CN214403442U - 一种保应力取心钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种保应力取心钻头，其至少包括具有轴向内腔室的钻杆(1)和与钻杆(1)的一端连接的钻头主体(2)，所述钻头主体(2)远离所述钻杆(1)的一端的端面上设置有若干钻头齿(21)，其中，若干所述钻头齿(21)按照能够形成两个不同的环形钻进工作面的方式设置为第一工作齿(211)和第二工作齿(212)，所述第一工作齿(211)和第二工作齿(212)在所述钻头主体(2)的端面上圆周交错排列。

Description

一种保应力取心钻头

技术领域

本实用新型涉及岩体钻孔取样技术领域，尤其涉及一种保应力取心钻头。

背景技术

高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强度而言的。也就是说，当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时，称为高地应力或极高地应力。高地应力状态下的钻探成孔是极其困难的。首先高地应力容易引起钻孔的变形以及膨胀等不稳定情况，其次由于岩体受高地应力的作用，岩体坚硬致密，且破碎机理与正常情况下岩体破坏机理不尽相同，岩体破坏较正常条件下更难进行，所以钻进效率一般要求很高，具体如下：

(1)钻头在钻进高地应力条件下的坚硬致密地层时，要防止出现打滑、不进尺的问题，要在有限钻进参数下，提高钻头效率。

(2)矿区地应力高，容易造成孔壁不稳定，因此要求提高钻头寿命，以避免频繁换钻头加剧孔壁失稳。

另外，现行的金刚石钻头唇面结构有多种多样，目前广泛使用的钻头大都采用平底或者圆弧底唇面结构。而交叉掏槽式钻头在传统的教科书中虽有相关介绍，但因齿型结构容易损坏，仅在极坚硬岩层时有少量使用。目前针对坚硬岩层制造的薄壁金刚石钻头尽管取得了一定提高效率的作用，但大多寿命较短，并容易出现岩心堵塞而影响钻进速度的问题。

中国专利CN112324374A公开了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。该专利虽然设置有交错式的钻头齿，但是该专利的钻头并没有对交错式圆周分布的钻齿之间的间隙进行有效地合理设计，无法有效地保证在钻进过程中产生的岩屑能够有效地排出或分离。

中国专利CN202850867U公开了一种钻井取心钻头，其包括钻头本体、钻头、内凸台、外切削齿和金刚石聚晶；钻头本体的下部外侧间隔分布固定有至少两个钻头，钻头的下部呈上宽下窄的锥形，相邻两个钻头之间形成导流槽，与导流槽相对应的钻头下部内壁上固定有内凸台，对应相邻两个钻头之间的内凸台上有能够使钻头本体内腔与导流槽相通的水眼；在钻头的外壁上分布有外切削齿，钻头的侧壁上分布有金刚石聚晶。本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，外切削齿可使钻头实现短距离划眼功能，金刚石聚晶受力面积大，耐冲击，分别可应用到硬度不同的地层取心作业，工作稳定可靠，使用寿命长，从而保证钻头使用寿命，提高取心效率。但是该专利的钻头在钻进高地应力条件下的坚硬致密地层时，并不能有效地解决打滑、不进尺等问题。

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实用新型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，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型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。

实用新型内容

针对现有技术之不足，本实用新型的技术方案是提供一种保应力取心钻头，其至少包括具有轴向内腔室的钻杆和与钻杆的一端连接的钻头主体，所述钻头主体远离所述钻杆的一端的端面上设置有若干钻头齿，其中，若干所述钻头齿按照能够形成两个不同的环形钻进工作面的方式设置为第一工作齿和第二工作齿，所述第一工作齿和第二工作齿在所述钻头主体的端面上周向交错排列。

根据一种优选的实施方式，所述第一工作齿的齿体沿所述钻头主体的环形端面的内圈边线进行布设，使得同一圆周环面上的若干所述第一工作齿构成第一环形工作面；所述第二工作齿的齿体沿所述钻头主体的环形端面的外圈圈边线进行布设，使得同一圆周环面上的若干所述第二工作齿构成第二环形工作面，所述第一环形工作面与第二环形工作面部分重合。

根据一种优选的实施方式，所述第一工作齿和第二工作齿交错布设形成的间隔能够构成方便钻进工作面的径向内侧和径向外侧交互的导流槽；所述第一工作齿的径向外侧还设置有与导流槽一端连通的外槽；所述第二工作齿的径向内侧设置有与导流槽远离所述外槽的一端连通的内槽。

根据一种优选的实施方式，所述导流槽、外槽和内槽均设置于钻头主体的轴向下端的端面上，其中，所述外槽的周向两端均与开设在同一所述第一工作齿的两侧的相邻的导流槽连通，所述内槽的周向两端均与开设在同一所述第二工作齿的两侧的相邻的导流槽连通。

根据一种优选的实施方式，所述钻杆中还设置有能够在其轴向内腔室内上下活动的岩心内管，所述岩心内管包括轴向上依次连接的增压组件、加压容纳部和岩心爪组件，其中，所述增压组件按照能够向所述加压容纳部的加压腔室注入液体的方式设置在加压容纳部的轴向上方。

根据一种优选的实施方式，所述增压组件至少包括由两个相邻而不相通的第一储液腔和第二储液腔构成的储液腔，所述第二储液腔的顶部端面和第一储液腔的底部端面由同一弹性膜形成密闭腔壁，在第一储液腔能够根据其内腔中的钻井液所受到的压力变化对其底部的弹性膜施压的情况下，所述弹性膜能够按照向第二储液腔的腔室内部凹陷的方式发生形变。

根据一种优选的实施方式，所述增压组件还包括能够将第二储液腔中的液压油输送至加压容纳部的液流管道，所述液流管道的一端与第二储液腔的腔室连通。

根据一种优选的实施方式，所述增压组件还包括驱动泵和电源，所述驱动泵能够驱动所述液流管道中的液体定向流动，所述驱动泵通过导线还电性连接有电源。

根据一种优选的实施方式，加压容纳部至少包括加压液体腔和岩心容纳腔，其中，所述加压液体腔与所述液流管道远离第二储液腔的一端连通，从而第二储液腔中的液压油能够在弹性膜的挤压或驱动泵的驱动下进入到所述加压液体腔中。

根据一种优选的实施方式，具有单向开口的所述岩心容纳腔按照其腔体能够被所述加压液体腔的腔体包裹的方式套入到所述加压液体腔的内部。

本实用新型的有益技术效果：

本装置与普通唇面的钻头相比较，交错式唇面钻头与孔底的接触面积更小，在相同的钻压下，交错式钻头唇面作用于岩体的单位面积压力就相对增大。从而钻头作用在岩石上的比压越大，并且更加有利于岩石的体积破碎；另外，钻头唇面部分空出来后，容屑体积增加，在钻进过程中，残留在孔底，没有被钻井液带走的岩屑也就相应增加。这些岩屑可以有效地磨损钻头胎体，促使钻头自锐，从而保持钻头的锋利性。

附图说明

图1是本实用新型的一种保应力取心钻头的优选实施例的钻头主体前端的结构示意图；

图2是本实用新型的保应力取心钻头的优选实施例的结构示意图。

附图标记列表

1：钻杆 2：钻头主体 3：岩心内管

21：钻头齿 22：导流槽 23：外槽

24：内槽 31：增压组件 32：加压容纳部

33：岩心爪组件 211：第一工作齿 212：第二工作齿

311：第一储液腔 312：第二储液腔 313：弹性膜

314：液流管道 315：驱动泵 316：电源

321：加压液体腔 322：岩心容纳腔

具体实施方式

下面结合附图1至2进行详细说明。

图2示出了一种保应力取心钻头，该钻头包括相互连接的钻杆1和钻头主体2，钻杆1内还设置有能够活动的岩心内管3。

根据一种具体的实施方式，钻头主体2设置在钻杆1的轴向下端。钻头主体2远离钻杆1的一端的端面上设置有若干钻头齿21，从而构成钻头的切削进取端。若干钻头齿21按照能够形成两个不同的环形钻进工作面的方式设置为第一工作齿211和第二工作齿212。第一工作齿211和第二工作齿212在钻头主体2的端面上周向交错排列，从而能够构成交错式钻头唇面。第一工作齿211的齿体沿钻头主体2的环形端面的内圈边线进行布设，使得同一圆周环面上的若干第一工作齿211构成第一环形工作面。第二工作齿212的齿体沿钻头主体2的环形端面的外圈圈边线进行布设，使得同一圆周环面上的若干第二工作齿212构成第二环形工作面。第一环形工作面与第二环形工作面部分重合。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。钻头主体2与第一工作齿211和第二工作齿212按照分层填入钢体模具的方式一体烧结，从而避免了组装式钻头容易松懈或脱落的问题。

如图1所示，第一工作齿211和第二工作齿212的齿体在同一平面上交错布设形成的间隔恰好能够构成导流槽22。导流槽22能够方便钻进工作面的径向内侧区域和径向外侧区域进行交互。从钻头主体2的轴向下端的轴向通道中流出的钻井液能够流经导流槽22后到达齿体外侧区域，从而能够更好地对钻进工作面进行润滑。第一工作齿211的径向外侧还设置有与导流槽22一端连通的外槽23。第二工作齿212的径向内侧设置有与导流槽22远离外槽23的一端连通的内槽24。优选的，外槽23和内槽24均由第一工作齿211和第二工作齿212具有一定坡度的倾斜齿侧壁限定。且外槽23和内槽24的槽壁即为钻头齿21的齿侧壁，且槽体跟随钻头齿21的齿形变化而变化，使得在钻进过程中产生的岩屑能够跟随钻头的旋转顺利地沿着外槽23、内槽24和导流槽22构成的通道排出。导流槽22、外槽23和内槽24均设置于钻头主体2的轴向下端的端面上。外槽23的周向两端均与开设在同一第一工作齿211的两侧的相邻的导流槽22连通。内槽23的周向两端均与开设在同一第二工作齿212的两侧的相邻的导流槽22连通。中国专利CN112324374A虽然公开了具有交错式唇面的钻头齿，但是该专利的钻头并没有对交错式圆周分布的钻齿之间的间隙进行有效地合理设计，无法有效地保证在钻进过程中产生的岩屑能够有效地排出或分离。也没有对钻头齿具体的钻齿层数进行限定，尤其是相对于该专利，本申请将钻齿设置为非规则形状，钻齿两侧的开槽也呈槽宽变化的非规则形状，从而更加有利于在钻进过程中，岩屑从开槽通道中流动排出。另外，本实用新型将钻头齿的侧边设置为倾斜的齿面，从而更加有利于岩屑对钻齿侧壁进行磨损，使得钻头前端始终能够保持锋利。

钻杆1中还设置有能够在其轴向内腔室内上下活动的岩心内管3，岩心内管3包括轴向上依次连接的增压组件31、加压容纳部32和岩心爪组件33。增压组件31按照能够向加压容纳部32的加压腔室注入液体的方式设置在加压容纳部32的轴向上方。

增压组件31包括由两个相邻而不相通的第一储液腔311和第二储液腔312构成的储液腔，第二储液腔312的顶部端面和第一储液腔311的底部端面由同一弹性膜313形成密闭腔壁，在第一储液腔311能够根据其内腔中的钻井液所受到的压力变化对其底部的弹性膜313施压的情况下，弹性膜313能够按照向第二储液腔312的腔室内部凹陷的方式发生形变。增压组件31还包括能够将第二储液腔312中的液压油输送至加压容纳部32的液流管道314，液流管道314的一端与第二储液腔312的腔室连通。

第二储液腔312能够存储根据需求改变加压液体腔321内液压大小的液压油，第一储液腔311存储有能够辅助钻头在地层中钻进的钻进液。在钻头深入地层时，第一储液腔311跟随所受压力的变化对位于其底部的弹性膜313施加向下的压力，从而使得弹性膜313向第二储液腔312的腔室内部凹陷，从而缩小了第二储液腔312的腔室体积并将其腔室内的液压油输送到加压液体腔321中，进而实现了对加压液体腔321中压力大小的调节，使得进入岩心容纳腔322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，第二储液腔312与加压液体腔321连接的液流管道上还设置有驱动泵315，能够在重力作用下对岩心容纳腔322所受压力作出初步调节的基础上通过驱动泵315控制液压油的输送，从而进一步调控岩心容纳腔322腔侧壁所受到的压力。驱动泵315通过导线还电性连接有电源316。

加压容纳部32包括加压液体腔321和岩心容纳腔322。加压液体腔321与液流管道314远离第二储液腔312的一端连通，从而第二储液腔312中的液压油能够在弹性膜313的挤压或驱动泵315的驱动下进入到加压液体腔321中。具有单向开口的岩心容纳腔322按照其腔体能够被加压液体腔321的腔体包裹的方式套入到加压液体腔321的内部。使用时，岩心从岩心容纳腔322的轴向下端的开口进入其腔室内部。加压液体腔321以包裹岩心容纳腔322的腔室侧壁和顶壁，而且岩心容纳腔322的腔室侧壁和顶壁直接被作为加压液体腔321的径向内侧的腔壁和轴向内侧的腔壁。在加压液体腔321中的液压油增多时，其腔室内液压逐渐增大，从而使得其腔壁所受的压力越来越大，进而由弹性材料构成的岩心容纳腔322的腔壁受到液压油的作用力而向其内部容纳的岩心表面传递径向压力，从而实现对其腔室存储的岩心进行加压保存。

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实用新型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实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型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。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种保应力取心钻头，其至少包括具有轴向内腔室的钻杆(1)和与钻杆(1)的一端连接的钻头主体(2)，其特征在于，所述钻头主体(2)远离所述钻杆(1)的一端的端面上设置有若干钻头齿(21)，其中，若干所述钻头齿(21)按照能够形成两个不同的环形钻进工作面的方式设置为第一工作齿(211)和第二工作齿(212)，所述第一工作齿(211)和第二工作齿(212)在所述钻头主体(2)的端面上周向交错排列。

2.如权利要求1所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述第一工作齿(211)的齿体沿所述钻头主体(2)的环形端面的内圈边线进行布设，使得同一圆周环面上的若干所述第一工作齿(211)构成第一环形工作面；所述第二工作齿(212)的齿体沿所述钻头主体(2)的环形端面的外圈圈边线进行布设，使得同一圆周环面上的若干所述第二工作齿(212)构成第二环形工作面，所述第一环形工作面与第二环形工作面部分重合。

3.如权利要求2所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述第一工作齿(211)和第二工作齿(212)交错布设形成的间隔能够构成方便钻进工作面的径向内侧和径向外侧交互的导流槽(22)；所述第一工作齿(211)的径向外侧还设置有与导流槽(22)一端连通的外槽(23)；所述第二工作齿(212)的径向内侧设置有与导流槽(22)远离所述外槽(23)的一端连通的内槽(24)。

4.如权利要求3所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述导流槽(22)、外槽(23)和内槽(24)均设置于钻头主体(2)的轴向下端的端面上，其中，所述外槽(23)的周向两端均与开设在同一所述第一工作齿(211)的两侧的相邻的导流槽(22)连通，所述内槽(24)的周向两端均与开设在同一所述第二工作齿(212)的两侧的相邻的导流槽(22)连通。

5.如权利要求1所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述钻杆(1)中还设置有能够在其轴向内腔室内上下活动的岩心内管(3)，所述岩心内管(3)包括轴向上依次连接的增压组件(31)、加压容纳部(32)和岩心爪组件(33)，其中，所述增压组件(31)按照能够向所述加压容纳部(32)的加压腔室注入液体的方式设置在加压容纳部(32)的轴向上方。

6.如权利要求5所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述增压组件(31)至少包括由两个相邻而不相通的第一储液腔(311)和第二储液腔(312)构成的储液腔，所述第二储液腔(312)的顶部端面和第一储液腔(311)的底部端面由同一弹性膜(313)形成密闭腔壁，在第一储液腔(311)能够根据其内腔中的钻井液所受到的压力变化对其底部的弹性膜(313)施压的情况下，所述弹性膜(313)能够按照向第二储液腔(312)的腔室内部凹陷的方式发生形变。

7.如权利要求6所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述增压组件(31)还包括能够将第二储液腔(312)中的液压油输送至加压容纳部(32)的液流管道(314)，所述液流管道(314)的一端与第二储液腔(312)的腔室连通。

8.如权利要求7所述的保应力取心钻头，其特征在于，所述增压组件(31)还包括驱动泵(315)和电源(316)，所述驱动泵(315)能够驱动所述液流管道(314)中的液体定向流动，所述驱动泵(315)通过导线还电性连接有电源(316)。

9.如权利要求7所述的保应力取心钻头，其特征在于，加压容纳部(32)至少包括加压液体腔(321)和岩心容纳腔(322)，其中，所述加压液体腔(321)与所述液流管道(314)远离第二储液腔(312)的一端连通，从而第二储液腔(312)中的液压油能够在弹性膜(313)的挤压或驱动泵(315)的驱动下进入到所述加压液体腔(321)中。

10.如权利要求9所述的保应力取心钻头，其特征在于，具有单向开口的所述岩心容纳腔(322)按照其腔体能够被所述加压液体腔(321)的腔体包裹的方式套入到所述加压液体腔(321)的内部。

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