一种自冲击取心钻头、取心钻具及其制作方法

摘要

本申请公开了一种自冲击取心钻头、取心钻具及其制作方法，取心钻头包括：钻头胎体，钻头胎体的中心设有第一通孔，钻头胎体上还设有第二通孔，第二通孔和第一通孔平行设置；第二通孔包括相互连接的第一部分和第二部分，第一部分的孔的尺寸大于第二部分的孔的尺寸；钻头胎体上设有连接螺纹；封堵头，其连接在第一部分的一端；弹性件，其设置在第一部分内；弹性件的一端与封堵头抵接；以及冲锤，其包括相互连接的锤帽部和锤体部；锤帽部设置在第一部分内，锤体部设置在第二部分内；弹性件的另一端与锤帽部抵接；弹性件处于自然伸长状态时，锤体部的一端伸出于第二部分的孔外。本申请的取心钻头自身能够提供冲击荷载辅助碎岩，结构更加简化。

说明书

技术领域

本申请属于钻探设备技术领域，更具体地说，是涉及一种自冲击取心钻头、取心钻具及其制作方法。

背景技术

目前，地质勘探、钻探、石油钻井中一般都是利用冲击器(常用名：潜孔锤、液动锤或气动锤)配合泥浆泵、钻杆、钻头作为冲击旋转碎岩的工具。其工作机理为在旋转切削岩石的基础上累加一个周期性的冲击载荷辅助碎岩。但由于冲击器钻头自身不能提供冲击荷载，冲击器在开始正常工作时需要从外部输入能量，一般是通过连接的泥浆泵或空压机提供，连接泥浆泵或空压机导致冲击器结构复杂、体积较大，调试和维护保养较复杂。

此外，目前常用的冲击器辅助碎岩工具，为保证其在孔(井)底正常工作，要在地表做相关的调试工作。液动冲击器的正常工作需要对泵压和泵量有着严格要求，在使用时，所配合的泥浆泵型号比正常施工要大，在全孔漏湿钻孔施工时，会因为泵压低而难以正常工作，且冲击器的部分工件价格较高，使用的成本较大。

发明内容

本申请的目的在于提供一种自冲击取心钻头、取心钻具及其制作方法，以解决现有技术中的冲击器的取心钻头自身不能提供冲击荷载，需要额外连接能量输入设备导致的冲击器结构复杂、体积较大、调试和维护保养较复杂以及设备成本较高的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种自冲击取心钻头，包括：

钻头胎体，所述钻头胎体的中心设有第一通孔，所述钻头胎体上还设有第二通孔，所述第二通孔和所述第一通孔平行设置；所述第二通孔包括相互连接的第一部分和第二部分，所述第一部分的孔的尺寸大于所述第二部分的孔的尺寸；所述钻头胎体上设有连接螺纹；

封堵头，其连接在所述第一部分的一端；

弹性件，其设置在所述第一部分内；所述弹性件的一端与所述封堵头抵接；以及，

冲锤，其包括相互连接的锤帽部和锤体部；所述锤帽部设置在所述第一部分内，所述锤体部设置在所述第二部分内；

所述弹性件的另一端与所述锤帽部抵接；所述弹性件处于自然伸长状态时，所述锤体部的一端伸出于所述第二部分的孔外。

进一步地，还包括垫片，所述垫片设于所述弹性件和所述锤帽部之间，所述垫片两侧分别与所述弹性件和所述锤帽部抵接。

进一步地，所述第二通孔在所述钻头胎体上设有多个，多个所述第二通孔环绕所述第一通孔设置。

进一步地，所述第一部分的一端设有内螺纹，所述封堵头与所述内螺纹螺纹连接。

进一步地，所述钻头胎体的内壁上还设有内水槽，所述内水槽沿所述钻头胎体的轴向设置，所述内水槽与所述第一通孔相连通。

进一步地，所述钻头胎体的端面上还设有底水槽，所述底水槽与所述第一通孔相连通。

进一步地，所述钻头胎体的外壁上还设有外水槽，所述外水槽与所述底水槽相连通。

进一步地，所述底水槽设有多个，多个所述底水槽环绕所述第一通孔设置。

本申请的第二方面，还提供了一种取心钻具，所述取心钻具包括上述任意一项所述的自冲击取心钻头。

本申请的第三方面，还提供了一种自冲击取心钻头的制作方法，包括以下步骤：

在钻头胎体上沿所述钻头胎体的轴向方向分别钻第一部分的孔和第二部分的孔；所述第一部分的孔的尺寸大于所述第二部分的孔的尺寸；所述第一部分的孔和所述第二部分的孔连通形成第二通孔；所述第二通孔和所述钻头胎体的第一通孔平行设置；

将冲锤装入所述第二通孔内，且所述冲锤的锤帽部位于所述第一部分内，所述冲锤的锤体部位于所述第二部分内；

将弹性件装入所述第二通孔内，所述弹性件的一端与所述锤帽部抵接；

将封堵头连接在所述第一部分的一端，使所述弹性件的另一端与所述封堵头抵接。

与现有技术相比，本申请具有以下的技术效果：

本申请的一种自冲击取心钻头通过在钻头胎体内设置弹性件和冲锤，使得钻头在钻进过程中，与所钻进地层相互配合，自身能够提供冲击荷载辅助碎岩，无需额外连接泥浆泵、空压机等能量输入设备，使得采用本申请的自冲击取心钻头的钻具结构更加简化、减小钻具整体体积，同时简化钻具的调试和维护保养操作，并降低设备成本。

本申请的一种自冲击取心钻头的制作方法简单，各组成部件易于装配，便于后期的保养与更换。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种自冲击取心钻头的剖面结构示意图；

图2为图1中钻头胎体的结构示意图；

图3为图2的正视图；

图4为图2的仰视图；

图5为本申请实施例提供的一种自冲击取心钻头钻进过程工作示意图；

图6为本申请实施例提供的一种自冲击取心钻头的单个冲锤工作时产生冲击荷载的示意图。

其中，图中各附图标记：

1、钻头胎体，2、封堵头，3、弹性件，4、冲锤，5、垫片，101、第一通孔，102、第二通孔，103、连接螺纹，104、内水槽，105、底水槽，106、外水槽，401、锤帽部，402、锤体部，1021、第一部分，1022、第二部分，10211、内螺纹。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1-图6，现对本申请实施例提供的一种自冲击取心钻头、取心钻具及其制作方法进行说明。

本申请实施例的一种自冲击取心钻头包括钻头胎体1、封堵头2、弹性件3和冲锤4。钻头胎体1的中心设有第一通孔101，钻头胎体1上还设有第二通孔102，第二通孔102和第一通孔101平行设置，即第二通孔102的中心轴线和第一通孔101的中心轴线平行；第二通孔102包括相互连接的第一部分1021和第二部分1022，第一部分1021的孔的尺寸大于第二部分1022的孔的尺寸；钻头胎体1上设有连接螺纹103，连接螺纹103用于连接岩芯管。封堵头2连接在第一部分1021的一端，用于对第二通孔102的一端进行封堵，防止设置在第二通孔102内的部件从第二通孔102的端部脱出；弹性件3设置在第一部分1021内；弹性件3的一端与封堵头2抵接；冲锤4包括相互连接的锤帽部401和锤体部402；锤帽部401设置在第一部分1021内，锤体部402设置在第二部分1022内；弹性件3的另一端与锤帽部401抵接；弹性件3处于自然伸长状态时，锤体部402的一端伸出于第二部分1022的孔外。

本申请实施例的“第一部分1021的孔的尺寸大于第二部分1022的孔的尺寸”的具体含义为：若第二通孔102为圆形孔，即第一部分1021和第二部分1022均为圆形孔，则第一部件1021的孔直径大于第二部分1022的孔直径；若第一部分1021、第二部分1022中至少有一个为非圆形孔，如方形孔、六边形孔等，则第二部分1022的孔的投影处于第一部分1021的孔的投影内。总体上，本申请实施例的第二通孔102需要满足其第二部分1022的孔的投影处于第一部分1021的孔的投影内即可。本申请实施例的第一通孔101和第二通孔102的形状不受限制，本申请实施例的第一通孔101、第二通孔102均以圆形孔为例进行说明。

本申请实施例的封堵头2可以以焊接或粘接的形式封堵在第一部分1021的孔的一端，在本申请实施例中，采用在第一部分1021的上端设置内螺纹10211，封堵头2上设置与内螺纹10211相匹配的外螺纹，封堵头2的一端螺纹连接在第一部分1021的孔内。

本申请实施例的冲锤4的形状、大小与第二通孔102的形状、大小相适配，冲锤4的锤帽部401恰好卡在第一部分1021内，锤体部402恰好卡在第二部分1022内，且锤帽部401不能够进入到第二部分1022内，使得冲锤4在第二通孔102内可自由向上运动，但向下的运动受限。

本申请实施例可以使用弹簧作为弹性件3，也可以使用其他能够发生弹性形变的构件。

本申请实施例的一种自冲击取心钻头的工作状态示意图如图5、图6所示。钻进工作开始之前，弹性件3处于自然伸直状态，冲锤4的下端伸出于第二通孔102外，如图4所示；钻进工作开始后，钻头胎体1的下端面在钻进旋转过程中，底部遇到表面不均匀的地层岩块时，突出的地层岩块会将伸出的冲锤4沿着第二通孔102向内挤压弹性件3，弹性件3向上压缩同时使得冲锤4高度提升，当钻头胎体1旋转一定角度后，冲锤4下端面所受到的地层岩块的挤压消失，冲锤4又会在弹性件3的弹力作用下向下运动，冲锤4的高度迅速变化，提供冲击荷载辅助碎岩，单个冲锤4工作时产生冲击荷载的示意图如图6所示。

本申请实施例的一种自冲击取心钻头通过在钻头胎体1内设置弹性件3和冲锤4，使得钻头在钻进过程中，与所钻进地层相互配合，自身能够提供冲击荷载辅助碎岩，无需额外连接泥浆泵、空压机等能量输入设备。

进一步地，本申请实施例的自冲击取心钻头还包括垫片5，垫片5设于弹性件3和锤帽部401之间，垫片5两侧分别与弹性件3和锤帽部401抵接。通过垫片5将弹性件3和锤帽部401间隔开，以减缓接触部件间的冲击磨损。

进一步地，本申请实施例的第二通孔102在钻头胎体1上设有多个，多个第二通孔102环绕第一通孔101设置。多个第二通孔102可在钻头胎体1的下端面上均匀、对称设置，在本申请实施例中，共设置了8个第二通孔102，每个第二通孔102内均按上述相同的方式设置有封堵头2、弹性件3和冲锤4，相应地，装配了8个冲锤4。这样，钻头环向共8个冲锤4，在钻进旋转过程中，8个第二通孔102内的8个冲锤4循环不断的产生冲击荷载，提高钻进的效率。

进一步地，连接螺纹103可设置在钻头胎体1的内壁上，也可设置在钻头胎体1的外壁上，本申请实施例的连接螺纹103设置在钻头胎体1的外壁上，工作时，通过连接螺纹103将钻头胎体1与岩芯管连接，进而连接到钻机的钻杆上。

进一步地，本申请实施例的钻头胎体1的内壁上还设有内水槽104，内水槽104沿钻头胎体1的轴向设置，内水槽104与第一通孔101相连通。钻头进行钻进作业时，通过内水槽104向钻头头部供钻井液，以对工作中的钻头进行冷却降温保护。

进一步地，本申请实施例的钻头胎体1的下端面上还设有底水槽105，底水槽105与第一通孔101相连通。通过内水槽104进来的钻井液可通过底水槽105快速地向钻头四周流动，以更快地对钻头进行降温。底水槽105可设置多个，多个底水槽105在钻头胎体1的下端面上环绕第一通孔101设置。本申请实施例的底水槽105共设置有8个，8个底水槽105和8个第二通孔102间隔设置。

进一步地，本申请实施例的钻头胎体1的外壁上还设有外水槽106，外水槽106与底水槽105相连通，通过设置外水槽106可进一步加快钻井液向钻头四周流动的速度，快速对钻头进行降温。

此外，本申请实施例的内水槽104和外水槽106还可以有效降低甚至避免钻头钻进过程中产生的岩石碎屑导致的卡钻现象。

本申请实施例的第二方面，还提供了一种取心钻具，该取心钻具包括上述所述的自冲击取心钻头。本申请实施例的取心钻具由于采用了本申请实施例的自冲击取心钻头，其结构更加简化、减小钻具整体体积，同时简化钻具的调试和维护保养操作，并降低设备成本。

本申请实施例的第三方面，还提供了一种自冲击取心钻头的制作方法，包括以下步骤：

(1)在钻头胎体1上沿钻头胎体1的轴向方向分别钻第一部分1021的孔和第二部分1022的孔；第一部分1021的孔的尺寸大于第二部分1022的孔的尺寸；第一部分1021的孔和第二部分1022的孔连通形成第二通孔102；第二通孔102和钻头胎体1的第一通孔101平行设置；

(2)将冲锤4装入第二通孔102内，且冲锤4的锤帽部401位于第一部分1021内，冲锤4的锤体部402位于第二部分1022内；

(3)将弹性件3装入第二通孔102内，弹性件3的一端与锤帽部401抵接；

(4)将封堵头2连接在第一部分1021的一端，使弹性件3的另一端与封堵头2抵接。

此外，制作过程中，在装入冲锤4后，还可装入垫片5，使得冲锤4的锤帽部401与垫片5的下侧抵接；之后再装入弹性件3，使得垫片5的上侧与弹性件3的下侧抵接；最后，将封堵头2螺纹连接在第一部分1021的孔内，使得弹性件3的上端与封堵头2的下侧抵接。

还可以在钻头胎体1的下端面沿圆周环形均匀切除8个底水槽105，其中一个底水槽105分别在内部和外部沿钻头胎体1轴向方向切除出一个内水槽104和外水槽106。

使用时，将钻头胎体1通过其外壁上的连接螺纹103连接上岩芯管、钻杆，装配到钻机上即可。

本申请实施例的一种自冲击取心钻头的制作方法简单，各组成部件易于装配，便于后期的保养与更换。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。