CN103775013A

CN103775013A - 差动式空气钻井取心装置及方法

Info

Publication number: CN103775013A
Application number: CN201210400160.6A
Authority: CN
Inventors: 许俊良; 薄万顺; 吴仲华; 韩通; 裴学良
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau
Current assignee: China Petrochemical Corp; Sinopec Oilfield Service Corp; Sinopec Shengli Petroleum Engineering Corp; Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Engineering Corp
Priority date: 2012-10-20
Filing date: 2012-10-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-20
Also published as: CN103775013B

Abstract

本发明公开了一种差动式空气钻井取心装置及方法，差动机构、定位短节、外筒组件、取心钻头通过螺纹上下连在一起形成外筒组合，悬挂总成、内筒组件和割心机构通过螺纹上下连在一起形成内筒组合，悬挂总成通过悬挂元件与定位短节连在一起，整个内筒组合悬挂在外筒组合内，割心机构处在取心钻头内腔位置，整套取心装置与钻具通过螺纹连在一起。取心作业时，利用钻井设备带动取心装置转动进行取心钻进作业，取心钻进结束，通过地面投球，利用取心装置的差动装置，剪断悬挂元件，内筒组合下行，使割心机构工作，保护岩心在起钻过程中不掉出。本发明可应用于空气钻井的取心领域。

Description

差动式空气钻井取心装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探领域的空气钻井取心装置，具体是一种差动式空气钻井取心装置和利用本差动式空气钻井取心装置的方法。

背景技术

空气钻井取心是指在利用空气作为钻井介质时的地层取心，空气的降温、润滑性能不同于常规液态钻井液，需要针对空气钻井设计的取心工具。目前国内利用的空气钻井取心装置都是利用上提割心取心方式，中国发明专利，发明创造名称为“气体钻井取心工艺”，专利号“200710049630.8”，申请日为“2007.07.30”中就公开了一种上提式取心割心方式的取心工艺。该上提割心取心方式仅适应于岩心成柱性较好的地层中取心，对于地层比较破碎或岩心成柱性不好的地层取心不适用，或者取心效果差；而且钻进取心时，没有针对岩心和内筒的减摩、冷却功能；因此其取心工艺方法也是针对上提割心取心方式的，国外使用的工具原理也是如此，有些是结构比较复杂，取样效果不理想，不能适应今后石油天然气勘探用气体钻井条件下的钻井取心的需要。另外国内钻井取心装置，在取心钻头腔内都是不设密封的，只有在钻井液为介质下密闭取心工具在该处是密封的，且是静密封。在空气为介质下国内的钻井取心工具采用是单一密封，甚至有些还不密封，取样效果不理想，不能适应今后石油天然气勘探用气体钻井条件下的钻井取心的需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种不仅适应于岩心成柱性较好的地层中取心，也能够适用于地层比较破碎或岩心成柱性不好的地层取心，保护岩心的完整性差动式空气钻井取心装置。同时本发明还给出了利用该装置的取心方法。

本发明的技术方案之一，差动式空气钻井取心装置包括：

差动式空气钻井取心装置，包括差动机构1、定位短节2、悬挂总成3、外筒组件4、内筒组件5、割心机构6和取心钻头7。其中：差动机构1包括内多方体11、外多方体13、上接头10。割心机构6处在取心钻头7内腔位置。差动机构1、定位短节2、外筒组件4、取心钻头7上下连接构成外筒组合体。内筒组件5和割心机构6上下连接构成内筒组合体。内多方体11下端与设在外多方体13内的中心接头19构成间隙插接配合，中心接头19设有径向和轴向的通气孔。悬挂总成3包括向上与中心接头19连接的衬套20、向下与悬挂结构14连接的悬挂短节22。悬挂短节22与悬挂机构14通过推力轴承23连接，悬挂机构14向下依次连接分流接头21可调减压阀15、内筒组件5和割心机构6。内、外筒组合体之间留有间隙作为气流通道24。割心机构6的岩心抓18与取心钻头7内壁设有密封单元。

上述方案进一步包括：

所述可调减压阀15包括可调喷嘴15-1和阀体，阀体内部设有减压腔15-2，外部设有泄压孔15-3，泄压孔15-3与减压腔15-2贯通，可调喷嘴15-1连接在阀体上并与减压腔15-2贯通。

割心机构6与取心钻头7的密封单元为内嵌在岩心抓18上部的内腔软合金环密封元件16和橡胶密封元件17组成，橡胶密封元件17嵌在内腔软合金环密封元件16上。

内多方体11下端通过承压接头12与中心接头19对接，在内多方体11或承压接头12与外多方体13的结合部设有密封圈27；中心接头19通过连接套26与衬套20连接。

内筒组件5包括取心衬套和取芯内筒28。

本发明的技术方案之二，利用前述差动式空气钻井取心装置的取心方法，包括下钻、钻进、割心、起钻和出心。

第一步，下入差动式空气钻井取心装置，在下入的钻具内设置两只翻板单流阀，分别设在差动式空气钻井取心装置的上接头和上部连接钻具内；

第二步，钻进过程分为造心和正常钻进两个阶段，首先是造心，造心作业参数选取为钻压20～30kN，转盘转数30～40prm，造心0.2m～0.3m后改为正常取心钻进，正常取心钻进参数为钻压40～50kN，转盘转数40～50prm；

第三步，割心，首先停止加压，循环10～15min后确定井底无岩屑停止转盘转动，上提钻具0.2m，卸掉钻具内的压力，向钻具内投入钢球，待钢球到位后下放钻具，加压80～100kN时指重表指针回摆，继续加压150kN上提钻具，割心操作结束；

第四步，起钻是将差动式空气钻井取心装置从井眼底部起到地面、取出岩心。

上述取心方法第三步中，在向钻具内投入钢球时，开启空气压缩机送球，分别送四只钢球。

本发明的有益效果是：采用差动式空气钻井取心装置和方法实现在储层中连续取心，不受井眼深浅的限制。取心结束利用钻具上提取心装置，由于割心机构对岩心实行完全密封，起钻过程中不会掉心，有利于提高岩心收获率和岩心质量。差动式空气钻井取心装置能够通过对高压气体减压岩心和内筒降温和降低摩阻。而且取心过程在空气钻井条件下实施，没有泥浆水的污染，取得的岩心真实地反应出地层的物性参数。在取心工具内筒组件和岩心抓之间设置复合密封元件，限制了取心钻头内腔与岩心抓之间的空气流量，减少了岩心在钻进过程中的冲刷，有利于提高岩心收获率。，在进行空气钻井取心时，可以实现取得不成形的岩心样品，只要需要就可利用钻井设备进行取心，当取心钻进结束，通过地面投球，利用差动式空气钻井取心装置，使割心机构工作，保护岩心在起钻过程中不掉出。同时对空气的流量具有控制作用，使岩心少受冲刷。

附图说明

图1.为本发明的一种差动式空气钻井取心装置结构示意图。

图2是图1中可调喷嘴部分的结构示意图。

图3是图1中的割心机构上的密封元件部分结构示意图。

图中标记：1. 差动机构；2. 定位短节；3. 悬挂总成；4. 外筒组件；5. 内筒组件；6. 割心机构；7. 取心钻头；8. 悬挂元件；9. 钻具；10. 上接头；11.内多方体；12.承压接头；13.外多方体；14.悬挂机构；15.可调减压阀；15-1.可调喷嘴；15-2.减压腔；15-3.泄流孔；16. 内腔软合金环密封元件；17. 橡胶密封元件；18. 岩心抓；19.中心接头；20.衬套；21.分流接头；22.悬挂短节；23. 推力轴承；24. 气流通道；25钢球；26连接套，27密封圈；28取芯内筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参照附图1，差动机构1、定位短节2、外筒组件4、取心钻头7通过螺纹自上而下上下连在一起形成外筒组合，悬挂总成3、内筒组件5和割心机构6通过螺纹上下连在一起形成内筒组合。差动机构1包括内多方体11、外多方体13、上接头10和承压接头12，钻具9、上接头10、内多方体11和承压接头12依次通过螺纹连接，外多方体13套在内多方体11外面，并且内多方体11和外多方体13上设有相互限位的台阶，内多方体11既可以相对外多方体13轴向滑动，又能同时传递扭矩。承压接头12下方是中心接头19，承压接头12的内径大于中心接头19外径，使得承压接头12下移时可以套在中心接头19外面。中心接头19径向和中心（轴向）设有气体流道，允许气体从承压接头12的水眼经由中心接头19的气体流道向下进入分流接头21和可调减压阀15。

悬挂元件8把悬挂总成3与定位短节2连在一起，并将整个内筒组合悬挂在外筒组合内，悬挂元件8为可剪断的销轴。悬挂总成3包括悬挂短节22、悬挂机构14、分流接头21和可调减压阀15，悬挂短节22和悬挂机构14之间设有推力轴承23，使得钻井过程中在外筒组件4和钻头旋转时，内筒组件5可以相对外筒组件4静止。悬挂机构14、分流接头21和可调减压阀15依次通过螺纹连接。

参照附图2，可调减压阀15是由可调喷嘴15-1和减压腔15-2组成，减压腔15-2下部设有泄流孔15-3。可调喷嘴15-1有3mm-10mm多种口径，通过在地面组装取心装置时更换不同口径的喷嘴实现减压腔15-2的压力可调。从中心接头19过来的高压气体在分流接头21处分流，大部分通过分流接头21的旁通孔沿内筒组件5和外筒组件4的间隙（气流通道24）向下进入取心钻头7水眼，部分高压空气经过可调减压阀15减压后变成低压气流通过泄流孔15-3进入内筒组件5内的岩心筒，低压气流在内筒组件5的取芯内筒28内壁与岩心之间通过，对岩心润滑和降温。

参照附图3，分流接头21下方还通过螺纹依次连接内筒组件5和割心机构6，割心机构6处在取心钻头7内腔位置，割心机构6包括岩心抓18、内腔软合金环密封元件16和橡胶密封元件17，岩心抓18底端呈楔形，并且取心钻头7内壁也设有与岩心抓18配合的楔形端面，使得岩心抓18下行时触及取心钻头7的楔形端面后收缩抱紧岩心。

内腔软合金环密封元件16和橡胶密封元件17设置在在取心工具内筒组件5和岩心抓18之间，并且橡胶密封元件17嵌在内腔软合金环密封元件16上，形成复合密封。内腔软合金环密封元件16和橡胶密封元件17一起限制取心工具内外筒组件间的空气通过取心钻头内腔与岩心抓18之间的流速，保护岩心在钻进过程中不被冲刷。

当进行取心作业时，将整套的差动式空气钻井取心装置利用钻具9送入井眼内要求取心深度位置，利用钻井设备带动差动式空气钻井取心装置转动进行取心钻进作业，利用差动式空气钻井取心装置的差动机构1，当取心钻进结束，通过地面投球，钢球25落在承压接头12和中心接头19之间，而且球的直径略大于承压接头12和中心接头19之间的间隙。下放钻具9施加钻压，承压接头12通过球和中心接头19把钻压传递给衬套20，衬套20下压悬挂总成3，剪断悬挂元件8，内筒组件5下行，使割心机构6工作，割心机构6的岩心爪沿斜面向下运动抱紧岩心，保护岩心在起钻过程中不掉出。采用差动式空气钻井取心装置可以实现在储层中连续取心，不受井眼深浅的限制。取样结束利用钻具9上提取心装置，由于割心机构6对岩心实行完全密封，起钻过程中不会掉心，有利于提高岩心收获率和岩心质量。该差动式空气钻井取心装置在空气钻井条件下实施，没有泥浆水的污染，取得的岩心真实地反应出地层的物性参数。

利用上述差动式空气钻井取心装置的取心方法：

差动式空气钻井取心装置下钻是在工具经过组装、检查一切达到设计要求后且井眼干净通畅的情况下进行的，在下入的钻具内设置两只翻板单流阀，取心装置上端设置一只，另一只设置在上部钻具内；钻进过程分为造心和正常钻进两个阶段，首先是造心，选定造心作业参数，钻压20～30kN，转盘转数选取30～40prm，在造心钻进0.2m～0.3m后进行正常钻进，选定正常取心钻进参数，钻压40～50kN，转盘转数选取40～50prm，待取心装置内筒满或者特殊原因需要结束取心钻进时准备割心；割心是在钻进结束后进行的取心作业，首先停止加压，循环10～15min后确定井底无岩屑停止转盘转动，上提钻具0.2m，打开压井管汇的手动平板阀卸掉钻具内的压力，在弯脖处或者在钻具顶端向钻具内投入钢球，为方便球过翻板单流阀要开气送球，分别送四只钢球，待钢球到位后下放钻具，加压80～100kN时指重表指针回摆，继续加压150kN上提钻具，结束割心操作；起钻是将取心装置从井眼底部起到地面，其过程要求平稳操作；出心是把岩心从工具内筒里顶出，按顺序排放在一个平面上。

使用上述方案的装置和方法进行取心作业时，将整套差动式空气钻井取心装置利用钻具送入井眼内要求取心深度位置，利用钻井设备带动差动式空气钻井取心装置转动进行取心钻进作业，当取心钻进结束，通过地面投球，利用差动装置，剪断悬挂元件，内筒组合下行，使割心机构工作，保护岩心在起钻过程中不掉出。

Claims

1.差动式空气钻井取心装置，包括差动机构（1）、定位短节（2）、悬挂总成（3）、外筒组件（4）、内筒组件（5）、割心机构（6）和取心钻头（7）其特征在于：差动机构（1）包括内多方体（11）、外多方体（13）、上接头（10）；割心机构（6）处在取心钻头（7）内腔位置；差动机构（1）、定位短节（2）、外筒组件（4）、取心钻头（7）上下连接构成外筒组合体，内筒组件（5）和割心机构（6）上下连接构成内筒组合体；内多方体（11）下端与设在外多方体（13）内的中心接头（19）构成间隙插接配合，中心接头（19）设有径向和轴向的通气孔；悬挂总成（3）包括向上与中心接头（19）连接的衬套（20）、向下与悬挂结构（14）连接的悬挂短节（22），悬挂短节（22）与悬挂机构（14）通过推力轴承（23）连接，悬挂机构（14）向下依次连接分流接头（21）可调减压阀（15）、内筒组件（5）和割心机构（6）；内、外筒组合体之间留有间隙作为气流通道（24）；割心机构（6）的岩心抓（18）与取心钻头（7）内壁设有密封单元。

2.根据权利要求1所述的差动式空气钻井取心装置，其特征在于：所述可调减压阀（15）包括可调喷嘴（15-1）和阀体，阀体内部设有减压腔（15-2），外部设有泄压孔（15-3），泄压孔（15-3）与减压腔（15-2）贯通，可调喷嘴（15-1）连接在阀体上并与减压腔（15-2）贯通。

3.根据权利要求1或2所述的差动式空气钻井取心装置，其特征在于：割心机构（6）与取心钻头（7）的密封单元为内嵌在岩心抓（18）上部的内腔软合金环密封元件（16）和橡胶密封元件（17）组成，橡胶密封元件（17）嵌在内腔软合金环密封元件（16）上。

4.根据权利要求3所述的差动式空气钻井取心装置，其特征在于：内多方体（11）下端通过承压接头（12）与中心接头（19）对接，在内多方体（11）或承压接头（12）与外多方体（13）的结合部设有密封圈（27）；中心接头（19）通过连接套（26）与衬套（20）连接。

5.根据权利要求4所述的差动式空气钻井取心装置，其特征在于：内筒组件（5）包括取心衬套和取芯内筒（28）。

6.利用前述任一权利要求所述的差动式空气钻井取心装置的取心方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述利用差动式空气钻井取心装置的取心方法，其特征在于：在向钻具内投入钢球，开启空气压缩机送球，分别送四只钢球。