CN206281672U - 一种具有冷却功能的干法取心钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，包括：本体，其内部设有中空区，其底部设有通孔，与中空区连通；岩心套，设置在中空区内，通过本体上的通孔能直接到达岩心套的内部，岩心套的外侧壁与中空区的内壁形成环形返排通道；本体返排通道，位于本体的中空区的上部，且与外界连通；连通返排通道，用于连通环形返排通道以及本体返排通道；气体注入通道，位于本体的中空区的上部，用于向岩心套内注入冷却气体；进气孔，设置在本体上，且与环形返排通道连通；刀头，固定在本体的底部。本实用新型解决了室内岩石力学实验取心过程中因岩屑返排不及时、水化伤害以及岩心温度升高引起取心失败问题，将岩心取心损伤降至最低。

Description

一种具有冷却功能的干法取心钻头

技术领域

本实用新型涉及一种在石油勘探开发行业中用于起钻清洗钻具的清洁工具，尤其涉及一种具有冷却功能的干法取心钻头。

背景技术

在石油工程和岩土工程中，室内岩石力学实验室是研究岩石基本力学性能的基础性试验，广泛应用于生产和科研领域，往往要通过大量力学实验获得工程岩石的力学参数，而岩石取心是其必备工作之一，也是开展室内岩石力学实验的第一步。

泥页岩、盐膏岩、碳酸盐岩等非常规岩心弱胶结、裂缝或层理发育，在实验标准岩样加工过程中存在着岩样水化、破碎、钻头遇阻等难题，严重影响标准岩样取心成功率。现在室内岩石力学实验采用的取心钻头一般都采用清水进行循环排屑，不仅对所取岩样造成了二次伤害，而且泥页岩层理面遇水极易水化，造成断裂无法取心成功。即使采用钻井液来代替水进行循环也不能提高取心成功率，因为钻井液粘度高、不易排屑、易造成岩屑包裹钻头，显著增加钻头与岩心之间的磨阻，进一步加剧岩心沿裂缝、层理断裂的可能性。

中国石油大学(北京)提出的带压干钻取心钻头技术通过上下活塞与液压腔构成限压装置，关闭注液口后，在液压作用下下活塞推动旋转接头与岩体接触，继而将该压力传递至钻取的圆柱形岩心，在整个岩心钻取过程中旋转接头始终与岩心接触保持压紧，该带压干钻取心钻头较好的解决了取心过程中因岩心轴向压力释放以及水化等因素引起的岩心损害问题。但是该取心钻头存在显而易见的缺点：为了避免岩心轴向压力释放引起岩心断裂，钻取过程中要始终保持旋转接头与岩心接触，不能上下活动钻头，因此取心过程中产生的岩屑会在岩心圆柱壁面与钻头内壁面、钻头外壁面与岩心(本体)面之间不段大量堆积和压缩，由此引起的摩阻不断增加累积，并产生极高钻进阻抗和很高的摩擦热，所以因摩阻阻抗和摩擦热带来的岩心伤害反而比因轴向压力释放带来的伤害更加严重，最终无法避免弱胶结、裂缝或层理面发育的岩心断裂，大大降低取心成功率。

东北石油大学提出的泥岩冷却气取岩样的装置及其取岩样的方法(专利号201010500263.0)中采用的取心钻头与常规取心钻头没有差别，其工作原理：钻头钻取岩心，用独立于钻头的吹气喷嘴吹起岩屑，然后用抽气装置将吹起的岩屑粉尘吸走。因而该专利采用的取心钻头不能够实时将产出的岩屑反循环抽吸排出，且每钻进3-5mm需上提取心钻头进行冷却，并用喷嘴清理岩屑及粉尘；岩心钻取过程中产生大量的摩擦热，在很大程度上抵消了冷却气体对岩心的冷却作用。

随着国民经济的快速发展对油气资源的需求量逐步增大，油气勘探与开发进展速度面临着大挑战。各油田公司加强老油气区块开发速度的同时，也加快了外围新区块的勘探，尤其是页岩油气等非常规资源的勘探开发的开启，这都对钻井、固完井、油气评价、储层改造等工程技术提出了很高的要求。地层是所有石油工程技术的主要工作对象，开展地层的物理力学特性、地应力状态等评价是提高一系列关键石油工程技术设计与施工效率的基础，也是推动油气勘探开发进程的基础。准确求取岩石力学特性参数就显得尤为重要，不同于坚硬或高强度的常规砂岩等，泥页岩等非常规地层弱胶结、裂缝、层理或易水化岩石强度低、取心难，即使获得完整岩心，取心过程中的水化、摩擦扭矩等因素对岩心造成的损伤对岩石力学特性参数求取影响显著。目前，国内外室内岩石力学实验取心钻头主要存在着以下不足：

(1)利用水或钻井液取心，易造成岩心水化二次伤害，以及钻头泥裹摩阻增加导致取心成功率大大降低；

(2)取心钻头未能形成有效的返排通道，岩屑大量堆积，导致钻头遇阻和岩心沿薄弱面断裂；

(3)取心过程中岩屑返排不及时导致钻头破岩处温度升高，对于含结晶水较多的泥页岩或胶结较差的其它非常规岩石来说，温度升高意味着岩心的解体；

(4)用液氮或冰柜冰冻后的岩心提高了岩样的胶结强度，但泥页岩岩心钻取时间长，在钻取过程中岩心逐渐升温，大大降低了岩心冰冻效果。

可见，现有室内岩石力学实验所采用的干法取心钻头未充分解决取心过程中钻屑返排、清洁问题，且没有考虑泥页岩岩样的冷却问题，因此如何设计一种结构合理、使用简单方便的干法取心钻头成为当前主要问题。

实用新型内容

本实用新型的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本实用新型而学习。

为克服现有技术的问题，本实用新型提供一种具有冷却功能的干法取心钻头，有气体注入通道，用于注入气化液氮使冰冻岩心保持低温冷却，提高泥页岩等弱胶结岩石强度；同时设计有本体返排通道、连通返排通道和环形返排通道，不需水或钻井液来循环返屑，空气及气化液氮通过各个返排通道将岩屑反循环排出，有效解决了干取心过程中钻屑返排、清洁问题，大大提高弱胶结、裂缝或层理面发育岩石的取心成功率，同时避免了取心过程中对岩样造成的二次损害问题。

本实用新型提供一种具有冷却功能的干法取心钻头，包括：本体，其内部设有中空区，其底部设有通孔，与所述中空区连通；岩心套，设置在所述中空区内，通过所述本体上的通孔能直接到达所述岩心套的内部，所述岩心套的外侧壁与所述中空区的内壁形成环形返排通道；本体返排通道，位于所述本体的中空区的上部，且与外界连通；连通返排通道，用于连通所述环形返排通道以及所述本体返排通道；气体注入通道，位于所述本体的中空区的上部，与所述岩心套和外界连通，用于向所述岩心套内注入冷却气体；进气孔，设置在所述本体上，且与所述环形返排通道连通；刀头，固定在所述本体的底部。

可选地，还包括螺旋通道，设置于所述岩心套的外侧壁或所述中空区的内壁中的至少一个上。

可选地，所述连通返排通道包括至少一个孔状返排通道。

可选地，所述进气孔包括第一进气孔，位于所述本体的下端侧壁。

可选地，所述第一进气孔为多个，均匀设置在所述本体的下端侧壁。

可选地，所述第一进气孔为3个。

可选地，所述进气孔包括第二进气孔，位于所述本体的底部。

可选地，所述第二进气孔为多个，均匀设置在所述本体的底部。

可选地，所述第二进气孔为2个。

可选地，所述本体外壁面上设有刻度线。

本实用新型提供的具有冷却功能的干法取心钻头，适用于室内岩石力学实验非常规泥页岩岩心钻取，取心钻头与气化液氮注入装置、抽吸装置相连接，气化液氮由气体注入通道和岩心与岩心套之间的缝隙进入，使岩心保持低温冷却，并将钻取过程中产生的岩屑排出，保证岩心套内壁清洁；在抽吸装置作用下，岩屑经由返排通道排出，冷却刀头并将摩阻降至最低，提高取心成功率。

本实用新型提供的具有冷却功能的干法取心钻头可以应用于石油天然气工程、岩土工程领域，标准岩心钻取是获得岩石力学参数的第一步，也是影响实验数据有效性的第一步，取心过程造成的损伤对后期参数测量有很大的影响，本实用新型可将取心损伤影响降至最低，从而保证获取参数的有效性，具有很好的推广应用前景。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本实用新型，本实用新型的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本实用新型的解释说明，而不构成对本实用新型的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本实用新型实施例的具有冷却功能的干法取心钻头的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的环形返排通道、连通返排通道以及本体返排通道的结构示意图。

图3为本实用新型实施例的本体底部的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供一种具有冷却功能的干法取心钻头，包括本体10以及设置在本体10上的岩心套20、本体返排通道33、连通返排通道32、气体注入通道35、进气孔50、刀头40。

其中，本体10的内部设有中空区，请同时参照图3，本体的底部11设有与中空区连通的通孔12；刀头40固定在本体10的底部，刀头40用于岩心破碎钻取，例如金刚石刀头。本体10可以采用合金钢材料，其顶端还布置有公接头。在本体10的中空区的上部，设有与外界连通的本体返排通道33，用于与抽吸装置相连接；本体返排通道33是岩屑最终汇集通道，岩屑最终由此通道返排出。

岩心套20就位于中空区内，岩心套20的内部用于容纳钻取岩心，一般地，岩心套20可以由合金钢制成。岩心套20的外侧壁与中空区的内壁形成环形返排通道31；该环形返排通道31通过连通返排通道32与本体返排通道33相连通，也就是说，连通返排通道32是用于连通环形返排通道以及本体返排通道的。请同时参照图2，在本实用新型的一个实施例中，连通返排通道32可以包括至少一个孔状返排通道，每个孔状返排通道的一端与环形返排通道31相连通，另一端与本体返排通道33相连通；本实用新型并不对孔状返排通道的形状做限定，其横截面可以是圆形、方形、三角形等。

气体注入通道35位于本体的中空区的上部，与岩心套20和外界连通；，用于向所述岩心套内注入冷却气体；该冷却气体可以是气化液氮，气化液氮通过气体注入通道35注入岩心套内，对冰冻岩心进行实时冷却，避免取心过程中岩心温度升高，造成岩心胶结强度降低，导致岩心断裂。此外，该气体注入通道3亦可作为岩心解卡通道，当钻取岩心断裂卡住时，卸下取心钻头利用此通道进行解卡。

进气孔50设置在本体上，且与环形返排通道31连通。本实施例中，进气孔50包括第一进气孔51，位于本体10的下端侧壁，该下端侧壁靠近本体10的底部。该第一进气孔51可以为多个，均匀设置在本体的下端侧壁。在具体实施时，第一进气孔例如为3个，此时，在本体10的外侧壁上每隔120°就需要设置一个第一进气孔51。进气孔50还可以包括第二进气孔52，位于本体10的底部，该第二进气孔为多个，均匀设置在所述本体的底部，更具体地，第二进气孔可以与金刚石刀头相对应设置；第二进气孔的个数例如为2个。

还包括螺旋通道21，设置于岩心套20的外侧壁或中空区的内壁中的至少一个上，例如设置在岩心套20的外侧壁上，由于环形返排通道31是由岩心套20的外侧壁与中空区的内壁形成的，螺旋通道21实际为设置在环形返排通道的至少一个内侧壁上的凹槽；螺旋通道21的设置有利于气化液氮流通，更好地带动岩屑反循环排出。

在本实施例中，本体10的外壁面上还设有刻度线，通过观察本体外壁面上刻度线位置，当钻至取心深度时可以及时停止钻进。

本实用新型提供的具有冷却功能的干法取心钻头设计结构简单，操作方便，可靠性高，其应用方法如下：

(1)把室内岩石力学实验非常规泥页岩干法取心钻头与岩样钻取机相连，并与气化液氮注入装置、空气抽吸装置相连；

(2)取心钻进开始，钻头本体旋转，金刚石刀头切削岩石，并不断产生岩屑和大量的摩擦热量；气化液氮在注入装置的作用下进入岩心套内，实时冷却岩心和钻头，且不断清洁岩心套内表面；

(3)在抽吸返排作用下，空气和气化液氮携带者岩屑经由5个进气孔进入环形返排通道，并最终经由连通返排通道和本体返排通道排出；

(4)继续钻取岩心，气化液氮不断冷却岩心和钻头，反循环空气和气化液氮不断地吸洗清洁钻头及岩样接触面，保持钻头清洁；

(5)观察本体外壁面上刻度线位置，当钻至取心深度时停止钻进，然后取出圆柱形岩心，清理取出的岩心并编号；

(6)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。

本实用新型提供的具有冷却功能的干法取心钻头可有效解决干法取心过程中岩心冰冻、钻屑返排、清洁问题，大大提高弱胶结、裂缝或层理面发育岩石的取心成功率，同时避免取心过程中对岩样造成的二次损害问题，对于现场勘测和实验室研究数据的提取具有很好的积极效果。

本实用新型不需水或钻井液来循环返屑，气化液氮由钻头顶部通道注入，冷却岩心保持岩心冰冻效果，利用抽吸反循环将岩屑排出，大大降低干法取心摩阻，提高取心成功率。更具体地，本实用新型具有如下特点：

(1)设计有气化液氮注入通道，气化液氮通过该通道注入岩心套内，对冰冻岩心进行实时冷却，避免取心过程中岩心温度升高，造成岩心胶结强度降低，导致岩心断裂。

(2)设计有本体返排通道、环形返排通道和连通返排通道三个返排通道，空气及气化液氮通过各个返排通道携带岩屑反循环排出，避免了取心过程中对岩心的二次损伤。

(3)岩心套内壁设计有螺旋通道，注入气流可防止岩心圆柱壁面与岩心套内壁面之间的进入岩屑，最大限度降低取心摩阻，同时利于气化液氮流通，增强岩心冷却效果。

(4)本体进气孔采用120°对称布置设计，同时在本体底部亦布置有两个进气孔，当钻头高速旋转取心时可将岩屑无死角吸入返排。

(5)取心钻头结构简单，性能可靠，应用性较强。

本实用新型提供的具有冷却功能的干法取心钻头，解决室内岩石力学实验取心过程中因岩屑返排不及时、水化伤害以及岩心温度升高引起取心失败问题的干法取心钻头，进而提高泥页岩等非常规岩石取心成功率，并将岩心取心损伤降至最低。

以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变型方案实现本实用新型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，包括：

本体，其内部设有中空区，其底部设有通孔，与所述中空区连通；

岩心套，设置在所述中空区内，通过所述本体上的通孔能直接到达所述岩心套的内部，所述岩心套的外侧壁与所述中空区的内壁形成环形返排通道；

本体返排通道，位于所述本体的中空区的上部，且与外界连通；

连通返排通道，用于连通所述环形返排通道以及所述本体返排通道；

气体注入通道，位于所述本体的中空区的上部，与所述岩心套和外界连通，用于向所述岩心套内注入冷却气体；

进气孔，设置在所述本体上，且与所述环形返排通道连通；

刀头，固定在所述本体的底部。

2.根据权利要求1所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，还包括螺旋通道，设置于所述岩心套的外侧壁或所述中空区的内壁中的至少一个上。

3.根据权利要求1所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述连通返排通道包括至少一个孔状返排通道。

4.根据权利要求1所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述进气孔包括第一进气孔，位于所述本体的下端侧壁。

5.根据权利要求4所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述第一进气孔为多个，均匀设置在所述本体的下端侧壁。

6.根据权利要求4所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述第一进气孔为3个。

7.根据权利要求1所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述进气孔包括第二进气孔，位于所述本体的底部。

8.根据权利要求7所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述第二进气孔为多个，均匀设置在所述本体的底部。

9.根据权利要求7所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述第二进气孔为2个。

10.根据权利要求1所述具有冷却功能的干法取心钻头，其特征在于，所述本体外壁面上设有刻度线。