一种提钻式大直径井底原位保压取心钻具

摘要

本发明公开了一种提钻式大直径井底原位保压取心钻具，包括定位机构、提动机构、保压机构和钻头，所述定位机构定位后，通过投球触发提动机构带动保压机构中的球阀翻转，实现岩心管的密闭，并通过提升钻头随钻杆一同做回转运动获取岩矿心。本发明针对大直径提钻取心导致的岩心中气体的逸散，从而无法准确评价目标地层的储气量难题，取心直径可以达到85～150mm。同时，井底原位保压取心可以确保岩心性质与地层深度相匹配的准确度。采用球阀密封保证良好的密封性和保压效果，进一步实现岩心的井底原位保真开采，特别满足在某些气体矿藏勘探时，对钻具保压密封性能要求。本发明可应用于煤层气、页岩气、天然气水合物和常规的油气勘探取心等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及保压取心钻具技术领域，尤其涉及一种提钻式大直径井底原位保压取心钻具。

背景技术

在资源勘探过程中，解决储量评价的参数精准性，为生产提供计算依据，快速有效地获取地层岩心至关重要。目前页岩气勘探和煤层气勘探取样常采用普通的绳索打捞取心钻具获取样品，并通过获取的样品解析结果来评价目标层的储气量。在取样过程和岩心转移过程中，随着外界压力的降低，加快了岩心中气的逸散，从而无法准确评价目标地层的储气量。为获得更加准确的地层信息，通常要求原位、精准地获取地层的岩心。

目前，已有的机械保压取心和冷冻保压取心基本可以满足常规的取样要求，但是保压取心钻具因其内部结构复杂，通常为三层管结构，这样在设计、加工和使用各环节均严格受空间限制，导致获取的岩心直径一般较小。特别是页岩气、天然气水合物和煤层气等地质调查领域使用的绳索取心保压钻具取得的岩心直径一般都小于48mm。此外，现有石油、煤层气、页岩气及天然气等用钻杆内通径不满足较大直径保压取样钻具通过，因此绳索取心方式的保压取心钻具不适合这些大直径钻井领域。

随着社会的快速发展，常规化石能源供给越发紧张，对非常规的页岩气、煤层气和天然气水合物的勘探开发需求与日俱增，因此研制一种可精准获得大直径井底储量参数的原位保压取心钻具迫在眉睫。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种提钻式大直径井底原位保压取心钻具。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提钻式大直径井底原位保压取心钻具，包括定位机构、提动机构、保压机构和钻头，所述定位机构定位后，通过投球触发提动机构带动保压机构中的球阀翻转，实现岩心管的密闭，并通过提升钻头随钻杆一同做回转运动获取岩矿心。

进一步地，所述定位机构包括外管、管座、弹簧心轴、连接轴、连接管、上扩孔器和下扩孔器；所述外管向上连接上部钻杆，向下通过螺纹连接连接管，在连接处装有弹簧座，其上坐有起拔弹簧，正常下放取心状态下，起拔弹簧处于压缩状态，通过限位销限制座管和弹簧心轴上行，进而限制起拔弹簧伸长；座管和弹簧心轴通过焊接相连，弹簧心轴向下通过螺纹连接连接轴，上扩孔器通过螺纹向上连接连接管。

进一步地，所述座管上开有溢流孔。

进一步地，所述弹簧心轴上开有泥浆出水孔。

进一步地，所述提动机构包括上推力球轴承、铜套、下推力球轴承以及悬挂套和单动铜套，所述推力球轴承、铜套、下推力球轴承和悬挂套从上到下依次套在连接轴上，并通过垫片和锁紧螺母实现限制和固定。

进一步地，所述保压机构包括测压管、保压管和球阀，连接轴的轴承段外部装有轴承套，轴承套向下通过螺纹连接测压管，测压管穿过变径接头，变径接头向下通过螺纹连接中管，向外通过悬挂套、单动铜套和悬挂环坐于上扩孔器之上，上扩孔器通过螺纹向下连接保压管，测压管向下通过螺纹连接上密封接头，连接处装有测压接头，上密封接头向下通过下端内螺纹连接岩心管接头，连接处装有调整螺母，岩心管接头通过外螺纹连接岩心管，接头内有由垫片和锁紧螺母固定的缓冲弹簧。

进一步地，所述岩心管接头与上密封接头连接处装有调整螺母，用于调节岩心管部分相对于保压管的轴向位置。

进一步地，所述岩心管部分包括上岩心管和下岩心管两部分，上岩心管和下岩心管通过螺纹连接，上岩心管管壁厚度大于下岩心管的管壁厚度。

进一步地，所述下岩心管底端通过螺纹连接卡簧座，其内部装有卡簧，下岩心管自上而下依次穿过弹簧坐环、推力弹簧、推力弹簧座、上球阀座、球阀、下球阀座、缓冲弹簧、缓冲弹簧座和扶正接头，推力弹簧处于压缩状态，向上推动弹簧坐环坐于中管内台阶之上，向下套在推力弹簧座上，推力弹簧座顶在上球阀座上，上球阀座和下球阀座中间装有球阀，球阀内部有通孔，径向两端削平并装有球阀限位销，球阀和球阀座装在限球管之内，限球管向上通过螺纹与中管相连，连接处装有密封圈，限球管上开有限位槽，向下通过螺纹连接扶正接头，扶正接头上端装有套着缓冲弹簧的缓冲弹簧座，进而与下球阀座相连，扶正接头向外坐于悬挂环之上，悬挂环装在下扩孔器和钻头连接处上部，下扩孔器和钻头连接方式为螺纹连接。

进一步地，所述钻头获取岩矿心的直径在～mm之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的提钻式大直径井底原位保压取心钻具，针对大直径提钻取心导致的岩心中气体的逸散，从而无法准确评价目标地层的储气量难题，采用定位机构定位、投球触发提动机构、带动保压机构中的球阀翻转，实现岩心管的密闭，隔绝环境变化，通过提升钻杆，提取地层岩矿心，取心直径可以达到85～150mm。采用提钻取心降低了保压取心对钻具的要求，不用额外改变现有的钻具组合。同时，井底原位保压取心可以确保岩心性质与地层深度相匹配的准确度。采用球阀密封，并在关键部位设置密封圈，保证良好的密封性和保压效果，进一步实现岩心的井底原位保真开采，特别满足在某些气体矿藏勘探时，对钻具保压密封性能要求。本发明可应用于煤层气、页岩气、天然气水合物和常规的油气勘探取心等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的提钻式大直径井底原位保压取心钻具的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的提钻式大直径井底原位保压取心钻具处于正常下管取心状态的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的提钻式大直径井底原位保压取心钻具处于投球回收取心状态的结构示意图。

附图标记说明：

1-限位销；2-外管；3-溢流孔；4-座管；5-起拔弹簧；6-弹簧心轴；7-泥浆出水孔；8-弹簧座；9-连接轴；10-上推力球轴承；11-轴承套；12-连接管；13-铜套；14-下推力球轴承；15-垫片；16-锁紧螺母；17-上扩孔器；18-测压管；19-悬挂套；20-单动铜套；21-悬挂环；22-变径接头；23-测压接头；24-上密封接头；25-中管；26-保压管；27-调整螺母；28-岩心管接头；29-缓冲弹簧；30-垫片；31-锁紧螺母；32-上岩心管；33-下岩心管；34-弹簧坐环；35-推力弹簧；36-推力弹簧座；37-上球阀座；38-密封圈；39-球阀；40-球阀限位销；41-限位槽；42-下球阀座；43-限球管；44-缓冲弹簧；45-缓冲弹簧座；46-悬挂环；47-下扩孔器；48-扶正接头；49-卡簧；50-卡簧座；51-钻头；52-触发球。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。

如图1所示，本发明提供一种提钻式大直径井底原位保压取心钻具，包括定位机构、提动机构、保压机构和钻头，所述定位机构定位后，通过投球触发提动机构带动保压机构中的球阀翻转，实现岩心管的密闭，并通过提升钻头随钻杆一同做回转运动获取岩矿心。

具体地，所述定位机构包括外管2、管座4、弹簧心轴6、连接轴9、连接管12、上扩孔器17和下扩孔器47等部件；所述提动机构包括上推力球轴承10、铜套13、下推力球轴承14以及悬挂套19和单动铜套20等部件，所述保压机构包括测压管18、保压管26和球阀39等部件。

其中，所述外管2向上连接上部钻杆，向下通过螺纹连接连接管12，连接处装有弹簧座8，其上坐有起拔弹簧5，正常下放取心状态下，起拔弹簧5处于压缩状态，通过限位销1限制座管4和弹簧心轴6上行，进而限制起拔弹簧5伸长，座管4上开有溢流孔3，弹簧心轴6上开有泥浆出水孔7，座管4和弹簧心轴6通过焊接相连，弹簧心轴6向下通过螺纹连接连接轴9，连接轴9从上到下依次套有上推力球轴承10、铜套13和下推力球轴承14，通过垫片15和锁紧螺母16实现限制和固定，连接轴9的轴承段外部装有轴承套11，轴承套11向下通过螺纹连接测压管18，测压管18穿过变径接头22，变径接头22向下通过螺纹连接中管25，向外通过悬挂套19、单动铜套20和悬挂环21坐于上扩孔器17之上，上扩孔器17通过螺纹向上连接连接管12，向下连接保压管26，测压管18向下通过螺纹连接上密封接头24，连接处装有测压接头23，上密封接头24向下通过下端内螺纹连接岩心管接头28，连接处装有调整螺母27，岩心管接头28通过外螺纹连接上岩心管32，接头内有由垫片30和锁紧螺母31固定的缓冲弹簧29，上岩心管32和下岩心管33通过螺纹连接，下岩心管33底端通过螺纹连接卡簧座50，其内部装有卡簧49，下岩心管33自上而下依次穿过弹簧坐环34、推力弹簧35、推力弹簧座36、上球阀座37、球阀39、下球阀座42、缓冲弹簧44、缓冲弹簧座45和扶正接头48，推力弹簧35处于压缩状态，向上推动弹簧坐环34坐于中管25内台阶之上，向下套在推力弹簧座36上，推力弹簧座36顶在上球阀座37上，上球阀座37和下球阀座42中间装有球阀39，球阀39内部有通孔，径向两端削平并装有球阀限位销40，球阀和球阀座装在限球管43之内，限球管43向上通过螺纹与中管25相连，连接处装有密封圈38，限球管43上开有限位槽41，向下通过螺纹连接扶正接头48，扶正接头48上端装有套着缓冲弹簧44的缓冲弹簧座45，进而与下球阀座42相连，扶正接头48向外坐于悬挂环46之上，悬挂环46装在下扩孔器47和钻头51连接处上部，下扩孔器47和钻头51连接方式为螺纹连接。

其中所述包括连接轴9在内，其上部各部件以及外层的外管2、连接管12、上扩孔器17、保压管26、下扩孔器47、钻头51在正常钻进时都是随钻杆一同做回转运动的，而连接轴9之下部分，由于推力球轴承10、铜套13、下推力球轴承14，以及悬挂套19、单动铜套20共同组成的单动结构的存在，不会发生随钻回转。

其中所述岩心管接头28与上密封接头24连接处装有调整螺母27，可调节岩心管部分相对于保压管的轴向位置；岩心管部分包括上岩心管32和下岩心管33两部分，二者区别在于上岩心管32管壁较厚，在提钻取心时，可以承受更大的轴向力，避免岩心管被拉断，缓冲弹簧29的设置目的同样如此。

在实际的钻进取心过程中，钻具先后处于两种状态：正常下钻取心状态和投球回收取心状态。其中正常下钻取心状态向投球回收取心状态的转变，是通过向钻杆内通道投掷触发球52来触发的。

在正常下钻取心状态，如图2所示，在钻孔的设计取心段，钻具在正常下放取心的状态下进行钻进，岩心逐渐进入岩心管，此时限位销1处于设定位置，起拔弹簧5处于压缩状态，钻井液经钻具内通道流至孔底，而连接轴9之下部分，由于推力球轴承10、铜套13、下推力球轴承14，以及悬挂套19、单动铜套20共同组成的单动结构的存在，不会发生随钻回转，随着钻具的进尺，岩心逐渐进入岩心管内。在正常下钻取心状态下，钻井液通过座管4和弹簧心轴6内通道，经泥浆出水孔7进入外层套管和中管的环状空间内，进而流向孔底。

在投球回收取心状态，如图3所示，当岩心管中装满岩心时，首先通过提钻卡断岩心，之后向钻杆内通道投掷触发球52，使钻具向投球回收取心状态转换，触发球沿钻杆内通道一直下行至座管4上端，导致钻井液的流通通道被堵塞，在惯性和泥浆泵压力的作用下，向下推动触发球，进一步推动座管4，推力作用下限位销1被剪断，座管4和弹簧心轴6短时间内继续下行，导致起拔弹簧5进一步被压缩，起拔弹簧5被压缩到一定限度时，起拔力在短时间内快速增大，当起拔力达到足够大，推动弹簧心轴6、座管4和触发球上行，将座管4推出外管，进一步带动钻具内部自上而下依次相连的整个内结构一起上行，直至弹簧心轴6达到最高位，此时上密封接头24与变径接头22紧密配合，并在密封圈的作用下，实现中管内的上端密封，同时下岩心管33和卡簧座50提离球阀39的内通道，球阀39在推力弹簧35的作用下向下运动，由于球阀限位销40和限位槽41的限制，球阀39在下行过程翻转90°，封闭了上球阀座37的内通道，进而与限球管43一起，形成密闭空间，同时，依靠在限球管43和中管25、限球管43和上球阀座37的连接处安装的密封圈38，实现中管内的下端密封，从而实现岩心的井底原位保压。

在投球回收取心状态下，钻井液通过座管(4)上的溢流孔进入座管4和弹簧心轴6的内通道，经泥浆出水孔7进入外层套管和中管的环状空间内，进而流向孔底。而钻具在投球触发后，维持在投球回收取心状态，岩心管在良好的密封保压环境下，和钻杆一起提出钻孔，实现大直径岩心的井底原位保压取心。

实施例1

本发明为实现大直径取心，以Φ216mm的取心钻头为例，钻头内径124mm,设计外管直径为Φ194mm，取心直径在85mm～90mm之间(90mm需要结构更加紧凑)，钻具总长3m，岩心管长度可以达到1.1m，单次提钻可提取出0.50m～1.00m的岩心。限位销(1)选用为黄铜销，直径为15mm(两根)，承受最大剪力约为1吨，黄铜的抗剪强度按照30MPa来计算。起拔弹簧(5)支撑的钻具自重，同时起拔弹簧(5)上弹的高度达到380mm，即压缩后长度为500mm，伸展后长度为880mm，相对应的，岩心管上移的高度为380mm，同时，座管(4)的长度需要达到450mm，正常钻进取心状态下，球阀(39)上端最高点到卡簧座(50)下端的距离应达到372.6mm。起拔弹簧(5)的在设计安装时，线径12mm，螺距100mm，总长为1000mm，压缩到880mm时，压缩力是92.16Kg，压缩到500mm时压缩力是384Kg。球阀(39)外径初步选定155mm，中心孔96mm，取心直径可以达到85mm～90mm。

实施例2

本发明为实现大直径取心，以Φ311mm的取心钻头为例，钻头内径214mm,设计取心外管直径为Φ298mm，取心直径可以达到145mm～150mm(150mm需要结构更加紧凑)，原位保压取心钻具总长为3.2m，岩心管长度可以达到1.1m，单次提钻可提取出0.50m～1.00m的岩心。限位销1选用黄铜销，其抗剪强度按照30MPa计算，直径为15mm(两根或三根)，承受最大剪力约为1吨。起拔弹簧5支撑的钻具自重，同时起拔弹簧5上弹的高度达到380mm，即压缩后长度为500mm，伸展后长度为880mm，相对应的，岩心管上移的高度为380mm，同时，座管4的长度需要达到450mm，正常钻进取心状态下，球阀39上端最高点到卡簧座50下端的距离应达到372.6mm。起拔弹簧5的在设计安装时，线径12mm，螺距100mm，总长为1000mm，压缩到880mm时，压缩力是92.16Kg，压缩到500mm时压缩力是384Kg。球阀39外径初步选定230mm，中心孔160mm，取心直径在140～150mm之间。

显然，以上所述仅为本发明的优选实施方式，是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。