CN102140914B

CN102140914B - 井下岩屑取样器

Info

Publication number: CN102140914B
Application number: CN2010101201495A
Authority: CN
Inventors: 张雷; 张学娟; 刘敏; 卢双舫; 王民; 薛海涛
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: CN102140914A

Abstract

本发明提供一种井下取样器，为一段特殊的井筒，其外筒(2)内有一内筒(图2)，通过内筒(图2)以及位于内筒(图2)下端与内筒(图2)连接于一体的提取爪(图5)的小楔形体(34)和小长方体(35)来提取取样袋(36)，在内筒(图2)携带取样袋(36)上升到一定高度，即泥浆进样口(7)处，触发时间触发器555IC的开关(S1/图4)，使岩屑取样袋(36)中收集到岩屑，时间触发器555IC复位后，内筒(图2)继续上升，外筒内壁上的卸载爪(图6)上有两个背对的小楔形体(40和41)使取样袋的小金属环(5)变形收缩，使得进入到取样袋(36)中的岩屑与泥浆中岩屑分离。实现井下自动取样。

Description

井下岩屑取样器

所属技术领域

本发明涉及一种用于井下岩屑取样装置，特别是涉及一种油气钻探过程中定点、自动、无迟到时间影响的岩屑取样装置。

背景技术

目前，公知的岩屑录井仪均在地面收集岩屑，然后通过对迟到时间的计算来判断上返岩屑破碎前的埋深，岩屑迟到时间的准确性直接影响到岩屑剖面归位与测量深度的误差。已有专利号为92200646.6、200820302570.6等专利报道了地面岩屑录井的现状。而在国家知识产权局专利检索的网站及相关网站上没有检索到在井下对岩屑取样相关的专利技术。地面取得岩屑并对岩屑分析的录井方法存在的致命缺陷在于：迟到时间的计算存在较大的误差，这使得岩屑录井资料的质量大打折扣，无论是依据录井资料所作的地质录井柱状剖面图还是依据录井资料做的地球化学分析，它们的代表性和对比性都比较差。这是因为：在地下被打碎的岩屑随泥浆上返的过程中因岩屑颗粒间密度不同而形成重力分异作用；泥浆上返过程中压力降低；岩屑颗粒的形态大小不同；部分井段可能的井漏；部分井段井径变化导致泥浆形成涡流；另外，随着钻井深度的增加，泥浆泵的负荷也加大，泥浆泵不能发挥到它的额定功率，也即排量达不到它的标准排量等一系列因素影响。这些因素都影响着迟到时间的计算结果，使原本位于不同层系的岩屑混合在一块，降低了岩屑的代表性。在一些深井、超深井的钻探过程中，由于井深大，迟到时间长，使得迟到时间的误差相应增大，导致岩屑录井资料的质量更差。在中国东部的大部分油田，油田已经进入开发的中后期，钻井、测井和录井资料要求更加精细，而岩屑录井资料的精度远跟不上开发所需要的精度，以致在通常情况下弃用录井数据而采用其它资料进行地质研究，有时为了得到井下直观的资料，不得不采用昂贵而又费时的取心技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下岩屑取样器，其能彻底地解决现有录井技术存在的迟到时间误差较大的问题，从而大大提高岩屑录井精度，实现岩屑归位精确度高、岩屑不混杂，并能实现自动、定点随钻岩屑取样；与取芯相比，减少了起下钻，无需影响生产钻进，减轻了劳动量，提高了纯钻时间。

为了达到上述目的，本发明提供一种井下取样器，其特征是：在钻头附近连接一特殊的井筒。该井筒主要由外筒、内筒、电机、瞬间放电开关、岩屑取样袋、控制帽以及带镰刀状刹车阀的继电器、控制电路等组成。

其原理是通过位于外筒内顶部的电机的齿轮咬合内筒的齿轮带动内筒活动，内筒通过连接在其下部的提取爪推开外筒下部的控制帽提取到外筒下部的叠放取样袋中的最上面的一个取样袋，电机正转提升内筒，当内筒触动瞬间放电开关后，内筒上的提取爪控制取样袋静止一段时间，泥浆中的岩屑开始进入到取样袋中，随着取样袋中岩屑的逐渐充满，在时间触发器555IC的作用下，带镰刀状刹车阀的继电器接通电机并且释放镰刀状的刹车阀，电机接通并继续正转，位于外筒上的卸载爪从内筒下提取爪之间弹出控制住取样袋，以免取样袋跟随提取爪继续上升，随着内筒继续上升，位于外筒上的卸载爪进一步弹出并将取样袋上的小金属环挤压变形。当电机到达顶部，顶开继电器KM2接点，电机断电，内筒在弹簧的作用下回返，推开外筒上的卸载爪便可以释放已经包装好的岩屑取样袋了，装有岩屑的取样袋随泥浆上返到地表，地面工作人员便可以将其收集并加以分析。

本发明有益效果是：实现了井下自动取样，从根本上解决了岩屑录井存在迟到时间误差的影响，使得岩屑取样基本能够和测井资料一样准确，在利用本发明所取得的岩屑完全可以用来岩性描述、矿物分析、划分对比地层等一系列的地质应用，以及对常规录井资料进行校正，同时也是对费时又费力的取心技术的有利补充。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的进一步说明。

图1是本发明的主体示意图

图2是本发明的内筒示意图

图3是本发明的带镰刀状刹车阀的继电器示意图

图4是本发明的瞬间放电开关示意图

图5是本发明连接在内筒上的提取爪的示意图

图6是本发明的外筒上卸载爪的示意图

图7是本发明的取样袋的示意图

图8是本发明的控制帽的示意图

图9是本发明的电路原理图

图中1.取样筒底，2.外筒，3.弹簧，4.弹簧板，5.小金属环，6.三角鼻状帽，7.泥浆进样口，8.犁状弹片，9.提取爪杆，10.弧形空心柱体，11.泥浆出样口，12.泥浆挡板，13.弹簧，14.电机，15.镰刀状的刹车阀，16.继电器KM2接点，17.瞬间放电开关帽，18.泥浆下行管，19.常开接点，20.线圈，21.电磁铁，22.底座，23.接主电路，24.转轴，25.不对称齿，26.固定板，27.复位弹簧，28.常闭接点，29.瞬间放电开关底座，30.放电触头，31.弹簧，32.放电端，33.固定板，34.小楔形体，35.小长方体，36.编织袋，37.取样袋编号，38.弹簧，39.固定板，40.大楔形体，41.小楔形体。

下面是对本发明结合附图进一步说明

本发明提供的一种井下取样器，其特征是：在钻头附近连接一特殊的井筒。该井筒主要由外筒2、内筒(图2)、电机14、瞬间放电开关(图4/S1)、岩屑取样袋(图7)、控制帽(图8)以及带镰刀状刹车阀的继电器(图3/KM1)、控制电路(图9)等组成。

外筒2由泥浆下行管18、卸载爪(图6)、泥浆挡板12、泥浆进样口7及泥浆出样口11等组成。泥浆下行管18位于外筒2的壁内，泥浆下行管18主要作用是向钻头输送泥浆，泥浆进样口7及泥浆出样口11的作用在于控制和引导流入井筒内泥浆的流速和流量，同时外筒2的直径在泥浆进出口段加大，并且在泥浆进样口7处加大段呈漏斗口向下的漏斗状，在泥浆出样口11处加大段也呈漏斗口朝下的漏斗状，这使得岩屑能够顺利进出井筒，又方便起下钻。位于外筒2上的卸载爪(图6)有一犁状弹片8，该犁状弹片8上有一大一小的背对的楔形体40和41，当内筒(图2)携带取样袋(图7)上升到合适位置——触动瞬间放电开关(图3)/S1时，犁状弹片8弹出，犁状弹片8上的较大楔形体40阻止取样袋(图7)继续上升，使得取样袋(图7)与内筒(图2)上的提取爪(图5)分离，同时由于较小楔形体41的存在，取样袋(图7)也不会向下脱落出来。当内筒(图2)及提取爪(图5)继续上升，外筒2上的卸载爪(图6)的犁状弹片8进一步弹出，并且犁状弹片8的弹力将取样袋(图7)下的小金属环5挤压变形至收缩，使取样袋(图7)取样后密封包装，避免了与取样袋(图7)外的岩屑混杂。在外筒2底部的取样筒底1上的弹簧3控制的弹簧板4上叠放有取样袋(图7)，并且通过位于外筒2上的控制帽(图8)的三角鼻状帽6的共同作用控制取样袋(图7)的活动。在泥浆挡板12的阻挡下，泥浆中的大部分岩屑不能通过泥浆挡板12进入到内筒(图2)和外筒2的上部空间，以免岩屑影响电机14等的正常运行。

内筒(图2)主体由一个带盖的弧形空心柱体10组成，该弧形空心柱体10在外筒2的泥浆进出样口一侧为缺口，使泥浆能顺利地进出内筒(图2)，当泥浆上返到达取样器上部的泥浆挡板12处时，由于泥浆挡板12的阻挡，使泥浆只能通过外筒2的泥浆出样口11流出而不会使泥浆窜入内筒(图2)和外筒2的上部空间中。弧形空心柱体10的顶部为一带孔的盖，是弹簧13的作用在内筒(图2)着力点，同时使得内筒(图2)活动在一个压力平衡的系统中，而不会形成憋压。在弧形空心柱体10的下部连接着提取爪(图5)，提取爪(图5)自身弹力的作用下，保持着微向外张开的趋势，在提取爪(图5)提取爪杆9上有一小楔形体34和一小长方体35，当提取爪(图5)下到取样袋(图7)存放处，即控制取样袋(图7)活动的控制帽(图8)的三角鼻状帽6下部，提取爪(图5)推开控制取样袋(图7)活动的控制帽(图8)的三角鼻状帽6，取样袋(图7)被弹簧3作用的弹簧板4顶入提取爪(图5)的这一楔形体34和小长方体35间，由于小楔形体34和一小长方体35的间隔正好为取样袋(图7)的小金属环5的高度，这就能实现每次只取一个取样袋(图7)的目标。当内筒(图2)提升时，由于小楔形体34和小长方体35的共同作用，取样袋(图7)上的小金属环5固定在小楔形体34和小长方体35间，并随着内筒(图2)向上提升。

瞬间放电开关(图4/S1)由瞬间放电开关帽17、瞬间放电开关底座29、放电触头30、弹簧31、放电端32、固定板33等组成。弹簧31通过弹力恢复推动瞬间放电开关帽17活动并带动放电触头30触及放电端32放电，使时间触发器555IC的2和6端变为低电压，而输出端3输出高电压；随着电路对555IC的2和6端的充电，使得输入端2电压升高，输出端3输出低电压。

岩屑取样袋(图7)是由网格大小与钻井岩屑颗粒合适的材料编织而成，即岩屑编织袋36的网格大小比普通岩屑颗粒略小；取样袋(图7)上编织袋36印有编号37，编织袋36编织于轻质易变形金属环5上，一般为用小铝环即可。岩屑取样袋(图7)的大小应小于钻杆和井径间的环形空间，另外保证装有岩屑的岩屑取样袋(图7)能上返的因素是泥浆的排量，根据现场经验，一般泥浆的排量为2.0-2.2m³/min，在这个排量下，对于普通泥浆的密度和粘度是来说，足以使质量为100克的岩块上返到地面。一般大小的钻头直径为216mm(311mm的较少)，钻杆直径为127mm，由此，井下环形空间的最大间距为89mm，若钻杆在井下居中，则间距仅有44.5mm，所以岩屑取样袋(图7)的直径最好不超过40mm，另外，取样袋太大影响容易被钻杆卡住，导致泥浆回路被堵，发生事故，所以建议取样袋(图7)的直径约为30mm，取样袋(图7)上编织袋36的深度为50mm，所以编织袋36中的最大容量不超过91克(按最大圆柱体算得，公式为：m＝ρ×π×D×H/4。式中：m为所收集的岩屑质量；ρ为岩屑密度，取2.6g/cm³；D为取样袋的直径，为30mm；H为编织袋的深度，为50mm)。

控制帽(图8)是由一个三角鼻状帽6和弹簧38等组成，在弹簧38的作用下，三角鼻状帽6被顶出，由三角鼻状帽6的直立端控制着叠放取样袋(图7)的活动，而平缓端则有利于提取爪(图5)向下运动推开三角鼻状帽6并抓取到取样袋(图7)。

带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)包括镰刀状的刹车阀15、不对称齿25、转轴24、线圈20、电磁铁21、复位弹簧27、常开接点19和常闭接点28等组成。镰刀状的刹车阀15上有不对称齿25，当线圈20通电后，电磁铁21吸合，常开接点19接通，常闭接点28打开，电机主路断电，镰刀状的刹车阀15绕转轴24转动。刹车阀15上不对称齿25咬住电机14的齿轮，以防止电机14反转。

控制电路(图9)的连接方式为：电源接入Vcc端连接开关K2，开关K2连接启动开关S，启动开关S与继电器KM2的常开接点并联后，再串联继电器KM2，继电器KM2连接保护接地电阻R3和可变电阻R1，可变电阻R1连接555IC的4和8端以及电感L，电感L连接瞬间放电开关S1/(图3)和电容C以及555IC的2和6端，S1和电容C再接地，555IC的1端接地，3端接带镰刀状刹车阀的继电器KM1/(图3)，带镰刀状刹车阀的继电器KM1/(图3)连接电阻R2，电阻R2接地；在电机主路中，继电器KM2和带镰刀状刹车阀的继电器KM1/(图3)串联接在电机14上。

具体实施方式

实施方案一：

在下钻前，先按取样袋(图7)的编号37顺序从井筒的底部存放入外筒2内，并记录好取样袋(图7)的编号37顺序。在钻进过程中，为了能精确地控制内筒(图2)活动以及满足岩屑取样的需要，连接外筒2顶端和内筒(图2)顶部的弹簧13的弹力恢复恰好能使内筒(图2)下部的提取爪(图5)下至到取样袋(图7)叠放处，并把用于控制取样袋(图7)活动的控制帽(图8)的三角鼻状帽6顶开，使叠放的取样袋(图7)中正好有一个取样袋(图7)进入提取爪(图5)的里。在叠放的取样袋(图7)有一弹簧3控制的弹簧板4，使内筒(图2)下部的提取爪(图5)每次取完取样袋(图5)后，下一个取样袋(图7)又能到达控制帽(图8)处。

在图9电路Vcc端输入恒定电压，断开K1，闭合K2，当要取样时接通开关S，记录取样袋(图7)的叠放次序和取样次数以及当前的取样器的深度(取样器的深度＝井底的深度-钻头至取样器间的长度)。当S闭合后，继电器KM2吸合，电路通电，电机14开始正转。内筒(图2)被提升，连接在弧形空心柱体10上的提取爪(图5)的小楔形体34和小长方体35提取到一个取样袋(图7)上升，当取样袋(图7)上升到泥浆进样口7位置时，由于瞬间放电开关帽17卸去内筒(图2)的阻挡，弹簧31通过弹力恢复推动瞬间放电开关S1(图3)的瞬间放电开关帽17活动。

瞬间放电开关S1(图3)在弹簧31的作用下活动，在活动过程中放电触头30触及放电端32，使得时间触发器555IC的输入端2的电压降低，时间触发器555IC的输入端2立即变为低电压，则输出端3输出高电压，位于电机14齿轮处的带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)的电磁铁21吸合，而接通电机14的带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)的常闭接点28断开，电机14断电停止转动，带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)的上镰刀状的刹车阀15围绕转轴24转动，使得带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)上镰刀状的刹车阀15的不对称齿25咬住电机14齿轮，防止电机14在内筒(图2)顶部弹簧13的弹力作用下发生反转。通过设置时间触发器555IC电路中电感L和电容C的大小来确定时间触发器555IC的输出端3输出高电压的时间长短，也就是带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)的延迟时间，进而确定内筒(图2)的停留时间，即取样袋(图7)的取样时间。随着电感L和电容C对触发器555IC输入端2侧的充电，输入端2的电压升高，当达到输入端2的最高电压的2/3时，输出端3即输出低电压，位于电机14齿轮处的带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)的电磁铁21释放，镰刀状刹车阀15绕带镰刀状刹车阀的继电器KM1(图3)的转轴24转动，镰刀状刹车阀15放开，同时电机14主路得以接通，电机14继续正转，内筒(图2)被拉升，卸载爪(图6)的犁状弹片8进一步弹出，使得取样袋(图7)的金属环5被卸载爪(图6)的大楔形体40和小楔形体41夹住，取样袋(图7)被卸载爪(图6)的大楔形体40和小楔形体41控制不动，随着内筒(图2)的继续提升，使得取样袋(图7)的金属环5被犁状弹片8的弹力挤压变形收拢，这样就完成了取样袋(图7)的井下打包任务。当内筒(图2)提升到顶部，推开继电器KM2的接点16后，电机14断电，并且在顶部弹簧13弹力的作用下，电机14发生反转，驱动内筒(图2)复位返回，使得固定在内筒(图2)下端的提取爪(图5)复位到底部的取样袋(图7)存放处，即控制帽(图8)的三角鼻状帽6下部。在电机14向下运行的过程中，推开卸载爪(图6)，释放收集有岩屑的取样袋(图7)。取样袋(图7)从井筒的泥浆出样口11进入泥浆循环液中，随泥浆液上返至地表，地面工作人员收集到上返的取样袋(图7)，并对取样袋(图7)中的样品进行记录分析处理。完成一次取样后自动停止，当再一次接通开关S，取样器重新开始取样，这样实现了取样器的半自动取样。

当内筒(图2)复位到底部，提取爪(图5)的提取爪杆9推开控制帽(图8)的三角鼻状帽6，连接在内筒(图2)上的提取爪(图5)伸入到取样袋(图7)与外筒2的空隙间，取样袋(图7)及取样袋的小金属环5在弹簧3推动弹簧板4的作用下，使得最上面的取样袋(图7)的小金属环5被挤入到提取爪(图5)的小楔形体34和小长方体35之间，当下一次启动电机14时，连接在弧形空心柱体10上提取爪(图5)提取最上部的一个取样袋(图7)上升。

实施方案二：

在图9电路V端接入钻测电信号，断开K2，闭合K1，当钻至异常信号带使产生伺服电压V驱动整个电路，实现全自动岩屑取样。记录取样袋(图7)的叠放次序和取样次数以及产生伺服电压时取样器的深度(取样器的深度＝井底的深度-钻头至取样器间的长度)。取样过程与实施方案一一致。

Claims

1.一种井下岩屑取样器，其包括：外筒（2）、内筒（图2）、电机（14）、瞬间放电开关（图4/S1）、提取爪（图5）、卸载爪（图6）、岩屑取样袋（图7）、控制帽（图8）、带镰刀状刹车阀的继电器（图3/KM1）以及控制电路；其特征是：位于外筒（2）内顶部的电机（14）通过齿轮咬合带动外筒（2）中的内筒（图2）活动，内筒（图2）通过连接在其下部的提取爪（图5）顶开外筒（2）下部的控制帽（图8）提取到控制帽（图8）下部的取样袋（图7），瞬间放电开关（图4/S1）和卸载爪（图6）位于外筒（2）上，外筒（2）顶部电机（14）上的带镰刀状刹车阀的继电器（图3）有一镰刀状的刹车阀（15）；所述控制电路连接方式为：电源接入（Vcc）端连接开关（K2），开关（K2）连接启动开关（S），启动开关（S）与继电器（KM2）的常开接点并联后，再串联继电器（KM2），继电器（KM2）连接保护接地电阻（R3）和可变电阻（R1），可变电阻（R1）连接555IC的4和8端以及电感（L），电感（L）连接瞬间放电开关（S1/图4）和电容（C）以及555IC的2和6端，瞬间放电开关（S1/图4）和电容（C）分别接地，555IC的1端接地，3端接带镰刀状刹车阀的继电器（KM1/图3），带镰刀状刹车阀的继电器（KM1/图3）连接电阻（R2），电阻（R2）接地；在电机主路中，继电器（KM2）和带镰刀状刹车阀的继电器（KM1/图3）串联接在电机（14）上。

2.根据权利要求1所述的井下岩屑取样器，外筒（2）由泥浆下行管（18）、卸载爪（图6）、泥浆进样口（7）、泥浆出样口（11）和取样筒底（1）组成，其特征为：泥浆下行管（18）位于外筒（2）壁内，外筒(2)直径在泥浆进出口段扩大，并且在泥浆进样口（7）和泥浆出样口（11）处扩大段呈漏斗口向下的半漏斗状；所述卸载爪（图6），其由犁状弹片（8）、大楔形体（40）、小楔形体（41）组成，大楔形体（40）与小楔形体(41)背对固定于犁状弹片（8）上，大楔形体（40）与小楔形体(41) 的间隔为取样袋小金属环（5）的高度。

3.根据权利要求1所述的井下岩屑取样器，其特征为：所述内筒（图2）主体由一个带盖的弧形空心柱体（10）组成，内筒（图2）在其下部连接提取爪（图5）；所述提取爪（图5）由提取爪杆（9）、小楔形体（34）、小长方体（35）组成，其中，小楔形体（34）位于提取爪（图5）末端，小楔形体（34）与小长方体（35）的间隔为取样袋小金属环（5）的高度内筒（图2）通过与电机（14）齿轮咬合连接。

4.根据权利要求1所述的井下岩屑取样器，其特征为：所述瞬间放电开关（图4/S1），由瞬间放电开关帽（17）、瞬间放电开关底座（29），放电触头（30），弹簧（31），放电端（32），固定板（33）组成，弹簧（31）通过弹力恢复推动瞬间放电开关帽（17）活动并带动放电触头（30）触及放电端(32)。

5.根据权利要求1所述的井下岩屑取样器，其特征为：岩屑取样袋（图7）由编织袋（36）、取样袋编号（37）和小金属环（5）组成，印有取样袋编号（37）的编织袋（36）编织在小金属环（5）上，小金属环（5）为质轻易变形的铝质材料制成，编织袋（36）的外形为直径约为30mm的近椭球形。

6.根据权利要求1所述的井下岩屑取样器，其特征为：控制帽（图8），其由一个三角鼻状帽（6）、弹簧（38）和固定板（39）组成，固定板（39）和三角鼻状帽（6）间的弹簧（38）控制着位于外筒（2）上的三角鼻状帽（6）的活动。

7.根据权利要求1所述的井下岩屑取样器，其特征为：带镰刀状刹车阀的继电器（KM1/图3），包括镰刀状的刹车阀（15）、不对称齿（25）、转轴（24）、线圈（20）、电磁铁（21）、复位弹簧（27）、常开接点（19）和常闭接点（28），镰刀状的刹车阀（15）在电磁铁（21）吸合过程中绕固定转轴（24）转动，刹车阀（15）上的不对称齿（25）与电机（14）的齿轮相互咬合，防止电机（14）反转。