[实用新型]一种具有冷却功能的干法取心钻头

说明书

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。