CN109458147B - 取芯装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及取芯装置，包括取芯钻具、捕芯器、岩芯筒、钻机外筒、翻板阀和用于提拉岩芯筒的内杆，捕芯器设于岩芯筒下端内部，取芯钻具包括外芯管和空心的钻头，外芯管上端与钻机外筒下端连接，外芯管的下端与钻头连接；内杆的下端伸进岩心筒内并可相对于岩心筒轴向移动一定距离，翻板阀包括阀座和密封阀瓣，阀座同轴安装在钻机外筒内壁上，密封阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接；当岩芯筒位于阀座中时，密封阀瓣开启90°；当通过内杆将岩芯筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀座密封接触。本发明通过各部件的相互协同配合，可实现岩芯的钻进、抓取及移送至取芯保真舱，能高稳定、高性能、高效率地完成岩芯的钻取。

Description

取芯装置

技术领域

本发明涉及岩芯钻取技术领域，尤其涉及取芯装置。

背景技术

在油田勘探过程中，岩芯是发现油气层和研究地层、生油层、储油层、盖层、构造等的重要资料，通过对岩芯的观察研究，可以直接地了解地下岩层的岩性、物性和含油、气、水产状特征。油田投入开发后，要通过岩芯进一步研究和认识油层沉积特征，储层的物性、孔隙结构、润湿性、相对渗透率、岩相特征，油层物理模拟和油层水淹规律；认识和掌握不同开发阶段、不同含水阶段油层水淹特征，搞清剩余油分布，为油田开发方案设计，层系、井网调整和加密井提供科学依据。

取岩芯是在钻井过程中使用特殊的取芯工具把地下岩石成块地取到地面上来，这种成块的岩石叫做岩芯，通过它可以测定岩石的各种性质，直观地研究地下构造和岩石沉积环境，了解其中的流体性质等。在矿产勘探和开发过程中，需要按地质设计的地层层位和深度，开展钻进工作，向井内下入取芯工具，钻取出的岩石样品。

发明内容

本发明旨在提供取芯装置，实现岩芯的钻进、抓取及移送至取芯保真舱。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

取芯装置，包括取芯钻具、捕芯器、岩芯筒、钻机外筒、翻板阀和用于提拉岩芯筒的内杆，捕芯器设于岩芯筒下端内部，所述取芯钻具包括外芯管和空心的钻头，外芯管上端与钻机外筒下端连接，外芯管的下端与钻头连接；

所述内杆的下端伸进岩心筒内并可相对于岩心筒轴向移动一定距离，翻板阀包括阀座和密封阀瓣，阀座同轴安装在钻机外筒内壁上，密封阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与密封阀瓣匹配的阀口密封面；

当岩芯筒位于阀座中时，密封阀瓣开启90°且位于岩芯筒与钻机外筒之间；当通过内杆将岩芯筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触。

进一步的，所述捕芯器包括环形基体和多个卡爪，环形基体同轴安装在岩芯筒下端的内壁上，卡爪均匀设置在环形基体上，卡爪下端与环形基体连接，卡爪上端向内收拢。

进一步的，卡爪包括一体制造的竖直臂和倾斜臂，所述竖直臂下端与环形基体连接，竖直臂上端与倾斜臂的下端连接，倾斜臂的上端为自由端，倾斜臂从下往上向内倾斜。

进一步的，所述钻头包括内钻头和外钻头，所述内钻头安装在外钻头内，内钻头下端安装有用于钻孔第一级刀片，外钻头外侧壁上设有用于扩孔的第二级刀片。

进一步的，外芯管和外钻头外壁均设有螺旋槽，外钻头上的螺旋槽与外芯管上的螺旋槽连续。

进一步的，钻头上第一级刀片和第二级刀片处均设有冷却液回路孔。

进一步的，取芯装置还包括触发机构，触发机构包括触发内筒和触发块，触发内筒侧壁上设有通孔，触发块放置于通孔中，岩芯筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；钻机外筒内壁有与触发块适配的避让口，触发块位于密封阀瓣上方，避让口位于触发块上方；

当岩芯筒位于阀座中时，触发内筒位于岩芯筒与钻机外筒之间，触发内筒下端与阀座止口配合，触发块外凸于触发内筒的内侧壁，密封阀瓣位于触发内筒与钻机外筒之间；当将岩芯筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触，触发内筒底部压在密封阀瓣上。

优选地，触发机构还包括触发弹簧，触发弹簧套在触发内筒外，所述触发内筒外壁设有台肩，触发弹簧下端受压于台肩，触发弹簧上端顶在钻机外筒的台阶面上，触发弹簧位于触发块上方。

其中，在内杆下部外侧壁设有限位台阶一，岩心筒上部内侧壁有与限位台阶一适配的限位台阶二，当限位台阶一与限位台阶二相抵时，岩心筒与内杆不能再轴向相对移动。

进一步的，内杆底部膨大，内杆膨大部的外壁设有密封圈一，密封圈一与岩心筒内壁密封配合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明通过各部件的相互协同配合，可实现岩芯的钻进、抓取及移送至取芯保真舱，能高稳定、高性能、高效率地完成岩芯的钻取；

2，本发明中钻头分为二级刀片，由最下端的刀片首先钻小孔，再由上方的刀片扩孔，可以提高钻进速度，提高取芯效率；利用硬质合金锐口薄唇钻头切割岩层，减少取芯过程对地层的扰动，保证取芯完整度和质量；

3，在刀片部位均设置通孔作为冷却液回路孔，冷却液可以通过该通孔喷出来冷却刀片，加快刀片的冷却速度，减少刀具的磨损，延长刀片的寿命；

4，在外芯管的外壁设置有与钻头连续的螺旋槽，随着外芯管旋入岩层，外芯管给取芯工具创造一个密闭空间，可防止保真舱被污染；

5，本发明中捕芯器为朝上并向内收拢的机械卡爪，当卡爪下行时，卡爪易被岩芯撑开，从而使岩芯进入内筒中；当卡爪上行时，卡爪难以被岩芯撑开，由于岩芯不能抵抗较大的拉力以及卡爪的夹紧作用，岩芯在卡爪处被拉断，断裂的岩芯将随卡爪继续上行从而保持在内筒中，本发明的捕芯器便于拉断硬岩，解决现有技术中捕芯器只能取软岩，难以取硬岩的技术问题；

6，当翻板阀关闭时，密封阀瓣受压于回落的触发内筒，密封比压大，可进一步提高阀门的密封性能。

附图说明

图1是取芯之前本发明的示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图1中B处的放大图；

图4是图1中C处的放大图；

图5是取芯时本发明的示意图；

图6是图5中A处的放大图；

图7是图5中B处的放大图；

图8是图5中C处的放大图；

图9是取芯完成后本发明的示意图；

图10是图9中A处的放大图；

图11是钻头的剖视图；

图12是内钻刀体的结构示意图；

图13是外钻刀体的结构示意图；

图14是捕芯器的三维图；

图15是捕芯器的截面图；

图16是翻板阀的结构示意图；

图中：1-岩心筒、2-内杆、3-翻板阀、4-钻头、5-外芯管、6-捕芯器、7-膨大部、8-密封圈二、9-冷却液回路孔、10-螺旋槽、11-凸起部、12-密封圈一、16-钻机外筒、21-限位台阶一、22-限位台阶二、24-弹簧片、25-避让口、31-阀座、32-密封阀瓣、41-内钻头、42-外钻头、51-触发弹簧、52-触发内筒、53-触发块、61-环形基体、62-卡爪、63-环形套、121-竖直臂、122-倾斜臂、241-转轴、242-弹片、311-阀口密封面、321-凹槽、322-密封圈三、411-第一级刀片、412-内钻刀体、413-第一级刀片安装槽、421-第二级刀片、422-外钻刀体、423-第二级刀片安装槽、424-第一级刀片避让缺口、521-台肩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-16所示，本发明公开的取芯装置，包括取芯钻具、岩芯筒1、捕芯器6、钻机外筒16、翻板阀3和用于提拉岩芯筒1的内杆2，捕芯器6设于岩芯筒1下端内部，取芯钻具包括外芯管5和空心的钻头4，外芯管5上端与钻机外筒16下端连接，外芯管5的下端与钻头4连接。

内杆2的下端伸进岩心筒1内并可相对于岩心筒1轴向移动一定距离。内杆2底部膨大，内杆2的膨大部7的外壁设有密封圈一12，密封圈一12与岩心筒1内壁密封配合。在内杆2下部外侧壁设有限位台阶一21，岩心筒1上部内侧壁有与限位台阶一21适配的限位台阶二22，当限位台阶一21与限位台阶二22相抵时，岩心筒1与内杆2不能再轴向相对移动。

本具体是实施方式中，钻头4为PCD刀具。如图11、12、13所示，钻头4包括内钻头41和外钻头42，内钻头41包括第一级刀片411和空心的内钻刀体412。外钻头42包括第二级刀片421和空心的外钻刀体422。如图11、12所示，内钻刀体412下端有用于安装第一级刀片411的第一级刀片安装槽413，第一级刀片安装槽413开口于内钻刀体412的下端面，内钻刀体412上第一级刀片安装槽413处有冷却液回路孔9，该冷却液回路孔9为弧形孔，弧形孔开口于钻头4的前端面并且与第一级刀片安装槽413连通。内钻刀体412上在圆周方向等间隔设有三个第一级刀片安装槽413，每个第一级刀片安装槽413处均设有冷却液回路孔9，每个第一级刀片安装槽413中均安装有第一级刀片411。

如图11、13所示，外钻刀体422外壁有用于安装第二级刀片421的第二级刀片安装槽423，外钻刀体422上第二级刀片安装槽423处有冷却液回路孔9，该冷却液回路孔9为条形孔，条形孔与第二级刀片安装槽423连通。外钻刀体422上在圆周方向等间隔设有三个第二级刀片安装槽423，每个第二级刀片安装槽423处均设有冷却液回路孔9，每个第二级刀片安装槽423中均安装有第二级刀片421。

如图11、12、13所示，内钻头41安装在外钻头42内，外钻刀体422上对应第一级刀片411的位置有第一级刀片避让缺口424，第一级刀片避让缺口424开口于外钻头42的前端面，第一级刀片411的切削刃从第一级刀片避让缺口424处外露于外钻刀体422。内钻刀体412内壁设有密封圈二8，密封圈二8位于第一级刀片411上方。密封圈二8为高弹性的环向密封圈。本发明中钻头分为二级刀片，由最下端的第一级刀片411首先钻小孔，再由上方的第二级刀片421扩孔，可以提高钻进速度。在刀片部位均设置通孔作为冷却液回路孔9，冷却液可以通过该通孔喷出，来冷却刀片。

如图4、13所示，外芯管5和外钻刀体422外壁均设有螺旋槽10，外钻刀体422上的螺旋槽10与外芯管5上的螺旋槽10连续。外壁设置螺旋槽10的外芯管5相当于螺旋外钻，随着外芯管5旋入岩层，外芯管5给取芯工具创造一个密闭空间，密封圈二8在取芯过程中对岩芯的包裹，达到隔离保质效果，达到保湿、保质目标。本发明利用硬质合金锐口薄唇钻头切割岩层，减少取芯过程对地层的扰动，保证取芯完整度和质量。

如图14、15所示，捕芯器6包括环形基体61和多个卡爪62，卡爪62均匀设置在环形基体61上，卡爪62下端与环形基体61连接，卡爪62上端向内收拢。卡爪62有8-15个，优选地，卡爪62有12个。卡爪62的个数可根据需要设置，不限于上述个数。

卡爪62包括一体制造的竖直臂121和倾斜臂122，竖直臂121下端与环形基体61连接，竖直臂121上端与倾斜臂122的下端连接，倾斜臂122的上端为自由端，倾斜臂122从下往上向内倾斜，倾斜臂122的倾斜度可以根据需要调整。本实施方式中倾斜臂122的倾斜角为60°，卡爪62从下往上宽度逐渐变小。

其中，卡爪62的厚度与环形基体61的厚度相等，卡爪62与环形基体61一体制造。环形基体61外套装有环形套63，环形基体61与环形套63固接。

具体的，在岩芯筒1内壁设置与环形套63适配的环形槽，将环形套63嵌装在环形槽中，卡爪62的自由端朝向上方，卡爪62自由端朝上并向内收拢，当岩芯从下往上穿过硬质的卡爪62时容易被撑开，反之则难。

如图3、7、10、16所示，翻板阀3包括阀座31和密封阀瓣32，阀座31同轴安装在钻机外筒16内壁上，阀座31的外壁与钻机外筒16的内壁间设有密封圈，密封圈安装在阀座31外壁上。密封阀瓣32一端与阀座31上端外侧壁活动连接，阀座31顶部有与密封阀瓣32匹配的阀口密封面311。当岩芯筒1位于阀座31中时，密封阀瓣32开启90°且位于岩芯筒1与钻机外筒16之间；当通过内杆2将岩芯筒1向上提升至一定高度时，密封阀瓣32回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触。

密封阀瓣32外周设置有用于安装密封圈三322的环形凹槽，环形凹槽中装有密封圈三322，本具体实施方式中，密封阀瓣32一端通过弹簧片24与阀座31上端外侧壁铰接。其中，弹簧片24包括转轴241和弹片242，阀座31侧壁顶端有与转轴241相适配的转轴容置槽，密封阀瓣32外表面有容纳弹片242的凹槽321。弹片242为曲线型钢片，曲线型钢片卡在凹槽321处，在外力作用下曲线型钢片能够伸直，其曲面可以变为平面并与密封阀瓣32外表面的凹槽321完全贴合。当密封阀瓣32开启90°时，密封阀瓣32内表面与触发内筒52外壁完全贴合且其外表面与阀座31外侧壁在同一个圆柱面内。密封阀瓣32为由圆锥面或圆球面截取半圆管片获得的空间曲面，半圆管片外径与阀座31外径一致。

在另一个实施方式中，密封阀瓣32通过销轴和扭力弹簧与阀座31上端外侧壁铰接。

为了增加密封比压，取芯装置还包括触发机构，触发机构包括触发内筒52、触发弹簧51和触发块53，触发内筒52侧壁上设有通孔，触发块53放置于通孔中，岩芯筒1底部外侧壁有与触发块53适配的凸起部11；钻机外筒16内壁有与触发块53适配的避让口24，触发块53位于密封阀瓣32上方，避让口24位于触发块53上方；触发弹簧51套在触发内筒52外，触发内筒52外壁设有台肩521，触发弹簧51下端受压于台肩521，触发弹簧51上端顶在钻机外筒16的台阶面上，触发弹簧51位于触发块53上方。

如图1、3、5、7所示，当岩芯筒1位于阀座31中时，触发内筒52位于岩芯筒1与钻机外筒16之间，触发内筒52下端与阀座31止口配合，触发块53外凸于触发内筒52的内侧壁，触发块53的外侧与钻机外筒16内壁接触，触发块53的内侧与岩芯筒1外壁接触，密封阀瓣32开启90°且位于触发内筒52与钻机外筒16之间。

如图9、10所示，当将岩芯筒1向上提升越过翻板阀3，岩芯筒1底部的凸起部11带动触发块53上升，继而带动触发内筒52上升，继而带动触发内筒52压缩触发弹簧51并上升；当触发内筒52底部越过密封阀瓣32时，夹在钻机外筒16与密封阀瓣32之间的弹片242释放弹力，密封阀瓣32在弹片242弹力和自身重力作用下反转，回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触，与阀座31实现密封配合。当触发块53随岩芯筒1继续上升到达钻机外筒16的避让口25时，触发块53能够径向移位继而脱离岩芯筒1凸起部11的作用；当岩芯筒1底部越过避让口25时，触发块53失去岩芯筒1的作用力，触发内筒52在触发弹簧51的弹力以及自身重力的作用下带动触发块53下滑，最终压在密封阀瓣32上，对密封阀瓣32施加密封比压。

如图1-4所示，在取芯工作开始前，岩芯筒1位于阀座31中，岩芯筒1下端伸进钻头4内，内杆2的下端伸向岩芯筒1底部，此时密封阀瓣32开启90度，触发内筒52与密封阀瓣32紧密接触可限制密封阀瓣32转动。

如图5-8所示，随着钻机下放与运行，岩心筒1随钻机外筒16向下移动，随着钻头4的钻进，岩芯进入岩芯筒1中并从捕芯器6中间穿过，在岩心穿过硬质的卡爪62时会将卡爪62撑开，从而将岩芯抓紧；当限位台阶一21与限位台阶二22相抵时，岩心筒1与内杆2不能再轴向相对移动，内杆2相对于岩心筒1移动到上止点；

停钻后，向上提拉内杆1，由于限位台阶一21与限位台阶二22相抵，岩芯筒1随内杆1向上提升，卡爪62随岩芯筒1向上移动，因为卡爪62自由端内收，此时卡爪62难以被岩芯撑开，由于岩芯不能抵抗较大的拉力以及卡爪62自由端的内收夹紧，岩芯在卡爪62处被拉断，断裂的岩芯将随捕芯器6继续上行从而保持在岩芯筒1中，作为优选，岩芯筒1内壁有石墨烯涂层。

当继续提升到一定高度时，触发内筒52对密封阀瓣32失去限制作用，密封阀瓣32在弹簧的作用下，回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触，阀门关闭，最后再由回落的触发内筒52压在密封阀瓣32上，对翻板阀3施加密封比压，从而有效避免岩芯筒1内的液体流失。

本发明通过各部件的相互协同配合，可实现岩芯的钻进、抓取及移送至取芯保真舱，能高稳定、高性能、高效率地完成岩芯的钻取。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.取芯装置，其特征在于: 包括取芯钻具、捕芯器、岩芯筒、钻机外筒、翻板阀和用于提拉岩芯筒的内杆，捕芯器设于岩芯筒下端内部，所述取芯钻具包括外芯管和空心的钻头，外芯管上端与钻机外筒下端连接，外芯管的下端与钻头连接；

所述内杆的下端伸进岩心筒内并可相对于岩心筒轴向移动一定距离，翻板阀包括阀座和密封阀瓣，阀座同轴安装在钻机外筒内壁上，密封阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与密封阀瓣匹配的阀口密封面；

当岩芯筒位于阀座中时，密封阀瓣开启90°且位于岩芯筒与钻机外筒之间；当通过内杆将岩芯筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触；

所述钻头包括内钻头和外钻头，所述内钻头安装在外钻头内，内钻头下端安装有用于钻孔第一级刀片，外钻头外侧壁上设有用于扩孔的第二级刀片；

外芯管和外钻头外壁均设有螺旋槽，外钻头上的螺旋槽与外芯管上的螺旋槽连续。

2.根据权利要求1所述的取芯装置，其特征在于：所述捕芯器包括环形基体和多个卡爪，环形基体同轴安装在岩芯筒下端的内壁上，卡爪均匀设置在环形基体上，卡爪下端与环形基体连接，卡爪上端向内收拢。

3.根据权利要求2所述的取芯装置，其特征在于：卡爪包括一体制造的竖直臂和倾斜臂，所述竖直臂下端与环形基体连接，竖直臂上端与倾斜臂的下端连接，倾斜臂的上端为自由端，倾斜臂从下往上向内倾斜。

4.根据权利要求1所述的取芯装置，其特征在于：钻头上第一级刀片和第二级刀片处均设有冷却液回路孔。

5.根据权利要求1所述的取芯装置，其特征在于：还包括触发机构，触发机构包括触发内筒和触发块，触发内筒侧壁上设有通孔，触发块放置于通孔中，岩芯筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；钻机外筒内壁有与触发块适配的避让口，触发块位于密封阀瓣上方，避让口位于触发块上方；

当岩芯筒位于阀座中时，触发内筒位于岩芯筒与钻机外筒之间，触发内筒下端与阀座止口配合，触发块外凸于触发内筒的内侧壁，密封阀瓣位于触发内筒与钻机外筒之间；当将岩芯筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触，触发内筒底部压在密封阀瓣上。

6.根据权利要求5所述的取芯装置，其特征在于：触发机构还包括触发弹簧，触发弹簧套在触发内筒外，所述触发内筒外壁设有台肩，触发弹簧下端受压于台肩，触发弹簧上端顶在钻机外筒的台阶面上，触发弹簧位于触发块上方。

7.根据权利要求1所述的取芯装置，其特征在于：在内杆下部外侧壁设有限位台阶一，岩心筒上部内侧壁有与限位台阶一适配的限位台阶二，当限位台阶一与限位台阶二相抵时，岩心筒与内杆不能再轴向相对移动。

8.根据权利要求1或7所述的取芯装置，其特征在于：内杆底部膨大，内杆膨大部的外壁设有密封圈一，密封圈一与岩心筒内壁密封配合。

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