用于在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间转换的岩心钻探设备和方法

摘要

一种适于在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间转换的岩心钻探设备以及实现这一点的方法。该设备包括取芯钻头(200)、用于将力输送到钻头(200)的外管(210)、具有连接到提升装置(230)的上端和适于接收岩心样本的下端的内管(220)、连接到外管(210)的上端的输送装置(240)，并且其中提升装置(230)适于在外管(210)内的上部和下部位置之间运行。取芯钻头(200)包括具有集成切割工具的闭合元件(201)，该闭合元件当处于闭合或部分闭合位置时使得钻头(200)能够以全直径钻探操作，并且在闭合元件(201)处于打开位置的情况下使得钻头(200)能够通过使岩石样本进入到内管(220)中而作为取芯钻头操作。提升装置(230)包括释放机构，该释放机构在启用时释放作用在提升装置(230)上的力，使得当提升装置(230)在启用时处于上部位置时，提升装置(230)降低内管(220)，从而将闭合元件(201)推到打开位置，并且当提升装置(230)在启用时处于下部位置时，提升装置(230)从闭合元件(201)提升内管(220)，使得闭合元件(201)将处于闭合或部分闭合位置。

说明书

引言

本发明通常涉及从地下岩层中提取岩心样本，并且更具体地说，涉及组合式取芯和钻探设备，该设备提供了在不收集额外的样本材料的情况下收集岩心样本或者向前钻探并且在不执行起下钻操作的情况下这样做的选项。

背景

自现代油气勘探的最早期以来，已经从钻孔中提取岩芯样本。法国工程师鲁道夫·莱斯肖特于1863年在美国申请了关于镶钻取芯钻头的第一个专利，尽管主要是针对采矿业。从地下提取岩心样本的主要目的是获得关于地质地层、其物理参数(诸如矿物学和孔隙度)、其流体含量和地层层序的详细信息。在钢丝绳测井技术的发明之前，取芯是用于获取关于地下的可靠和详细信息的主要方法。对于作为用于现代储层模拟模型的输入数据所需的某些类型的信息，岩心样本的实验室分析仍然被认为是提供最可靠的数据源。

设计成用于从地下地层切割和提取岩芯样本的当前技术可广泛分为两类。第一类为用于从钻孔壁(即横向于钻孔轴线)提取短的(几英寸)、小直径的岩心样本的取芯系统。第二类为使用传统钢管钻柱或钢丝绳作为输送方式沿着纵向钻孔轴线收集长的(长达数百英尺)基本上连续且直径可能较大的岩心样本的取芯系统。

第二类为行业中最广泛使用的，其中需要关于储层区中和其附近的地质地层的性质和层序的信息。在其基本形式中，此类系统将是一个组件，包括：取芯头，即用于切割或压碎岩石基体的钻头，在中心具有圆形开口以允许圆柱形岩芯样本通过；外径小于钻孔直径的外管，其输送钻透岩石所需的力；以及内径与取芯头中的中心开口的内径基本相同的内管，其用于收集和保持岩芯样本。为了防止岩心样本从内管中掉出，下端或“管托(shoe)”将配备有锯齿环或一些其它方式来保持样本，称为“岩心捕捉器”。内管典型地安装在上端的轴承组件上，以允许外管和/或岩心头围绕其自由旋转，而内管主要相对于岩石基体保持不旋转。因此，岩心样本本身将是一个基本上连续的岩石的圆柱体，其直径与岩心头最里面的岩石切割段相同，并且长度达几百英尺。

岩心样本的长度主要受限于内管的长度以及被岩心钻探组件穿透的各种地质层的机械强度。如果用于进一步分析岩心样本的感兴趣的区间超过可下入(run)的岩心筒的长度，或者如果有多个感兴趣的区域，那么这通常导致多次起下钻以提取岩心样本和替换内管，或者在取芯和钻探设备之间切换。这被称为起下钻，并且带来巨大的操作成本。

图1示出了如行业中已知的常规岩心钻探组件，包括：取芯钻头100，在中心具有圆形开口以允许岩心样本150通过；外管110，用于将力输送到取芯钻头100；内管120，用于收集和保持岩心样本150；轴承组件130，允许外管110围绕内管120自由旋转；以及一些输送装置140，典型地为钻杆。钻井液160通过钻杆140从地面上的钻机泵出，并且转移到内管120和外管110之间的内环形空间161。在取芯钻头100处，钻井液160转移到取芯钻头100中的通道103中，以通过取芯钻头100的切割表面处的端口退出，于是钻井液160的回流携带已经被取芯钻头100压碎的岩屑回到外管110和钻孔壁之间的钻孔环形空间162中的表面。一旦内管120的整个长度已填充有岩心样本150，就需要从钻孔中提取内管120，或者通过首先提取整个组件，或者通过使用钢丝绳或其它方式通过钻柱取回内管120。如果不期望从特定的地层地质序列中取得岩心样本150，那么将需要从钻孔中提取岩心钻探组件，并且用全直径钻探组件替换，即必须执行起下钻操作。

从操作角度来看，更有效的是能够在不受岩心筒长度施加的限制的情况下连续收集岩心样本，以避免岩心样本坍塌或破裂，或者能够仅对感兴趣的区间进行取样，以用于在地面上进行进一步分析，即在那些不感兴趣的区间中利用钻孔的整个横截面进行钻探。

本申请人自己的专利EP 2877676 B1和专利申请PCT/EP2019/083974中描述了能够实现选择性取芯或钻探的取芯系统。所述出版物描述了用于选择性选择要保留的岩心样本的系统。图2示出了在PCT/EP2019/083974中描述的特殊取芯钻头200的示例，该特殊取芯钻头具有可将取芯钻头转换为全直径钻头的闭合装置201，并且在组件的远端具有用于提升和降低内管220的提升装置或升降机230。像行业中已知的常规岩心钻探组件一样，本发明还包括：外管210；内管220，用于收集和保持岩心样本250；以及一些输送装置240，连接到岩心钻探组件的上端，诸如标准钻杆管道。

在图2中，闭合装置的元件被示出为缩回到钻头200壳体的壁中，以允许岩心样本进入到内管220中以进行储存。钻头的壁中的端口或开口202允许碎屑退出而进入钻孔环形空间，尽管这些开口在取芯时主要由缩回的闭合装置元件闭合。与常规系统不同，用于内管的轴承组件222可连接到提升装置230或者作为其一部分。提升装置被示出为处于延伸位置，使得内管221远离轴承组件222的端部紧邻取芯钻头的切割表面，并且岩心样本250可不受阻碍地进入到内管中。在取芯钻头200内，通道203将所有或一些钻井液流引导到取芯钻头的切割表面上，以允许冷却和去除岩屑，该岩屑通过钻孔环形空间262进一步向上循环。

这种配置允许岩心钻探组件从标准取芯模式(即在井下组件的内管中收集岩心样本材料)切换/转换到全直径钻探模式，其中钻头中的中心开口闭合，并且否则将构成岩心样本的岩石材料在进入内管之前被分解，从而允许在不使用更多材料填充内管的情况下钻探额外的钻孔。PCT/EP2019/083974还公开了连接到致动器或类似装置的控制器装置231的用途。控制器装置231从机载处理单元或从地面钻机接收控制命令，以用于控制提升装置230的阀和活塞。此解决方案允许多次启用和停用提升装置，并且从而允许多次从取芯模式切换到全直径钻探模式。

PCT/EP2019/083974中描述的解决方案需要一个复杂的井下组件，该井下组件被接线以用于电力和数据的至少一些传输、以及在井下产生电力或从地面传输电力的一些装置。此类解决方案在某些情况下是不适合的，例如，如果重点是保持低成本，或者如果井下温度太高而无法使用井下电子设备。

本申请公开一种岩心钻探设备和方法，其用于使用纯机械和/或液压装置，即不使用井下控制电子设备和电源，在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间启用和/或停用岩心钻探设备。

本发明的概述

本发明公开了一种用于在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间转换岩心钻探设备的设备和方法，并且仅使用机械和/或液压手段来实现这一点。

岩心钻探设备包括：取芯钻头；外管，用于将力输送到钻头；内管，具有连接到提升装置的上端和适于接收岩心样本的下端；输送装置，连接到外管的上端，并且其中提升装置适于在外管内的上部位置和下部位置之间运行。

取芯钻头包括具有集成切割工具的闭合元件，该闭合元件当处于闭合或部分闭合位置时使得钻头能够以全直径钻探操作，并且在闭合元件处于打开位置的情况下使得钻头能够通过使岩石样本进入到内管中而作为取芯钻头操作。

提升装置包括释放机构，该释放机构在启用时释放作用在提升装置上的力，使得当提升装置在启用时处于上部位置时，提升装置降低内管，从而将闭合元件推到打开位置，并且当提升装置在启用时处于下部位置时，提升装置从闭合元件提升内管，使得闭合元件将处于闭合或部分闭合位置。

在一个实施例中，岩心钻探设备包括将提升装置连接到钻井液流的流道，其中当释放机构启用时，流道打开，从而使由流道中的钻井液的循环施加的压力作用在提升装置上，以用于提升或降低提升装置。

在另一个实施例中，岩心钻探设备包括连接到提升装置的一个或多个预充式液压室，其中当释放机构启用时，流体流从液压室中释放，从而使由流体流施加的压力作用在提升装置上，以用于提升或降低提升装置。

在又一个实施例中，岩心钻探设备包括连接到提升装置的一个或多个压缩弹簧，其中当释放机构启用时，机械力从弹簧中释放，从而使由弹簧施加的压力作用在提升装置上，以用于提升或降低提升装置。

在一个实施例中，释放机构包括用于接收球的球座，该球在掉落时启用释放机构。

在另一个实施例中，释放机构包括剪切销，该剪切销在施加机械力时制动并启用释放机构。

在又另一个实施例中，释放机构包括圆盘，该圆盘在施加液压力时制动并启用释放机构。

释放机构还可包括电子接收单元，该电子接收单元适于在接收到来自掉落的可流动装置的信号时控制包括在岩心钻探设备中的电动阀。

本发明还由一种用于在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间转换岩心钻探设备的方法来限定。岩心钻探设备包括：取芯钻头；外管，用于将力输送到钻头；内管，具有连接到提升装置的上端和适于接收岩心样本的下端；输送装置，连接到外管的上端，并且其中提升装置适于在外管内的上部位置和下部位置之间运行。

该方法包括：将岩心钻探设备下入到井眼中，并且如果取芯钻头包括具有集成切割工具的闭合元件，该闭合元件当处于闭合或部分闭合位置时使得钻头能够以全直径钻探操作，并且在闭合元件处于打开位置的情况下使得钻头能够通过使岩石样本进入到内管中而作为取芯钻头操作。

该方法还包括：启用包括在提升装置中的释放机构，从而释放作用在提升装置上的力，使得当提升装置在启用时处于上部位置时，提升装置降低内管，从而将闭合元件推到打开位置以实现取芯模式，并且当提升装置在启用时处于下部位置时，提升装置从闭合元件提升内管，使得闭合元件将处于闭合或部分闭合位置以实现钻探模式。

根据该方法的一个实施例，通过释放作用在提升装置上的力，当启用释放机构时，通过打开将提升装置连接到钻井液流的流道，从而使由流道中的钻井液的循环施加的压力作用在提升装置上，以用于提升或降低提升装置。

根据该方法的另一个实施例，通过释放作用在提升装置上的力，当启用释放机构时，通过从连接到提升装置的一个或多个预充式液压室中释放流体流，从而使由流体流施加的压力作用在提升装置上，以用于提升或降低提升装置。

根据该方法的又一个实施例，通过释放作用在提升装置上的力，当启用释放机构时，通过释放连接到提升装置的一个或多个压缩弹簧，从而使由弹簧施加的机械力作用在提升装置上，以用于提升或降低提升装置。

根据该方法的一个实施例，通过使球掉落到包括在释放机构中的球座上来启用释放机构。

根据该方法的另一个实施例，通过破坏包括在释放机构中的圆盘来启用释放机构。

根据该方法的又另一个实施例，通过破坏包括在释放机构中的剪切销来启用释放机构。

当检测到可流动装置时，也可通过使可流动装置触发电子接收单元来启用释放机构，其中电子接收单元适于控制包括在岩心钻探设备中的电动阀。

本发明的所有上述特征将在下面用附图中所示的示例详细描述。

附图的简述

在下面的详细描述中，将参考下面的附图解释本发明，这些附图示出了本发明特征的实施方式的示例：

图1示出了常规岩心钻探组件。

图2示出了处于取芯模式的岩心钻探组件的特征。

图3示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。

图4示出了处于钻探模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。

图5示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中弹簧用于向提升装置提供力。

图6示出了岩心钻探设备从钻探模式到取芯模式的转变，并且其中弹簧用于向提升装置提供力，并且球用作启用装置。

图7示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中液压室和活塞用于向提升装置提供力。

图8示出了处于钻探模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中液压室和活塞用于向提升装置提供力。

图9示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中可流动装置作为电池供电的电动阀的启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。

图10示出了处于钻探模式的岩心钻探设备的实施例，其中可流动装置作为电池供电的电动阀的启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。

使用了以下附图参考：

100——岩心钻头

103——通道

110——外管

120——内管

130——轴承组件

140——输送装置

150——岩心样本

160——钻井液

161——内环形空间

162——钻孔环形空间

200——岩心钻头

201——闭合元件

202——钻头开口

203——通道

210——外管

220——内管

221——内管端部

222——轴承组件

223——下轴承组件

224——上轴承组件

225——轴承

226——小落球

227——大落球

230——提升装置

231——控制器装置

234——上室

235——下室

238——流道

240——输送装置

250——岩心样本

260——钻井液

261——内部环形空间262——钻孔环形空间

270——剪切销

271——弹簧加载的剪切销

272——凹槽

273——弹簧

275——预充式液压室

276——阀

277——活塞

278——电池

279——电子单元

280——接收器单元

281——可流动装置

282——液压提升系统

本发明的详述

为了详细解释本发明，参考以下结合示出了本发明特征的实施方式的示例的附图做出的对岩心钻探设备和用于在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间转换岩心钻探设备的方法的描述。

本发明公开了适于在不执行起下钻操作的情况下用于钻探和取芯的岩心钻探设备以及用于在取芯和钻探模式之间转换此类岩心钻探设备的方法的细节。岩心钻探设备可使用纯机械和/或液压装置(即不使用井下复杂的控制电子设备和电源)在岩心钻探组件和全直径钻探组件之间转换。

岩心钻探设备包括：取芯钻头；外管，用于将力输送到钻头；内管，具有连接到提升装置的上端和适于接收岩心样本的下端。其还包括连接到外管的上端的输送装置。提升装置适于在外管内的上部位置和下部位置之间运行，并且包括释放机构，该释放机构在启用时释放作用在提升装置上的力，使得当提升装置在启用时处于上部位置时，提升装置降低内管，从而将闭合元件推到打开位置，并且当提升装置在启用时处于下部位置时，提升装置从闭合元件提升内管，使得闭合元件将处于闭合或部分闭合位置。

取芯钻头包括具有集成切割工具的闭合元件，该闭合元件当处于闭合或部分闭合位置时使得钻头能够以全直径钻探操作，并且在闭合元件处于打开位置的情况下使得钻头能够通过使岩石样本进入到内管而作为取芯钻头操作。

通过闭合或基本上闭合内管下方的取芯钻头的中心开口，进入取芯钻头的中心开口的岩石将被磨掉。通过打开内管下方的取芯钻头的中心开口，进入取芯钻头的中心开口的岩石将进入内管，从而使其可用于进一步分析。

中心开口通过闭合元件打开或闭合，该闭合元件带有嵌入式切割工具，以用于在闭合时磨掉钻探的岩层。磨碎的碎屑或岩石碎片岩屑将经由钻头中的端口随着钻井液的回流被带到地面。端口通向钻头和钻孔壁之间的环形空间。

通过提升和降低内管来打开和闭合闭合元件。当降低内管时，它将向下推动闭合元件，从而为取芯地层材料进入内管提供开放通路。当提升内管时，它将不再向下推动闭合元件，并且连接到闭合元件的弹簧或其它装置将闭合元件推到闭合位置。此机构的细节在申请人自己的专利申请PCT/EP2019/083974中公开。

本文中公开的解决方案描述了PCT/EP2019/083974中公开的用于在井眼中进行组合式取芯和钻探的设备的另外改进的特征，并且尤其是提升装置的启用、提升和降低机构的细节，该提升装置使得能够提升和降低内管，从而控制闭合元件的打开和闭合。

在其基本形式中，本发明包括上面参考图2描述的申请人自己的专利申请PCT/EP2019/083974中的主要特征，包括：具有闭合装置201的特殊取芯钻头200，该闭合装置可将取芯钻头转换为全直径钻头；以及提升装置或升降机230，处于组件的远端以用于提升和降低内管220。就行业现状而言，本发明还包括：外管210；内管220，用于收集和保持岩心样本250；以及一些输送装置240，连接到岩心钻探组件的上端，诸如标准钻杆管道。然而，代替用于实现取芯模式和钻探模式之间转换的复杂的电子控制器装置231，本发明提供了非电气解决方案来执行相同的功能。

在一种配置中，本发明可设置成用于单步操作，其中井下组件被配置成实现从钻探模式到取芯模式的单次转变。当下入井中时，内管将处于上升位置，并且闭合装置的元件(包括切割工具或齿)将延伸并接合在内管下方。工具然后被配置成用于钻探。此工具配置然后可根据需要变为取芯模式。

为了将岩心钻探组件从钻探模式转换为取芯模式以及从取芯模式钻探模式转换为钻探模式，必须首先启用从一种模式到另一种模式的转变。启用过程可通过使球掉落在钻柱内或通过如下所述的其它启用装置来启动。一旦球或其它启用装置被井下工具接收，就开始启用过程，由此释放致动机构的力，该致动机构例如为加载弹簧或充液液压室或任何其它致动机构。在释放致动力时，内筒被降低或向下推动，取芯钻头的内部切割机刀片被推到一侧进入其相对于内管两侧的静止位置，并且内筒继续被向下推到其最低位置，这将适于取芯。取芯然后可开始并且继续进行，直到内管充满岩心，或者操作员决定中断取芯。岩心钻探设备和岩心可随后从孔中拉出并且放置在地面上。

类似地，本发明可用在相反的应用中：在这种情况下，装置也被设置成用于单步操作，但是被配置成使得能够从取芯模式转变为钻探模式。当下入井中时，内管将处于降低位置，并且取芯钻头的内部切割机将缩回到其在内管后面的工具的壁中的静止位置，即工具被配置成用于取芯。此工具配置然后可根据需要变为钻探模式。这通过使球掉落在钻柱内或如先前所述的任何其它启用装置来启动启用过程来完成。一旦球或任何其它合适的启用装置被井下工具接收，就开始启用过程，由此释放致动机构的力，诸如加载弹簧或充液液压室或如稍后描述的任何其它致动机构。在释放致动力时，内管缩回或向上提升，从而将取芯钻头中或附近的装置的内部切割机刀片从其缩回位置释放，允许这些刀片移动到内管下方的岩心路径中，并且闭合取芯钻头的中心开口。当切割机刀片处于闭合位置时，井下组件将被配置成用于全直径钻探。钻探然后可在适当时开始并且继续，而不必执行从取芯组件变为钻探组件的地面往返。

在另一个实施例中，本发明可被配置成用于双步骤操作：岩心钻探设备将下入到被配置成用于全直径钻探的钻孔中，然后在适当的时间被第一次启用以执行从钻探到取芯的转变，然后被第二次启用以执行从取芯回到钻探的转变。与常规钻探和取芯井眼操作相比，将消除改变井下用具的两次完整往返：第一次操作为从钻探组件变为取芯组件，并且第二次操作为从取芯组件变回钻探组件。与标准井眼操作相比，一旦到达岩心点，第一次就可与从钻探变为取芯有关。一旦完成取芯，第二次就可与从取芯变为钻探有关。

当以钻探模式下入井中时，内管将处于上升位置，并且取芯钻头的闭合元件将延伸并接合在内管下方。工具然后被配置成用于钻探，并且可根据需要变为取芯模式。这通过使球掉落在钻柱内或如稍后描述的任何其它启用装置来启动第一启用过程来完成。一旦球或任何其它合适的启用装置被井下工具接收，就开始第一启用过程，由此释放致动机构的力，该致动机构为加载弹簧或充液液压室或如稍后描述的任何其它致动机构。在释放致动力时，内筒被降低或向下推动，取芯钻头的闭合元件被推到一侧进入其在内管后面的静止位置。内管继续降低或向下推到其最低位置，这将适于取芯。取芯然后可开始并且继续进行，直到内管充满岩心，或者取芯过程由于任何原因而中断。取代将岩心钻探组件从钻孔中拉出到孔外以放下岩心并且从取芯组件变为钻探组件，第二启用步骤被启用。这通过使球掉落在钻柱内或如稍后描述的任何其它第二启用装置来完成。一旦球或其它启用装置被井下工具接收，就开始第二启用过程，由此释放致动机构的力。在释放致动力时，内筒被提升或向上推动，取芯钻头的闭合元件从其缩回位置释放，并且被允许移动到内管下方的岩心路径中，这将适于钻探。钻探然后可在适当时重新开始，而不必执行从取芯组件变为钻探组件的地面往返。一旦钻探完成，可转换岩心钻探设备和收集的岩心样本可从钻孔中拉出并且放置在地面上。

类似地，本发明可以相反的顺序被配置成用于双步骤操作：可转换岩心钻探组件将下入到被配置成用于取芯的钻孔中，然后被第一次启用以执行从取芯到钻探的转变，随后被第二次启用以执行从钻探回到取芯的转变。当下入到钻孔时，内管将处于降低位置，并且取芯钻头的闭合元件将缩回到其在内管后面的工具的壁中的静止位置。然后，工具被配置成用于取芯。一旦第一岩心区间的切割完成，工具配置就可根据需要变为钻探模式。这通过使球掉落在钻柱内或如稍后描述的任何其它启用装置启动第一启用过程来完成。一旦球或任何其它启用装置在适当时被井下工具接收，就开始第一启用过程，由此释放致动机构的力，该致动机构为加载弹簧或充液液压室或如稍后描述的任何其它致动机构。在释放致动力时，内筒被提升或向上推动，取芯钻头的闭合元件从其缩回位置释放，并且被允许移动到内管下方的岩心路径中，将设备转变为钻探模式。钻探然后可在适当时开始。当到达第二岩心取样点时，设备可根据需要从钻探配置转换为取芯配置。这通过启动第二启用过程、或者通过使第二球掉落在钻柱内、或者通过任何其它启用装置来完成。一旦球或其它启用装置被井下工具接收，就开始第二启用过程，由此释放致动机构的力，该致动机构为加载的弹簧或充液液压室或任何其它致动机构。在释放致动力时，内筒被降低或向下推动，取芯钻头的闭合元件被推到一侧进入其在内管后面的静止位置，并且内管继续向下推到其最低位置。设备然后将被配置成用于岩心取样，并且第二区间的取芯可开始并且继续进行，直到整个内管充满岩心，或者取芯由于任何其它原因而中断。

如可推断的，通过包含额外的启用机构，可以增加本发明的功能。这可通过使对应于相同增量尺寸的球座的增量尺寸的球掉落到启用机构的接收器单元中、或者通过可以增量步骤工作的其它装置、或者这些方法的任何组合。以这种方式，可以设计一种系统，由此多次启用和停用提升装置。

下面提供了对用于启用岩心钻探设备的提升/降低机构的各种替代方案的描述。基本思想是基于专利申请PCT/EP2019/083974，其中电力用于使阀移位，该阀为钻井液流打开，以对用于提升或降低内管的活塞加压。在一种配置中，输送钻柱中的钻井液流被用于在活塞上施加液压以提升整个内管，从而打开内管下方的空间，以使特殊取芯钻头的闭合元件移动到岩心路径中，并且启用用于钻探模式的设备。还公开了相反的操作，再次利用电流使阀移位，该阀为钻井液流打开，以在相反方向上对活塞施加压力，因此向下推动内管，以迫使内管的下端处的切割机元件进入其凹槽位置，并且继续降低内管，直到其处于用于取芯的位置。所描述的方法基于具有用于地面控制单元和井下用具之间的双向通信的装置，并且基于在井下工具中具有发电和电子处理装置。另一方面，本发明通常不将此类装置用于通信、发电或电子处理。对此的一个例外为描述了一种使用机载电源(诸如电池)的设备，其当下入井中时与工具一起带来，以及电子处理以操作液压提升机，但是没有先前获得专利的与地面装置的双向通信，诸如在专利申请PCT/EP2019/083974中描述的。

本发明包括启用机构，以在主要不使用电子设备的情况下将岩心钻探设备从用于取芯操作的配置转换为用于钻探操作的配置、或者从用于钻探操作的配置转换为用于取芯操作的配置。然而，如先前所述，在一个特定的配置中，如专利说明书的最后部分所述，本发明被描述为使用由井下电源(诸如电池)操作的电子控制器机构。在一个实施例中，岩心钻探设备设置成用于单次执行，其中设备可从一种操作模式转换为另一种操作模式一次。所描述的用于提升机构的启用方法可结合在用于提升和降低内管的设备中、或者其任何组合。

下面描述了启动启用序列的各种装置。改变井下用具状态的一种传统方法为使钢球或类似物从地面掉落。球将被放置在钻柱内，并且被泵送到井下，直到它落在井下用具中的球座内。使球从地面掉落的方法在本领域中为众所周知的，并且通常用于在常规岩心钻探操作中启动取芯过程，即，将钻井液流从岩心钻探用具的内管内部转移到岩心钻探用具的内管和外管之间的环形空间。原则是当将岩心钻探设备下入井中时通过内管完全打开，这将允许钻井液通过钻杆和岩心钻探设备泵送，以在开始岩心钻探之前清洁内管。随后，球从地面掉落或从内管上方的井下用具内释放以进入流动路径。在落在球座中时，球将防止钻井液流通过内管，而是迫使钻井液进入内管和外管之间的环形空间，从而进入以下操作模式：可进行取芯并且岩心行进到内管中，而钻井液不提供阻力并且潜在地冲走岩心样本。

可使用类似的方法来启用本发明的提升装置。球可从地面掉落，以落在内管上方的球座上。这然后将改变通过工具的钻井液流，以转移全部或部分流体流。钻井液流的转移部分将穿过可被引导至活塞的流道，从而将液压力置于所述活塞上。液压力然后用于提升内管。原则上，这种液压力背后的能量是启用机构位置处外管的内部和外部之间的压差。通过提升内管，设备的闭合元件和切割工具然后将被允许进入内管下方的空间，并且从而将设备的配置从闭合元件缩回的取芯模式转变为切割机元件启用的钻探模式。这描述了从取芯到钻探操作模式的设备的单次启用。

可推断，相同的启用方法可用于实现相反的操作。当球从地面掉落以落在内管上方的球座上时，通过用具的钻井液流将被转移。钻井液流的转移部分将穿过可被引导至活塞的流道，从而将液压力置于所述活塞上，并且使用此液压力向下推动或降低内管。这种启用方法然后将通过降低内管来迫使设备的闭合元件进入内管后面的凹槽空间。内管然后将被进一步降低到其最低位置，从而将岩心钻探设备的配置从切割机元件被启用的钻探模式转变为切割机元件缩回的取芯模式。这描述了设备从钻探到取芯模式的单次启用。

可使用启动启用机构的替代方法。一种此类方法可为使用从地面施加的机械力，例如通过停止钻柱的旋转并且使取芯钻头停留在井底来停止钻探或取芯操作，然后随后通过降低钻柱并且压缩诸如剪切销的装置来从地面施加过多重量，由此剪切销释放力，这将触发启用过程。启动启用过程的又一种方法可为将钻井液的泵速增加到使其以越来越高的速率流过工具直到井下圆盘破坏的情形，从而释放力，这将触发设备的启用机构。

启用液压提升机的另一种替代方法为使用半自动电启用方法。此方法将不依赖于具有供电装置、电子处理装置和与地面装置的双向通信的完整井下仪器包，诸如专利申请PCT/EP2019/083974中所述。此替代电气装置可使用涡轮/发电机组件、电池或用于提供电力的其它装置。它可另外包含用于从地面接收启用命令的接收器装置，此类接收器装置可为能够接收由通过钻柱掉落在地面的可流动装置携带的信息、或者测量钻柱的以rpm为单位的变化、或者测量施加的井下重量的变化、或者泥浆流速的变化、或者任何其它启用命令装置、或者其任何组合的装置。启用工具可另外包含用于控制设备和启动适当动作的电子处理装置，并且还包含用于打开和闭合流动导管以从液压室释放液压力的电动操作的阀装置、或者将泥浆流转移以引导活塞处的液压力以提升或降低取芯内管的电动操作的阀装置、或者打开或闭合液压导管以启动内管组件的提升或降低的任何其它装置。

在阿伦斯塔姆等人的专利US 20020185273 A1《在井眼中利用可流动装置的方法(Method of Utilizing Flowable Devices in Wellbores)》中找到了利用可流动装置作为从地面向井下工具或从井下工具向地面传送信息和命令的装置的概念的更详细描述。

还存在提升或降低内管的替代方法。一种此类替代方案为使用弹簧。当将岩心钻探设备下入井中时，所述弹簧将被压缩。在球掉落并且在球座处接收该球时，转移的钻井液流可用于破坏圆盘或剪切销，或者通过其它装置释放所述弹簧。在一个实施例中，弹簧释放的力将提升内管，并且将设备从取芯模式转变为钻探模式，如先前所述。对于不同的配置，弹簧将在释放时施加将降低内管的力，从而将设备从钻探模式转变为取芯模式，如先前所述。

在又一个实施例中，提升或降低内管可通过利用液压室来实现。在将岩心钻探设备下入到钻孔中之前，此室预充有压缩流体。当球掉落并且在球座处接收到球时，转移的钻井液流可用于破坏圆盘或剪切销，或者通过其它装置释放预充室内的液压力。在一种配置中，所述液压力将在释放时被引导至活塞，该活塞将提升内管，将设备从取芯模式转变为钻探模式，如先前所述。在另一种配置中，液压力将在释放时被引导至活塞，该活塞将向下推动或降低内管，将设备从钻探模式转变为取芯模式，如先前所述。

以上用于启用用于内管的提升装置的替代方法的描述都描述了单次启用，其中岩心钻探设备或者从取芯模式转换为钻探模式，或者从钻探模式转换为取芯模式。这些方法可以这样一种方式组合，即，使得设备能够被配置成用于双重操作，例如首先从取芯模式变为钻探模式，然后再次回到取芯模式，以及首先从钻探模式变为取芯模式，然后再次回到钻探模式。所述启用方法可进一步组合以实现多种操作模式，从而将设备多次从取芯模式转换为钻探模式，以及从钻探模式转换为取芯模式。

使得岩心钻探设备能够在取芯模式和钻探模式之间转换两次或多次的先决条件在于启用过程的启动可进行多次。一种此类方法将为使对应于同样尺寸增加的球座的尺寸增加的钢球掉落，每个新的和更大的球因此触发新的和特定的事件序列。类似地，从地面施加增加重量的方法可用来破坏强度增加的剪切销。使用从地面泵送的增加量的钻井液流的方法也可用于增量步骤中，以破坏增加强度的圆盘。此外，电启用机构的方法本质上为半自动的，并且由来自地面的命令通过以下来启用：以特定的预定顺序泵送钻井液，或者以特定的预定顺序旋转钻柱，或者使携带信息或命令的可流动装置掉落到岩心钻探设备内的井下接收器单元，或者前述启用方法的任何组合。最后，上述方法或本领域中已知的任何其它井下启用方法可组合，以实现启动特定启用过程的多个过程。

在下文中，概述了用于为提升装置提供提升力的启用机构和源的各种组合。本发明的一个实施例为利用转移的钻井液流的组合来提升和降低内管。无论内管被提升或降低，方法都是相同的，并且在前面描述。在一种应用中，启用首先用于将设备从取芯模式转换为钻探模式，其中转移的钻井液流用于提升内管。当钻井液从地面向下泵送时，它将在液压活塞上提供恒定的压力，并且防止内管由于重力而向下滑动。如果由于任何原因停止来自地面设施的钻井液的循环，液压活塞上的压力将停止。因此，除非内管被锁定在位，否则它可随后向下滑动并且迫使取芯钻头中的闭合元件回到它们的缩回位置，从而无意地将设备转换回取芯模式。

因此，需要一种机构，该机构将防止内管在去除液压时无意地向下滑动。这可在内管的下端通过互锁取芯钻头的闭合元件并且从而防止内管掉落来实现。替代地，相同的结果可通过具有一个或多个剪切销或其它类似装置来实现，一旦提升过程已经到达其最高位置，剪切销或其它类似装置移动到凹槽中，并且将内筒提升机锁定在位。无论哪种方式，闭合元件锁或剪切销的强度必须足以保持悬挂的内管的重量。如先前所述，转移的钻井液流动系统可随后用于降低内管。于是，重要的是，当在相反方向上施加时，切割机元件的互锁强度或剪切销的强度可被力或液压压力克服。

应该注意的是，可在没有将内管锁定在其提升位置的机构的情况下执行钻探：当钻探时，紧接在取芯钻头中的闭合元件下方的岩石基体将防止切割机元件缩回。实际上，井底将用作防止内管降低的锁定机构。然而，一旦整个钻柱被提升离开井眼的底部，这就将打开闭合元件和下方岩石之间的空间，并且除非切割机元件被互锁，或者内管被锁定在启用机构处，否则内管可向下移动。

在另一个实施例中，启用机构使用弹簧来提升或降低内管。一个或多个弹簧可在安装在设备中并且在下入井中的同时被预压缩并且处于供能状态。如先前所述，释放机构可在启用时允许弹簧膨胀，并且通过这样做来提升或降低内管，根据其位置。当使用弹簧机构时，此机构可与另一个机构组合或可不与另一个机构组合，以将弹簧在其延伸位置中锁定在位。弹簧将保留其部分势能，除非它可完全膨胀。弹簧可被设计成从初始的完全压缩状态释放其能量，以提升内管，从而使得能够从取芯模式转变为钻探模式，然后在钻探时随后保持在半压缩状态，从而保持足够的力，以在钻柱从井底提升时基本上防止内管由于重力而向下行进。

在又一个实施例中，启用机构被设计成使用弹簧和钻井液流的组合。此组合可以两种方式设计：在第一实施例中，钻井液流动法用于提升内管，如先前所述，以将岩心钻探设备从取芯模式转换为钻探模式。然后将其与弹簧组合以降低内管，并且执行转变回取芯模式。在替代的第二实施例中，使用相反的启用方法。弹簧法用于提升内管，而钻井液流动法用于降低内管。

除了上面结合钻井液流动法使用弹簧来提升或降低内管的描述之外，弹簧也可在没有预充能量的非压缩状态下安装。然后，通过利用钻井液流动启用方法或液压室启用方法，弹簧启用机构将被初始供能。在一个实施例中，钻井液流动机构用于首先提升管道，以从取芯模式转换为钻探模式。同时，当内管被提升时，弹簧机构被压缩。当内芯杆已经被提升到其最高位置时，剪切销或其它锁定机构被启用，以防止内芯杆由于重力而降低，从而同时防止现在被压缩的弹簧被释放。液压室启用机构将主要以相同的方式起作用，既提升内管又同时压缩弹簧机构。稍后将更详细地描述利用液压室机构的一些替代选项。

无论使用这些实施例中的哪一个，可转换岩心钻探设备典型地可首先用于取芯模式。在启动第一启用序列时，钻井液流或液压室启用提升内管，并且设备现在转变为钻探模式。在启动第二启用序列时，弹簧压缩力的释放将降低内管，并且随后执行转变回取芯模式。如先前所述，设备中可包含额外的启用序列，以增加重复以下步骤的能力：使用钻井液流提升内管并且然后压缩弹簧，随后可以再次释放弹簧的压缩力并且降低管道。原则上，第一和第二启用序列可重复多次。当与弹簧组合使用钻井液流动启用机构时，原则上这可无限制地重复。当使用液压室提升内管时，此步骤可重复的次数受限于在下入井中之前安装在岩心钻探设备中的液压室的数量，因为这些液压室在安装之前被预供能，这与通过钻井液流在井下供能的钻井液流动机构相反。然而，如果使用井下电启用机构，那么其可操作的次数没有限制。

在另一个实施例中，使用相反的配置。在此实施例中，可转换岩心钻探设备以钻探模式下入井眼中。在启动第一启用序列时，使用钻井液流或液压室启用来降低内管，并且设备因此转变为取芯模式。在启动第二启用序列时，弹簧压缩力的释放将提升内管，并且执行转变回钻探模式。同样，可推断多个启用和停用序列的可能性。

如先前所述，一个替代实施例为利用液压室来提供提升力，而不是利用钻井液的循环中固有的压力势。液压室将预充有压缩的液压流体、液体或气体，达到预设压力。

使用液压室和钻井液流动之间的显著区别在于，液压室仅可被启用和释放一次，而钻井液可使用适当的装置被多次利用。因此，为了允许本发明通过使用预充式液压室而启用和停用多次，需要多个液压室，其中在设备中需要相等数量的液压室以匹配预期的启用和停用的数量。然后实施含有用于提升或降低内管的多次启用的多个液压室的岩心钻探设备。小型压力容器可用作充满气体或液体的液压室，并且加压至适当的预设压力。几个压力容器可容纳在具有多个液压室的旋转单元中。在一个实施例中，在启用第一液压室时，含有一个或多个压力容器的旋转单元旋转到第一液压室中的第一压力容器与通向活塞的流体流道对齐的位置，并且压力随后被释放，并且内管在适当时被提升或降低。在另一个实施例中，含有压力容器的液压室不旋转，而是在液压室的口部的歧管单元旋转，以在适当时对齐活塞和相关液压室之间的流道，从而随后释放相关压力容器内的压力，并且将所述压力施加到活塞，以提升或降低内管。

在一个实施例中，液压室用于提升内管和降低内管。无论内管被提升或降低，方法都是相同的，即预充式液压室中的势能被用于在活塞上施加液压，该活塞将根据移动方向提升或降低内管。液压室也可与弹簧启用装置组合使用，其方式基本上与将钻井液流动法与弹簧启用组合使用的方式相同。在一个实施例中，液压室在启用时将用于提升内管，以将设备从取芯模式转换为钻探模式。随后，使用弹簧降低内管，并且将设备从钻探模式转换为取芯模式。在另一个实施例中，液压室用于降低内管，而弹簧随后可用于提升内管。除此之外，钻井液流动法、液压室机构和弹簧也可以任何组合方式组合和使用，以多次提升或降低内管。

最后，井下电启用机构可用于移位电动操作的阀，以引导部分钻井液流在活塞上施加液压，从而提升或降低内管。井下电启用机构可使用多次，并且与任何其它方法组合使用。例如，代替使用通过从地面施加重量或过大的钻井液流速来剪切的剪切销，这可为电动操作的剪切销。

现在将根据附图进一步解释所述启用和提升方法中的每个。

图3示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的一个实施例，其中球227作为启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。设备准备启用并且转换为钻探模式，其中内管220一直向下延伸到非常接近取芯钻头200的钻头端面。取芯钻头200中的内部闭合元件201被推到一侧进入凹槽中。带有用于掉落的球226的球座的下轴承组件223附接到内管220的远离取芯钻头200的端部。球226从取芯操作开始时掉落，并且迫使流体进入内部环形空间261中。轴承225允许下轴承组件223相对于上轴承组件224旋转，以允许岩芯样本以最小的旋转力进入内管220。为了启动从取芯到钻探模式的转变，掉落较大的球227。随着球227停留在球座中，钻井液的流动将被转移，并且下室235中的压力增加。室中产生的向上作用的力将破坏剪切销270，该剪切销先前防止内筒无意地向上移动。上室234中的任何流体可通过流道238逃逸到设备的内部环形空间261。当带有内筒220的轴承组件到达其上部位置时，弹簧加压的剪切销271将锁定在凹槽272中，并且防止内筒220向下滑动并且返回到其初始位置。

图4示出了处于钻探模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。在钻探模式中，设备的内筒220缩回到取芯钻头200上方的位置。取芯钻头200中的内部闭合元件201已经从它们的凹槽位置释放，并且跨过取芯钻头200的中心开口闭合。为了将岩心钻探设备从钻探模式转换为取芯模式，球226从地面掉落以落在下轴承组件223的球座中。当钻井液的内部流动被阻挡时，循环压力增加，剪切销270将最终破坏。带有内筒220的轴承组件223、224然后将被向下推动。当轴承组件被向下推动时，下轴承组件223和内部环形空间261之间的连接打开，允许钻井液的流动转移到岩心钻探设备的内部环形空间261中。尽管向下作用的钻井液流的力将减小，但是组合的液压和重力将继续推动内管220进一步向下。当下轴承组件223已经到达最低位置时，弹簧加载的剪切销271将锁定到凹槽272中，并且防止内管220被向上推回。

图5示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中弹簧用于向提升装置提供力。设备准备执行从取芯到钻探模式的转变，其中内筒220被一直向下推到接近取芯钻头200的钻头端面。取芯钻头200中的内部闭合元件201被推到一侧进入凹槽中。带有用于掉落的球226的球座的下轴承组件223附接到内管220的远离取芯钻头200的端部。球226掉落以开始取芯操作，并且迫使流体进入内部环形空间261中。轴承225允许下轴承组件223相对于上轴承组件224旋转，以允许岩芯样本以最小的旋转力进入内管220。为了启动从取芯到钻探模式的转变，掉落较大的球227。随着球227停留在球座中，下室235中的压力增加。产生的向上作用的压力与压缩弹簧273的力的组合将破坏剪切销270，该剪切销先前防止内筒无意地向上移动。当剪切销270破坏时，压缩弹簧的力将被释放，并且提升带有内管220的上轴承组件224，从而允许闭合元件201闭合取芯钻头200的中心开口。上室234中的任何流体可通过流道238逃逸到设备的内部环形空间261。弹簧273的保持力将防止内筒向下移动并且返回到其初始位置。

图6示出了岩心钻探设备从钻探模式到取芯模式的转变，并且其中弹簧用于向提升装置提供力，并且球用作启用装置。该图示出了当执行从钻探到取芯模式的转变时的三个不同阶段。在左侧，工具被示出为处于钻探模式。内管220缩回到取芯钻头200上方，内部闭合元件201延伸并且跨过取芯钻头200的中心开口闭合。剪切销270防止内管220朝闭合元件201向下滑动。在中间的图示中，球226从地面掉落以落在下轴承组件223的球座中。当钻井液的内部流动被球座中的球226阻挡时，压力增加，并且剪切销270将由于液压和压缩弹簧273的力的组合而被破坏。在右侧的图示中，剪切销270已破坏，压缩弹簧的力已释放，并且已向下推动下轴承组件223，与允许内部钻井液流转移到设备的内部环形空间261中的开口对齐。当向下移动时，内管220将打开取芯钻头200的内部闭合元件201，最终停留在非常接近取芯钻头的钻头端面，从而允许岩芯样本进入内管220，这与取芯操作模式一致。

图7示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中液压室和活塞用于向提升装置提供力。岩心钻探设备准备执行从取芯到钻探模式的转变，其中内筒220一直被向下推到非常接近取芯钻头200的钻头端面。取芯钻头200中的内部闭合元件201被推到一侧进入凹槽中，并且取芯钻头200的中心开口被打开以允许岩芯样本进入内管220。小球226已经掉落以落在下轴承组件223的球座中，以将钻井液的内部流动从内管220内部转移到内管和外管之间的内部环形空间261。为了将岩心钻探设备转换为钻探模式，第二较大的球227已经掉落以落在上轴承组件224的球座中。由于钻井液的内部流动现在被阻挡，液压增加并且破坏阀276中的圆盘。因此，液压流体可从预充式液压室275流出，并且将流向活塞277，其将提升带有内管220的轴承组件223、224。当内管220的最下端缩回到取芯钻头200后面时，闭合元件201将闭合取芯钻头200的中心开口，并且设备将准备进行全直径钻探。

图8示出了处于钻探模式的岩心钻探设备的实施例，其中球作为启用装置，并且其中液压室和活塞用于向提升装置提供力。岩心钻探设备准备执行从钻探到取芯模式的转变。处于延伸位置的活塞277防止内管220沿设备的轴线行进。球226已经从地面掉落，并且阻挡钻井液的内部流动。当来自钻井液的液压增加时，阀276中的圆盘将破坏。因此，流体可从预充式液压室275流出到达活塞277，其将缩回并且降低轴承组件223、224，并且随后内管220下降到钻头端面。当下降时，内管220将打开取芯钻头200的内部闭合元件201，最终停留在非常接近取芯钻头的钻头端面，从而允许岩芯样本进入内管220。

图9示出了处于取芯模式的岩心钻探设备的实施例，其中可流动装置作为电池供电的电动阀的启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。在此配置中，启用过程的启动通过使可流动装置从表面掉落来完成。可流动装置携带从装置连续传输的消息或命令。当可流动装置经过井下工具内的接收器单元时，接收器单元拾取信息，并且启动对应的动作。

取芯钻探设备被图示为处于取芯模式，就在被启用进行钻探之前，其中内管220一直向下延伸到紧邻取芯钻头200的钻头端面。取芯钻头200中的内部闭合元件201被推到一侧进入凹槽中。带有用于掉落的球226的球座的下轴承组件223附接到内管220的远离取芯钻头200的端部。球226掉落以启动取芯操作，并且迫使流体进入内部环形空间261中。

为了启动转变为钻探模式，可流动装置281从地面掉落。当可流动装置281通过接收器单元280时，由电池278或其它电源装置供电的电子单元279将在接收到来自可流动装置281的信息时启动电动操作的液压阀276的启用，以允许钻井液的流动转移，并且上室234中的压力增加。上室234在下面描述的图10中可见。下室235中的任何流体可通过流道238逃逸到设备的内部环形空间261。当位于下室235中的所有流体已经排出并且带有内筒220的轴承组件224已经到达其上部位置时，对应于液压提升系统282的顶部到达上轴承组件224的上部，电动操作的液压阀276被启用并且再次切换以防止位于上室234中的任何流体排出，从而防止内筒220向下滑动并且返回到其初始位置。

作为额外的操作装置，接收器单元280也可被配置成将数据传输回可流动装置281，并且与其交换信息。此类数据可包含接收到初始命令的确认、以及其它数据，诸如井下传感器信息、电子设备状态信息和操作参数信息。如本领域公知的，可流动装置可随后通过内部环形空间261向下循环，通过岩心钻探设备的下部，并且循环回地面，由此可流动装置281被收集，并且在其中含有的信息通过地面读取单元检索。

图10示出了处于钻探模式的岩心钻探设备的实施例，其中可流动装置作为电池供电的电动阀的启用装置，并且其中钻井液的内部循环用于向提升装置提供力。在钻探模式中，内筒220缩回到取芯钻头200上方的位置。取芯钻头200中的内部闭合元件201已经从它们的凹槽位置释放，并且跨过取芯钻头200的中心开口闭合。带有用于掉落的球226的球座的下轴承组件223附接到内管220的远离取芯钻头200的端部。球226掉落以启动取芯操作，并且迫使流体进入内部环形空间261中。

为了启动岩心钻探设备从钻探模式到取芯模式的转变，可流动装置281从地面掉落。当可流动装置281通过接收器单元280时，由电池278或其它电源装置供电的电子单元279将在接收到来自可流动装置281的信息时启动电动操作的液压阀276的启用，以允许钻井液的流动转移，并且下室235中的压力增加。下室235在图9中可见。位于上室234中的任何流体可通过流道238逃逸到设备的内部环形空间261。当位于上室234中的所有流体已经排出并且带有内筒220的轴承组件224已经到达其下部位置时，对应于液压提升系统282的底部到达上轴承组件224的下部，电动操作的液压阀276被启用并且再次切换，以防止位于下室235中的任何流体排出，从而防止内筒220由于进入内筒220的岩心样本的摩擦而被迫向上。如上所述，接收器单元280也可被配置成将数据传输回可流动装置281，并且与其交换信息。

本发明提供了一种柔性岩心钻探设备，其可被转换为以取芯模式或钻探模式操作，并且其中模式之间的转变由机械和/或液压装置启用和驱动。