專利名稱：帶壓濕鉆取心鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖土工程和石油工程巖樣取心鉆頭，特別是一種帶壓濕鉆取心鉆頭。
背景技術(shù)：
在巖土工程中，巖石力學(xué)性質(zhì)是工程設(shè)計最基本的數(shù)據(jù)，往往要通過大量力學(xué)實驗獲得工程巖石的力學(xué)參數(shù)，而巖樣的鉆取是整個過程的第一步，也是影響實驗數(shù)據(jù)有效性的第一步。由此引出一個問題:取心過程一定包含損傷，這些損傷對后期參數(shù)測量有一定的影響，對于一些堅硬或高強(qiáng)度巖石，這一影響可以忽略不記。而對于一些弱膠結(jié)、層狀或裂縫性巖石，取心成功率極低，即便獲得完整的巖心，損傷的影響也極大地改變了巖心的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即針對上述缺陷，提供一種解決取心過程因壓力釋放以及巖心壁面摩擦引起損傷的帶壓濕鉆取心鉆頭。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面提供一種帶壓濕鉆取心鉆頭。按照本發(fā)明第一方面的帶壓濕鉆取心鉆頭包括鉆頭柱、鉆頭、旋轉(zhuǎn)接頭、活塞、彈簧，鉆頭柱下方與鉆頭連接，鉆頭柱內(nèi)嵌裝旋轉(zhuǎn)接頭，活塞與彈簧連接，鉆頭柱內(nèi)包括巖心夾持腔，旋轉(zhuǎn)接頭下部與巖心夾持腔接觸，活塞與彈簧置于巖心夾持腔內(nèi)下部，活塞與巖心接觸。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔包括排液口。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔包括進(jìn)液口。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔的進(jìn)液口位于巖心夾持腔的頂部。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔內(nèi)包括液壓腔。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔下部外側(cè)有一圈凸起，用于保證巖心與鉆頭的軸心線重合。 優(yōu)選的是，所述液壓腔內(nèi)的液體為煤油。優(yōu)選的是，所述液壓腔內(nèi)的液體為柴油。優(yōu)選的是，所述液壓腔內(nèi)的液體為礦物油。優(yōu)選的是，所述液壓腔內(nèi)的液體為針對巖石性質(zhì)專門設(shè)計配制的取心介質(zhì)。優(yōu)選的是，所述活塞包括限壓活塞，所述限壓活塞內(nèi)開有槽口，用于限制巖心夾持腔內(nèi)壓力過高，保證安全鉆取。優(yōu)選的是，所述活塞包括小活塞，所述小活塞的形狀為圓柱形，用于維持巖心夾持腔內(nèi)的壓力。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔內(nèi)包括限壓結(jié)構(gòu)，該限壓結(jié)構(gòu)包括彈簧和小活塞，所述限壓結(jié)構(gòu)的位移和彈簧剛度決定限壓值的大小。
優(yōu)選的是，所述小活塞位于限壓活塞的槽口內(nèi)，小活塞與限壓活塞為過渡配合。優(yōu)選的是，所述液壓腔內(nèi)的壓力通過限壓結(jié)構(gòu)維持在一定數(shù)值范圍內(nèi)。優(yōu)選的是，所述液壓腔的壓力范圍為5-10atm。優(yōu)選的是，鉆頭柱與活塞通過螺紋連接。優(yōu)選的是，鉆頭柱與活塞為間隙配合。優(yōu)選的是，鉆頭柱包括直徑不同的兩段柱體。優(yōu)選的是，旋轉(zhuǎn)接頭嵌裝在鉆頭柱的直徑較大的柱體內(nèi)。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)接頭包括旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)接頭的旋轉(zhuǎn)部分與鉆頭柱接觸。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)接頭的非旋轉(zhuǎn)部分與所述巖心夾持腔接觸。本發(fā)明第一方面的帶壓濕鉆取心鉆頭的裝配步驟是:1.在巖心夾持腔內(nèi)注入液體；2.將活塞壓入巖心夾持腔；3.將上一步驟中的巖心夾持腔放入鉆頭柱內(nèi)腔中，頂住旋轉(zhuǎn)接頭；4.將鉆頭安裝/裝配到鉆頭柱的下方。本發(fā)明第一方面的帶壓濕鉆取心鉆頭的工作方式是:將裝配好的帶壓濕鉆取心鉆頭置于待取心的巖體上，從鉆頭柱頂端注入取心液，進(jìn)入鉆頭柱的取心液充入鉆頭柱內(nèi)巖心夾持腔外部的空隙；液壓腔下部的限壓結(jié)構(gòu)在液壓推動下通過限壓活塞與巖石接觸，此時旋轉(zhuǎn)鉆頭柱，則鉆頭柱下方的鉆頭在鉆頭柱的帶動下旋轉(zhuǎn)切削巖石，隨著切削量增加，鉆頭及鉆頭柱不斷向巖體內(nèi)深入，則鉆頭柱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)接頭也帶動巖心夾持腔向下移動，在旋轉(zhuǎn)接頭和巖心的壓力下，液壓腔內(nèi)的液體被壓縮，液體壓力升高，位于巖心夾持腔下部的限壓活塞和小活塞被迫向下移動，小活塞下部的彈簧則阻礙活塞移動，因此液壓腔內(nèi)的壓力緩慢升高，當(dāng)液壓腔內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定值時，彈簧變形量也達(dá)到預(yù)定值，所述彈簧變形量的預(yù)定值促使限壓活塞的位置低于排液口的位置，因而液體從排液口排出，液體壓力下降，鉆頭不再向下移動鉆取巖心；當(dāng)液壓低于一定值后，彈簧變形量減小，彈簧彈力也隨之減小，因此限壓活塞向上運動，限壓活塞的位置高于排液口，因而液壓腔重新變成密閉狀態(tài)。液壓腔中的液體壓力再次推動限壓活塞與巖石接觸，鉆頭旋轉(zhuǎn)切削巖石，切削量繼續(xù)增加，鉆頭及鉆頭柱繼續(xù)深入，液壓腔壓力增大，彈簧變形增加并再次推動限壓活塞向下運動至低于排液口的位置，液體排出，液體壓力下降，隨之液壓降低后彈簧變形量再次減小，限壓活塞再向上運動至高于排液口的位置，液壓腔密閉并保持一定的壓力，如此反復(fù)循環(huán)，促使液壓腔內(nèi)保持一定壓力，壓住巖心。取心完成后，可拆卸鉆頭，整體取出巖心夾持腔，達(dá)到循環(huán)利用的目的。帶壓濕鉆取心鉆頭如上述過程反復(fù)循環(huán)，不斷推動鉆頭向下壓，并旋轉(zhuǎn)切削巖心。本發(fā)明第一方面提供的帶壓濕鉆取心鉆頭可避免對巖心的損害，取心完整性好，對于現(xiàn)場勘測和實驗室研究數(shù)據(jù)的提取均具有很強(qiáng)的必要性。本發(fā)明第一方面所提供的帶壓濕鉆取心鉆頭的技術(shù)方案包括上述各部分的任意組合，上述各部分組件的簡單變化或組合仍為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的第二方面還提供一種帶壓濕鉆取心方法，其包括如下步驟:a.在液壓腔中住滿液體；
b.通過鉆頭柱頂端的開口向鉆頭柱內(nèi)注入液體；c.將注液口封閉；d.通過液壓推動活塞使之與巖體接觸；e.朝向巖石基巖方向壓下鉆頭；f.轉(zhuǎn)動鉆頭對巖石進(jìn)行切削。優(yōu)選的是，以上步驟依次進(jìn)行。優(yōu)選的是，所述鉆頭為本發(fā)明第一方面所提供的帶壓濕鉆取心鉆頭。優(yōu)選的是，所述帶壓濕鉆取心鉆頭包括巖心夾持腔。優(yōu)選的是，所述巖心夾持腔包括排液口。優(yōu)選的是，所述活塞包括限壓活塞，所述限壓活塞內(nèi)開有槽口，用于限制巖心夾持腔內(nèi)壓力過高，保證安全鉆取。優(yōu)選的是，所述活塞包括小活塞，所述小活塞的形狀為圓柱形，用于維持巖心夾持腔內(nèi)的壓力。優(yōu)選的是，所述小活塞位于限壓活塞的槽口內(nèi)，小活塞與限壓活塞為過渡配合。優(yōu)選的是，鉆頭柱與活塞通過螺紋連接。優(yōu)選的是，鉆頭柱包 括直徑不同的兩段柱體。優(yōu)選的是，旋轉(zhuǎn)接頭嵌裝在鉆頭柱的直徑較大的柱體內(nèi)。優(yōu)選的是，鉆頭下移的速率為0.1-0.5mm/s。優(yōu)選的是，切削巖石時鉆頭的轉(zhuǎn)動速度為360_420rpm優(yōu)選的是，切削巖石過程中巖心受到的軸向壓力為不大于5kg。更多操作對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言都是已知的，不再贅述。本發(fā)明第二方面所提供的帶壓濕鉆取心方法的技術(shù)方案包括上述各部分的任意組合，上述各部分組件的簡單變化或組合仍為本發(fā)明的保護(hù)范圍。


圖1為按照本發(fā)明第一方面的帶壓濕鉆取心鉆頭的一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示實施例的取心過程示意圖。圖1、圖2中數(shù)字分別表示:I鉆頭柱2取心液注入通道3旋轉(zhuǎn)接頭 4液壓腔5巖心夾持腔 6限壓活塞7彈簧8排液口9鉆頭10巖心11小活塞
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述按照本發(fā)明第一方面的帶壓濕鉆取心鉆頭的結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例。圖1為按照本發(fā)明第一方面的帶壓濕鉆取心鉆頭的一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例中，帶壓濕鉆取心鉆頭包括鉆頭柱1、鉆頭9、旋轉(zhuǎn)接頭3、限壓活塞6、小活塞11、彈簧7，鉆頭柱I下方與鉆頭9連接，鉆頭柱I內(nèi)嵌裝旋轉(zhuǎn)接頭3，旋轉(zhuǎn)接頭3下部與巖心夾持腔5接觸，限壓活塞6內(nèi)嵌裝彈簧7，限壓活塞6置于巖心夾持腔5下部，限壓活塞6與巖心10接觸。本實施例中，所述巖心夾持腔5包括排液口 8。本實施例中，所述巖心夾持腔5包括進(jìn)液口。本實施例中，所述巖心夾持腔5內(nèi)包括液壓腔4。本實施例中，所述巖心夾持腔5下部外側(cè)有一圈凸起，用于限制巖心與鉆頭保持軸心線重合。本實施例中，所述限壓活塞6為開有槽口的活塞，其槽口用于限制巖心夾持腔內(nèi)壓力過高。本實施例中，所述小活塞11的形狀為圓柱形，用于維持巖心夾持腔內(nèi)的壓力。本實施例中，所述小活塞11位于限壓活塞6的槽口內(nèi)，小活塞11與限壓活塞6為過渡配合。本實施例中，鉆頭柱I與限壓活塞6通過螺紋連接。本實施例中，鉆頭柱I包括直徑不同的兩段柱體。本實施例中，旋轉(zhuǎn)接頭3嵌裝在鉆頭柱I的直徑較大的柱體內(nèi)。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)接頭3包括旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)接頭3的旋轉(zhuǎn)部分與鉆頭柱I接觸。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)接頭3的非旋轉(zhuǎn)部分與所述巖心夾持腔5接觸。本實施例中帶壓濕鉆取心鉆頭的裝配步驟是:1.在巖心夾持腔5內(nèi)注入液體；2.將活塞壓入巖心夾持腔5 ；3.將上一步驟中的巖心夾持腔5放入鉆頭柱I內(nèi)腔中，頂住旋轉(zhuǎn)接頭；4.將鉆頭9安裝/裝配到鉆頭柱I的下方。本實施例中帶壓濕鉆取心鉆頭的工作方式是:將裝配好的帶壓濕鉆取心鉆頭置于待取心的巖體上,從鉆頭柱I頂端注入取心液,進(jìn)入鉆頭柱I的取心液充入鉆頭柱I內(nèi)巖心夾持腔5外部的空隙；液壓腔4下部的限壓結(jié)構(gòu)在液壓推動下通過限壓活塞6與巖石接觸，此時旋轉(zhuǎn)鉆頭柱1，則鉆頭柱I下方的鉆頭9在鉆頭柱I的帶動下旋轉(zhuǎn)切削巖石，隨著切削量增加，鉆頭9及鉆頭柱I不斷向巖體內(nèi)推進(jìn)，則鉆頭柱I內(nèi)的旋轉(zhuǎn)接頭3也帶動巖心夾持腔5向下移動，在旋轉(zhuǎn)接頭3和巖心10的壓力下，液壓腔4內(nèi)的液體被壓縮，液體壓力升高，位于巖心夾持腔5下部的限壓活塞6和小活塞11被迫向下移動，小活塞11下部的彈簧7則阻礙小活塞11和限壓活塞6移動，因此液壓腔4內(nèi)的壓力緩慢升高，當(dāng)液壓腔4內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定值時，彈簧7變形量也達(dá)到預(yù)定值，所述彈簧7變形量的預(yù)定值促使限壓活塞6的位置低于排液口 8的位置，因而液體從排液口 8排出，液體壓力下降，鉆頭9不再向下移動鉆取巖心10 ;當(dāng)液壓低于一定值后，彈簧7變形量減小，彈簧7彈力也隨之減小，因此限壓活塞6向上運動，限壓活塞6的位置高于排液口 8，因而液壓腔4重新變成密閉狀態(tài)。液壓腔4中的液體壓力再次推動限壓活塞6與巖石接觸，鉆頭9旋轉(zhuǎn)切削巖石，切削量繼續(xù)增加，鉆頭9及鉆頭柱I繼續(xù)深入，液壓腔4壓力增大，彈簧7變形增加并再次推動限壓活塞6向下運動至低于排液口 8的位置，液體排出，液體壓力下降，隨之液壓降低后彈簧7變形量再次小，限壓活塞6再向上運動至高于排液口 8的位置，液壓腔4密閉并保持一定的壓力，如此反復(fù)循環(huán)，促使液壓腔4內(nèi)保持一定壓力，壓住巖心10 ;取心完成后，可拆卸鉆頭9，整體取出巖心夾持腔5，達(dá)到循環(huán)利用的目的。帶壓濕鉆取心鉆頭如上述過程反復(fù)循環(huán)，不斷推動鉆頭9向下壓，并旋轉(zhuǎn)切削巖心10。圖2為圖1所示實施例的取心過程示意圖，本實施例中X為剛開始取心時的工作狀態(tài)，此時液壓腔容積較大，所需的液體較多，彈簧的伸縮量較?。沪盟镜臓顟B(tài)為取心中間過程中的狀態(tài)之一，此時液壓腔的容積中等；Z所示的狀態(tài)為取心結(jié)束前的狀態(tài)，此時取心過程接近尾聲，此后，可通過調(diào)節(jié)進(jìn)液口排量至較大值，沖洗鉆孔中的鉆屑，緩慢旋轉(zhuǎn)并提升取心鉆頭至初始位置，然后取出圓柱形巖心，清理、編號，至此，取心過程完成。更多操作對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言都是已知的，不再贅述。本實施例中所述的帶壓濕鉆取心鉆頭可避免對巖心的損害，取心成功率高，對于現(xiàn)場勘測和實驗室研究數(shù)據(jù)的提取均具有較好的積極效果。本實施例所述的帶壓濕鉆取心鉆頭的技術(shù)方案包括上述各部分的任意組合，上述各部分組件的簡單變化或組合仍為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種帶壓濕鉆取心鉆頭，包括鉆頭柱、鉆頭、旋轉(zhuǎn)接頭、活塞、彈簧，鉆頭柱下方與鉆頭連接，鉆頭柱內(nèi)嵌裝旋轉(zhuǎn)接頭，活塞與彈簧連接，其特征在于:鉆頭柱內(nèi)包括巖心夾持腔，旋轉(zhuǎn)接頭下部與巖心夾持腔接觸，活塞與彈簧置于巖心夾持腔內(nèi)下部。
2.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述巖心夾持腔包括排液口。
3.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述巖心夾持腔內(nèi)包括液壓腔。
4.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述活塞包括限壓活塞。
5.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述活塞包括小活塞。
6.如權(quán)利要求4所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述限壓活塞包括槽口。
7.如權(quán)利要求4或5或6所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述小活塞位于限壓活塞的槽口內(nèi)，小活塞與限壓活塞為過渡配合。
8.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:鉆頭柱與活塞通過螺紋連接。
9.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:鉆頭柱包括直徑不同的兩段柱體。
10.如權(quán)利要求1所述的帶壓濕鉆取心鉆頭，其特征在于:所述巖心夾持腔包括進(jìn)液□。
全文摘要
一種帶壓濕鉆取心鉆頭，包括鉆頭柱、鉆頭、旋轉(zhuǎn)接頭、活塞、彈簧，鉆頭柱下方與鉆頭連接，鉆頭柱內(nèi)嵌裝旋轉(zhuǎn)接頭，活塞與彈簧連接，鉆頭柱內(nèi)包括巖心夾持腔，旋轉(zhuǎn)接頭下部與巖心夾持腔接觸，活塞與彈簧置于巖心夾持腔內(nèi)下部。本發(fā)明提供的帶壓濕鉆取心鉆頭可避免對巖心的損害，取心成功率高，對于現(xiàn)場勘測和實驗室研究數(shù)據(jù)的提取均具有較好的積極效果。
文檔編號E21B10/02GK103195385SQ20131010471
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者張廣清 申請人:中國石油大學(xué)(北京)