CN105672925B - 气样密闭取样装置 - Google Patents

Abstract

一种气样密闭取样装置，包含外管、内管和二层管，所述外管包含控制泥浆进出通道的连接心轴、钻头以及位于连接心轴和钻头之间的连接管组件，所述内管至少包含连接套、上球阀、密封管和下球阀，所述连接套的一端可旋转的套合于连接心轴，上球阀和下球阀之间设有岩心管作为岩心的储存载体，上球阀和下球阀的关闭能密封岩心管，所述二层管的末端抵靠于连接心轴，且能在连接心轴的控制下前后移动，前端设有控制上球阀和下球阀开闭的控制元件，以通过前进或后退实现上下球阀的开闭；由此，本发明装置结构紧凑、密封效果好、适用范围广，在钻进时只有外管旋转，其余组件不转动，保证岩心能顺利进入岩心管。

Description

气样密闭取样装置

技术领域

本发明涉及钻探工具的技术领域，尤其涉及一种气样密闭取样装置。

背景技术

取心钻探是获取目标样本、分析其属性的最直接方法，但是取心工具在目标孔段获得气体或者液体样本后，需要取心工具在原位对岩样进行密封，然后提出孔口进行分析。

目前对于密闭取心装置，检索到的国内外相关文献和专利情况如下：中国专利(201410739874.9)地面钻井煤层气、岩层气含量测试密闭取心装置，涉及到固体岩心中含气样的密闭取心装置，但该装置上密闭阀门需要固体岩心推动才能关闭，需要有固体岩心且大于内筒的长度方能触发上密闭阀门，对于未达到设计的取样长度或者岩样中只有气样或者气液混合样的情况下，上密闭阀门不能关闭，不能达到密闭取心的目的。

中国专利(ZL201010101528.X)一种井下煤层密闭取信装置及其使用方法，涉及一种井下煤层取心的密闭装置，该装置活塞组件在自重作用下会误操作下关闭机构，影响岩心进入内筒。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种气样密闭取样装置，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明目的在于提供一种气样密闭取心装置，其结构紧凑，操作方便，满足钻孔内气样取心要求，效果更佳。

为解决上述问题，本发明公开了一种气样密闭取样装置，包含外管、内管和二层管，其特征在于：

所述外管包含控制泥浆进出通道的连接心轴、钻头以及位于连接心轴和钻头之间的连接管组件；

所述内管至少包含连接套、上球阀、密封管和下球阀，所述连接套的一端可旋转的套合于连接心轴，上球阀和下球阀之间设有岩心管作为岩心的储存载体，上球阀和下球阀的关闭能密封岩心管；

所述二层管的末端抵靠于连接心轴，且能在连接心轴的控制下前后移动，前端设有控制上球阀和下球阀开闭的控制元件，以通过前进或后退实现上下球阀的开闭。

其中：所述连接心轴为阶梯形设置，第一台阶部供连接管组件连接且内部设有锥形孔，且在第一台阶部的周缘设有多个轴向延伸的控制孔。

其中：所述第二台阶部设有连通锥形孔的内孔，所述第二台阶部的周缘间隔设有径向导通内孔与外侧的多个第一流通孔和多个第二流通孔。

其中：所述连接心轴的第二台阶部和连接管组件之间设有一能沿连接心轴滑动的活塞。

其中：所述活塞的长度小于所述第一流通孔和第一流通孔之间的间隔距离。

其中：所述连接套的另一端通过过渡接头连接至上球阀，所述上球阀和下球阀分别位于密封管的两端，所述过渡接头与上球阀采用短销连接，且上球阀外侧设有限制短销脱出的套，所述连接套和过渡接头之间通过旋入螺纹的长度可以调节内管的长度，调节合适后通过缩紧螺母锁定。

其中：所述二层管至少包含顶套、第一开合齿条和第二开合齿条，所述顶套的后端抵靠于连接心轴，前端连接至第一开合齿条，所述第一开合齿条驱动连接至上球阀以控制其开闭，所述第一开合齿条还通过套管组件连接至第二开合齿条，所述第二开合齿条驱动连接至下球阀以控制其开闭。

其中：所述顶套和第一开合齿条之间还设有安全短管，所述安全短管通过第一轴承座和第二轴承支承于连接心轴，所述第一轴承座和安全短管通过安全销连接，所述安全销用铝或铜的材质制成。

其中：所述套管组件依次包含第一连接管、调整管、锁紧管和第二连接管，所述调整管与第一连接管和第二连接管通过螺纹连接，其中一组螺纹为右旋螺纹，另外一组为左旋螺纹，通过位于调整管和第一连接管之间的锁紧管锁定。

其中：所述第一开合齿条和第二开合齿条为剖分结构，连接卡母通过螺纹将第一开合齿条连接为一整体，第一开合齿条通过连接卡母和钢丝卡与安全短管和套管组件轴向连接，第二开合齿条通过连接卡母和钢丝卡连接至套管组件。

通过上述结构可知，本发明的气样密闭取样装置具有如下效果：

1、在钻进时只有外管旋转，其余组件不转动，保证岩心能顺利进入岩心管；

2、达到目标进尺时，只需从钻杆内投入橡胶球，开动泥浆泵，通过高压泥浆推动二层管轴向移动，使球阀关闭，保证岩心管内岩心保持密闭。

3、装置结构紧凑、密封效果好、适用范围广。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明连接心轴的剖视图；

图2A为图2中A-A向的剖视图；

图2B为图2中B-B向的剖视图；

图3为本发明上球阀结构示意图；

图4为本发明下球阀结构示意图；

图5为本发明正常钻进时泥浆通道示意图；

图6为本发明封闭岩心管作业时泥浆通道示意图；

图7为本发明封闭岩心管完成时泥浆通道示意图。

附图标记：

1—保护接头、2—连接心轴、3—橡胶球、4—活塞、5—密封圈、6—第一轴承、7—缸筒、8—顶套、9—第一轴承座、10—安全销、11—安全短管、12—调整垫、13—第二轴承、14—半圆环、15—第二轴承座、16—轴承3、17—第三轴承座、18—第一外管、19—连接套、20—第四轴承、21—第一垫片、22—弹簧、23—第二垫片、24—螺母、25—锁紧螺母、26—过渡接头、27—短销、28—套、29—第二外管、30—连接卡母、31—钢丝卡、32—第一开合齿条、33—上球阀、34—第一连接管、35—调整管、36—锁紧管、37—第二连接管、38—密封管、39—岩心管、40—第二开合齿条、41—下球阀、42—钻头、43—第三外管、44—第一阀体、45—第一阀座、46—限位片、47—垫片、48—转轴、49—螺钉、50—齿轮、51—第一阀芯、52—第二阀座、53—端盖、54—第二阀体、55—第三阀座、56—第二阀芯、57—第四阀座。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的气样密闭取样装置。

所述气样密闭取样装置为三层设置，分别形成不同的功能和作用，分为外管、内管和二层管，所述外管包含控制泥浆进出通道的连接心轴2、钻头42以及位于连接心轴2和钻头42之间的连接管组件，所述连接心轴2的后端还设有连接至驱动源的保护接头1，从而通过驱动源的旋转驱动，实现钻头42的钻进和退出。

其中，所述连接管组件依次包含螺纹连接的缸筒7、第一外管18、第二外管29和第三外管43，所述缸筒7螺纹连接至连接心轴2，所述第三外管43螺纹连接至钻头42，由此，实现连接心轴2至钻头42的稳定连接，当然，本领域技术人员可选的是，所述连接管组件可通过多个外管实现连接，只要保证连接管组件的完整、密封以及稳固连接即可。

参见图1、2、2A和2B，所述连接心轴2为阶梯形设置，第一台阶部供保护接头1和连接管组件连接，且内部设有锥形孔，以提供橡胶球3的卡接，因此，锥形孔的最小直径小于橡胶球3的直径，且在第一台阶部的周缘设有多个轴向延伸的控制孔C，所述控制孔C连通第一台阶部内的锥形孔和较第一台阶部小的第二台阶部外侧，所述第二台阶部设有连通锥形孔的内孔，所述第二台阶部的周缘间隔设有径向导通内孔与外侧的多个第一流通孔D和多个第二流通孔E，所述第一流通孔D和第一流通孔E间隔一定距离，以及一小于第二台阶部的第三台阶部，所述第三台阶部外缘套设有弹簧22且末端设有螺纹以及设有至少一个螺母24，为实现控制，所述连接心轴2的第二台阶部和连接管组件之间设有一可沿连接心轴2滑动的活塞4，所述活塞4和连接管组件之间还设有密封圈5，由此，泥浆从连接心轴2的控制孔C向外涌出时，可直接作用于活塞4，来推动活塞4进行运动，其中，活塞4的长度小于所述第一流通孔D和第一流通孔E之间的间隔距离。

所述内管至少包含连接套19、上球阀33、密封管38和下球阀41，所述连接套19的一端可旋转的套合于连接心轴2，可选的是，所述连接套19通过第二轴承座15、第二轴承16、第三轴承座17和第四轴承20支撑于连接心轴2的第三台阶部，第二轴承座15通过一半圆环14限位于连接心轴2(优选于第三台阶部)上。

所述弹簧22弹性压缩于螺母24和第四轴承20之间，弹簧22的两端分别设有第一垫片21和第二垫片23，所述弹簧22工作状态预压紧力等于内管重量的1.1～1.5倍。

所述连接套19的另一端可通过过渡接头26连接至上球阀33，所述上球阀33和下球阀41分别位于密封管38的两端，可选的是，所述过渡接头26与上球阀33可采用短销27连接，且上球阀33外侧设有限制短销27脱出的套28，其余的连接套和过渡接头、密封管38和上球阀33以及下球阀41之间均可采用螺纹连接为整体。

上球阀33和下球阀41之间设有岩心管39作为岩心的储存载体，上球阀33和下球阀41的关闭可密封岩心管39，且连接套19和过渡接头26之间通过旋入螺纹的长度可以调节内管的长度，调节合适后通过缩紧螺母25锁定。

由此，内管设置于外管内，且不用随之旋转驱动，即保证了取样时的稳定准确，还有效提高了密封效果。

所述二层管的末端抵靠于连接心轴2，且能在连接心轴2的控制下前后移动，优选其末端抵靠于活塞4，前端设有控制上球阀33和下球阀41开闭的控制元件，由此，可通过前进或后退，实现上下球阀的开闭，且二层管同样不随外管旋转，优点更佳明显。

参见图1，所述二层管可至少包含顶套8、第一开合齿条32和第二开合齿条40，所述顶套8的后端可通过第一轴承6抵靠于连接心轴2或活塞4，前端连接至第一开合齿条32，所述第一开合齿条32驱动连接至上球阀33以控制其开闭，所述第一开合齿条32还可通过套管组件连接至第二开合齿条40，所述第二开合齿条40驱动连接至下球阀41以控制其开闭，由此，当活塞活动时，实现上下球阀的控制开闭。

其中，所述顶套8和第一开合齿条32之间还可设有安全短管11，所述安全短管11通过第一轴承座9和第二轴承13支承于连接心轴2，所述第一轴承座9和安全短管11通过安全销10连接，所述安全销10选用铝或铜的材质制成，防止二层管在自重作用下向下移动，误关闭上球阀33和下球阀41，只有高压泥浆作用活塞4推动安全短管11剪断安全销10后，才推动二层管移动，进一步确保了本申请的安全操作。

其中，所述顶套的后侧(由于第一轴承座12之间)设置调整垫12，以限制二层管轴向移动距离，间接控制第一开合齿条32和第二开合齿条40的移动距离，使上球阀和下球阀同步关闭。

所述套管组件可依次包含第一连接管34、调整管35、锁紧管36和第二连接管37，所述调整管35与第一连接管34和第二连接管37通过螺纹连接，其中一组螺纹为右旋螺纹，另外一组为左旋螺纹，通过位于调整管35和第一连接管34之间的锁紧管36锁定。调整管35旋转时，可以调节二层管的长度及第二开合齿条40相对第一开合齿条32的位置，使第二开合齿条40和第一开合齿条32处于同步控制下球阀41和上球阀33开合。

所述第一开合齿条32和第二开合齿条40为剖分结构，连接卡母30通过螺纹将第一开合齿条连接为一整体，第一开合齿条通过连接卡母30和钢丝卡31与安全短管11和套管组件轴向连接，第二开合齿条40通过类似的结构连接至套管组件；二层管轴向移动，第一开合齿条32和第二开合齿条40推动齿轮旋转，带动上球阀33和下球阀41关闭或打开。

由此，本申请正常钻进时，泥浆从钻具内通过连接心轴2上的第一流通孔D和第二流通孔E进入外管与内管之间的间隙，然后通过钻头42与孔壁间隙循环出孔口；钻进完成时，在连接心轴2内放入橡胶球3，橡胶球3堵塞锥形孔，泥浆只能通过控制孔C进入连接心轴2和活塞4组成的空腔内，推动活塞4和二层管移动，活塞4移动过第一流通孔D时，泥浆会从第一流通孔D经第二流通孔E再次进入外管和内管间隙，直至顶套8接触调整垫12。

参见图3，所述上球阀33由第一阀体44、第一阀座45、转轴48、齿轮50、第一阀芯51、第二阀座52、端盖53组成，所述第一阀体44内设有供第一阀座45和第二阀座52定位的通孔，第二阀座52的外侧连接有固定岩心管39一端的端盖53，所述第一阀芯51可旋转的固定于第一阀座45和第二阀座52之间，所述第一阀芯51的两端分别通过转轴48连接至第一阀体44外侧的齿轮50，所述齿轮50可啮合于第一开合齿条32，从而通过第一开合齿条32驱动齿轮50回转来带动转轴48和第一阀芯51旋转，实现上球阀33的开启或者闭合，其中，所述齿轮50通过螺钉49固定于转轴48，所述转轴48和第一阀体44之间设有垫片47和限位片45。

参见图4，下球阀41由第二阀体54、第三阀座55、转轴48、齿轮50、第二阀芯56、第四阀座57、端盖53组成，所述第二阀体54内设有供第三阀座55和第四阀座57定位的通孔，第四阀座57的外侧连接有固定岩心管39另一端的端盖53，所述第二阀芯56可旋转的固定于第三阀座55和第四阀座57之间，所述第二阀芯56的两端分别通过转轴48连接至第二阀体54外侧的齿轮50，所述齿轮50可啮合于第二开合齿条40，从而通过第二开合齿条40驱动齿轮50回转来带动转轴48和第二阀芯56旋转，实现下球阀41的开启或者闭合，其中，所述齿轮50通过螺钉49固定于转轴48，所述转轴48和第二阀体54之间设有垫片47和限位片45。

所述的一种气样密闭取样装置的使用方法，包括以下步骤：

1连接钻具与密闭取样装置的，正常钻进，直至达到目标取心长度；

2停止泥浆泵，提拉钻具，拉断岩心；

3投入橡胶球3，开动泥浆泵，关闭上球阀33和下球阀41，关闭泥浆泵；

4提出钻具和密闭取样装置，进行岩样分析。

钻进时，通过保护接头与钻具连接，钻具带动钻头旋转进行钻进；内管正常钻进时，在第三轴承和第四轴承的分动作用下保持非旋转状态；二层管正常钻进时，在第一轴承和第二轴承的分动作用下，二层管组件处于非旋转状态，完成钻进，需要关闭球阀时，从钻杆内投入橡胶球，通入泥浆，推动二层管组件向下移动，通过第一开合齿条和第二开合齿条推动齿轮旋转，带动上球阀和下球阀关闭，达到密闭岩样的目的。

由此可见，本发明的优点在于：

1、在钻进时只有外管旋转，其余组件不转动，保证岩心能顺利进入岩心管；

2、达到目标进尺时，只需从钻杆内投入橡胶球，开动泥浆泵，通过高压泥浆推动二层管轴向移动，使球阀关闭，保证岩心管内岩心保持密闭。

3、装置结构紧凑、密封效果好、适用范围广。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (9)

1.一种气样密闭取样装置，包含外管、内管和二层管，其特征在于：

所述外管包含控制泥浆进出通道的连接心轴、钻头以及位于连接心轴和钻头之间的连接管组件；

所述内管至少包含连接套、上球阀、密封管和下球阀，所述连接套的一端可旋转的套合于连接心轴，上球阀和下球阀之间设有岩心管作为岩心的储存载体，上球阀和下球阀的关闭能密封岩心管；

所述二层管的末端抵靠于连接心轴，且能在连接心轴的控制下前后移动，前端设有控制上球阀和下球阀开闭的控制元件，以通过前进或后退实现上下球阀的开闭，所述二层管至少包含顶套、第一开合齿条和第二开合齿条，所述顶套的后端抵靠于连接心轴，前端连接至第一开合齿条，所述第一开合齿条驱动连接至上球阀以控制其开闭，所述第一开合齿条还通过套管组件连接至第二开合齿条，所述第二开合齿条驱动连接至下球阀以控制其开闭。

2.如权利要求1所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述连接心轴为阶梯形设置，第一台阶部供连接管组件连接且内部设有锥形孔，且在第一台阶部的周缘设有多个轴向延伸的控制孔,所述控制孔连通第一台阶部内的锥形孔和较第一台阶部小的第二台阶部外侧。

3.如权利要求2所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述第二台阶部设有连通锥形孔的内孔，所述第二台阶部的周缘间隔设有径向导通内孔与外侧的多个第一流通孔和多个第二流通孔。

4.如权利要求3所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述连接心轴的第二台阶部和连接管组件之间设有一能沿连接心轴滑动的活塞。

5.如权利要求4所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述活塞的长度小于所述第一流通孔和第二流通孔之间的间隔距离。

6.如权利要求1-5中任一项所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述连接套的另一端通过过渡接头连接至上球阀，所述上球阀和下球阀分别位于密封管的两端，所述过渡接头与上球阀采用短销连接，且上球阀外侧设有限制短销脱出的套，所述连接套和过渡接头之间通过旋入螺纹的长度可以调节内管的长度，调节合适后通过锁紧螺母锁定。

7.如权利要求1所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述顶套和第一开合齿条之间还设有安全短管，所述安全短管通过第一轴承座和第二轴承支承于连接心轴，所述第一轴承座和安全短管通过安全销连接，所述安全销用铝或铜的材质制成。

8.如权利要求1所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述套管组件依次包含第一连接管、调整管、锁紧管和第二连接管，所述调整管与第一连接管和第二连接管通过螺纹连接，其中一组螺纹为右旋螺纹，另外一组为左旋螺纹，通过位于调整管和第一连接管之间的锁紧管锁定。

9.如权利要求1所述的气样密闭取样装置，其特征在于：所述第一开合齿条和第二开合齿条为剖分结构，连接卡母通过螺纹将第一开合齿条连接为一整体，第一开合齿条通过连接卡母和钢丝卡与安全短管和套管组件轴向连接，第二开合齿条通过连接卡母和钢丝卡连接至套管组件。