CN102791954B - 岩心筒头部组件以及用于取回岩心样本的钻井系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方案包括具有从动闩锁机构的岩心筒组件。从动闩锁机构能够使岩心筒组件相对于钻柱而轴向锁定且旋转锁定。从动闩锁机构可包括位于多个驱动表面上的多个楔式构件。钻柱的旋转能够造成多个楔式构件楔入钻柱的内径与多个驱动表面之间，由此使岩心筒组件相对于钻柱而旋转锁定。本发明的实施方案还包括含有这种从动闩锁机构的钻井系统以及使用这种钻井系统取回岩心样本的方法。

Description

岩心筒头部组件以及用于取回岩心样本的钻井系统和方法

技术领域

本发明的实施方案大体涉及可用来钻探地质地层和/或人造地层的钻井设备和方法。具体地，本发明的实施方案涉及岩心筒（corebarrel）组件和用于将岩心筒组件闩锁到钻柱的机构。

背景技术

勘探钻井可包括从地层取回所期望物质的样本（岩心样本）。钢缆钻井（wirelinedrilling）系统是一种普遍的用于取回岩心样本的钻井系统。在钢缆钻井过程中，岩心钻头附接到外管或钻杆的前边缘。然后，通过随着外管更深地下降至期望的地层内，将逐段地组装在一起的一连串钻杆附接，从而形成钻柱。随后使岩心筒组件下降或泵入钻柱中。再使岩心钻头旋转、推动和/或振动到地层内，由此造成期望物质的样本进入岩心筒组件。一旦获得岩心样本，就使用钢缆从钻柱取回岩心筒组件。然后，能够从岩心筒组件移走岩心样本。

岩心筒组件通常包括用于容置样本的岩心筒和用于附接到钢缆的头部组件。典型地，岩心筒组件被下降到钻柱内，直到岩心筒到达外管的一部分或最远的钻杆为止。在该点，头部组件的闩锁被展开（deployed）以限制岩心筒组件的相对于钻杆的运动。一旦被闩锁，岩心筒组件就随后与钻杆一起前进到地层内，以引起物质填充岩心筒。

由于岩心筒组件与钻柱之间的相互作用，能够产生一个潜在的问题。例如，当钻柱旋转时，岩心筒组件的惯性能够大于匹配部件之间的摩擦阻力，使得头部组件以比钻杆更低的速率旋转，或者不能旋转而保持固定。在这种情形下，匹配部件就会受到滑动接触，而这能够导致磨损。

因此，传统的钢缆系统的有许多要解决的缺陷。

发明内容

本发明的一个或多个实施方案借助使岩心筒组件有效且高效地闩锁到钻柱的钻井工具、系统和方法，来克服本领域的一个或多个问题。例如，本发明的一个或多个实施方案包括岩心筒组件，该岩心筒组件具有能够将岩心筒组件可靠地锁定到钻柱内的固定轴向位置的从动闩锁机构。另外，这种从动闩锁机构能够减少或消除岩心筒组件与钻柱的匹配部件之间的磨损。具体地，从动闩锁机构能够相对于钻柱使岩心筒组件旋转锁定（rotationallylock），由此减少或消除岩心筒组件与钻柱的匹配部件之间的滑动接触（和相关联的磨损）。

例如，岩心筒头部组件的一个实施方案包括套筒，该套筒中延伸穿过有多个闩锁开口。岩心筒头部组件也可包括至少部分地位于套筒内的驱动构件。驱动构件可包括多个平面驱动表面。另外，岩心筒头部组件可包括位于多个平面驱动表面上或抵靠多个平面驱动表面的多个楔式构件。多个楔式构件可在多个闩锁开口内延伸。驱动构件能够使多个楔式构件楔入钻柱的内表面与多个平面驱动表面之间，由此防止岩心筒的头部组件相对于钻柱而旋转。

另外，岩心筒头部组件的另一实施方案可包括套筒、可移动地耦合到套筒的闩体以及至少部分地位于套筒内的驱动构件。岩心筒头部组件还可包括至少部分地位于闩体内的坐放构件（landingmember）。此外，岩心筒头部组件可包括位于驱动构件上的多个楔式构件。驱动构件相对于多个楔式构件的轴向运动能够使多个楔式构件相对于套筒在闩锁位置与释放位置之间径向移动。岩心筒头部组件还可包括位于坐放构件上的多个制动元件。坐放构件的相对于多个制动元件的轴向运动能够使多个制动元件相对于闩体在收回位置与伸出位置之间径向移动。

此外，用于取回岩心样本的钻井系统的实施方案可包括钻杆，该钻杆包括延伸到钻杆的内径中的第一环形凹部。而且，钻井系统可包括适合插入钻杆内的岩心筒组件。另外，钻井系统可包括位于岩心筒组件内的从动闩锁机构。从动闩锁机构可包括驱动构件和多个楔式构件，驱动构件包括多个平面驱动表面。驱动构件的相对于多个楔式构件的轴向位移能够推动或迫使多个楔式构件进入钻杆的第一环形凹部，由此使岩心筒的头部组件相对于钻杆轴向而轴向锁定。此外，钻杆的旋转能够造成多个楔式构件使岩心筒组件相对于钻杆而旋转锁定。

除前述之外，钻井方法可包括将岩心筒组件插入钻柱内。岩心筒组件可包括从动闩锁机构，从动闩锁机构包括位于多个平面驱动表面上的多个楔式构件。该方法还可包括使钻柱内的岩心筒组件移动到钻井位置。该方法还可包括使多个楔式构件展开到钻柱的环形槽中。另外，该方法可包括使钻柱旋转，由此造成多个楔式构件楔入钻柱的内径与多个平面驱动表面之间。多个楔式构件的楔入能够使岩心筒组件相对于钻柱而旋转锁定。

将在以下描述中陈述本发明的示意性实施方案的其他特征和优点，部分将从描述显而易见，或者可通过这些示意性实施方案的实践学到。这些实施方案的特征和优点可借助随附权利要求书中特别指出的设备和组合实现、获得。这些以及其他特征将从以下描述和随附权利要求书变得显而易见，或可通过在下文中陈述的这些示意性实施方案的实践学到。

附图说明

为了说明能够获得本发明的上述及其他优点和特征的方式，以下将参照附图所示的具体实施例，对以上简要说明的本发明提供更具体的说明。应注意，附图不是按比例绘制的，且在图中为了说明的目的，相同的结构或功能元件通常由相同的附图标记来表示。应理解，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此附图不应被认为限定本发明的范围。以下将通过对附图的使用，以更多的特征和细节来说明和解释本发明，附图中：

图1示出根据本发明实施方案的包括具有从动闩锁机构的岩心筒组件的钻井系统的示意图；

图2示出图1的岩心筒组件的放大图，还示出了头部组件和岩心筒；

图3示出图2的头部组件的分解图；

图4示出沿图2的线4-4截取的图2的岩心筒组件的剖视图；

图5示出图2的岩心筒组件类似于图4的剖视图，不过从动闩锁机构处在用于泵送钻柱内的岩心筒组件的位置；

图6A示出沿图5的线6-6截取的图5的岩心筒组件的剖视图，其中制动机构接合具有第一内径的钻杆；

图6B示出图5的岩心筒组件类似图6A的剖视图，不过制动机构接合具有大于第一直径的直径的钻杆；

图7示出岩心筒组件类似图4的剖视图，不过从动闩锁机构闩锁到钻柱；

图8示出沿图7的线8-8截取的图7的岩心筒组件的剖视图；以及

图9示出岩心筒组件类似图4的剖视图，不过从动闩锁机构处在允许从钻柱取回岩心筒组件的释放位置。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及用于将岩心筒组件有效且高效地闩锁到钻柱的钻井工具、系统和方法。例如，本发明的一个或多个实施方案包括岩心筒组件，该岩心筒组件具有从动闩锁机构，该从动闩锁机构能够使岩心筒组件可靠地锁定在钻柱内的固定的轴向位置。另外，从动闩锁机构能够减少或消除岩心筒组件与钻柱的匹配部件之间的磨损。具体地，从动闩锁机构能够相对于钻柱旋转锁定岩心筒组件，由此减少或消除岩心筒组件与钻柱的匹配部件之间的滑动接触（及相关磨损）。

一个或多个实施方案的组件、系统和方法可包括或使用从动闩锁机构，该从动闩锁机构用于将岩心筒组件固定在管形构件内、例如钻柱的钻杆内的期望位置。从动闩锁机构可包括多个楔式构件和具有多个驱动表面的驱动构件。驱动表面驱动楔式构件与钻杆的内表面相互作用，以将岩心筒组件闩或锁到钻柱内的期望位置。此后，钻柱的旋转能够造成楔式构件楔入驱动表面与钻杆的内径之间，由此相对于钻柱旋转锁定岩心筒。

此外，一个或多个实施方案提供一种从动闩锁机构，该从动闩锁机构能够不管匹配的头部组件中的部件因钻井操作或异常钻柱运动而产生的振动和惯性载荷，仍然维持被展开或被闩锁条件。而且，一个或多个实施方案能够提供一种闩锁机构，该闩锁机构不会意外地释放或收回，并因此防止岩心筒内管组件从下倾角（down-angled）孔中的钻井位置上升，或从上倾角（up-angled）的钻孔中突然下降。

另外，一个或多个实施方案可包括制动机构，该制动机构能够防止岩心筒组件以不受控制并且可能不安全的方式意外地滑出钻柱。具体地，制动机构可包括坐放构件和多个制动元件。坐放构件能够抵靠钻柱的内表面推动多个制动元件，从而允许制动机构停止岩心筒组件在钻柱内或相对于钻柱的轴向运动。在一个或多个实施方案中，坐放构件可包括锥度，使得坐放构件的轴向位置的改变也使制动元件的径向位置改变，由此允许制动元件维持与钻柱的可变内径的接合。

为便于参考，从动闩锁机构将被描述为具有大体平面的驱动表面以及呈球状或球形的楔式构件。应理解，驱动构件可具有任何数量的、具有任何期望形状的驱动表面，包括但不限于，凸面、凹面、有图案的或能够按期望地使楔式构件楔入的任何其他形状或构造。而且，楔式构件可具有任何合适的形状和构造。在至少一个示例中，万向接头可代替大致球状的楔式构件、锥形（tapered）的平面驱动表面和附属的插口（socket）。因此，本发明可通过其他具体形式来实施，而不背离其原理或基本特性。所述实施例在各方面均应被认为是示例性而非限制性的。

换言之，以下说明提供具体细节为的是提供对本发明的彻底理解。然而，本领域技术人员将理解，所述装置以及与使用该装置有关的方法可被实施和应用而无需利用这些具体细节。实际上，所述装置以及与使用该装置有关的方法可通过更改所示出装置的和相关方法来投入实践，并可与任何其他装置和技术结合使用。例如，虽然以下说明集中在岩心样本操作上，但是所述装置及相关方法可同等地适用于其他钻井工艺，例如传统的井眼钻井，并可与任何数量或类型的钻井系统、例如旋转钻井系统、冲击钻井系统等一起使用。

而且，虽然图中示出闩锁机构中有六个楔式构件，但是可使用任何数量的闩锁。在至少一个示例中，在从动闩锁机构中将使用五个球形的楔式构件。类似地，所示出的部件的精确结构可由本领域技术人员按期望更改或重新排列。另外，虽然示出的实施方案具体讨论钢缆系统，但是可使用任何取回系统，例如钻柱。

如图1所示，可利用钻井系统100从地层102取回岩心样本。钻井系统100可包括钻柱104，钻柱104可包括钻头106（例如，开式钻头（open-faceddrillbit）或其他类型的钻头）和/或一个或多个钻杆108。钻井系统100还可包括井内组件，例如岩心筒组件110。岩心筒组件110可包括从动闩锁机构，该从动闩锁机构被构造为将岩心筒组件至少部分地锁定在远端钻杆或外管112内，如以下更详细地解释的。此处使用的术语“下”和“远端”指的是钻柱104的包括钻头106的端部，无论钻柱是水平取向、相对于水平以向上的角度或向下的角度取向。而术语“上”和“近端”指的是钻柱104的与钻头106相对的端部。

钻井系统100可包括钻机114，钻机114可旋转和/或推动钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分进入地层102。钻机114例如可包括旋转式钻井头（rotarydrillhead）116、滑移组件118、滑动框架120和/或驱动组件122。钻井头116可耦合到钻柱104，并能够允许旋转式钻井头116使钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分旋转。如果期望的话，旋转式钻井头116可被构造为改变这些部件旋转的速度和/或方向。驱动组件122可被构造为相对于滑动框架120移动滑移组件118。随着滑移组件118相对于滑动框架120移动，滑移组件118可提供抵抗旋转式钻井头116的力，这例如可在钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分正在旋转的同时推动钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分进一步深入地层102。

然而，将理解，钻机114未必需要旋转式钻井头、滑移组件、滑动框架或驱动组件，并且钻机114可包括其他合适的部件。还将理解，钻井系统100未必需要钻机，且钻井系统100可包括其他合适的能够旋转和/或推动钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分进入地层102中的部件。例如可使用超声波、冲击或井下马达。

岩心筒组件110可包括内管或岩心筒124和头部组件126。头部组件126可包括从动闩锁机构128。如以下更详细解释的，从动闩锁机构128能够将岩心筒124锁定在钻柱104内且特别是外管112内。此外，从动闩锁机构128能够将岩心筒组件110旋转锁定到钻柱104，由此防止由于从动闩锁机构128与钻柱104的匹配部件之间的旋转或滑动而引起的磨损。

一旦岩心筒124经由从动闩锁机构128被锁定到外管112，钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分即可被旋转和/或推动而进入地层102，以让岩心样本能够被收集在岩心筒124内。在收集岩心样本之后，岩心筒组件110可从外管112和钻柱104被解锁。然后可例如使用钢缆取回系统来取回岩心筒组件110，同时钻头106、外管112、一个或多个钻杆108和/或钻柱104的其他部分保留在井眼内。

可从取回的岩心筒组件110的岩心筒124移走岩心样本。在移走岩心样本之后，可将岩心筒组件110送回并锁定到外管112。一旦岩心筒组件110再次锁定到外管112，钻头106、岩心筒组件110、钻杆108和/或钻柱104的其他部分即可被旋转和/或推动而更深地进入地层102，以让其他岩心样本能够被收集在岩心筒124内。可按这种方式重复地将岩心筒组件110取回并送回，以获得多个岩心样本，同时钻头106、外管102、一个或多个钻杆108和/或钻柱104的其他部分则保留在井眼内。这可有利地缩短获得岩心样本所需的时间，这是因为无需从井眼起出钻柱104来获得每个岩心样本。

在一些钻井过程期间，可利用液压使钻柱104内的岩心筒组件110泵送或前进到外管112。具体地，当钻柱104相对于水平向上取向时（如图1所示）、大体水平取向时、或者相对于水平以稍微向下的角度取向时，可利用液压使钻柱104内的岩心筒组件110泵送到外管112。为允许岩心筒组件110被泵送到外管112，岩心筒组件110还可包括密封件130，密封件130被构造为与钻柱104的一个或多个部分（例如钻柱108的内壁）形成密封。密封件130可进一步被构造为一种泵送密封件，使得被泵送到位于密封件130之后的钻柱104中的加压流体能够造成密封件130之后的液压增大，以使钻柱104内的岩心筒组件110沿钻柱104泵送和/或前进，直到岩心筒组件110到达期望位置（例如，如上所述岩心筒组件110能够连接到外管112的位置）为止。

在一个或多个实施方案中，岩心筒组件110还可包括制动机构132。制动机构132能够帮助防止岩心筒组件110从钻柱104意外地排出。因此，制动机构132能够允许在向上孔（up-hole）的钻井操作中使用钢缆取回系统，而不存在岩心筒组件110以不受控并可能不安全的方式滑出钻柱104的危险。因此，通过使制动元件展开到位于套管的内壁或钻柱104（或井眼）之间的摩擦装置内，制动机构132能够抵抗岩心筒组件110从井眼移走或排出。

图2更详细地示出岩心筒组件110。如前所述，岩心筒组件110可包括头部组件126和岩心筒124。头部组件126可包括适合与打捞筒（overshot）耦合的前置头部组件200，打捞筒可依次附接到钢缆。此外，头部组件126可包括能够容置制动机构132的第一构件202和能够容置从动闩锁机构128的套筒204。

图3、图4以及对应的文字示出或描述了图1和图2所示的岩心筒组件110的许多部件、细节和特征。具体地，图3示出头部组件126的分解图。而图4示出沿图2的线4-4截取的岩心筒组件110的侧剖视图。图4示出处在完全展开状态的从动闩锁机构128和制动机构132。如图3和图4所示，从动闩锁机构128可包括多个楔式构件300。如图3和图4所示，在一个或多个实施方案中，楔式构件300可呈球形或为滚子球（rollerball）。楔式构件300可由以下材料制成：钢，或其他铁合金；钛及钛合金；使用芳香族聚酰胺纤维、润滑浸渍尼龙或塑料的化合物，这些化合物的组合；或其他合适材料。

楔式构件300可位于驱动构件302上或抵靠驱动构件302。更具体地，楔式构件300可位于大体平面或平坦的驱动表面304上。如以下更详细地解释的，这些驱动表面304的大体平面的构造能够允许楔式构件300楔入驱动构件302与钻柱的内径（内表面）之间，以将岩心筒组件110旋转锁定到钻柱。

图3和图4还示出楔式构件300可通过闩锁开口306伸出，这些闩锁开口306延伸穿过大体中空的套筒204。闩锁开口306能够帮助保持或维持楔式构件300与驱动表面304接触，这反过来能够确保驱动构件302的相对于套筒204的轴向运动引起楔式构件300的径向位移。如以下更详细地解释的，随着驱动构件302向套筒204轴向移动或更深地轴向移动到套筒204内，驱动表面304能够迫使楔式构件300沿套筒204径向向外到达展开位置或锁定位置（图7）。沿类似的线路，随着驱动构件302轴向移动而远离或离开套筒204，楔式构件300能够至少部分地收回到套筒204内，到达释放位置（图5）。

如图3和图4所示，在一个或多个实施方案中，驱动构件302可具有锥度，且更具体地平面驱动表面304可具有锥度。这种锥度能够允许驱动构件302迫使楔式球300随着驱动构件304轴向移动而径向向外地更靠近套筒204或在套筒204内移动。而且，当驱动构件302径向移动而远离套筒204时，驱动构件302的锥度能够允许楔式构件300至少部分地径向收回到套筒204内。将理解，驱动构件302（和驱动表面304）无需呈锥形。例如，在可选实施方案中，驱动构件302可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。换言之，驱动构件302可包括介于较小直径与较大直径之间的阶梯部而不是沿驱动构件的长度具有锥度。该实施方案的驱动构件302的较小直径部分能够允许楔式球300至少部分地收回到套筒204中，而驱动构件302的较大直径能够迫使楔式球300径向向外，以便锁定或闩锁到钻柱。

图3和图4还示出，除驱动构件302之外，第一构件202可包括闩体308。闩体308可大体中空并且能够容置制动机构132。如图3和图4所示，制动机构132可包括多个制动元件310。如图3和图4所示，在一个或多个实施例中，制动元件310可呈球形或为滚子球。在其他示例中，制动元件310可以是平的，可呈圆柱形或可呈楔形，以增大制动元件310对套筒和/或圆锥形表面的制动表面积。在其他实施例中，制动元件310可具有任何期望的形状和设计，以实现任何期望的制动特性。

制动元件310可由适合用作压缩摩擦制动元件的任何材料制成。例如，制动元件310可由以下材料制成：钢，或其他铁合金；钛及钛合金；使用芳香族聚酰胺纤维、润滑浸渍尼龙或塑料的化合物，或这些化合物的组合。用于任何制动元件310的材料可与任何其他制动元件310相同或不同。

制动元件310可位于坐放构件312上。更具体地，制动元件310可位于大体圆锥形或锥形的坐放构件312上。如以下更详细地解释的，大体圆锥形或锥形的坐放构件312能够允许制动元件310接合钻柱的沿钻柱长度改变的内径（内表面）或与钻柱的内径（内表面）维持接触。例如，一些钻杆或套筒在其两端（接近耦合器）处具有较小的第一内径，靠近其中心处则具有较大的内径。较大的内径能允许增大岩心筒组件周围的流体流量，因此，能够更快地放入或起出岩心筒组件。坐放构件312的锥形或圆锥形的构造能够允许坐放构件312的轴向平移，用以造成制动元件312的径向位移，这依次地允许制动元件310移动而与相关钻杆的内表面接触和脱离接触，以防止意外的或不希望的排出，如将在以下更详细地描述的。

图3和图4还示出制动元件310能够通过制动开口314伸出，制动开口314大体延伸穿过闩体308。制动开口314能够帮助保持或维持制动元件310与坐放构件312的锥形表面接触，这反过来能够确保坐放构件312的相对于闩体308的轴向运动造成制动元件310的径向位移。如在以下详细描述的，随着坐放构件312轴向移动而离开或远离闩体308，坐放构件312的锥形表面（多个）能够迫使制动元件310沿闩体308的径向向外到达伸出位置。沿类似线路，随着坐放构件312轴向向闩体308移动或更深地进入闩体308内，制动元件310能够至少部分地径向收回闩体308内而到达收回位置。

将理解，套筒304、第一构件202和坐放构件312能够全部耦合在一起。具体地，如图3和图4所示，在至少一个实施方案中，第一销320能够延伸穿过坐放构件312中的安装通道322。然后，第一销320能够延伸穿过第一构件202（且更具体地驱动构件302）中的安装槽324。第一销320能够从安装槽324延伸到套筒204中的安装孔326内。因此，坐放构件312和套筒204能够相对于彼此轴向固定。另一方面，安装槽324能够允许坐放构件312和套筒204相对于第一构件202轴向移动，或反之亦然。第一构件202与套筒204之间的轴向运动能够引起驱动表面304使楔式构件300向外和向内地径向移动。同时，坐放构件312与第一构件202之间的轴向运动能够引起坐放构件312使制动元件310向外和向内地径向移动。

图3和图4还示出头部组件126可包括偏置构件330。偏置构件330能够将坐放构件312偏置成轴向远离驱动构件302。使坐放构件312远离驱动构件302的这种偏置能够趋向于迫使坐放构件312抵靠制动元件310，由此使制动元件310径向向外地偏置。类似地，在一个或多个实施方案中，偏置构件330能够使抵靠着楔式构件300的驱动构件302偏置，由此使楔式构件300径向向外地偏置。偏置构件330可包括机械（例如弹簧）机构、磁性机构或其他被构造为使坐放构件312轴向偏置而远离驱动构件302的机械机构。例如，图3和图4示出偏置构件330可包括螺旋弹簧。

头部组件126还可包括制动头340。制动头340可耦合到坐放构件312。在一个或多个实施方案中，制动头340可包括限位器，该限位器被构造为防止制动元件310离开坐放构件312的锥形表面。

另外，图3和图4示出头部组件126可包括流体控制构件342。流体控制构件342可包括活塞34和轴345。轴345可包括其中限定出的通道346。活塞销348能够在通道346内延伸并耦合到第一构件202（且具体地驱动构件302）内的销孔350。通道346因此能够允许活塞344相对于驱动构件302轴向移动。具体地，如以下更详细地解释的，活塞能够相对于第一构件202轴向移动而与构成阀的密封件或衬套352接合和脱离接合。在下文中将更详细地讨论流体控制构件342的相互作用。

与流体控制构件342和密封件130结合，岩心筒组件110可包括各种额外的特征来帮助在钻柱104中向下泵送岩心筒组件110。具体地，套筒204可包括一个或多个延伸穿过套筒204的流体端口370。另外，套筒204可包括一个或多个至少部分地沿套筒的长度延伸的轴向凹槽372。类似地，第一构件202可包括一个或多个延伸穿过第一构件202的流体端口376。此外，第一构件202可包括一个或多个至少部分地沿第一构件的长度延伸的轴向凹槽378。

将理解，根据在此公开的内容，流体端口372、376能够允许流体从头部组件126的外径（外表面）流入头部组件126的中心或钻孔内。另一方面，轴向凹槽378能够允许流体在头部组件126的外径与钻柱104的内径之间沿头部组件126轴向流动。除了这些流体端口和轴向凹槽之外，岩心筒组件110可包括中心孔380，中心孔380能够允许流体在内部经过密封件130而流动通过岩心筒组件110。

如前所述，头部组件126可包括前置头部组件200。前置头部组件200能够经由矛头销360耦合到第一构件202。矛头销360可在前置头部组件200的安装通道362中延伸，由此允许前置头部组件200相对于第一构件202移动。

现在参照图5至图9，现在将更详细地说明岩心筒组件110、从动闩锁机构128和制动机构132的操作。如前所述，在本发明的一个或多个实施方案中，岩心筒组件110可使用液压而被泵送至钻柱104内。例如，图5示出岩心筒组件110被下入或降入钻柱104中。

具体地，图5示出活塞344的位置抵靠衬套352，由此密封中心孔380。此外，密封件130使岩心筒组件110与钻柱104密封。因此，在图5所示的泵送构造中，流体不能经过中心孔380进而穿过衬套352和活塞344，或者穿过位于岩心筒组件110与钻柱104的内径（内表面）502之间的环空中的密封件130。因此，随着流体被泵送至钻柱344内，液压作用在岩心筒组件110（活塞344等）上并沿钻柱104向下推动岩心筒组件110。

随着岩心筒组件110被泵送降入钻柱104，泵送力能够作用在活塞344上，引起活塞通道346的近端接合活塞销344。因此，泵送力能够在活塞344和第一构件202（因为第一构件202固定到活塞销348上）上施加指向远端的力。因为第一构件202被泵送力向远端推动，所以第一构件202能够造成制动元件310沿坐放构件312的锥形表面向远端行进。这至少部分地是因为偏置构件330对坐放构件312施加近端力（proximalforce）。制动元件310相对于坐放构件312的锥形表面的轴向运动（沿远端方向）能够迫使制动元件径向向外伸出，直到制动元件310如图5所示靠在钻柱104的内径502上。因此，随着岩心筒组件110被泵送降入钻柱104，偏置构件330能够帮助制动元件310维持在伸出位置。

由于制动元件310靠在钻柱104的内径502上，所以能够防止制动元件310、活塞销348和活塞344的相对于坐放构件312和套筒304的任何进一步的远端运动。因此，能够防止活塞344被泵送力推过衬套352。另外，能够防止驱动构件302相对于套筒204沿远端方向产生轴向移动（套筒204可保持在径向收回部中）。使楔式构件300维持在被至少部分地收回在套筒204内的状态，能够减少钻柱104与闩锁机构128之间的摩擦，由此增大岩心筒组件110能够降入钻柱104的速度。

将理解，根据在此公开的内容，制动机构132能够帮助防止岩心筒组件110的意外的近端运动（proximalmovement）。例如，假如有近端力作用在岩心筒110上（例如在重力因液压问题而克服泵送力的情况下），坐放构件312能够相对于制动元件310被推向近端，由此迫使制动元件310径向向外抵靠钻柱104，并制动或停止岩心筒组件110的近端运动。因此，制动机构132能够作为安全特征而起作用，以防止岩心筒组件110的意外的或不期望的下落。

另外，如前所述，制动机构132能够允许钻柱104的内径的变化，这种变化例如与快速下降的套筒和钻杆有关。具体地，图6A示出沿图5的线6-6截取（即通过制动元件310）的剖视图。如图6A所示，坐放构件312能够迫使制动元件310径向向外地与钻柱104的内径502接触。在至少一个实施方案中，坐放构件312可具有如图6A所示的大体圆形横截面，这能够允许制动元件310随岩心筒组件110被泵送降入钻柱104而沿钻柱104滚动。

如前所述，在一个或多个实施方案中，坐放构件312可包括锥度，使得坐放构件312的直径沿坐放构件的长度而变化；这（有锥度的坐放构件）与偏置构件330组合，能够确保即使在钻柱104的内径变化的情况下，制动元件310也维持与钻柱104的内径接合。例如，图6B示出与图6A类似的剖视图，不过制动机构位于钻柱104中的比图6A所示的钻柱104的内径D1大的内径D2的位置。如图所示，尽管钻柱104的内径502改变，但是坐放构件312能够确保制动元件310维持与钻柱104的内径502接合。

现在参照图7，一旦井内组件或岩心筒组件110已经到达其在钻柱104内的期望位置，岩心筒组件110的远端能够经过最后的钻杆并落在处于外管112的顶部的坐放环（landingring）上。在该点，制动元件310能够与钻柱104中的第一环形凹槽700轴向对齐。在该点，偏置构件330能够完全展开，向近端推动坐放构件312，由此径向向外地将制动元件310推入第一环形凹槽700内。

此外，一旦岩心筒组件110落在外管112的坐放环上，第一构件202能够向套筒204的远端移动（并在一些实施方案中至少部分地进入套筒204）。这种运动能够引起驱动表面304驱动楔式构件300径向向外地伸出（通过闩锁开口306）并接合钻柱104的内径104。具体地，楔式构件300能够被驱动至与形成于钻柱104的内表面502上的第二环形凹槽702接合。

由于楔式构件300展开于第二凹槽702中，所以从动闩锁机构128能够将岩心筒组件110轴向锁定在钻井位置。换言之，楔式构件300和环形凹槽702能够防止岩心筒组件110的相对于外管112的轴向运动。具体地，从动闩锁机构128能够承受样本进入岩心筒124时的钻井载荷。另外，与匹配的头部组件的部件由于钻井操作或反常钻柱运动的振动和惯性载荷无关，驱动闩锁机构128能够维持展开或闩锁条件。

将理解，当处在钻井位置时，偏置构件330能够迫使驱动构件302向远端移动，由此迫使楔式构件300径向向外地进入展开位置。因此，从动闩锁机构128能够帮助确保楔式构件300不会意外地脱离或收回，进而使得岩心筒内管组件从下倾角孔中的钻井位置上升、或从上倾角孔中突然下降从而阻碍钻井。同时，偏置构件330能够迫使坐放构件312向近端移动，由此迫使制动构件310径向向外地进入伸出位置。

除前述之外，图7进一步示出当处在钻井位置时，活塞344能够向远端超过衬套352。这能够允许流体在中心孔380内经过密封件130流动。因此，在钻井过程期间，流体控制构件342能够允许钻井液到达钻头106，以按期望或需要地供冲洗和冷却之用。将理解，根据此处公开的内容，随着岩心筒到达钻井位置，并且活塞344超过衬套352，一个压力尖峰能够被生成然后释放。这个压力尖峰能够为钻井操作员提供岩心筒组件110已经达到钻井位置并被闩锁到钻柱104的指示。

除了使岩心筒组件110轴向锁定或者说闩锁在钻井位置之外，从动闩锁机构128能够使岩心筒组件110相对于钻柱104旋转锁定，使得岩心筒组件110与钻柱104串联旋转。如前所述，这能够防止岩心筒组件110与钻柱104的匹配部件（即楔式构件300、制动元件310、钻柱104的内径502、位于岩心筒的远端的坐放台肩（landingshoulder）、位于外管112的近端的坐放环）之间的磨损。

具体地，参照图8，随着钻柱104旋转（由箭头800表示），岩心筒组件110和驱动构件302能够具有惯性（由箭头804表示），否则从动闩锁机构128可趋向于造成岩心筒组件110不旋转或以比钻柱104慢的速率旋转。然而，如图8所示，由于钻柱104的旋转趋向于使楔式构件300相对于驱动构件302旋转（由箭头802表示），所以钻柱104的旋转造成楔式构件300楔入驱动构件302的驱动表面与钻柱104的内径502之间。楔式构件300楔入或夹入驱动表面304与钻柱104的内径502之间，并使驱动构件302（且因此使岩心筒组件110）相对于钻柱104旋转锁定。因此，从动闩锁机构128能够确保岩心筒组件110与钻柱104一起旋转。

将理解，根据此处公开的内容，驱动表面304和钻柱104的内径502的构造能够产生如图8所示的圆周锥度（circumferentialtaper）。换言之，钻柱104的内径502与驱动构件302之间的距离能够沿圆周变化。这种圆周锥度造成楔式构件300楔入钻柱104与驱动构件302之间，或变成夹入钻柱104与驱动构件302之间，由此使岩心筒组件110旋转锁定到钻柱104。

如图8所示，在至少一个实施方案中，钻柱104与驱动表面之间的圆周锥度可通过驱动表面304的平面构造产生。在可选实施方案中，驱动表面304可没有平面表面。例如，驱动表面304可按期望具有凹面、凸面、圆形、V形或其他构造。在任何情况下，将理解，驱动表面304的构造能够在驱动构件302与钻柱104的内径502之间生成圆周锥度。在又一实施方案中，驱动构件302可具有大体圆形横截面，而且钻柱104的内径502可包括一种用以在钻柱104的内径502与驱动表面304或驱动构件302之间生成圆周锥度的构造。

根据此处公开的内容，将理解，制动机构132能够起到防止近端作用力使岩心筒组件110移动而离开钻井位置，由此防止意外或不想要的排出的作用。例如，在钻井期间，可能遇到地层102中的压力腔（pressurepocket）或其他反常情况，而这在钻井过程期间生成指向近端的力。这个力会向近端压迫活塞344和驱动构件302，这样可能释放从动闩锁机构128（即引起楔式构件300径向收回而离开环形凹槽702）。这反过来又会让近端力能够沿钻柱104向上朝近端投射出岩心筒组件，或者使岩心筒组件110崩出。制动机构能够防止这种事故。

具体地，如果近端作用力或干扰力的作用为相对于套筒204近端移动第一构件，则此力将向近端压迫坐放构件312。这反过来能够迫使坐放构件312的一个或多个锥表面驱动制动元件310，使制动元件310径向向外地通过制动开口314并接合相关的钻杆。制动元件310与钻柱104之间的接合能够起到抵消近端作用力或干扰力、由此制动或停止头部组件126、并防止不想要或意外的排出的作用。当从动闩锁机构128被展开或收回时，和/或在岩心筒组件10的泵送或收回期间，制动机构132可通过近端作用力来展开。

在某种情况下，例如当已经捕获岩心样本时，可能期望取回岩心筒组件110。参照图9，为了取回岩心筒组件110，可使用钢缆145来使打捞筒组件900下降到与前置头部组件200接合。然后，可使用钢缆向近端牵引打捞筒900和前置头部组件200。这样反过来能够起到向近端牵引第一构件202而使其远离套筒204的作用。第一构件202的近端运动能够造成制动元件310在沿坐放构件312移动时收回闩体308内。此外，第一构件202的近端运动能够造成楔式构件300在这些楔式构件沿驱动构件302移动时径向收回。一旦已经充足地向近端牵引第一构件202以收回制动机构132和从动闩锁机构128，安装槽324的远端就能够接合销320，由此向近端牵引套筒204。

如之前间接提到的，本领域技术人员可设计出许多变型和可选的排列方案而不背离本发明的原理和范围。例如，根据本发明的岩心筒组件可包括用以提供轴向锁定的传统闩锁机构（例如弹簧从动枢转闩锁或机械联动闩锁），以及用以提供旋转锁定的从动闩锁机构。例如，这可通过更改头部组件的部件（例如下闩体）以包括滚子元件（这些滚子元件接合处于外管中的坐放环的内径）来实现。在这种构造中，下闩体可包括驱动表面和保持构件；该保持构件允许滚子元件变成楔入驱动表面与外管之间，由此使下闩体旋转锁定到坐放环的内径。因此，本发明可通过其他具体形式来实施而不背离本发明的原理或基本特性。所述实施例应被认为在各方面仅为示例性而非限制性的。因此，本发明的范围由随附权利要求书而不是前述说明来表述。处于权利要求书的等同的含义和范围内的所有改变应包括在权利要求书的范围内。

Claims (26)

1.一种岩心筒头部组件，被构造为可移除地接纳在钻柱内，包括：

套筒，其中延伸穿过有多个闩锁开口；

驱动构件，至少部分地位于所述套筒内，所述驱动构件具有多个驱动表面；所述多个驱动表面构造具有用以在所述驱动构件与所述钻柱的内表面之间产生圆周锥度的形状，其中，所述钻柱的内表面与所述驱动构件之间的距离沿圆周变化；以及

多个楔式构件，所述多个楔式构件中的每个楔式构件位于所述多个驱动表面中的相应驱动表面上，所述多个楔式构件在所述多个闩锁开口内延伸且在释放位置与锁定位置之间延伸；

其中，当所述多个楔式构件位于所述锁定位置时，所述驱动构件被构造为使所述多个楔式构件楔入所述钻柱的内表面与所述多个驱动表面之间，以使所述岩心筒头部组件相对于所述钻柱而轴向锁定和旋转锁定。

2.如权利要求1所述的岩心筒头部组件，其中，所述多个驱动表面是平面。

3.如权利要求1所述的岩心筒头部组件，其中，所述多个楔式构件的所述楔式构件大体为球形。

4.如权利要求1所述的岩心筒头部组件，其中，所述驱动构件的直径沿所述驱动构件的长度的至少一部分变化。

5.如权利要求4所述的岩心筒头部组件，其中，所述驱动构件的轴向平移引起所述多个楔式构件在所述释放位置与所述锁定位置之间的径向位移。

6.如权利要求1所述的岩心筒头部组件，还包括：

阀，位于所述套筒内；以及

球式活塞，被构造为接合所述阀并防止流体经过所述阀而流过所述套筒。

7.如权利要求1所述的岩心筒头部组件，还包括：偏置构件，被构造为使抵靠着所述多个楔式构件的所述驱动构件偏置。

8.如权利要求7所述的岩心筒头部组件，其中，所述偏置构件位于所述驱动构件内。

9.如权利要求1所述的岩心筒头部组件，还包括：制动机构，包括坐放构件和多个制动元件。

10.如权利要求9所述的岩心筒头部组件，其中，所述多个制动元件的所述制动元件大体为球形。

11.如权利要求10所述的岩心筒头部组件，其中，所述坐放构件的轴向平移引起所述多个制动元件在收回位置与伸出位置之间的径向位移。

12.如权利要求9所述的岩心筒头部组件，还包括：偏置构件；其中，所述多个驱动表面是平面，且所述偏置构件使抵靠着所述多个楔式构件的所述多个驱动表面偏置。

13.如权利要求12所述的岩心筒头部组件，其中，所述偏置构件使抵靠着所述多个制动元件的所述坐放构件偏置。

14.如权利要求9所述的岩心筒头部组件，其中，所述坐放构件呈大体圆锥形，使得所述坐放构件被构造为将所述多个制动元件推入多个伸出位置，由此允许所述制动元件维持接合钻杆的沿所述钻杆的长度变化的内径。

15.一种用于取回岩心样本的钻井系统，包括：

钻杆，包括延伸到所述钻杆的内径中的第一环形凹槽；

岩心筒头部组件，被构造为插入所述钻杆内，并且所述岩心筒头部组件包括：

套筒，其中延伸穿过有多个闩锁开口；

驱动构件，至少部分地位于所述套筒内，所述驱动构件包括多个驱动表面；所述多个驱动表面是平面，且构造具有用以在所述驱动构件与所述钻柱的内表面之间产生圆周锥度的形状，其中，所述钻柱的内表面与所述驱动构件之间的距离沿圆周变化；以及

多个楔式构件，所述多个楔式构件中的每个楔式构件位于所述多个驱动表面中的相应驱动表面上，所述多个楔式构件在所述多个闩锁开口内延伸且在释放位置与锁定位置之间延伸；

其中，所述驱动构件的相对于所述多个楔式构件的轴向位移将所述多个楔式构件推入所述第一环形凹槽内，由此使所述岩心筒头部组件相对于所述钻杆而轴向锁定；而且其中，所述钻杆的旋转造成所述多个楔式构件使所述岩心筒头部组件相对于所述钻杆而旋转锁定。

16.如权利要求15所述的钻井系统，还包括：偏置构件，被构造为使抵靠着所述多个楔式构件的所述多个驱动表面偏置。

17.如权利要求15所述的钻井系统，还包括：制动机构，包括多个制动元件；所述多个制动元件朝向所述钻杆的所述内径被偏置，由此所述多个制动元件随着所述岩心筒头部组件在所述钻杆内行进而接合所述钻杆的所述内径。

18.如权利要求17所述的钻井系统，还包括：大体圆锥形的坐放构件，被构造为随着所述岩心筒头部组件沿所述钻柱向下行进，径向向外地使所述制动元件偏置并维持所述制动元件与所述钻柱的可变内径接触。

19.如权利要求15所述的钻井系统，其中，所述多个楔式构件的所述楔式构件包括大体球形的球。

20.如权利要求17所述的钻井系统，其中，所述多个制动元件的所述制动元件包括大体球形的球。

21.如权利要求17所述的钻井系统，还包括：延伸到所述内径中的第二环形凹槽，所述第二环形凹槽被构造为接纳所述多个制动元件。

22.如权利要求21所述的钻井系统，其中，所述多个制动元件进入所述第二环形凹槽的运动引起所述驱动构件迫使所述楔式构件从所述释放位置径向向外地进入所述第一环形凹槽。

23.一种钻井方法，包括：

将岩心筒头部组件插入钻柱内，所述岩心筒头部组件包括：

套筒，其中延伸穿过有多个闩锁开口；

驱动构件，至少部分地位于所述套筒内，所述驱动构件包括多个驱动表面；所述多个驱动表面是平面，且构造具有用以在所述驱动构件与所述钻柱的内表面之间产生圆周锥度的形状，其中，所述钻柱的内表面与所述驱动构件之间的距离沿圆周变化；以及

大体呈球状的多个楔式构件，所述多个楔式构件中的每个楔式构件位于所述多个驱动表面中的相应驱动表面上；使所述钻柱内的所述岩心筒头部组件移动到钻井位置；使所述多个楔式构件展开到所述钻柱的环形凹槽中；以及使所述钻柱旋转，由此造成所述多个楔式构件楔入所述钻柱的所述内径与所述多个驱动表面之间，由此使所述岩心筒头部组件相对于所述钻柱而旋转锁定和轴向锁定。

24.如权利要求23所述的方法，还包括：

使打捞筒下降到所述岩心筒头部组件的前置头上；以及

在所述打捞筒上进行牵引以收回所述岩心筒头部组件；

其中，所述牵引使所述多个驱动表面收回，由此允许所述楔式构件至少部分地收回到所述岩心筒头部组件中。

25.如权利要求23所述的方法，还包括：使多个制动元件展开到第二环形凹槽中，所述第二环形凹槽延伸到所述钻柱的所述内径中。

26.如权利要求23所述的方法，还包括：使所述钻柱前进到地层中，由此造成岩心样本进入所述岩心筒头部组件。