CN102782248A - 具有可缩回的可锁从动闩锁机构的岩芯钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明的实施包括具有从动闩锁机构的岩芯筒组件。所述从动闩锁机构可以将所述岩芯筒组件相对于钻柱轴向地且旋转地锁定。所述从动闩锁机构可以包括放置在多个传动面上的多个楔形构件。所述钻柱的旋转可以将所述多个楔形构件楔入所述钻柱的内径与所述多个传动面之间，从而将所述岩芯筒组件相对于所述钻柱旋转地锁定。所述从动闩锁机构可以进一步包括调适成将所述多个楔形构件径向锁定在所述岩芯筒组件内的缩回凹槽，从而允许在钻柱内加快行进。本发明的实施还包括这种从动闩锁机构的钻井系统和使用这种钻井系统来取得岩芯样品的方法。

Description

具有可缩回的可锁从动闩锁机构的岩芯钻井工具

技术领域

本发明的实施大体涉及可以用于地质和/或人为岩层钻井的钻井设备和方法。具体来说，本发明的实施涉及岩芯筒组件。

背景技术

岩芯钻井（或岩芯取样）包括因各种原因获取各种深度地下岩层的岩芯样品。例如，所取得的岩芯样品可以指出在特定岩层存在或可能存在什么物料，如石油、贵金属和其它所需的物料，以及指出在什么深度。在某些情况下，岩芯取样可以用来提供物料和活动的地质时间表。因此，岩芯取样可以被用来确定在特定区域进一步探索的可取性。

钢丝绳钻井系统是一种常见的用于取得岩芯样品的钻井系统。在钢丝绳钻井过程中，岩芯钻头被附接到外管或钻杆的前缘。然后，当将外管降到更深入所需岩层中时，通过附接一系列被一部分一部分组装起来的钻杆来形成钻柱。然后，将岩芯筒组件降入或泵入钻柱。旋转、推动和/或震动岩芯钻头使其进入岩层，从而导致目标物料的样品进入岩芯筒组件。一旦获取到岩芯样品，就使用钢丝绳从钻柱中收回岩芯筒组件。然后，可以将岩芯样品从岩芯筒组件中取出。

岩芯筒组件通常包括用于容纳岩芯的岩芯筒和用于将岩芯筒组件附接到钢丝绳的头组件。通常，将岩芯筒组件降入钻柱中，直到岩芯筒到达外管或最远端钻杆上的联顶位。这时，部署头组件上的闩锁，以限制岩芯筒组件相对于钻杆的移动。一旦被闩上，随后就将岩芯筒组件与钻杆一起推进岩层，从而造成物料填满岩芯筒。

岩芯筒组件与钻柱之间的相互作用可能导致一个潜在的挑战。例如，当钻柱旋转时，岩芯筒组件的惯性可能超过配对部件间的摩擦阻力，因此头组件的旋转速率低于钻杆或无法旋转并保持静止。在这种情况下，配对部件可能遭受会导致磨料磨损的滑动接触。

通常，可能需要取得岩层中各种深度的岩芯样品。另外，在某些情况下，可能需要沿钻井路径取得在地平面下数千英尺深处或其它深度的岩芯样品。在这种情况下，取得岩芯样品可能需要从钻孔中移除整个钻柱（或拆除钻柱），这是个耗时且昂贵的过程。在其它情况下，可以使用钢丝绳钻井系统来避免拆除整个钻柱的麻烦和耗费的时间。然而，即使在使用钢丝绳钻井系统时，将岩芯筒组件安装到钻柱中和从钻柱中拆卸仍然很费时。

因此，常规钢丝绳系统存在很多能够解决的缺点。

发明内容

本发明的一个或多个实施克服本领域中用于有效且高效地获取岩芯样品的钻井工具、系统和方法的一个或多个问题。例如，本发明的一个或多个实施包括具有从动闩锁机构的岩芯筒组件，所述从动闩锁机构能够轴向并且旋转地将岩芯筒组件可靠地锁到钻柱上。此外，在将岩芯筒组件安装到钻柱中和从钻柱中拆卸期间，可以将从动闩锁机构径向缩回并锁在缩回位置。在岩芯筒组件的装卸期间，从动闩锁机构的所述缩回位置可以允许钻柱与岩芯筒组件之间更大的流体流动；因此，加快了岩芯筒组件的装卸速度。

例如，岩芯筒头组件的一个实施包括具有多个延伸出去的开口的套管。岩芯筒头组件还可以包括至少部分地放置在多个开口内的多个楔形构件。所述多个楔形构件可以被调适成轴向并且旋转地将套管锁到钻柱上。此外，岩芯筒头组件可以包括至少部分地放置在套管内的传动构件。所述传动构件可以包括至少一个在其中延伸的凹槽。所述至少一个凹槽可以配置成容纳所述多个楔形构件并将其保持在所述套管内的缩回位置中。

此外，岩芯筒头组件的另一个实施可以包括套管和与套管可移动连接的传动构件。岩芯筒头组件还可以包括多个放置在传动构件上的楔形构件。传动构件相对于套管的轴向移动可以在锁住位置与内缩位置之间相对于套管径向移动多个楔形构件。另外，岩芯筒头组件可以包括至少一个延伸进入传动构件的凹槽。所述至少一个凹槽可以容纳多个楔形构件并将其锁于缩回位置中。

另外，用于取得岩芯样品的钻井系统的实施可以包括包含多个钻杆的钻柱。钻井系统还可以包括被调适成插入钻柱内的岩芯筒组件。此外，钻井系统可以包括放置在岩芯筒组件内的从动闩锁机构。所述从动闩锁机构可以将岩芯筒组件相对于钻柱旋转地且轴向地锁定。从动闩锁机构可以包括多个放置在传动构件上的楔形构件。所述传动构件可以包括被调适成容纳多个楔形构件并将其相对于传动构件锁定的至少一个凹槽。

除上述之外，使用包括套管、传动构件和多个楔形构件的岩芯筒组件进行钻井的方法可以涉及操纵岩芯筒组件来将多个楔形构件放置到传动构件上的至少一个缩回凹槽中。所述至少一个缩回凹槽可以将多个楔形构件径向保持在所述套管内。所述方法也可以涉及在钻柱内插入岩芯筒组件。此外，所述方法可以涉及沿钻柱将岩芯筒组件送到钻井位置。在到达钻井位置后，多个楔形构件可以移出所述至少一个缩回凹槽并进入部署位置，其中所述多个楔形构件至少部分地径向伸出套管之外。所述方法还可以涉及旋转钻柱，从而导致多个楔形构件楔入钻柱的内表面与传动构件之间。多个楔形构件楔入钻柱的内表面与传动构件之间可以将岩芯筒组件相对于钻柱旋转地锁定。

本发明的示例性实施的更多特征和优点将在以下描述中阐述，并且其部分地将由于描述而变得显而易见或可以通过这些示例性实施的实践来领会。可以使用所附权利要求书中具体指出的装置和组合来实现和获得这些实施的特征和优点。这些和其它特征将由于以下描述和所附权利要求书而变得更加显而易见或可以从下文阐述的这些示例性实施的实践中被学会。

附图说明

为了描述可获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将参考附图所示的其具体实施方案更具体地描述以上简述的本发明。应当注意，附图并未按比例绘制，并且所有图中，具有相似结构或功能的元件通常都由相同的表示说明目的的参考数字表示。应了解，这些附图仅描绘本发明的典型实施方案，且因此不将其视为限制本发明范围，将通过使用附图更加具体和详细地描述和解释本发明，附图中：

图1示出根据本发明的一个实施的钻井系统示意图，其包括具有从动闩锁机构的岩芯筒组件；

图2示出图1的岩芯筒组件的放大视图，其进一步示出了头组件和岩芯筒；

图3示出图2的头组件的分解图；

图4示出沿图2的线4-4获取的图2的岩芯筒组件的剖视图；

图5示出与图4类似的图2的岩芯筒组件的剖视图，但所述岩芯筒组件具有锁在缩回位置的用于将岩芯筒组件安装到钻柱中或从钻柱中拆卸的从动闩锁机构；

图6示出与图4类似的岩芯筒组件的剖视图，但所述岩芯筒组件具有锁到钻柱上的从动闩锁机构；

图7示出沿图6的线7-7获取的图6的岩芯筒组件的剖视图；

图8示出包括缩回凹槽和部署凹槽两者的岩芯筒部件的视图；以及

图9示出与图4类似的岩芯筒组件的剖视图，但所述岩芯筒组件具有处于释放位置的允许从钻柱收回岩芯筒组件的从动闩锁机构。

具体实施方式

本发明的实施是针对用于有效且高效地获取岩芯样品的钻井工具、系统和方法。例如，本发明的一个或多个实施包括具有从动闩锁机构的岩芯筒组件，所述从动闩锁机构能够可靠地将岩芯筒组件轴向且旋转地锁到钻柱上。此外，从动闩锁机构可以在将岩芯筒组件安装到钻柱中和从钻柱中拆卸期间径向缩回并被锁在缩回位置。在岩芯筒组件的装卸期间，从动闩锁机构的所述缩回位置可以允许钻柱与岩芯筒组件之间更大的流体流动；因此，加快了岩芯筒组件的装卸速度。

具体来说，通过将从动闩锁机构锁在径向缩回位置，可以防止从动闩锁机构如同在将岩芯筒组件安装到钻柱中和从钻柱中拆卸期间一样沿钻柱内表面拖动。另外，通过将从动闩锁机构锁在径向缩回位置，可以增大芯筒组件的外表面与钻柱之间的空间，从而使在岩芯筒组件的装卸期间可能存在的钻孔流体或地下水更容易通过。因此，通过减少岩芯筒组件穿过钻柱所需要的时间，本发明的一个或多个实施可以提高岩芯钻井作业的生产力和效率。

一个或多个实施的组件、系统和方法可以包括或使用用于将岩芯筒组件固定在管状构件（如钻柱的钻杆）内所需位置的从动闩锁机构。所述从动闩锁机构可以包括多个楔形构件和具有多个传动面的传动构件。传动面可以传动楔形构件使其与钻杆的内表面相互作用，以将岩芯筒组件闩锁或锁在钻柱内的所需位置。此后，钻杆的旋转可以引起楔形构件楔入传动面与钻杆内径之间，从而将岩芯筒相对于钻柱旋转地锁定。

此外，一个或多个实施提供了从动闩锁机构，其能在存在由于钻井作业或钻柱的异常移动导致的配对头组件部件的震动和惯性载荷的情况下，保持部署或锁住状态。同样，一个或多个实施可以提供不会无意地脱离或缩回的闩锁机构，从而防止岩芯筒内管组件从向下角度孔中的钻井位置上升。

在一个或多个实施中，偏心构件可以用来将楔形构件移动到传动面上适合的轴向位置。传动面可以具有一个或多个特征，如凹槽，以将楔形构件保持或锁在一个或多个所需轴向位置。如上文提到的，这些所需轴向位置可以与部署状态和/或缩回状态相对应。在部署状态时，楔形构件可以被放置成与钻柱啮合。另一方面，在缩回状态时，楔形构件可以脱离与钻柱的啮合而缩回。这种配置能够有助于减少楔形构件与钻柱之间的摩擦，从而增加能够将组件安装到钻柱中和从钻柱中拆卸的速度。

为便于参考，从动闩锁机构应与大体平面的传动面和圆形或球形楔形构件一同描述。将了解，传动构件可以具有任何数量的传动面，其具有任何所需的形状，包括但不限于，凸形、凹形、有图案的或任何其它能够在需要时楔入所述楔形构件的形状或配置。另外，楔形构件可以具有任何可能的形状和配置。在至少一个实施例中，万向接头可以取代大体球形的楔形构件、锥形平面传动面和附带插孔。因此，本发明可以在不脱离其精神或本质特征的情况下以其它具体形式实施。所描述的实施在各方面将仅视为说明性而非限制性的。

换句话说，以下描述提供具体细节以透彻理解本发明。然而，技术人员应了解，不采用这些具体细节也可以实施和使用所述装置和相关的使用所述装置的方法。事实上，所述装置和相关方法可以通过修改示出的装置和相关方法来投入实践，并可以与任何其它装置和技术结合起来使用。例如，当以下描述聚焦于岩芯取样作业时，所述装置和相关方法可同样应用于其它钻井过程中，如常规钻井，并可以用于任何数量或种类的钻井系统，如旋转式钻井系统、冲击式钻井系统等等。

另外，虽然图中显示了闩锁机构中的五个楔形构件，然而可以使用任何数量的闩锁。在至少一个实施例中，在从动闩锁机构中将使用6个球型楔形构件。同样，所示部件的精确配置可以按技术人员的要求进行修改或重新安排。此外，虽然示出的实施具体论述钢丝绳系统，但是可以使用任何收回系统。

如图1所示，钻井系统100可以用来从岩层102中取得岩芯样品。钻井系统100可以包括钻柱104，钻柱104可以包括钻头106（例如，开放面钻头或其它类型的钻头）和/或一个或多个钻杆108。钻井系统100还可以包括孔中组件，如岩芯筒组件110。岩芯筒组件110可以包括从动闩锁机构128，其被配置成至少部分地将岩芯筒组件锁在远端钻杆或外管112内，以下进行更详细解释。本文使用的术语“下”和“远端”指钻柱104上包括钻头106的一端。而术语“上”或“近端”指钻柱104上与钻头106相对的一端。

钻井系统100可以包括钻机114，钻机114可以将钻头106、岩芯筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其它部分旋转和/或推动进入岩层102中。钻机114可以包括，例如，旋转钻机头116、雪橇组件118和桅杆120。钻机头116可以与钻柱104连接，并可以使旋转钻机头116旋转钻头106、岩芯筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其它部分。在需要时，可以将旋转钻机头116配置成改变旋转这些组件的速度和/或方向。雪橇组件118可以相对于桅杆120移动。当雪橇组件118相对于桅杆120移动时，雪橇组件118可以提供对抗旋转钻机头116的力，所述力可以将钻头106、岩芯筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其它部分进一步推入岩层102中，例如，当他们被旋转时。

然而将了解，钻机114并不需要旋转钻机头、雪橇组件、滑动机架或传动组件，并且114钻机可以包括其它适合的部件。也将了解，钻井系统100并不需要钻机并且钻井系统100可以包括可以将钻头106、岩芯筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其它部分旋转和/或推动进入岩层102中的其它适合的部件。例如，可以使用声波、冲击式或井下电机。

岩芯筒组件110可以包括内管或岩芯筒124和头组件126。头组件126可以包括从动闩锁机构128。如下文将更详细地解释，从动闩锁机构128可以将岩芯筒124锁在钻柱104内，具体来说是锁到外管112上。另外，从动闩锁机构128可以将岩芯筒组件110旋转地锁到钻柱104上，从而防止由于从动闩锁机构128的配对部件与钻柱104间的旋转或滑动而造成磨损。

一旦通过从动闩锁机构128将岩芯筒124锁到外管112上，就可以将钻头106、岩芯筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其它部分旋转和/或推入岩层102中，以使岩芯样品被收集在岩芯筒124内。在岩芯样品被收集之后，可以将岩芯筒组件110解锁以使其脱离外管112和钻柱104。然后可以例如使用钢丝绳收回系统来收回岩芯筒组件110，而钻头106、外管112、一个或多个钻杆108和/或钻柱104的其它部分留在钻孔内。

可以将岩芯样品从收回的岩芯筒组件110的岩芯筒124中取出。在取出岩芯样品之后，可以将岩芯筒组件110送回并锁到外管112上。由于岩芯筒组件110被再次锁到外管112上，所以钻头106、岩芯筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其它部分可以被进一步旋转和/或推入岩层102中，从而使另一个岩芯样品被收集在岩芯筒124内。岩芯筒组件110可以这种方式反复收回和送回以获取几个岩芯样品，同时钻头106、外管112、一个或多个钻杆108和/或钻柱104的其它部分留在钻孔内。这样可以有利地减少获取岩芯样品所必需的时间，因为钻柱104不需要针对每个岩芯样品都被拆卸出钻孔。

图2更详细地示出岩芯筒组件110。如前所述，岩芯筒组件110可以包括头组件126和岩芯筒124。头组件126可以包括矛头组件200，其被调适成与打捞筒连接，所述打捞筒又可以附接到钢丝绳。另外，头组件126可以包括第一构件202和可以容纳从动闩锁机构128的套管204。

图3和图4以及相应的文字示出或描述了图1和图2所示的岩芯筒组件110的许多部件、细节和特征。具体来说，图3示出头组件126的分解图。而图4示出沿图2的线4-4获取的岩芯筒组件110的侧面剖视图。图4示出处于完全部署状态的从动闩锁机构128。如图3和图4所示，从动闩锁机构128可以包括多个楔形构件300。在一个或多个实施中，如图3和图4所示，楔形构件300可以包括球形或为滚筒球。楔形构件300可以由钢或其它铁合金、钛和钛合金、使用芳族聚酰胺纤维的化合物、润滑浸渍的尼龙或塑料、其组合或其它适合材料制成。

楔形构件300可以放置在传动构件302上或靠着传动构件302。更具体来说，楔形构件300可以放置在大体平面或平坦的传动面304上。如下文更详细地解释，传动面304的大体平面配置可以使楔形构件300能够楔入传动构件302与钻柱内径之间，从而将岩芯筒组件110旋转地锁到钻柱上。

图3和图4进一步示出，楔形构件300可以延伸穿过闩锁开口306，所述闩锁开口延伸穿过大体中空的套管204。闩锁开口306可以有助于固持或保持楔形构件300与传动面304接触，这又可以确保传动构件302相对于套管204的轴向移动，从而导致楔形构件300的径向位移。如下文更详细地解释，当传动构件302向套管204轴向移动或进入套管204更深处时，传动面304可以迫使楔形构件300径向移出套管204外并到达部署或锁住位置（图6）。类似地，当传动构件302轴向远离或移出套管204时，楔形构件300可以至少部分地径向缩回到套管204中并进入释放位置（图5）。

如上文提到的，在至少一个实施中，传动构件302可以包括用于将楔形构件300锁在轴向沿传动构件302的位置的一个或多个凹槽。例如，传动构件302可以包括缩回凹槽305。如下文更详细地解释，缩回凹槽305可以在将岩芯筒组件110安装到钻柱104中和从钻柱104中拆卸时将楔形构件300容纳并固持在径向缩回位置。

本文使用的术语“凹槽”指能够将一个或多个楔形构件300容纳和/或保持在沿传动构件302的所需位置的任何特征或几何形状（因此是所需的径向位置，例如，缩回位置或部署位置）。因此，如图4所示，缩回凹槽305可以包括唇口结构，其防止一个或多个楔形构件300向第一构件202沿传动构件302轴向移动。在替代实施中，缩回凹槽305可以包括双唇口结构，其防止一个或多个楔形构件300朝向或远离第一构件202沿传动构件302轴向移动。在进一步实施中，缩回凹槽305可以包括在大小和形状上与楔形构件300相对应圆形凹陷。在进一步实施中，缩回凹槽305可以包括突起而不是凹陷。因此将了解到，缩回凹槽305（和本文以下描述的部署凹槽802）可以包括具有任何几何形状的、允许将一个或多个楔形构件300保持在沿传动构件302的所需位置的特征。

在一个或多个实施中，传动构件302，更具体来说是平面传动面304，可以具有如图3和图4所示的尖锥。当传动构件302轴向移动接近套管204或在其内时，尖锥可以允许传动构件302迫使楔形球300径向向外。同样，当传动构件302轴向移动远离套管204时，传动构件302的尖锥可以允许楔形构件300至少部分地径向缩入套管204。将了解到，传动构件302（和传动面304）不需要为锥形。例如，在替代实施中，传动构件302可以包括具有较小直径的第一部分、过渡部分和具有较大直径的第二部分。换句话说，传动构件302可以在较小直径和较大直径之间包括梯级，而不是沿其长度的尖锥。这些实施的传动构件302的较小直径部分可以允许楔形球300至少部分地缩入套管204中，并且传动构件302的较大直径可以迫使楔形球300径向向外，以锁到或闩锁到钻柱104上。

在至少一个实施中，缩回凹槽305可以放置在传动构件302的尖锥的较小端上。这样可以在楔形构件300被固定在缩回凹槽305内时确保楔形构件300将至少部分地径向缩入套管204中。在至少一个实施中，当楔形构件300被容纳在缩回凹槽305内时，其可以完全缩入套管204中。无论如何，缩回凹槽305可以将楔形构件300充分地保持在套管204内以使其不与钻柱104啮合。这样保持楔形构件300缩在套管204内可以减少楔形构件300与钻柱104间的接触，这又可以减少摩擦，从而允许将岩芯筒组件110快速安装到钻柱104中和从钻柱104中快速拆卸。

如图3和图4所示，缩回凹槽305可以径向延伸进入传动构件302的传动面304。在图中所示的实施中，缩回凹槽305包括环绕传动构件302延伸的单个凹槽。然而，在替代实施中，缩回凹槽305可以包括放置在传动构件302上的多个凹槽。在这些实施中，多个缩回凹槽中的每一个都可以容纳单个楔形构件300并将其锁在缩回位置。

图3和图4进一步示出，此外，第一构件202可以为大体中空的并可以容纳联顶构件312。将了解到，套管204、第一构件202和联顶构件312都可以连接在一起。具体来说，如图3和图4所示，在至少一个实施中，第一插销320可以延伸穿过联顶构件312中的安装通道322。第一插销320然后可以延伸穿过第一构件202（更具体来说是传动构件302）的安装狭槽324。第一插销320可以从安装狭槽324延伸到套管204中的安装孔326中。因此，联顶构件312和套管204可以相对于彼此轴向固定。另一方面，安装狭槽324可以允许联顶构件312和套管204相对于第一构件202轴向移动，反之亦然。第一构件202与套管204之间的轴向移动可以导致传动面304使楔形构件300径向向外和向内移动。

在替代实施中，套管204和第一构件202可以包括单个部件（即，闩锁体）。换句话说，套管204和第一构件202可以相对于彼此固定。在这些实施中，传动构件302可以与闩锁体（即套管204和第一构件202）可移动连接。

图3和图4进一步示出，头组件126可以包括偏心构件330。偏心构件330可以放置在联顶构件312与传动构件302之间。因此，偏心构件330可以使传动构件302偏向或进入套管204中。因此，在一个或多个实施中，偏心构件330可以使传动构件302偏斜到楔形构件300上，从而使楔形构件300径向向外偏斜。偏心构件330可以包括机械（如弹簧）、磁性或其它配置成使传动构件302偏向或进入套管204中的机构。例如，图3和图4示出偏心构件330可以包括盘簧。

另外，图3和图4示出头组件126可以包括流体控制构件342。流体控制构件342可以包括活塞344和钻轴345。钻轴345可以包括其中界定出的通道346。活塞销348可以在通道346中延伸并且连接至第一构件202（具体来说是传动构件302）内的销孔350。因此，通道346可以允许活塞344相对于传动构件302进行轴向移动。具体来说，如下文更为详细地解释，活塞344可以相对于第一构件202进行轴向移动而与密封件或轴衬352啮合并且与所述密封件或轴衬脱离，从而形成阀门。下文将对流体控制构件342的相互作用进行更为详细地论述。

在一个或多个替代实施中，流体控制构件342可以刚性地附接至传动构件302。在这些实施中，活塞销348可以延伸进入销孔而非通道346，这将阻止流体控制构件342相对于传动构件302进行轴向移动。

协同流体控制构件342，岩芯筒组件110可以包括各种额外的特征，以辅助允许岩芯筒组件110在钻柱104内行进。具体来说，套管204可以包括延伸穿过套管204的一个或多个流体入口370。另外，套管204可以包括至少部分地沿其长度延伸的一个或多个轴向路径372。类似地，第一构件202可以包括延伸穿过第一构件202的一个或多个流体入口376。另外，第一构件202可以包括至少部分地沿其长度延伸的一个或多个轴向路径378。

根据本文公开内容应了解到，流体入口370、376可以允许流体从头组件126的外径流入头组件126的中心或内孔。另一方面，轴向路径372、378可以允许流体在头组件126的外径与钻柱104的内径之间沿头组件126进行轴向流动。除了流体入口和轴向路径之外，岩芯筒组件110可以包括能够允许流体穿过岩芯筒组件110内部进行流动的中心内孔。

如上文所述，头组件126可以包括矛头组件200。可以将矛头组件200经由矛头销360连接至第一构件202。矛头销360可以在矛头组件200中的安装通道362内延伸，从而允许矛头组件200相对于第一构件202进行轴向移动。

现参阅图5至图9，将对岩芯筒组件110的操作、从动闩锁机构128和缩回凹槽305进行更为详细地描述。如上文所述，在本发明的一个或多个实施中，可以将岩芯筒组件110降入钻柱104中。举例来说，图5示出将岩芯筒组件安装或下降到钻柱104中时的岩芯筒组件110。

具体来说，在将岩芯筒组件110放入钻柱104中之前，操作人员可以将楔形构件300锁入缩回凹槽305中。举例来说，操作人员可以施加压力将传动构件302拉出套管204或拉离套管204。这样一来，就可以压缩偏心构件330，并且可以将楔形构件300如图5所示般纳入缩回凹槽305中。

缩回凹槽305与楔形构件300之间的啮合可以使得楔形构件300固定在缩回凹槽305中。将楔形构件300固定在缩回凹槽305中能够在楔形构件300、缩回凹槽305与套管204中的闩锁开口306的壁面之间产生保持力。这一保持力能够足以克服偏心构件330施加在第一构件202和传动构件302上的偏心力，从而将楔形构件300径向保持或锁定在套管204中。因此，在将岩芯筒组件110向下安装到钻柱104时，闩锁机构128可以保持在缩回状态。使楔形构件300保持缩回在套管204中可以减少楔形构件300与钻柱104之间的接触，这又可以减少摩擦，从而使得岩芯筒组件110能够快速地安装到钻柱104中和从钻柱104快速拆卸。

此外，钻柱104的一个或多个钻杆108可能包括可变的壁厚。在一个或多个实施中，钻柱104中的至少一部分钻杆108可能具有变化的横截面壁厚。举例来说，钻杆108的内径可以沿其长度变化，而钻杆108的外径却保持不变。举例来说，图5示出钻杆108a可以包括第一端500a、中间部分500b和第二端500c。如图所示，钻杆108a的中间部分500b可以比钻杆108a的第一端500a、第二端500c薄。根据本文公开内容应了解到，较薄的中间部分500b可以在岩芯筒组件110与钻柱104的内表面502之间产生额外的间隙。

钻杆108a的横截面壁厚可以变化任何合适的量。例如，钻杆108a的横截面壁厚可以变化至所述钻杆保持足够的结构完整性并且保持与标准钻杆、钢丝绳和/或钻井工具相容的程度。举例来说，钻杆108a的横截面壁厚可以在其最厚部分至其最薄部分，在约15%至约30%之间变化。然而，在一个或多个其它的实施中，所述钻杆的横截面壁厚的变化程度可能更大或更小。

变化的壁厚可以使得岩芯筒组件110在移动穿过钻柱104时的阻力变小。通常来说，钻柱104内的钻孔流体和/或地下流体可能会对岩芯筒组件110的移动产生流体阻力和水阻力。钻柱104的变化的内径可以使得钻柱104中含有的钻孔流体或其它材料（例如，钻孔气体、钻孔泥浆、岩屑、空气等）能够大量地流过岩芯筒组件110，从而加快流速。举例来说，由于岩芯筒组件110在安装期间穿过钻柱104的较宽部分，所以流体可以流过岩芯筒组件110。协同保持在缩回凹槽305内的缩回位置的闩锁机构128，可以使得闩锁机构128与钻柱104的内表面502之间的接触最小化，从而显著减少钻柱104与岩芯筒组件110之间的阻力。

现参阅图6，一旦孔内组件或岩芯筒组件110已到达钻柱104内的其所需位置，岩芯筒组件110的远端就可以穿过最后的钻杆并且下落在安设于外管112顶部的联顶环上。这时可以部署闩锁机构128，从而将岩芯筒组件110轴向且旋转地锁到钻柱104上。举例来说，岩芯筒组件110接触联顶环形成的冲击与偏心构件330产生的偏心力可以克服将楔形构件300保持在缩回凹槽305内的保持力。

一旦岩芯筒组件110下落在联顶座上，就可以将岩芯筒组件110浸入流体中。在钻井操作期间，可以对这一流体施加压力。施加至流体的压力连同岩芯筒组件110的远端间的密封接触可以使得受压的流体进入流体入口370、376。受压的流体进入流体入口370、376可以对流体控制构件342的活塞344产生远端作用流体力。活塞344又可以施加远端作用力，以将流体控制构件342传动至远端直到通道346的近端与销348啮合。因此，一旦通道346的近端与销348啮合，施加在流体控制构件342上的远端作用流体力就被穿过销348传递给传动构件302，从而将传动构件302拉向或拉入套管204。流体控制构件342产生的这一力可以与偏心构件330产生的偏心力一起作用，从而克服将楔形构件300保持在缩回凹槽305内的保持力。

无论如何，一旦克服所述保持力，偏心构件330就可以迫使传动构件302远端朝向（并且在一些实施中至少部分地进入）套管204。传动构件302朝向或进入套管204的移动可以促使传动面304增加与楔形构件300的啮合。换句话说，传动构件302朝向套管204的轴向平移可以使得传动面304在楔形构件300沿锥形传动面304移动时迫使楔形构件300径向向外。这一移动可以使得传动面304径向向外传动楔形构件300（穿过闩锁开口306）并且与钻柱104的内表面502啮合。具体来说，可以传动楔形构件300使其如图6所示与形成在钻柱104的内表面502中的环形凹槽602啮合。

由于楔形构件300部署在环形凹槽602中，所以从动闩锁机构128可以将岩芯筒组件110轴向锁定在钻井位置。换句话说，楔形构件300和环形凹槽602可以阻止岩芯筒组件110相对于外管112或钻柱104进行轴向移动。具体来说，从动闩锁机构128可以在岩芯样品进入岩芯筒124时承受钻井载荷。此外，尽管钻井作业或异常的钻柱移动会使配套头组件部件产生震动和惯性载荷，但是传动闩锁机构128可以保持部署或闩锁状态。

应了解，在处于钻井位置时，偏心构件330可以迫使传动构件302朝向远端，从而迫使楔形构件300径向向外进入所部署的位置。因此，从动闩锁机构128可以帮助确保楔形构件300不会无意脱离或缩回，以使得岩芯筒内管组件从向下角度孔中的钻井位置上升，从而阻止钻井。

除上述内容之外，图6进一步示出在处于钻井位置时，活塞344可以穿过超出轴衬352的远端。这就使得流体可以在岩芯筒组件110中流动。因此，流体控制构件342可以使得钻井流体到达钻头106，以提供钻井过程中所需的或需要的冲洗和冷却。根据本文公开内容应了解，可以产生压力峰值，并且然后在岩芯筒组件110到达钻井位置并且活塞344穿过超出轴衬352时释放所述压力峰值。所述压力峰值可以向钻井操作人员提供指示：岩芯筒组件100已到达钻井位置并且闩锁到钻柱104上。

除了将岩芯筒组件110轴向锁定或闩锁在钻井位置之外，从动闩锁机构128还可以将岩芯筒组件110相对于钻柱104转动地锁定，以使得岩芯筒组件110与钻柱104同步旋转。如上所述，这就可以防止岩芯筒组件110的配对部件与钻柱104（也就是说，楔形构件300、钻柱104的内表面502、岩芯筒远端的下入台肩、外管112近端的联顶环）之间的磨损。

具体来说，参阅图7，在钻柱104旋转（以箭头700表示）时，岩芯筒组件110和传动构件302可以具有惯性（以箭头704表示），在不具有从动闩锁机构128的情况下，所述惯性往往会使得岩芯筒组件110不旋转或以低于钻柱104的速率旋转。然而，如图7所示，在钻柱104的旋转试图相对于传动构件302来旋转楔形构件300（以箭头702表示）时，钻柱104的旋转使得楔形构件300楔入传动构件302的传动面304与钻柱104的内表面502之间。楔形构件300楔入或压入传动面304与钻柱104的内表面502之间可以将传动构件302相对于钻柱104旋转地锁定（并且因此锁定岩芯筒组件110）。因此，从动闩锁机构128可以确保岩芯筒组件110与钻柱104一起旋转。

根据本文公开内容应了解，传动面304的配置和钻柱104的内表面502可以产生如图7所示的圆周锥形。换句话说，钻柱104的内表面502与传动构件302之间的距离可以圆周性变化。这一圆周锥形使得楔形构件300楔入钻柱104与传动构件302之间或变成压入钻柱104与传动构件302之间，从而将岩芯筒组件110旋转地锁到钻柱104上。

如图7所示，在至少一个实施中，钻柱104与传动面104之间的圆周锥形可以通过传动面304的平面配置产生。在替代实施中，传动面304可能不具有平面表面。举例来说，传动面304可以具有凹形、凸形、圆形、v形或其它所需的配置。无论如何，应了解，传动面304的配置可以在传动构件302与钻柱104的内表面502之间产生圆周锥形。在另一个实施中，传动构件302可以具有大体圆形的横截面，并且钻柱104的内表面502可以包括在钻柱104的内表面502与传动面304或传动构件302之间产生圆周锥形的配置。

除保持凹槽305之外，在一个或多个实施中，从动闩锁机构128也可以包括部署凹槽。举例来说，图8示出包括保持凹槽305和部署凹槽802两者的传动构件302a。部署凹槽802可以径向延伸进入传动构件302a的传动面304a。在图中所示的实施中，部署凹槽802包括环绕传动构件302a进行圆周延伸的单个凹槽。然而，在替代实施中，部署凹槽802可以包括放置于传动构件304a上的多个凹槽。多个部署凹槽中每个部署凹槽都可以容纳单个楔形构件300并将其锁于部署位置中。

无论如何，在至少一个实施中，可以将部署凹槽802放置在传动构件302a的锥形的较大端上。这样可以确保在将楔形构件300固定在部署凹槽802内时，楔形构件300将至少部分地径向延伸出套管204。部署凹槽802可以将楔形构件300保持在所部署的位置以使得所述楔形构件能够与钻柱104的环形凹槽602啮合。具体来说，楔形构件300与部署凹槽802之间的啮合可以产生将从动闩锁机构128锁在部署状态或以其它方式帮助将从动闩锁机构128保持在部署状态的保持力。

换句话说，部署凹槽802可以将楔形构件300沿传动构件302锁定在适当位置，从而迫使楔形构件300径向向外进入所部署的位置。因此，从动闩锁机构128（和部署凹槽802）可以帮助确保楔形构件300不会无意脱离或缩回，以使得岩芯筒内管组件从向下角度孔中的钻井位置上升，从而阻止钻井。

在某一时刻，诸如当岩芯样品已被获取时，可能需要取回岩芯筒组件110。参阅图9，为了取回岩芯筒组件110，可以使用钢丝绳降入打捞筒组件900使其与矛头组件200啮合。然后可以使用所述钢丝绳从近端拉动打捞筒900和矛头组件200。这样又可以发生作用将第一构件202大概拉离套管204。

第一构件202的近端移动可以使得传动构件302相对于套管204和楔形构件300移动。传动构件302相对于楔形构件300的近端移动可以使得楔形构件300被从部署凹槽802中拉出。传动构件302相对于楔形构件300的进一步移动可以使得楔形构件300在沿锥形传动构件302移动时径向缩回。一旦已将第一构件202大概全部拉出，楔形构件300就可以移入缩回凹槽305，从而将所述楔形构件径向锁定在套管204中。这时，安装狭槽324的远端可以与销320啮合，从而大概拉动套管204。

本发明的实施也可以包括使用具有可缩回的可锁从动闩锁机构的岩芯钻井工具来进行钻井以获取岩芯样品的方法。下文参阅图1至图9的部件和图式来描述获取岩芯样品的方法的至少一个实施。当然，作为正文前的图文，本领域的普通技术人员将认识到，可以使用本发明的一个或多个部件来对本文详细阐释的方法进行修改。举例来说，可以对所描述方法的各个步骤进行省略或扩展，并且所描述方法的各个步骤的顺序可以根据需要进行更改。

因此，根据本发明的一个实施，所述方法可以涉及利用岩芯筒组件110将多个楔形构件300放置到传动构件302上的至少一个缩回凹槽305中。举例来说，所述方法可以包括相对于套管204移动传动构件302，从而使得楔形构件300被容纳在缩回凹槽305内。在至少一个实施中，这一移动可以通过将第一构件202拉离套管204来完成。至少一个缩回凹槽305可以将多个楔形构件300沿传动构件302保持在适当位置，从而将所述楔形构件径向保持在套管204内。

所述方法还可以涉及将所述岩芯筒组件110插入钻柱104内。举例来说，用户可以将岩芯筒组件110放入钻柱104中。然后所述方法可以涉及沿钻柱104将岩芯筒组件110传送至钻井位置。在至少一个实施中，岩芯筒组件100可以在重力的作用下沿钻柱104移动或沿钻柱104向下移动至钻井位置。

在到达钻井位置之后，多个楔形构件300可以自动地从至少一个缩回凹槽305中移出进入所部署位置，其中多个楔形构件300至少部分地从套管204径向向外延伸。举例来说，可以克服偏心构件330产生的偏心力和将楔形构件300保持在缩回凹槽305内的保持力。在一些实施中，所述偏心力可以与由岩芯筒组件110接触联顶环时形成的冲击所产生的冲击力和/或流体作用在流体控制构件342上生成的力一起克服所述保持力。然后偏心构件330可以迫使传动构件302相对于套管204轴向移动。这一移动可以迫使楔形构件300从套管204径向向外直到所述楔形构件与钻柱104内的环形凹槽602啮合；从而，将岩芯筒组件110轴向锁到钻柱104上。在一些实施中，传动构件302相对于套管204的移动可以迫使楔形构件300进入部署凹槽802中，这就可以将楔形构件300锁定在延伸或部署的位置。

然后所述方法可以涉及旋转钻柱104；从而使得多个楔形构件300楔入所述钻柱104的内表面502与传动构件302之间，从而将岩芯筒组件110相对于钻柱104旋转地锁定。另外，所述方法可以涉及将钻柱104推入岩层102中，从而使得岩层102的一部分进入岩芯筒组件110。

如上文所述，在不脱离本描述的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以设计许多变体和替代布置。举例来说，根据本发明的岩芯筒组件可以包括提供轴向锁定的常规闩锁机构（诸如弹簧驱动的绕轴旋转闩锁或机械连接闩锁）和提供旋转锁定的从动闩锁机构。例如，这可以通过修改诸如下部闩锁主体的头组件部件以使其包括与安设在外管中的联顶环内径啮合的滚筒元件来完成。在这一配置中，所述下部闩锁主体可以包括传动面和使得滚筒元件能够楔入传动面与外管之间的保持器构件，从而将下部闩锁主体旋转地锁定到所述联顶环的内径。因此，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，可以用其它具体形式来实施本发明。所描述的实施方案应全部理解为仅是说明性的而非限制性的。因此，由随附权利要求书而非上文描述指定本发明的范围。从属于权利要求书的等价物的含义和范围内的所有改变也被涵盖在本发明范围内。

Claims (30)

1.一种岩芯筒头组件，其被配置成可移动地容纳在钻柱中，其包括：

套管，其具有沿所述岩芯筒组件延伸的多个开口；

多个楔形构件，其至少部分地放置在所述多个开口内，所述多个楔形构件被调适成将所述套管相对于钻柱轴向地且旋转地锁定；和

传动构件，其至少部分地放置在所述套管内，所述传动构件包括在其中延伸的至少一个凹槽，所述至少一个凹槽被配置成容纳所述多个楔形构件并将其保持在所述套管内的缩回位置。

2.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其中所述传动构件相对于所述套管的移动使得所述多个楔形构件径向移入和移出所述多个开口。

3.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其中所述多个楔形构件的楔形构件大体是球形。

4.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其中所述传动构件沿其长度的至少一部分的直径大小不同。

5.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其进一步包括：

阀门，其放置在所述套管内；和

球式活塞，其被配置成与所述阀门啮合并且阻止流体穿过所述套管，从而穿过所述阀门。

6.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其进一步包括偏心构件，所述偏心构件被配置成使所述传动构件偏向所述多个楔形构件。

7.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其进一步包括所述传动构件上的多个传动面，所述多个传动面具有配置成在所述传动构件与所述钻柱的内表面之间产生圆周锥形的形状。

8.根据权利要求7所述的岩芯筒头组件，其中所述多个传动面的传动面是平面。

9.根据权利要求1所述的岩芯筒头组件，其进一步包括延伸进入所述传动构件的至少一个第二凹槽，所述至少一个第二凹槽被调适成容纳所述多个楔形构件并将其保持在部署位置，其中所述多个楔形构件从所述套管径向向外延伸。

10.一种岩芯筒头组件，其包括：

套管；

传动构件，其可移动地连接至所述套管；

多个楔形构件，其放置在所述传动构件上，其中所述传动构件相对于所述套管的轴向移动使得所述多个楔形构件相对于所述套管在闩锁位置与缩回位置之间径向移动；和

至少一个凹槽，其延伸进入所述传动构件，所述至少一个凹槽被调适成容纳所述多个楔形构件并将其锁定在所述缩回位置中。

11.根据权利要求10所述的岩芯筒头组件，其中所述多个楔形构件的楔形构件大体是球形。

12.根据权利要求11所述的岩芯筒头组件，其进一步包括沿所述传动构件延伸的多个大体平面的传动面，其中将所述多个楔形构件放置在所述多个大体平面的传动面上。

13.根据权利要求12所述的岩芯筒头组件，其进一步包括偏心构件，其中所述偏心构件使得所述平面的传动面偏向所述多个楔形构件。

14.根据权利要求13所述的岩芯筒头组件，其中所述偏心构件使得所述传动构件偏向所述套管。

15.根据权利要求10所述的岩芯筒头组件，其中所述多个楔形构件被调适成通过从所述套管径向向外延伸进入所述钻柱的内表面中的环形凹槽中来将所述岩芯筒头组件相对于所述钻柱轴向地锁定。

16.根据权利要求15所述的岩芯筒头组件，其中所述多个楔形构件被调适成通过楔入所述钻柱的内表面与所述传动构件之间来将所述岩芯筒头组件相对于所述钻柱旋转地锁定。

17.根据权利要求10所述的岩芯筒头组件，其进一步包括延伸进入所述传动构件的至少一个第二凹槽，所述至少一个第二凹槽被调适成容纳所述多个楔形构件并将其保持在所述闩锁位置，其中所述多个楔形构件从所述套管径向向外延伸。

18.一种用于取得岩芯样品的钻井系统，其包括：

钻柱，其包括多个钻杆；

岩芯筒组件，其被调适成插入所述钻柱内；和

从动闩锁机构，其放置在所述岩芯筒组件内，所述从动闩锁机构被配置成将所述岩芯筒组件相对于所述钻柱旋转地且轴向地锁定；

其中所述从动闩锁机构包括放置在传动构件上的多个楔形构件，所述传动构件具有被调适成容纳所述多个楔形构件并将其相对于所述传动构件锁定的至少一个凹槽。

19.根据权利要求18所述的钻井系统，其中所述至少一个凹槽被调适成将所述多个楔形构件锁定在缩回位置中，其中所述多个楔形构件径向放置在所述岩芯筒组件内。

20.根据权利要求18所述的钻井系统，其中所述至少一个凹槽被调适成将所述多个楔形构件锁定在部署位置中，其中所述多个楔形构件至少部分地径向放置在所述岩芯筒组件外部。

21.根据权利要求18所述的钻井系统，其中所述多个楔形构件的楔形构件包括大体球形的圆球。

22.根据权利要求18所述的钻井系统，其中所述多个钻杆中的至少一个钻杆包括沿所述至少一个钻杆的长度变化的内径。

23.根据权利要求18所述的钻井系统，其中所述多个钻杆的至少一个钻杆包括延伸进入其内表面的环形凹槽。

24.根据权利要求23所述的钻井系统，其中所述多个楔形构件被配置成延伸进入所述环形凹槽，以将所述岩芯筒组件相对于所述钻柱锁定。

25.根据权利要求18所述的钻井系统，其进一步包括连接至所述岩芯筒组件的矛头组件。

26.一种使用包括套管、传动构件和多个楔形构件的岩芯筒组件进行钻井的方法，其包括：

操纵所述岩芯筒组件将所述多个楔形构件放置到所述传动构件上的至少一个缩回凹槽中，所述至少一个缩回凹槽被调适成将所述多个楔形构件径向保持在所述套管内；

将所述岩芯筒组件插入钻柱中；

将所述岩芯筒组件沿所述钻柱传送至钻井位置，其中在到达所述钻井位置后，所述多个楔形构件从所述至少一个缩回凹槽中移出进入部署位置，其中所述多个楔形构件至少部分地从所述套管径向向外延伸；和

旋转所述钻柱从而使得所述多个楔形构件楔入所述钻柱的内表面与所述传动构件之间，从而将所述岩芯筒组件相对于所述钻柱旋转地锁定。

27.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括：

将打捞筒放入所述岩芯筒组件的矛头中；和

拉动所述打捞筒以取回所述岩芯筒组件；

其中所述拉动使得所述多个楔形构件移入所述至少一个缩回凹槽中。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述多个楔形构件锁定在所述传动构件处于所述部署位置时所形成的部署凹槽中。

29.根据权利要求26所述的方法，其中在到达所述钻井位置后，偏心构件迫使所述传动构件相对于所述套管进行轴向移动。

30.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括将所述钻柱推入岩层中从而使得所述岩层的一部分进入所述岩芯筒组件。

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