅层岩石的大不相同，为了掌握地下的特殊地质情况，直接获取真实可靠的地层相关资料，在油气藏开发与深埋地下工程的勘察阶段都要进行大量的取心工作，而处在高地应力环境的岩石，由于初始压力较大，在取心过程中向上运输岩心时，由于周围压力的骤减会导致岩心饼化现象的产生，对后续的岩心分析工作带来较大的不确定因素，所以在高地应力环境保真取心是目前国内外勘察取心领域内急需解决的一个难题。

中国专利CN110043210A公开了一种高地应力下钻孔取样应力保真装置及方法，在山体上选取一块较为平整的临空面，选取的面积要大于即将取出的岩体的面积，用切割机将选取面积的表面受风化的岩石切掉使内部的岩石显露出来；用钻孔机向岩体深部开始钻孔，钻孔的同时，贯穿于钻孔机钻头的钢杆抵住钻孔机钻头钻入的岩体，防止钻孔过程中因钻进过程中差异卸荷回弹而造成岩芯饼化的现象；有和球体相连的第一弹簧抵住钻孔机的钢杆，球体和锯齿槽凸起部分相互作用，钻孔过程中随着力的增大，锯齿槽两侧的第二弹簧会被压缩，凸起部分之间距离增大，当力大于一个阀值得时候，凸起部分得距离恰好大于球体的直径，球体会滑入锯齿槽得下一个凸起部分之间，依次往下，直到钻孔机将岩样整个钻进去为止；钻孔结束之后停止钻孔，通过旋转钻孔机侧壁连接刀片的钢杆带动刀片对岩体进行切割；从岩体中取出钻孔机，置于平面上，抽出放置在钻孔机中间实心部分的空洞中的两根强度极大的螺纹杆，通过对钻孔机每个部分的拆卸，来取出所需要的应力保真的岩体。该技术采用的钻头由多个部分拼装而成，而由于不同的切削刃的耐磨性不一致，即使在下钻前确保切削刃的结构紧凑，且切削刃对称分布，但是在钻进过程中由于径向不平衡力的作用会导致拼装而成的切削刃产生结构松动等后果如：（1）导致其岩心的收获率低，（2）钻头工作不平稳更严重可能由于钻头歪斜磨损或者破坏岩心；另外该技术的保应力装置是由弹簧的张度来控制的，在多次取心作业后弹簧极易到达其极限疲劳强度使用寿命较短，达到疲劳强度后会造成的后果如：1、由于弹簧失去其力学性能导致应力保真取心失败，使取心效率较低；2、需要规律性的更换弹簧，会浪费较大一部分的人力物力，增加了取心的成本。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，提供一种保应力取心装置，该装置选取能在高地应力地层钻进的高强度定向钻头和利用电磁继电器来控制电路的通断的微型泵来调控向包裹岩心的岩心收纳腔的腔壁施加不同大小的压力，从而实现通过微型泵输入的高压流体对岩心收纳腔施加围压，进而保证取出岩心过程中的应力保真，此外，装置还设置有与保应力取心系统相连接岩心转移系统，通过两者在钻取过程中的密切配合，能够有效地获取并取出完好的岩心样品，提高了保应力取心的采收率和防止岩心饼化现象的发生，从而提高了后续岩心分析数据的可靠性。

本发明涉及的一种保应力取心装置，至少包括钻头和岩心管，所述岩心管按照能够插入到所述钻头沿其轴线开孔形成的管道腔内的方式设置在所述钻头的内部，所述岩心管至少包括岩心内管和保应力部，所述岩心内管的开口端与所述保应力部的外环开口相连接构成具有封闭腔室且能够向保应力部施加围压的高压流体腔；在所述高压流体腔充入高压流体的情况下，所述高压流体能够按照向所述保应力部的岩心容纳腔的腔壁施加围压的方式使得所述岩心容纳腔向其腔室内的岩心施加压力，从而实现对采收到的岩心应力保真；所述岩心容纳腔按照其内壁能够贴覆包裹柱形岩心侧壁的方式对岩心施加相当于其所处的初始地层的围压。

根据一种优选的实施方式，所述保应力部远离所述岩心内管的端面按照凹陷延伸到所述高压流体腔内部的方式构成单向密封的岩心容纳腔，所述岩心容纳腔的轴线与所述高压流体腔的轴线相互重合，且所述岩心容纳腔的侧腔壁按照其能够在所述高压流体腔内高压液流产生的压力的作用下而发生形变的方式构成所述高压流体腔的弹性腔壁。

根据一种优选的实施方式，所述岩心容纳腔的面向岩心一侧的腔壁表面设置有能够与岩心表面接触的限位模块，所述限位模块按照能够避免腔壁与岩心接触而摩擦破损的方式有序排列分布在所述岩心容纳腔的面向岩心一侧的侧腔壁表面上，由截面为三角形、四边形、五边形或其他多边形的块状的所述限位模块按照一体模压成型的方式与所述岩心容纳腔的腔膜连接。

根据一种优选的实施方式，所述保应力部可拆卸地连接在所述岩心内管构成高压流体腔部分密封腔室的一端，从而实现所述保应力部与岩心内管连接构成具有封闭腔室且可调节地充入高压流体的高压流体腔，在所述保应力部采取出岩心的情况下，所述保应力部能够在高压流体排出所述高压流体腔后与所述岩心内管分离拆卸，从而方便取出采取的岩心样品。

根据一种优选的实施方式，所述岩心内管远离所述保应力部的一端还设置有向所述高压流体腔内输送的高压流体的储液仓，所述储液仓通过设置在其与所述高压流体腔相互连通的输送管道的管路上的驱动部控制其腔室内的高压流体的流出或回流。

根据一种优选的实施方式，所述驱动部按照电磁继电器控制电力的通断的方式实现其工作状态的转换和其提供的驱动力的驱动方向的调节，其中，在进行岩心采取的过程中，所述受电磁继电器控制的驱动部根据需求向所述高压流体腔输送高压液流，从而输入的高压液流对所述岩心容纳腔的腔壁施加围压；所述驱动部还电性连接有电源。

根据一种优选的实施方式，所述钻头沿其环型端面圆周排布有若干金刚石钻头齿，其中，所述相邻的两个钻头齿按照沿同一圆环面内的不同圆周线上进行设置的方式构成交错式钻头唇面，所述金刚石钻头齿与钻头的钻杆主体按照分层填入钢体模具的方式一体烧结。

根据一种优选的实施方式，所述岩心管通过所述钻头的钻杆内的贯通通道连接有岩心转移系统，在所述钻头带动所述岩心管完成岩心采取的情况下，所述岩心转移系统能够拉动岩心管从钻杆中移出，从而将位于地层中的岩心管转移到地面。

根据一种优选的实施方式，所述钻头与所述岩心容纳腔连通的内筒靠近端的内壁上设置有能够割取岩心和承托已割取的岩心柱岩心爪，所述岩心爪在岩心装填到所述岩心容纳腔的情况下，所述岩心爪切断岩心与岩石之间的连接；所述岩心爪至少包括卡箍座和卡箍，其中，所述卡箍座设置在所述保应力部远离所述岩心内管的一端，卡箍座的内部按照能够发生相对滑动的方式设置有能够在其倾斜内壁上下滑动的卡箍。

本申请还提供一种保应力取心方法，将岩心管设置在钻头在其杆体的轴线方向上开设的管道腔内，所述岩心管至少包括岩心内管和保应力部，所述岩心内管的开口端与所述保应力部的外环开口相连接构成具有封闭腔室且能够向保应力部施加围压的高压流体腔；在所述高压流体腔充入高压流体的情况下，所述高压流体能够按照向所述保应力部的岩心容纳腔的腔壁施加围压的方式使得所述岩心容纳腔向其腔室内的岩心施加压力，从而实现对采收到的岩心应力保真；所述岩心容纳腔按照其内壁能够贴覆包裹柱形岩心侧壁的方式对岩心施加相当于其所处的初始地层的围压。

本发明的有益技术效果：

1、本发明利用驱动部预先输入的高压流体对包裹在耐磨橡胶模套中的岩心施加相当于初始地层的围压，对其进行保应力取心，岩心的上下两端少量部分也被耐磨橡胶模套包裹，从而可以将岩心全部包裹在橡胶模内，较为完整的保留岩心原位地层的样貌分布；且由静止高压流体提供的保应力大小在提钻过程中相对平稳，使用的寿命也相对较长，保应力的范围也相对较广，能有效防止岩心饼化现象的发生，可以显著提高保应力取心的采收率；

2、将取心管前端改装为可拆卸构件，由于采用绳索取心的特点，不用起钻，只需要用胶丝将取心管从井内提起，当取心管井内提起后，地面人员可以快速地将取心管前端的可拆卸装置替换，极大的加快岩心钻取的速率，且在地面上预先注入高压流体后，如发现高压流体的压力骤降，可判断高压流体产生泄露，可以在下取心管之前判断是否会发生泄露，若发生泄露，地面人员可以快速地跟换可拆卸装置，能够极大提高取心管前端的密封性能；

3、本发明提出的耐磨橡胶模，是在普通的耐磨橡胶模上多浇筑一些橡胶模块，利用橡胶模块和岩心直接接触，避免较为薄弱的外层橡胶模和刚钻出的岩心直接接触产生破坏，可以大幅的增大保应力取心的成功概率；

4、前端的钻头使用的是整体式的高强度钻头，并非拼装式的钻头，在高地应力环境地层，岩石的力学性能和常态大不相同，拼装而成的钻头在钻进遇到难以钻进的岩石时，可能会导致钻头结构的松动，更严重的可能会导致钻杆偏离预定轨道以及岩心采取的失败；采用高强度的整体式钻头能有效地避免这种情况的发生。

附图说明

图1是本发明的一种保应力取心装置的优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的保应力取心装置的保应力部的下端结构示意图；

图3是本发明的保应力取心装置的岩心容纳腔的腔壁展开示意图；

图4是本发明的保应力取心装置的钻头的唇面示意图；

图5是本发明的保应力取心装置的钻头的A-A面的截面示意图；

图6是本发明的保应力取心装置的钻头的B-B面的截面示意图。

附图标记列表

1：钻头 2：岩心管 3：岩心内管

4：保应力部 5：储液仓 6：输送管道

7：驱动部 8：电源 9：岩心转移系统

11：钻头齿 12：钻杆 13：岩心爪

41：高压流体腔 42：岩心容纳腔 421：限位模块

131：卡箍座 132：卡箍 51：第一储液腔

52：第二储液腔 53：弹性膜。

具体实施方式

实施例1

图1示出了一种保应力取心装置，该装置包括钻头1、岩心管2、储液仓5、输送管道6、驱动部7、电源8和岩心转移系统9。

本申请针对现有的高地应力环境下进行岩心取样时，由于岩体所处地层应力作用常常无法获取保存完好的岩心样本，设计了一种能够在高地应力环境下对岩石取心的保应力装置。本装置通过对现有的取心钻头的岩心筒进行改进，将取心钻头采取的岩心套入到一个单向密封的高耐磨橡胶套中，其中，裸露部分的岩心利用井下泥浆的一定压力来进行应力保真，而橡胶套中的岩心通过钻杆内部的微型泵工作运输和外界相当压力的高压流体来进行应力保真。本申请有别于现有技术中的弹簧应力保真结构，利用高压流体对容纳腔套的挤压力来实现采取岩心的应力保真，从而使得装置的可调性较大，且压力大小的调节更加准确精密，整个应力保真结构相对于现有弹簧结构也具有更长的使用寿命。

岩心管2按照能够插入到钻头1的钻杆12内部的的方式与钻头1连接。岩心管2包括能够相互螺纹连接形成一个密闭的高压流体腔41的岩心内管3和保应力部4，其中，岩心内管3的一个端面按照贯穿端面的方式设置有一个构成部分高压流体腔41的内腔，岩心内管3的该端面能够与具有倒U型腔体的保应力部4的外环开口相互螺纹连接，从而构成高压流体腔41。保应力部4的外环开口的一端的外壁上设置有与岩心内管3的管体上的内螺纹相互契合的外螺纹。钻孔取样前，需要将岩心内管3和保应力部4相互连接，且需向其构成的高压流体腔41预先充入一定量的液压油。优选的，保应力部4远离岩心内管3的端面还按照向端面内部凹陷的方式设置有单向密封的具有内环开口的岩心容纳腔42。通过在柱状的保应力部4的两个端面分别设置大口径的外环开口的杯装的容腔和在外环开口的杯装容腔的底部开设小口径的内环开口的岩心容纳腔42，从而形成了具有两个共用部分容腔壁的共轴线的反向容腔，进而构成了具有倒U型腔体的保应力部4。优选的，岩心容纳腔42的腔壁采用具有一定弹性的材料制造，例如橡胶，从而使得在高压流体腔41输送液压油而升高其腔室内的液压时，能够对岩心容纳腔42的腔壁施加扩张力，从而使得其腔壁能够对腔室内的柱状岩心进行压迫，从而使得岩心能够始终承受到其处于地层岩体中时的压力。优选的，所采用的保应力部4的岩心容纳腔42的腔室的轴向长度略长于每次取得岩心长度，当岩心在钻进过程中缓慢进入岩心管内，钻头暂时停止向下的掘进微型泵也相应断电，所输入的高压流体挤压高耐磨橡胶模包裹岩心从而完成岩心的保应力工作。通过采用具有一定弹性的橡胶腔壁能够使得整个腔壁受到均匀的围压，从而提高保应力取心的采收率和防止岩心饼化现象的发生。

如图2所示，在保应力部4与岩心内管3的一端螺纹连接的情况下，保应力部4的岩心容纳腔42插入到岩心内管3的内部腔室中，该岩心容纳腔42面向岩心一侧的橡胶腔壁表面还设置有能够直接与岩心表面接触的限位模块421。如图3所示，限位模块421是与岩心容纳腔42的橡胶腔壁一体模压成型的橡胶块，橡胶块可以是三角形、四边形、五边形等任意图形。优选的，限位模块421和岩心容纳腔42的腔壁均采用具有较高耐磨性能的橡胶或其它的具有耐磨性和弹性材料。限位模块421按照能够避免岩心直接与橡胶腔壁发生摩擦而磨损腔壁的方式均匀排布在腔壁表面上，从而使得高压流体腔41施加在岩心容纳腔42的腔壁上的压力能够均匀的传递到限位模块421上，从而使得橡胶模块能够对岩心施加与岩心所在岩体中时受到的周围应力大小一致的围压。通过设置橡胶块式的限位模块，能够有效地提高橡胶腔壁的使用寿命，同时降低了腔壁破损造成液压油泄露的风险。

优选的，通过将保应力部4可拆卸地连接在岩心内管3的端部，使得在完成岩体取心后能够将取出的保应力部4直接从岩心内管3上拆卸下来，方便岩心的取样和保存。另外，在多次取样操作时，仅需重新更换另外的保应力部4与岩心内管3连接，即可进行再次的岩心取样，大大提高了取样的效率和安全性，保证取出岩心的应力保真。

该装置通过装载保应力取心系统和岩心转移系统，在掘进过程中密切合作，提高保应力取心的采收率和防止岩心饼化现象的发生。岩心内管3远离保应力部4的一端还设置有能够向高压流体腔内输送增压的液压油的储液仓5和驱动部7。储液仓5通过外接的输送管道6与高压流体腔41相互连通，从而能够根据需求将储液仓5中的液压油输送到高压流体腔41中，同时，也能够在拆分岩心内管3和保应力部4时，能够将高压流体腔41中的多余液压油输送回储液仓5，从而避免液压油从接口处流出。优选的，储液仓5的腔室体积大于岩心内管3体积和岩心体积之差，从而使得当岩心进入到岩心容纳腔42后，储液仓5能够进入高压流体腔41的液体体积远远大于高压流体腔41的体积，从而使得液压油能够对高压流体腔41的弹性腔壁施加不同大小的膨胀力。输送管道6的管路上还连通有能够为回路中的液压油提供驱动的驱动部7。驱动部7采用能够受电磁继电器控制电力的通断的方式实现其工作状态的转换和其提供的驱动力的驱动方向的调节的微型泵，从而根据需求为管路中的液压油提供驱动力。其中，在岩心进行岩心采取的过程中，受电磁继电器控制的驱动部7根据需求向高压流体腔41输送高压液流，从而输入的高压液流对岩心容纳腔42的腔壁施加围压。驱动部7还电性连通有采用泥浆脉冲发电、微型可充电蓄电池供电的电源8。电源8也设置在岩心内管3远离保应力部4的一端。

如图4所示，钻头1在其钻杆12开设贯穿通道后的环型端面上圆周排布有若干金刚石钻头齿11，从而构成钻头的切削进取端。如图5和6所示，相邻的两个钻头齿11按照沿同一圆环面内的不同圆周线上进行设置的方式构成交错式钻头唇面。中间间隔有一个钻头齿11的两个钻头齿11安装在钻杆12的环形端面的同一圆周线上，从而使得在环形端面上构成位置交错的连个不同圆周尺寸的圆周排布的金刚石钻头齿11。通过设置交错的钻头唇面能够有效地降低钻头与岩体表面的接触面积，使得作用于岩体的单位面积压力增加，从而能够更加有利于岩体的体积粉碎，且钻头唇面部分空余出来后，容屑体积增大，在钻进过程中残留在孔底，没有被钻井液带走的岩屑也增加，可以有效地磨损钻头的胎体，促使钻头更加锋锐。如图5、6所示，金刚石钻头齿11与钻头1的钻杆主体按照分层填入钢体模具的方式一体烧结。从而避免了现有的组装式钻头的钻头齿容易松懈或脱落的问题。岩心管2通过所述钻头1的钻杆12内的贯通通道连接有岩心转移系统9。在钻头1带动岩心管2完成岩心采取的情况下，岩心转移系统9能够拉动岩心管2从钻杆12中移出，从而将位于地层中的岩心管2转移到地面。钻头1与岩心容纳腔42连通的靠近钻头端面的内筒壁上设置有能够割取岩心和承托已割取的岩心柱岩心爪13。岩心爪13至少包括卡箍座131和卡箍132。卡箍座131设置在所述保应力部4远离所述岩心内管3的一端，卡箍座131的内部按照能够发生相对滑动的方式设置有能够在其倾斜内壁上下滑动的卡箍132，具有侧壁贯穿开口的所述卡箍132在上下滑动过程中能够受所述卡箍座131的限制而的改变其横截面的大小，进而减小卡箍132的内环所限定的空心环径，使得卡箍132与岩心的滑动摩擦力增大且使得岩心随上提操作与岩体发生分离。岩心爪13在岩心装填到岩心容纳腔42的情况下，岩心爪13切断岩心与岩石之间的连接。使用时，岩心在钻进过程中慢慢进入岩心管2内，在钻进系统内输入每次钻进的深度，完成岩心装填后，利用岩心爪13切断岩心，通过岩心转移系统9，在不提钻头的情况下，取出岩心后再从钻杆12中投入另一根岩心管2，继续进行钻进，循环进行，直到钻头磨损完毕，再进行提钻更换钻头再按照以上流程往复循环钻进。

实施例2

本申请的一种保应力取心装置尤其适用于在高地应力环境下对岩石进行保应力的取心工作。在取心装置从岩体中采集出岩心之后，将岩心套入到单向密封的由高耐磨橡胶套构成的岩心容纳腔42中，其中，裸露部分的岩心利用井下泥浆的一定压力来进行应力保真，而被橡胶套包裹的岩心用过位于钻杆12内部的设置在岩心管2上的微型泵运输一定量的高压流体到高压流体腔41中，使得高压流体腔41按照对岩心容纳腔42的腔壁施加挤压力的方式对橡胶套包裹的岩心表面施加与岩心在岩体中所受到的相等的压力，从而实现对岩心的应力保真。优选的，微型泵通过绳索供电或者泥浆脉冲发电（对应岩心抵碰装置）即岩心完全进入取心管后抵碰该装置断电。在岩心完全进入到岩心容纳腔42中后，岩心的端部会抵碰到设置在岩心容纳腔42封闭端面上的岩心抵碰装置，从而通过该装置传输的抵碰信号从而实现对应的电磁继电器来控制电路的断开。优选的，钻头1上还安装有压力传感器，从而能够对所处不同深度岩层位置处的压力大小数值进行获取，从而方便保应力取心结构能够针对不同应力控制其向高压流体腔41中输送不同体积的液压油，使得不同压力环境中的岩心采取后均能够保持所受围压不变。当通过取心结构完成岩心的钻取后，通过本领域常用的绳索取心法将取心管2中的岩心运输到地面上。

优选的，岩心管2包括能够相互可拆卸连接的岩心内管2和保应力部4，通过将采集包裹岩心的橡胶模套与岩心内管2设置为方便拆卸和组装的组合结构，从而方便在取心过程中，仅需根据需求更换保应力部4就能完成同一钻孔中不同深度的岩心采集工作。且本申请的岩心转移采用绳索取心技术，能够在实际取心操作过程中，只需要利用胶丝将取心管从井中提出，在取心管从井下提出后，施工人员在地面上完成取心管前端的更换，可以提高钻井取心的效率并且可以降低高压流体的泄露，可以以较快的速度进行橡胶模的替换工作。

实际勘探过程中，钻井取心是岩心分析工作中的重要环节，当岩石处于一些非常环境尤其是高地应力环境中时，在钻孔过程中，随着孔壁应力的解除岩心裂成饼状，且地应力越大，形成的岩饼厚度越小；而岩心饼化破裂会对后续的岩心分析工作带来较大的影响，本发明提供一种以高压流体施加围压的方法来防止岩心饼化现象的发生，确保高地应力环境下的岩心应力保真和提高保应力取心的采取率。保应力系统采用的措施是利用微型泵预先输入的高压流体对包裹在耐磨橡胶模套中的岩心施加相当于初始地层的围压，对其进行保应力取心，岩心的上下两端少量部分也被耐磨橡胶模套包裹，相比于其它的专利，本专利提供的方法可以将岩心全部包裹在橡胶模内，较为完整的保留岩心原位地层的样貌分布；且由静止高压流体提供的保应力大小在提钻过程中相对平稳，使用的寿命也相对较长，保应力的范围也相对较广，能有效防止岩心饼化现象的发生，可以显著提高保应力取心的采收率。通过采用绳索取心法，该取心方法带来的优势极其明显：该法能够实现不提钻取心，节省提钻时间增加钻进时间，缩短施工时间，降低成本；结合本专利提供的采用螺纹将岩心管连接在一起的方法，可以极大的提高钻取岩心的速度，也极大的提高了岩心的采取率并且可以减少孔内事故的发生概率。本申请将取心管前端改装为可拆卸构件，由于采用绳索取心的特点，不用起钻，只需要用胶丝将取心管从井内提起，当取心管井内提起后，地面人员可以快速地将取心管前端的可拆卸装置替换，极大的加快岩心钻取的速率，且在地面上预先注入高压流体后，如发现高压流体的压力骤降，可判断高压流体产生泄露，可以在下取心管之前判断是否会发生泄露，若发生泄露，地面人员可以快速地跟换可拆卸装置，能够极大提高取心管前端的密封性能。此外，装置前端的钻头使用的是整体式的高强度钻头，并非拼装式的钻头，在高地应力环境地层，岩石的力学性能和常态大不相同，拼装而成的钻头在钻进遇到难以钻进的岩石时，可能会导致钻头结构的松动，更严重的可能会导致钻杆偏离预定轨道以及岩心采取的失败；采用高强度的整体式钻头能有效地避免这种情况的发生。

实施例3

储液仓5按照在其主腔体内设置弹性膜53将其腔室分为两个互不相通的存储不同液体的副腔室的方式设置有第一储液腔51和第二储液腔52。第一储液腔51能够存储根据需求改变高压流体腔41内液压大小的液压油，第二储液腔52存储有能够辅助钻头1在地层中钻进的钻进液。优选的，第一储液腔51设置在储液仓5腔室靠近底部的一端，第二储液腔52设置在储液仓5腔室靠近顶部的一端，且在第一储液腔51和第二储液腔52之间通过设置能够在受到外力作用而发生形变的弹性膜53的方式使得两个腔室相互分隔。在储液仓5跟随钻头深入地层时，第二储液腔52跟随所受压力的变化对位于其底部的弹性膜53施加向下的压力，从而使得弹性膜53向第一储液腔51的腔室内部凹陷，从而缩小了第一储液腔51的腔室体积并将其腔室内的液压油输送到高压流体腔41中，进而实现了对高压流体腔41中压力大小的调节，使得进入岩心容纳腔42中的岩心能够始终保持其所受到的应力不变，保证了采取的岩心的完整性，方便对岩心样品进行保应力采取，防止其所处地层位置和环境变化而导致发生样本粉碎和饼化现象。进一步优选的，第一储液腔51与高压流体腔41连接的输送管道上还设置有驱动泵，能够在重力作用下对岩心容纳腔42所受压力做出初步调节的基础上通过驱动泵控制液压油的输送，从而进一步调控岩心容纳腔42腔侧壁所受到的压力。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种保应力取心装置，至少包括钻头（1）和岩心管（2），所述岩心管（2）按照能够插入到所述钻头（1）沿其轴线开孔形成的管道腔内的方式设置在所述钻头（1）的内部，其特征在于，

所述岩心管（2）至少包括岩心内管（3）和保应力部（4），所述岩心内管（3）的开口端与所述保应力部（4）的外环开口相连接构成具有封闭腔室且能够向保应力部（4）施加围压的高压流体腔（41）；

在所述高压流体腔（41）充入高压流体的情况下，所述高压流体能够按照向所述保应力部（4）的岩心容纳腔（42）的腔壁施加围压的方式使得所述岩心容纳腔（42）向其腔室内的岩心施加压力，从而实现对采收到的岩心应力保真；

所述岩心容纳腔（42）按照其内壁能够贴覆包裹柱形岩心侧壁的方式对岩心施加相当于其所处的初始地层的压力的围压；

所述岩心容纳腔（42）的面向岩心一侧的腔壁表面设置有能够与岩心表面接触的限位模块（421），所述限位模块（421）按照能够避免腔壁与岩心接触而摩擦破损的方式有序排列分布在所述岩心容纳腔（42）的面向岩心一侧的侧腔壁表面上，由截面为三角形、四边形、五边形或其他多边形的块状的所述限位模块（421）按照一体模压成型的方式与所述岩心容纳腔（42）的腔膜连接。

2.如权利要求1所述的保应力取心装置，其特征在于，所述保应力部（4）远离所述岩心内管（3）的端面按照凹陷延伸到所述高压流体腔（41）内部的方式构成单向密封的岩心容纳腔（42），所述岩心容纳腔（42）的轴线与所述高压流体腔（41）的轴线相互重合，且所述岩心容纳腔（42）的侧腔壁按照其能够在所述高压流体腔（41）内高压液流产生的压力的作用下而发生形变的方式构成所述高压流体腔（41）的弹性腔壁。

3.如权利要求1所述的保应力取心装置，其特征在于，所述保应力部（4）可拆卸地连接在所述岩心内管（3）构成高压流体腔（41）部分密封腔室的一端，从而实现所述保应力部（4）与岩心内管（3）连接构成具有封闭腔室且可调节地充入高压流体的高压流体腔（41），在所述保应力部（4）采取出岩心的情况下，所述保应力部（4）能够在高压流体排出所述高压流体腔（41）后与所述岩心内管（3）分离拆卸，从而方便取出采取的岩心样本。

4.如权利要求1所述的保应力取心装置，其特征在于，所述岩心内管（3）远离所述保应力部（4）的一端还设置有向所述高压流体腔（41）内输送高压流体的储液仓（5），所述储液仓（5）通过设置在其与所述高压流体腔（41）相互连通的输送管道（6）的管路上的驱动部（7）控制其腔室内的高压流体的流出或回流。

5.如权利要求4所述的保应力取心装置，其特征在于，所述驱动部（7）按照电磁继电器控制电力的通断的方式实现其工作状态的转换和其提供的驱动力的驱动方向的调节，其中，在进行岩心采取的过程中，受电磁继电器控制的所述驱动部（7）根据需求向所述高压流体腔（41）输送高压液流，从而输入的高压液流对所述岩心容纳腔（42）的腔壁施加围压；所述驱动部（7）还电性连接有电源（8）。

6.如权利要求1所述的保应力取心装置，其特征在于，所述钻头（1）沿其环形端面圆周排布有若干金刚石钻头齿（11），其中，相邻的两个所述钻头齿（11）按照沿同一圆环面内的不同圆周线上进行设置的方式构成交错式钻头唇面，所述钻头齿（11）与钻头（1）的钻杆主体按照分层填入钢体模具的方式一体烧结。

7.如权利要求6所述的保应力取心装置，其特征在于，所述岩心管（2）通过所述钻头（1）的钻杆（12）内的贯通通道连接有岩心转移系统（9），在所述钻头（1）带动所述岩心管（2）完成岩心采取的情况下，所述岩心转移系统（9）能够拉动岩心管（2）从钻杆（12）中移出，从而将位于地层中的岩心管（2）转移到地面。

8.如权利要求1所述的保应力取心装置，其特征在于，所述钻头（1）与所述岩心容纳腔（42）连通的内筒靠近端的内壁上设置有能够割取岩心和承托已割取的岩心柱岩心爪（13），所述岩心爪（13）在岩心装填到所述岩心容纳腔（42）的情况下，所述岩心爪（13）切断岩心与岩石之间的连接；

所述岩心爪（13）至少包括卡箍座（131）和卡箍（132），其中，所述卡箍座（131）设置在所述保应力部（4）远离所述岩心内管（3）的一端，卡箍座（131）的内部按照能够发生相对滑动的方式设置有能够在其倾斜内壁上下滑动的卡箍（132）。

9.一种保应力取心方法，其特征在于，将岩心管（2）设置在钻头（1）在其杆体的轴线方向上开设的管道腔内，

所述岩心管（2）至少包括岩心内管（3）和保应力部（4），所述岩心内管（3）的开口端与所述保应力部（4）的外环开口相连接构成具有封闭腔室且能够向保应力部（4）施加围压的高压流体腔（41）；

在所述高压流体腔（41）充入高压流体的情况下，所述高压流体能够按照向所述保应力部（4）的岩心容纳腔（42）的腔壁施加围压的方式使得所述岩心容纳腔（42）向其腔室内的岩心施加压力，从而实现对采收到的岩心应力保真；

所述岩心容纳腔（42）按照其内壁能够贴覆包裹柱形岩心侧壁的方式对岩心施加相当于其所处的初始地层的压力的围压；

所述岩心容纳腔（42）的面向岩心一侧的腔壁表面设置有能够与岩心表面接触的限位模块（421），所述限位模块（421）按照能够避免腔壁与岩心接触而摩擦破损的方式有序排列分布在所述岩心容纳腔（42）的面向岩心一侧的侧腔壁表面上，由截面为三角形、四边形、五边形或其他多边形的块状的所述限位模块（421）按照一体模压成型的方式与所述岩心容纳腔（42）的腔膜连接。

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