CN103775013B - 差动式空气钻井取芯装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动式空气钻井取芯装置及方法，差动机构、定位短节、外筒组件、取芯钻头通过螺纹上下连在一起形成外筒组合，悬挂总成、内筒组件和割芯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，割芯机构处在取芯钻头内腔位置，整套取芯装置与钻具通过螺纹连在一起。取芯作业时，利用钻井设备带动取芯装置转动进行取芯钻进作业，取芯钻进结束，通过地面投球，利用取芯装置的差动装置，剪断悬挂元件，内筒组合下行，使割芯机构工作，保护岩芯在起钻过程中不掉出。本发明可应用于空气钻井的取芯领域。

Description

差动式空气钻井取芯装置及方法

技术领域

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

背景技术

空气钻井取芯是指在利用空气作为钻井介质时的地层取芯，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芯工具。目前国内利用的空气钻井取芯装置都是利用上提割芯取芯方式，中国发明专利，发明创造名称为“气体钻井取芯工艺”，专利号“200710049630.8”，申请日为“2007.07.30”中就公开了一种上提式取芯割芯方式的取芯工艺。该上提割芯取芯方式仅适应于岩芯成柱性较好的地层中取芯，对于地层比较破碎或岩芯成柱性不好的地层取芯不适用，或者取芯效果差；而且钻进取芯时，没有针对岩芯和内筒的减摩、冷却功能；因此其取芯工艺方法也是针对上提割芯取芯方式的，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芯的需要。另外国内钻井取芯装置，在取芯钻头腔内都是不设密封的，只有在钻井液为介质下密闭取芯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芯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芯的需要。

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芯成柱性较好的地层中取芯，也能够适用于地层比较破碎或岩芯成柱性不好的地层取芯，保护岩芯的完整性差动式空气钻井取芯装置。同时本发明还给出了利用该装置的取芯方法。

本发明的技术方案之一，差动式空气钻井取芯装置包括：

差动式空气钻井取芯装置，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、割芯机构6 和取芯钻头7。其中：差动机构1 包括内多方体11、外多方体13、上接头10。割芯机构6 处在取芯钻头7 内腔位置。差动机构1、定位短节2、外筒组件4、取芯钻头7上下连接构成外筒组合体。内筒组件5 和割芯机构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 和割芯机构6。内、外筒组合体之间留有间隙作为气流通道24。割芯机构6 的岩芯爪18 与取芯钻头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。

割芯机构6 与取芯钻头7 的密封单元为内嵌在岩芯爪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 包括取芯衬套和取芯内筒28。

本发明的技术方案之二，利用前述差动式空气钻井取芯装置的取芯方法，包括下钻、钻进、割芯、起钻和出芯。

第一步，下入差动式空气钻井取芯装置，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芯装置的上接头和上部连接钻具内；

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

第三步，割芯，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，割芯操作结束；

第四步，起钻是将差动式空气钻井取芯装置从井眼底部起到地面、取出岩芯。

上述取芯方法第三步中，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芯装置和方法实现在储层中连续取芯，不受井眼深浅的限制。取芯结束利用钻具上提取芯装置，由于割芯机构对岩芯实行完全密封，起钻过程中不会掉芯，有利于提高岩芯收获率和岩芯质量。差动式空气钻井取芯装置能够通过对高压气体减压岩芯和内筒降温和降低摩阻。而且取芯过程在空气钻井条件下实施，没有泥浆水的污染，取得的岩芯真实地反应出地层的物性参数。在取芯工具内筒组件和岩芯爪之间设置复合密封元件，限制了取芯钻头内腔与岩芯爪之间的空气流量，减少了岩芯在钻进过程中的冲刷，有利于提高岩芯收获率。，在进行空气钻井取芯时，可以实现取得不成形的岩芯样品，只要需要就可利用钻井设备进行取芯，当取芯钻进结束，通过地面投球，利用差动式空气钻井取芯装置，使割芯机构工作，保护岩芯在起钻过程中不掉出。同时对空气的流量具有控制作用，使岩芯少受冲刷。

附图说明

图1. 为本发明的一种差动式空气钻井取芯装置结构示意图。

图2 是图1 中可调喷嘴部分的结构示意图。

图3 是图1 中的割芯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. 割芯机构；7. 取芯钻头；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. 岩芯爪；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、取芯钻头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 和割芯机构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，通过在地面组装取芯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）向下进入取芯钻头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 内的岩芯筒，低压气流在内筒组件5 的取芯内筒28 内壁与岩芯之间通过，对岩芯润滑和降温。

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 和割芯机构6，割芯机构6 处在取芯钻头7 内腔位置，割芯机构6 包括岩芯爪18、内腔软合金环密封元件16和橡胶密封元件17，岩芯爪18 底端呈楔形，并且取芯钻头7 内壁也设有与岩芯爪18 配合的楔形端面，使得岩芯爪18 下行时触及取芯钻头7 的楔形端面后收缩抱紧岩芯。

内腔软合金环密封元件16 和橡胶密封元件17 设置在取芯工具内筒组件5 和岩芯爪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 一起限制取芯工具内外筒组件间的空气通过取芯钻头内腔与岩芯爪18 之间的流速，保护岩芯在钻进过程中不被冲刷。

当进行取芯作业时，将整套的差动式空气钻井取芯装置利用钻具9 送入井眼内要求取芯深度位置，利用钻井设备带动差动式空气钻井取芯装置转动进行取芯钻进作业，利用差动式空气钻井取芯装置的差动机构1，当取芯钻进结束，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，使割芯机构6 工作，割芯机构6 的岩芯爪沿斜面向下运动抱紧岩芯，保护岩芯在起钻过程中不掉出。采用差动式空气钻井取芯装置可以实现在储层中连续取芯，不受井眼深浅的限制。取样结束利用钻具9 上提取芯装

置，由于割芯机构6 对岩芯实行完全密封，起钻过程中不会掉芯，有利于提高岩芯收获率和岩芯质量。该差动式空气钻井取芯装置在空气钻井条件下实施，没有泥浆水的污染，取得的岩芯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芯装置的取芯方法：

差动式空气钻井取芯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，取芯装置上端设置一只，另一只设置在上部钻具内；钻进过程分为造芯和正常钻进两个阶段，首先是造芯，选定造芯作业参数，钻压20 ～ 30kN，转盘转数选取30 ～ 40prm，在造芯钻进0.2m ～ 0.3m 后进行正常钻进，选定正常取芯钻进参数，钻压40 ～ 50kN，转盘转数选取40 ～ 50prm，待取芯装置内筒满或者特殊原因需要结束取芯钻进时准备割芯；割芯是在钻进结束后进行的取芯作业，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，结束割芯操作；起钻是将取芯装置从井眼底部起到地面，其过程要求平稳操作；出芯是把岩芯从工具内筒里顶出，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芯作业时，将整套差动式空气钻井取芯装置利用钻具送入井眼内要求取芯深度位置，利用钻井设备带动差动式空气钻井取芯装置转动进行取芯钻进作业，当取芯钻进结束，通过地面投球，利用差动装置，剪断悬挂元件，内筒组合下行，使割芯机构工作，保护岩芯在起钻过程中不掉出。

Claims (7)

1.差动式空气钻井取芯装置，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）、割芯机构（6）和取芯钻头（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）；割芯机构（6）处在取芯钻头（7）内腔位置；差动机构（1）、定位短节（2）、外筒组件（4）、取芯钻头（7）上下连接构成外筒组合体，内筒组件（5）和割芯机构（6）上下连接构成内筒组合体；内多方体（11）下端连接承压接头（12），并通过承压接头（12）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）和割芯机构（6）；内、外筒组合体之间留有间隙作为气流通道（24）；割芯机构（6）的岩芯爪（18）与取芯钻头（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芯装置，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芯装置，其特征在于：割芯机构（6）的岩芯爪（18）与取芯钻头（7）的密封单元为内嵌在岩芯爪（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芯装置，其特征在于：在内多方体（11）、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芯装置，其特征在于：内筒组件（5）包括取芯衬套和取芯内筒（28）。

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

第一步，下入差动式空气钻井取芯装置，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芯装置的上接头和上部连接钻具内；

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

第三步，割芯，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，割芯操作结束；

第四步，起钻是将差动式空气钻井取芯装置从井眼底部起到地面、取出岩芯。

7.根据权利要求6 所述利用差动式空气钻井取芯装置的取芯方法，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。