松散破碎地层用局部反循环取芯钻具

摘要

本发明提供了一种松散破碎地层用局部反循环取芯钻具，包括接头、外管、负吸元件、过渡元件、岩心管接头、过渡联通元件、内管、扩孔器、弹卡和钻头，负吸元件的上端与接头下端、外管连接，负吸元件下端通过支撑环连接过渡元件，过渡元件通过岩芯管接头与内管连接，弹卡置于内管中，内管坐落在钻头内壁台阶上，内管通过扩孔器与钻头连接，过渡联通元件贯穿支撑环、过渡元件、岩芯管接头设置。本发明钻具采用类似于齿轮泵的结构来造成负压形成钻井液局部反循环效果，有利于避免全孔反循环过程中钻井液对孔壁的冲刷，有利于岩芯进入岩心管，在钻进过程中可有效提高岩芯采取率，适于在松散、破碎、易溶蚀、易冲蚀地层中钻进使用。

说明书

技术领域

本发明涉及矿产资源勘查、油井钻探等工程领域，具体涉及一种松散破碎等复杂地层用 局部反循环取芯钻具。

背景技术

目前，世界各国矿产资源日渐枯竭，这就需要钻井公司更经济、更有效地进行矿产资源 开发。要了解地层中矿产资源的结构，走向等情况，深部取芯钻探是最有效的手段。作为钻 进作业中的重要工具——钻具，其工作性能直接影响到钻进作业的质量、成本和效率。

在钻进作业中经常遇到松散破碎等复杂地层，钻遇这类复杂地层时其取芯非常困难，普 通取芯钻进方法难以高质高效采取所需岩芯。目前解决松散破碎地层钻进取芯的方法多采用 全孔反循环或者射流式孔底局部反循环钻具钻进取芯。全孔反循环钻具钻进时其钻井液回路 虽然有利于岩芯进入岩芯管，但是钻井液在外管与孔壁的环状间隙内从上向下运动时，全孔 反循环的钻井液会冲蚀孔壁，在松散破碎地层中岩芯采取率不高；射流式孔底局部反循环钻 具虽然具有普通反循环的优点，也能够克服普通反循环的缺陷，但是通过射流的方式造成孔 底局部反循环需要大泵压高射流速度才能形成，且造成负压现象不明显，在射流速度较低的 情况下，反循环效果差，严重影响了岩芯采取率，造成岩芯采取率低。

当前，随着对矿产资源勘查要求的不断提高，勘查地层越来越复杂，勘查深度也不断增 加，取芯要求也不断提高。在取芯钻进中，不可避免的会遇到松散破碎复杂地层，从而造成 岩芯采取率不高、岩芯采取质量偏低等情况。因此高质高效采取所需岩心，是矿产资源勘查 的关键环节之一。

发明内容

本发明要解决的问题是，针对现有全孔反循环或者射流式孔底局部反循环钻具钻进取芯 存在的上述不足，提供一种松散破碎等复杂地层用局部反循环取心钻具，提高在松散破碎复 杂地层中的岩芯采取率，实现高效高质采取所需岩芯。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：

松散破碎地层用局部反循环取芯钻具，包括接头、外管、负吸元件、过渡元件、岩心管 接头、过渡联通元件、内管(岩心管)、扩孔器、弹卡和钻头，所述负吸元件的上端与接头下 端、外管连接，负吸元件下端通过支撑环连接过渡元件，过渡元件通过岩芯管接头与内管(岩 心管)连接，弹卡置于内管中，内管坐落在钻头内壁台阶上，内管(岩心管)通过扩孔器与 钻头连接，过渡联通元件贯穿支撑环、过渡元件、岩芯管接头设置。

按上述方案，所述负吸元件由负吸元件支撑部分、一对啮合的齿轮、叶轮、轴、轴承构 成，齿轮、叶轮均通过键与轴固定连接，轴安装在深沟球轴承上；负吸元件支撑部分包括支 架、支架齿轮侧和支架叶轮侧，支架分别与支架齿轮侧和支架叶轮侧形成两个分开空间，齿 轮安装在支架与支架齿轮侧形成的空间里，叶轮安装在支架与支架叶轮侧形成的空间里；负 吸元件支撑部分的下端与支撑环连接，支撑环下端紧挨第一螺母，第一螺母和第一止推轴承 与过渡元件的上端连接，过渡元件的下端通过第二止推轴承、第二螺母与岩芯管接头连接， 岩芯管接头与内管(岩心管)通过螺纹连接。

按上述方案，所述支架、支架齿轮侧和支架叶轮侧组合后形成一个圆柱形，安装在接头 下端的空腔内。

按上述方案，所述支架与接头下端之间设置有支架盖板。

本发明的工作原理：结合了齿轮泵和双管单独反循环工作原理，通过在普通孔底局部反 循环钻具中设计添加负吸元件，该负吸元件安装在接头下端的空间内，负吸元件上端接接头 以及经接头上腰孔流出的钻井液，下端接过渡元件、过渡联通元件，经岩芯管接头连接内管 (岩芯管)；钻井液从钻杆流经接头腰孔，引导进入负吸元件的支架叶轮侧，冲击叶轮叶片使 叶轮旋转，叶轮通过轴带动对面的一对啮合齿轮转动。这对啮合齿轮的转动，以齿轮泵的工 作原理形成负吸效应，从而造成孔底局部反循环。

本发明和其他相近的反循环钻具相比具有以下有益效果：

1、造成负压形成钻井液局部反循环的方式不同：局部反循环钻具大多数都是采用喷射式 结构，利用喷嘴、承喷器和分水接头等，在内管中造成抽吸负压来形成钻井液孔底局部反循 环效果，本发明针对普通钻具在松散破碎等复杂地层中无法取芯或取芯困难而设计，采用类 似于齿轮泵的结构来造成负压形成钻井液局部反循环效果，相对于全孔反循环而言，有利于 避免钻井液冲刷孔壁；相对于正循环而言，部分钻井液在孔底的流向是沿着岩芯进入岩心管 的方向流动，有利于岩芯进入岩心管，有利于岩芯采取率的提高，其效果比射流式好，更有 利于采取岩芯；

2、负吸元件单独设计：在钻井液泵量泵压一定的情况，可根据地层的松散破碎程度，通 过调整啮合齿轮齿全高、调整齿轮安装间隙和调整叶轮叶片尺寸来调节负吸效果，负吸效应 强而均匀，能够使岩芯悬浮于岩心管内，可以避免岩芯在岩心管内翻滚，能够较好的保证岩 芯的本来结构，从而有利于针对不同程度的松散破碎地层，高效高质量的采取岩芯；

3、本发明所设计的反循环钻具除了具备反循环钻具和孔底局部反循环钻具的优点外，还 能够克服孔底局部反循环钻具需要大泵压、高射流速度的缺点和造成负压不明显、岩芯采取 率低的缺点，提高松散破碎等复杂地层岩芯采取率。

附图说明

图1为本发明松散破碎地层用局部反循环取芯钻具的纵剖面结构示意图；

图中，1-接头，2-支架盖板，3-接头下端，4-齿轮，5-深沟球轴承，6-轴，7-叶轮，8-支 架齿轮侧，9-支架，10-支架叶轮侧，11-键，12-支撑环，13-第一螺母，14-第一止推轴承，15- 过渡联通元件，16-过渡元件，17-第二止推轴承，18-第二螺母，19-岩芯管接头，20-外管， 21-内管(岩芯管)，22-扩孔器，23-弹卡，24-钻头。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。

参照图1所示，本发明所述的松散破碎地层用局部反循环取芯钻具，包括接头1、外管 20、负吸元件、过渡元件16、岩心管接头19、过渡联通元件15、内管(岩心管)21、扩孔 器22、弹卡23和钻头24，所述负吸元件的上端与接头下端3、外管20连接，负吸元件下端 通过支撑环12连接过渡元件16，过渡元件16通过岩芯管接头19与内管(岩心管)21连接， 弹卡23置于内管(岩心管)21中，内管(岩心管)21坐落在钻头24内壁台阶上，内管(岩 心管)21通过扩孔器22与钻头24连接，过渡联通元件15贯穿支撑环12、过渡元件16、岩 芯管接头19设置。

所述负吸元件由负吸元件支撑部分、一对啮合的齿轮4、叶轮7、轴6、轴承5构成，齿 轮4、叶轮7均通过键11与轴6固定连接，轴6安装在深沟球轴承5上；负吸元件支撑部分 包括支架9、支架齿轮侧8和支架叶轮侧10，支架9分别与支架齿轮侧8和支架叶轮侧10形 成两个分开空间，齿轮4安装在支架9与支架齿轮侧8形成的空间里，叶轮7安装在支架9 与支架叶轮侧10形成的空间里；负吸元件支撑部分的下端与支撑环12连接，支撑环12下端 紧挨第一螺母13，第一螺母13和第一止推轴承14与过渡元件16的上端连接，过渡元件16 的下端通过第二止推轴承、第二螺母18与岩芯管接头19连接，岩芯管接头19与内管(岩心 管)21通过螺纹连接。

所述支架9、支架齿轮侧8和支架叶轮侧10组合后形成一个圆柱形，安装在接头下端3 的空腔内。

所述支架9与接头下端3之间设置有支架盖板2。

本发明局部反循环取芯钻具在钻进松散破碎地层过程中按如下方式进行工作：

从泥浆泵来的钻井液通过回转的钻杆柱进入与钻杆柱连接的接头1，从接头1的导流孔， 经支架盖板2上的孔和支架9上的孔，进入由支架9和支架叶轮侧10构成的空间内，然后钻 井液会冲击安装在该空腔内的叶轮7上的叶片，使叶轮7绕轴6旋转，而后钻井液经支架叶 轮侧10的导流槽，流入内管(岩芯管)21与外管20形成的环状间隙；旋转的叶轮7通过键 11带动轴6一起旋转，旋转的轴6通过键11带动安装在支架9和支架齿轮侧8所形成的空 间内的一对啮合齿轮4旋转，该对啮合齿轮4的旋转，会不断的通过过渡元件16、过渡联通 元件15、岩芯管接头19、抽吸内管(岩芯管)21内的流体，使内管(岩芯管)21内形成负 压，在钻井液通过钻头时造成负吸效应。

流入内管(岩芯管)21和外管20形成的环状间隙的钻井液，经内外管间隙到达钻头处， 在钻井液冲洗钻头的同时，由于内管(岩芯管)21内的负压作用，一部分钻井液将沿着岩芯 进入内管的方向，进入内管(岩芯管)21中，从而在孔底形成局部反循环效果；另一部分钻 井液经钻头24的钻头水口、外管20与孔壁的环状间隙携带破碎产物并将其运送至地表。在 岩芯将充满岩芯管而提钻前干钻一段时间，通过弹卡23卡取岩芯。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅 读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本 发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。