本實(shí)用新型涉及一種在石油勘探開(kāi)發(fā)行業(yè)中用于起鉆清洗鉆具的清潔工具，尤其涉及一種具有冷卻功能的干法取心鉆頭。

背景技術(shù)：

在石油工程和巖土工程中，室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室是研究巖石基本力學(xué)性能的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和科研領(lǐng)域，往往要通過(guò)大量力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得工程巖石的力學(xué)參數(shù)，而巖石取心是其必備工作之一，也是開(kāi)展室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一步。

泥頁(yè)巖、鹽膏巖、碳酸鹽巖等非常規(guī)巖心弱膠結(jié)、裂縫或?qū)永戆l(fā)育，在實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)巖樣加工過(guò)程中存在著巖樣水化、破碎、鉆頭遇阻等難題，嚴(yán)重影響標(biāo)準(zhǔn)巖樣取心成功率?，F(xiàn)在室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用的取心鉆頭一般都采用清水進(jìn)行循環(huán)排屑，不僅對(duì)所取巖樣造成了二次傷害，而且泥頁(yè)巖層理面遇水極易水化，造成斷裂無(wú)法取心成功。即使采用鉆井液來(lái)代替水進(jìn)行循環(huán)也不能提高取心成功率，因?yàn)殂@井液粘度高、不易排屑、易造成巖屑包裹鉆頭，顯著增加鉆頭與巖心之間的磨阻，進(jìn)一步加劇巖心沿裂縫、層理斷裂的可能性。

中國(guó)石油大學(xué)(北京)提出的帶壓干鉆取心鉆頭技術(shù)通過(guò)上下活塞與液壓腔構(gòu)成限壓裝置，關(guān)閉注液口后，在液壓作用下下活塞推動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭與巖體接觸，繼而將該壓力傳遞至鉆取的圓柱形巖心，在整個(gè)巖心鉆取過(guò)程中旋轉(zhuǎn)接頭始終與巖心接觸保持壓緊，該帶壓干鉆取心鉆頭較好的解決了取心過(guò)程中因巖心軸向壓力釋放以及水化等因素引起的巖心損害問(wèn)題。但是該取心鉆頭存在顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)：為了避免巖心軸向壓力釋放引起巖心斷裂，鉆取過(guò)程中要始終保持旋轉(zhuǎn)接頭與巖心接觸，不能上下活動(dòng)鉆頭，因此取心過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑會(huì)在巖心圓柱壁面與鉆頭內(nèi)壁面、鉆頭外壁面與巖心(本體)面之間不段大量堆積和壓縮，由此引起的摩阻不斷增加累積，并產(chǎn)生極高鉆進(jìn)阻抗和很高的摩擦熱，所以因摩阻阻抗和摩擦熱帶來(lái)的巖心傷害反而比因軸向壓力釋放帶來(lái)的傷害更加嚴(yán)重，最終無(wú)法避免弱膠結(jié)、裂縫或?qū)永砻姘l(fā)育的巖心斷裂，大大降低取心成功率。

東北石油大學(xué)提出的泥巖冷卻氣取巖樣的裝置及其取巖樣的方法(專利號(hào)201010500263.0)中采用的取心鉆頭與常規(guī)取心鉆頭沒(méi)有差別，其工作原理：鉆頭鉆取巖心，用獨(dú)立于鉆頭的吹氣噴嘴吹起巖屑，然后用抽氣裝置將吹起的巖屑粉塵吸走。因而該專利采用的取心鉆頭不能夠?qū)崟r(shí)將產(chǎn)出的巖屑反循環(huán)抽吸排出，且每鉆進(jìn)3-5mm需上提取心鉆頭進(jìn)行冷卻，并用噴嘴清理巖屑及粉塵；巖心鉆取過(guò)程中產(chǎn)生大量的摩擦熱，在很大程度上抵消了冷卻氣體對(duì)巖心的冷卻作用。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)油氣資源的需求量逐步增大，油氣勘探與開(kāi)發(fā)進(jìn)展速度面臨著大挑戰(zhàn)。各油田公司加強(qiáng)老油氣區(qū)塊開(kāi)發(fā)速度的同時(shí)，也加快了外圍新區(qū)塊的勘探，尤其是頁(yè)巖油氣等非常規(guī)資源的勘探開(kāi)發(fā)的開(kāi)啟，這都對(duì)鉆井、固完井、油氣評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層改造等工程技術(shù)提出了很高的要求。地層是所有石油工程技術(shù)的主要工作對(duì)象，開(kāi)展地層的物理力學(xué)特性、地應(yīng)力狀態(tài)等評(píng)價(jià)是提高一系列關(guān)鍵石油工程技術(shù)設(shè)計(jì)與施工效率的基礎(chǔ)，也是推動(dòng)油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確求取巖石力學(xué)特性參數(shù)就顯得尤為重要，不同于堅(jiān)硬或高強(qiáng)度的常規(guī)砂巖等，泥頁(yè)巖等非常規(guī)地層弱膠結(jié)、裂縫、層理或易水化巖石強(qiáng)度低、取心難，即使獲得完整巖心，取心過(guò)程中的水化、摩擦扭矩等因素對(duì)巖心造成的損傷對(duì)巖石力學(xué)特性參數(shù)求取影響顯著。目前，國(guó)內(nèi)外室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)取心鉆頭主要存在著以下不足：

(1)利用水或鉆井液取心，易造成巖心水化二次傷害，以及鉆頭泥裹摩阻增加導(dǎo)致取心成功率大大降低；

(2)取心鉆頭未能形成有效的返排通道，巖屑大量堆積，導(dǎo)致鉆頭遇阻和巖心沿薄弱面斷裂；

(3)取心過(guò)程中巖屑返排不及時(shí)導(dǎo)致鉆頭破巖處溫度升高，對(duì)于含結(jié)晶水較多的泥頁(yè)巖或膠結(jié)較差的其它非常規(guī)巖石來(lái)說(shuō)，溫度升高意味著巖心的解體；

(4)用液氮或冰柜冰凍后的巖心提高了巖樣的膠結(jié)強(qiáng)度，但泥頁(yè)巖巖心鉆取時(shí)間長(zhǎng)，在鉆取過(guò)程中巖心逐漸升溫，大大降低了巖心冰凍效果。

可見(jiàn)，現(xiàn)有室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)所采用的干法取心鉆頭未充分解決取心過(guò)程中鉆屑返排、清潔問(wèn)題，且沒(méi)有考慮泥頁(yè)巖巖樣的冷卻問(wèn)題，因此如何設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)合理、使用簡(jiǎn)單方便的干法取心鉆頭成為當(dāng)前主要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的特征和優(yōu)點(diǎn)在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見(jiàn)，或者可通過(guò)實(shí)踐本實(shí)用新型而學(xué)習(xí)。

為克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種具有冷卻功能的干法取心鉆頭，有氣體注入通道，用于注入氣化液氮使冰凍巖心保持低溫冷卻，提高泥頁(yè)巖等弱膠結(jié)巖石強(qiáng)度；同時(shí)設(shè)計(jì)有本體返排通道、連通返排通道和環(huán)形返排通道，不需水或鉆井液來(lái)循環(huán)返屑，空氣及氣化液氮通過(guò)各個(gè)返排通道將巖屑反循環(huán)排出，有效解決了干取心過(guò)程中鉆屑返排、清潔問(wèn)題，大大提高弱膠結(jié)、裂縫或?qū)永砻姘l(fā)育巖石的取心成功率，同時(shí)避免了取心過(guò)程中對(duì)巖樣造成的二次損害問(wèn)題。

本實(shí)用新型提供一種具有冷卻功能的干法取心鉆頭，包括：本體，其內(nèi)部設(shè)有中空區(qū)，其底部設(shè)有通孔，與所述中空區(qū)連通；巖心套，設(shè)置在所述中空區(qū)內(nèi)，通過(guò)所述本體上的通孔能直接到達(dá)所述巖心套的內(nèi)部，所述巖心套的外側(cè)壁與所述中空區(qū)的內(nèi)壁形成環(huán)形返排通道；本體返排通道，位于所述本體的中空區(qū)的上部，且與外界連通；連通返排通道，用于連通所述環(huán)形返排通道以及所述本體返排通道；氣體注入通道，位于所述本體的中空區(qū)的上部，與所述巖心套和外界連通，用于向所述巖心套內(nèi)注入冷卻氣體；進(jìn)氣孔，設(shè)置在所述本體上，且與所述環(huán)形返排通道連通；刀頭，固定在所述本體的底部。

可選地，還包括螺旋通道，設(shè)置于所述巖心套的外側(cè)壁或所述中空區(qū)的內(nèi)壁中的至少一個(gè)上。

可選地，所述連通返排通道包括至少一個(gè)孔狀返排通道。

可選地，所述進(jìn)氣孔包括第一進(jìn)氣孔，位于所述本體的下端側(cè)壁。

可選地，所述第一進(jìn)氣孔為多個(gè)，均勻設(shè)置在所述本體的下端側(cè)壁。

可選地，所述第一進(jìn)氣孔為3個(gè)。

可選地，所述進(jìn)氣孔包括第二進(jìn)氣孔，位于所述本體的底部。

可選地，所述第二進(jìn)氣孔為多個(gè)，均勻設(shè)置在所述本體的底部。

可選地，所述第二進(jìn)氣孔為2個(gè)。

可選地，所述本體外壁面上設(shè)有刻度線。

本實(shí)用新型提供的具有冷卻功能的干法取心鉆頭，適用于室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)非常規(guī)泥頁(yè)巖巖心鉆取，取心鉆頭與氣化液氮注入裝置、抽吸裝置相連接，氣化液氮由氣體注入通道和巖心與巖心套之間的縫隙進(jìn)入，使巖心保持低溫冷卻，并將鉆取過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑排出，保證巖心套內(nèi)壁清潔；在抽吸裝置作用下，巖屑經(jīng)由返排通道排出，冷卻刀頭并將摩阻降至最低，提高取心成功率。

本實(shí)用新型提供的具有冷卻功能的干法取心鉆頭可以應(yīng)用于石油天然氣工程、巖土工程領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)巖心鉆取是獲得巖石力學(xué)參數(shù)的第一步，也是影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性的第一步，取心過(guò)程造成的損傷對(duì)后期參數(shù)測(cè)量有很大的影響，本實(shí)用新型可將取心損傷影響降至最低，從而保證獲取參數(shù)的有效性，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

通過(guò)閱讀說(shuō)明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好地了解這些技術(shù)方案的特征和內(nèi)容。

附圖說(shuō)明

下面通過(guò)參考附圖并結(jié)合實(shí)例具體地描述本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式將會(huì)更加明顯，其中附圖所示內(nèi)容僅用于對(duì)本實(shí)用新型的解釋說(shuō)明，而不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的任何意義上的限制，在附圖中：

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的具有冷卻功能的干法取心鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的環(huán)形返排通道、連通返排通道以及本體返排通道的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的本體底部的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種具有冷卻功能的干法取心鉆頭，包括本體10以及設(shè)置在本體10上的巖心套20、本體返排通道33、連通返排通道32、氣體注入通道35、進(jìn)氣孔50、刀頭40。

其中，本體10的內(nèi)部設(shè)有中空區(qū)，請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D3，本體的底部11設(shè)有與中空區(qū)連通的通孔12；刀頭40固定在本體10的底部，刀頭40用于巖心破碎鉆取，例如金剛石刀頭。本體10可以采用合金鋼材料，其頂端還布置有公接頭。在本體10的中空區(qū)的上部，設(shè)有與外界連通的本體返排通道33，用于與抽吸裝置相連接；本體返排通道33是巖屑最終匯集通道，巖屑最終由此通道返排出。

巖心套20就位于中空區(qū)內(nèi)，巖心套20的內(nèi)部用于容納鉆取巖心，一般地，巖心套20可以由合金鋼制成。巖心套20的外側(cè)壁與中空區(qū)的內(nèi)壁形成環(huán)形返排通道31；該環(huán)形返排通道31通過(guò)連通返排通道32與本體返排通道33相連通，也就是說(shuō)，連通返排通道32是用于連通環(huán)形返排通道以及本體返排通道的。請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D2，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，連通返排通道32可以包括至少一個(gè)孔狀返排通道，每個(gè)孔狀返排通道的一端與環(huán)形返排通道31相連通，另一端與本體返排通道33相連通；本實(shí)用新型并不對(duì)孔狀返排通道的形狀做限定，其橫截面可以是圓形、方形、三角形等。

氣體注入通道35位于本體的中空區(qū)的上部，與巖心套20和外界連通；，用于向所述巖心套內(nèi)注入冷卻氣體；該冷卻氣體可以是氣化液氮，氣化液氮通過(guò)氣體注入通道35注入巖心套內(nèi)，對(duì)冰凍巖心進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻，避免取心過(guò)程中巖心溫度升高，造成巖心膠結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致巖心斷裂。此外，該氣體注入通道3亦可作為巖心解卡通道，當(dāng)鉆取巖心斷裂卡住時(shí)，卸下取心鉆頭利用此通道進(jìn)行解卡。

進(jìn)氣孔50設(shè)置在本體上，且與環(huán)形返排通道31連通。本實(shí)施例中，進(jìn)氣孔50包括第一進(jìn)氣孔51，位于本體10的下端側(cè)壁，該下端側(cè)壁靠近本體10的底部。該第一進(jìn)氣孔51可以為多個(gè)，均勻設(shè)置在本體的下端側(cè)壁。在具體實(shí)施時(shí)，第一進(jìn)氣孔例如為3個(gè)，此時(shí)，在本體10的外側(cè)壁上每隔120°就需要設(shè)置一個(gè)第一進(jìn)氣孔51。進(jìn)氣孔50還可以包括第二進(jìn)氣孔52，位于本體10的底部，該第二進(jìn)氣孔為多個(gè)，均勻設(shè)置在所述本體的底部，更具體地，第二進(jìn)氣孔可以與金剛石刀頭相對(duì)應(yīng)設(shè)置；第二進(jìn)氣孔的個(gè)數(shù)例如為2個(gè)。

還包括螺旋通道21，設(shè)置于巖心套20的外側(cè)壁或中空區(qū)的內(nèi)壁中的至少一個(gè)上，例如設(shè)置在巖心套20的外側(cè)壁上，由于環(huán)形返排通道31是由巖心套20的外側(cè)壁與中空區(qū)的內(nèi)壁形成的，螺旋通道21實(shí)際為設(shè)置在環(huán)形返排通道的至少一個(gè)內(nèi)側(cè)壁上的凹槽；螺旋通道21的設(shè)置有利于氣化液氮流通，更好地帶動(dòng)巖屑反循環(huán)排出。

在本實(shí)施例中，本體10的外壁面上還設(shè)有刻度線，通過(guò)觀察本體外壁面上刻度線位置，當(dāng)鉆至取心深度時(shí)可以及時(shí)停止鉆進(jìn)。

本實(shí)用新型提供的具有冷卻功能的干法取心鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高，其應(yīng)用方法如下：

(1)把室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)非常規(guī)泥頁(yè)巖干法取心鉆頭與巖樣鉆取機(jī)相連，并與氣化液氮注入裝置、空氣抽吸裝置相連；

(2)取心鉆進(jìn)開(kāi)始，鉆頭本體旋轉(zhuǎn)，金剛石刀頭切削巖石，并不斷產(chǎn)生巖屑和大量的摩擦熱量；氣化液氮在注入裝置的作用下進(jìn)入巖心套內(nèi)，實(shí)時(shí)冷卻巖心和鉆頭，且不斷清潔巖心套內(nèi)表面；

(3)在抽吸返排作用下，空氣和氣化液氮攜帶者巖屑經(jīng)由5個(gè)進(jìn)氣孔進(jìn)入環(huán)形返排通道，并最終經(jīng)由連通返排通道和本體返排通道排出；

(4)繼續(xù)鉆取巖心，氣化液氮不斷冷卻巖心和鉆頭，反循環(huán)空氣和氣化液氮不斷地吸洗清潔鉆頭及巖樣接觸面，保持鉆頭清潔；

(5)觀察本體外壁面上刻度線位置，當(dāng)鉆至取心深度時(shí)停止鉆進(jìn)，然后取出圓柱形巖心，清理取出的巖心并編號(hào)；

(6)更多操作對(duì)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(shí)用新型提供的具有冷卻功能的干法取心鉆頭可有效解決干法取心過(guò)程中巖心冰凍、鉆屑返排、清潔問(wèn)題，大大提高弱膠結(jié)、裂縫或?qū)永砻姘l(fā)育巖石的取心成功率，同時(shí)避免取心過(guò)程中對(duì)巖樣造成的二次損害問(wèn)題，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)的提取具有很好的積極效果。

本實(shí)用新型不需水或鉆井液來(lái)循環(huán)返屑，氣化液氮由鉆頭頂部通道注入，冷卻巖心保持巖心冰凍效果，利用抽吸反循環(huán)將巖屑排出，大大降低干法取心摩阻，提高取心成功率。更具體地，本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)有氣化液氮注入通道，氣化液氮通過(guò)該通道注入巖心套內(nèi)，對(duì)冰凍巖心進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻，避免取心過(guò)程中巖心溫度升高，造成巖心膠結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致巖心斷裂。

(2)設(shè)計(jì)有本體返排通道、環(huán)形返排通道和連通返排通道三個(gè)返排通道，空氣及氣化液氮通過(guò)各個(gè)返排通道攜帶巖屑反循環(huán)排出，避免了取心過(guò)程中對(duì)巖心的二次損傷。

(3)巖心套內(nèi)壁設(shè)計(jì)有螺旋通道，注入氣流可防止巖心圓柱壁面與巖心套內(nèi)壁面之間的進(jìn)入巖屑，最大限度降低取心摩阻，同時(shí)利于氣化液氮流通，增強(qiáng)巖心冷卻效果。

(4)本體進(jìn)氣孔采用120°對(duì)稱布置設(shè)計(jì)，同時(shí)在本體底部亦布置有兩個(gè)進(jìn)氣孔，當(dāng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)取心時(shí)可將巖屑無(wú)死角吸入返排。

(5)取心鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，應(yīng)用性較強(qiáng)。

本實(shí)用新型提供的具有冷卻功能的干法取心鉆頭，解決室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)取心過(guò)程中因巖屑返排不及時(shí)、水化傷害以及巖心溫度升高引起取心失敗問(wèn)題的干法取心鉆頭，進(jìn)而提高泥頁(yè)巖等非常規(guī)巖石取心成功率，并將巖心取心損傷降至最低。

以上參照附圖說(shuō)明了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本實(shí)用新型的范圍和實(shí)質(zhì)，可以有多種變型方案實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。舉例而言，作為一個(gè)實(shí)施例的部分示出或描述的特征可用于另一實(shí)施例以得到又一實(shí)施例。以上僅為本實(shí)用新型較佳可行的實(shí)施例而已，并非因此局限本實(shí)用新型的權(quán)利范圍，凡運(yùn)用本實(shí)用新型說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效變化，均包含于本實(shí)用新型的權(quán)利范圍之內(nèi)。