CN106568609B - 一种绳索冲击式保温保压取样钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索冲击式保温保压取样钻具，具有取样外管总成和取样内管总成，其中取样内管总成中的耐高压保温取样管总成（13）利用真空保温技术，并在样品保压管（33）内外表面涂覆纳米隔热保温涂料实现对样品的保温；取样内管总成中的板阀密封系统（14）和样品保压管（33）形成一个密闭保压空间腔，提供对样品的保压。本发明通过设计简单可靠的差动系统、压力补偿系统以及板阀密封系统，使天然气水合物保温保压取样成功率高，解决了天然气水合物勘查取样保温保压性能差、效率低的问题。

Description

一种绳索冲击式保温保压取样钻具

技术领域

本发明属于钻探领域，涉及一种绳索冲击式保温保压取样钻具，适用于陆地、湖泊、江河、海洋等天然气水合物钻探取样施工。

背景技术

目前，天然气水合物在能源和环境方面所产生的重要影响而为世界许多国家所关注，由于我国天然气水合物储量丰富，如何实现含天然气水合物地层样品的有效勘查取样，对于我国的能源发展具有十分重要的战略意义。

在陆地、湖泊、江河、海洋等地域进行天然气水合物钻探取样施工，要求在取样过程中保持样品的地层压力和温度，常规取样器难以实现，目前国内的天然气水合物取样钻具存在保温保压样品采取率低及保温保压性能差的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种能有效解决深海含天然气水合物地层的取样难题并保证样品温度压力的绳索冲击式保温保压取样钻具。为实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种绳索冲击式保温保压取样钻具，具有取样外管总成和取样内管总成，取样内管总成通过钢丝绳放入或提出外管总成，所述取样内管总成包括绳索打捞系统、悬挂系统、液动锤冲击系统、差动系统、压力补偿系统、耐高压保温取样管总成、板阀密封系统以及样品保压管，悬挂系统、样品保压管及板阀密封系统依次连接成取样内管总成的外部机构，液动锤冲击系统、差动系统、压力补偿系统、耐高压保温取样管总成依次连接成取样内管总成的内部机构，通过利用液动锤冲击系统提供的冲击力及钻井液的压力推进将耐高压保温取样管压入到地层中，取得圆筒状保温保压地质样品。

其中，耐高压保温取样管总成利用真空保温技术，并在样品保压管内外表面涂覆纳米隔热保温涂料实现对样品的保温。

其中，所述板阀密封系统包括：板阀上端盖、板阀密封盖、驱动弹簧、板阀密封口和板阀下端盖，所述板阀上端盖、板阀密封口、板阀下端盖由上至下依次配合组装，其中板阀密封盖和驱动弹簧通过销轴连接在板阀密封口上端的板阀支架上，板阀密封盖可依靠驱动弹簧自行关闭，关闭的板阀密封系统和样品保压管形成一个密闭保压空间腔。

其中，耐高压保温取样管总成上部镶嵌有环形密封圈，取样时所述密封圈与样品保压管配合形成密闭保压空间腔上部密封，板阀密封系统与样品保压管配合形成密闭保压空间腔下部密封。

其中，所述压力补偿系统包括：蓄能器充气头、蓄能器高压腔、蓄能器下接头、压力补偿阀、测压接头、触发开关阀、节流阀和单向阀，上述所有部件由上至下依次配合组装，压力补偿系统将蓄能高压腔的压力补偿给所述密闭保压空间腔，维持腔内的压力不变，实现对样品的保压。

其中，压力补偿系统通过蓄能器调节样品保压管中的压力，蓄能器处于常闭状态，当通过钢丝绳将取样器总成提出外管总成时，触发开关阀将蓄能器与样品管连接，蓄能器开始工作。

其中，板阀密封系统耐高压，作为取样钻具的样品管密封机构，其材质为高强度不锈钢或合金钢，耐压范围为0-30Mpa，利用驱动弹簧作为自动关闭动力。

其中，所述差动系统包括差动上矛头、矛头锁、矛头锁座和剪切销钉，差动上矛头通过螺纹连接在液动锤冲击系统下部，矛头锁通过开口弹性销连接在矛头锁座上，剪切销钉通过螺纹安装在矛头锁座的剪切孔上，矛头锁座下端通过螺纹与蓄能器充气头上部连接。

其中，所述绳索打捞系统包括：绳索打捞矛头、矛头座、连接座和导向管，绳索打捞矛头通过开口弹性销连接在矛头座上，矛头座、连接座和导向管由上至下通过螺纹依次连接。

其中，所述悬挂系统包括：悬挂环和悬挂管，悬挂环和悬挂管由上至下通过螺纹依次连接。

其中，所述取样外管总成包括钻杆接头、座环室、座环、座环联接头、外管、扶正器和PDC取芯钻头，上述所有部件由上至下依次连接，座环设置在座环室内，所述钻杆接头的上端通过螺纹与钻杆相连，所述取样内管总成悬挂系统坐落在外管总成的座环上，实现内管总成与外管总成的配合和定位。

本发明还公开了采用上述绳索冲击式保温保压取样钻具进行取样的方法，包括如下步骤：

1）通过解卡装置将钢丝绳解卡，提出钢丝绳，开启泥浆泵循环系统；

2）液动锤冲击系统提供动力将耐高压保温取样管总成逐渐推出样品保压管并压入到含有天然气水合物的地层中采取地层样品；

3）利用钢丝绳通过绳索打捞系统将取样钻具内管总成提离地层，通过差动系统实现外置差动；

4）将耐高压保温取样管总成提离板阀密封系统，进入样品保压管中，关闭的板阀密封系统和样品保压管形成一个密闭保压空间腔；

5）压力补偿系统将蓄能高压腔的压力补偿给上述密闭保压空间腔，维持腔内的压力不变，实现对样品的保压；

6）继续提取钢丝绳，将绳索冲击式保温保压取样钻具内管总成完全提出外管总成，完成取样。

本发明通过设计简单可靠的差动系统、压力补偿系统以及板阀密封系统，使天然气水合物保温保压取样成功率高，解决了天然气水合物勘查取样保温保压性能差、效率低的问题。

附图说明

图1:本发明绳索冲击式保温保压取样钻具外管总成结构示意图；

图2:本发明绳索冲击式保温保压取样钻具外管总成；

图3:本发明绳索冲击式保温保压取样钻具内管总成结构示意图；

图4a:本发明绳索冲击式保温保压取样钻具板阀密封系统结构示意图；

图4b:本发明绳索冲击式保温保压取样钻具板阀关闭状态示意图；

图4c:本发明绳索冲击式保温保压取样钻具板阀打开状态示意图。

附图标记说明：

1-钻杆接头； 2-座环室； 3-座环；

4-座环联接头； 5-外管； 6-扶正器；

7-PDC取芯钻头； 8-绳索打捞系统； 9-悬挂系统；

10-液动锤冲击系统； 11-差动系统； 12-压力补偿系统；

13-耐高压保温取样管总成； 14-板阀系统；

15-绳索打捞矛头； 16-矛头座； 17-连接座；

18-导向管； 19-悬挂环； 20-悬挂管；

21-差动上矛头； 22-矛头锁； 23-矛头锁座；

24-剪切销钉； 25-蓄能器充气头； 26-蓄能器高压腔；

27-蓄能器下接头； 28-压力补偿阀； 29-测压接头；

30-触发开关阀； 31-节流阀； 32-单向阀；

33-样品保压管； 34-板阀上端盖； 35-板阀密封盖；

36-驱动弹簧； 37-板阀密封口； 38-板阀下端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

图1所示的本发明的绳索冲击式保温保压取样钻具，由取样外管总成及设置在所述取样外管总成内的取样内管总成构成。

如图1、2所示，取样外管总成包括由上至下依次排列的钻杆接头1、座环室2、座环联接头4、外管5、扶正器6和PDC取芯钻头7，上述各组成件均为管状，且相邻各件通过螺纹相互连接。座环室2内的台阶支撑面上放置座环3，钻杆接头1的上端与钻杆螺纹连接。

如图3所示，本发明的取样内管总成包括绳索打捞系统8、悬挂系统9、液动锤冲击系统10、差动系统11、压力补偿系统12、耐高压保温取样管总成13、板阀密封系统14，其中绳索打捞矛头15、矛头座16、连接座17、导向管18构成绳索打捞系统8，打捞矛头15通过开口弹性销连接在矛头座16上，矛头座16、连接座17和导向管18由上至下通过螺纹依次连接。悬挂环19、悬挂管20由上至下通过螺纹依次连接成悬挂系统9，钻具内管总成通过悬挂环19与钻具外管总成座环3形成定位，悬挂管20下端与样品保压管33上端通过螺纹连接，样品保压管33下端与板阀密封系统14的板阀上端盖34通过螺纹连接，悬挂系统9、样品保压管33及板阀密封系统14依次连接成取样内管总成的外部机构，液动锤冲击系统10、差动系统11、压力补偿系统12、耐高压保温取样管总成13依次连接成取样内管总成的内部机构，差动上矛头21、矛头锁22、矛头锁座23、剪切销钉24组成差动系统11，矛头锁22通过开口销连接于矛头锁座23内，差动上矛头21上端与液动锤冲击系统10下端通过螺纹连接，矛头锁座23通过剪切销钉24与差动上矛头21形成差动距离，当钻具工作时，在液动锤冲击系统10提供的动力下，剪切销钉24剪断，矛头锁座23与差动上矛头21相连，矛头锁22将差动上矛头21牢牢锁住，这样就实现了钻具的差动动作，矛头锁座23下端与压力补偿系统12的蓄能器充气头25通过螺纹连接，蓄能器充气头25、蓄能器高压腔26、蓄能器下接头27、压力补偿阀28、测压接头29、触发开关阀30、节流阀31、从上至下通过配合组装连接成压力补偿系统12。压力补偿系统12处于常闭状态，当钻具的差动动作完成后，触发开关阀30打开，压力补偿系统12开始工作，将蓄能器高压腔26中的压力补偿到样品保压管33中，实现对样品的保压。节流阀31下端通过螺纹与耐高压保温取样管总成13上端连接。

如图4所示，本发明的绳索冲击式保温保压取样钻具板阀密封系统14由板阀上端盖34、板阀密封盖35、驱动弹簧36、板阀密封口37、板阀下端盖38组成，其中板阀上端盖34、板阀密封口37、板阀下端盖38由上至下通过配合组装，板阀密封盖35和驱动弹簧36通过销轴连接于板阀密封口37上部的密封盖支架上，板阀密封盖35通过驱动弹簧36提供的动力关闭，组装钻具时耐高压保温取样管总成13穿插在板阀密封系统14管内，此时板阀密封盖35打开，驱动弹簧36被压缩有一定预紧力，当差动系统11工作时，耐高压保温取样管总成13提离板阀密封系统14管内时，驱动弹簧36的预紧力释放并带动板阀密封盖35向下关闭。

下面描述本发明取样钻具的工作过程。

通过解卡装置将钢丝绳解卡，提出钢丝绳，开启泥浆泵循环系统，液动锤冲击系统10提供动力将耐高压保温取样管总成13逐渐推出样品保压管33并压入到含有天然气水合物的地层中采取地层样品，此时板阀密封盖35打开，驱动弹簧36被压缩有一定预紧力，再次利用钢丝绳通过绳索打捞系统8将取样钻具内管总成提离地层，通过差动系统11实现外置差动，耐高压保温取样管总成13提离板阀密封系统14，进入样品保压管33中，驱动弹簧36的预紧力释放并带动板阀密封盖35向下关闭，关闭的板阀密封系统14和样品保压管33形成一个密闭保压空间腔，板阀密封盖35关闭时触发开关阀30打开，压力补偿系统12将蓄能高压腔26的压力补偿给上述密闭保压空间腔，维持腔内的压力不变，实现对样品的保压。继续提取钢丝绳，将绳索冲击式保温保压取样钻具内管总成完全提出外管总成，实现天然气水合物保温保压取样的全过程。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变， 所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种绳索冲击式保温保压取样钻具，具有取样外管总成和取样内管总成，取样内管总成通过钢丝绳放入或提出外管总成，其特征在于：所述取样内管总成包括绳索打捞系统（8）、悬挂系统（9）、液动锤冲击系统（10）、差动系统（11）、压力补偿系统（12）、耐高压保温取样管总成（13）、板阀密封系统（14）以及样品保压管（33），悬挂系统（9）、样品保压管（33）及板阀密封系统（14）依次连接成取样内管总成的外部机构，液动锤冲击系统（10）、差动系统（11）、压力补偿系统（12）、耐高压保温取样管总成（13）依次连接成取样内管总成的内部机构，通过利用液动锤冲击系统（10）提供的冲击力及钻井液的压力推进将耐高压保温取样管（13）压入到地层中，取得圆筒状保温保压地质样品，所述板阀密封系统（14）包括：板阀上端盖（34）、板阀密封盖（35）、驱动弹簧（36）、板阀密封口（37）和板阀下端盖（38），所述板阀上端盖（34）、板阀密封口（37）、板阀下端盖（38）由上至下依次配合组装，其中板阀密封盖（35）和驱动弹簧（36）通过销轴连接在板阀密封口（37）上端的板阀支架上，板阀密封盖（35）可依靠驱动弹簧（36）自行关闭，关闭的板阀密封系统（14）和样品保压管（33）形成一个密闭保压空间腔。

2.根据权利要求1所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：耐高压保温取样管总成（13）利用真空保温技术，并在样品保压管（33）内外表面涂覆纳米隔热保温涂料实现对样品的保温。

3.根据权利要求1所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：耐高压保温取样管总成（13）上部镶嵌有环形密封圈，取样时所述密封圈与样品保压管（33）配合形成密闭保压空间腔上部密封，板阀密封系统（14）与样品保压管（33）配合形成密闭保压空间腔下部密封。

4.根据权利要求1-3任一项所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：所述压力补偿系统（12）包括：蓄能器充气头（25）、蓄能器高压腔（26）、蓄能器下接头（27）、压力补偿阀（28）、测压接头（29）、触发开关阀（30）、节流阀（31）和单向阀（32），上述所有部件由上至下依次配合组装，压力补偿系统（12）将蓄能高压腔（26）的压力补偿给所述密闭保压空间腔，维持腔内的压力不变，实现对样品的保压。

5.根据权利要求4所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：压力补偿系统（12）通过蓄能器调节样品保压管（33）中的压力，蓄能器处于常闭状态，当通过钢丝绳将取样器总成提出外管总成时，触发开关阀（30）将蓄能器与样品管连接，蓄能器开始工作。

6.根据权利要求1-3任一项所述的绳索冲击式保温保压取样钻-具，其特征在于：板阀密封系统（14）耐高压，作为取样钻具的样品管密封机构，其材质为高强度不锈钢或合金钢，耐压范围为0-30Mpa，利用驱动弹簧（36）作为自动关闭动力。

7.根据权利要求6所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：所述差动系统（11）包括差动上矛头（21）、矛头锁（22）、矛头锁座（23）和剪切销钉（24），差动上矛头（21）通过螺纹连接在液动锤冲击系统（10）下部，矛头锁（22）通过开口弹性销连接在矛头锁座（23）上，剪切销钉（24）通过螺纹安装在矛头锁座（23）的剪切孔上，矛头锁座（23）下端通过螺纹与蓄能器充气头（25）上部连接。

8.根据权利要求1、2、3、5、7任一项所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：所述绳索打捞系统（8）包括：绳索打捞矛头（15）、矛头座（16）、连接座（17）和导向管（18），绳索打捞矛头（15）通过开口弹性销连接在矛头座（16）上，矛头座（16）、连接座（17）和导向管（18）由上至下通过螺纹依次连接。

9.根据权利要求1、2、3、5、7任一项所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：所述悬挂系统（9）包括：悬挂环（19）和悬挂管（20），悬挂环（19）和悬挂管（20）由上至下通过螺纹依次连接。

10.根据权利要求1、2、3、5、7任一项所述的绳索冲击式保温保压取样钻具，其特征在于：所述取样外管总成包括钻杆接头（1）、座环室（2）、座环（3）、座环联接头（4）、外管（5）、扶正器（6）和PDC取芯钻头(7)，上述所有部件由上至下依次连接，座环（3）设置在座环室（2）内，所述钻杆接头（1）的上端通过螺纹与钻杆相连，所述取样内管总成悬挂系统（9）坐落在外管总成的座环（3）上，实现内管总成与外管总成的配合和定位。

11.采用权利要求1-10任一项所述的绳索冲击式保温保压取样钻具进行取样的方法，其特征在于：

1）通过解卡装置将钢丝绳解卡，提出钢丝绳，开启泥浆泵循环系统；

2）液动锤冲击系统（10）提供动力将耐高压保温取样管总成（13）逐渐推出样品保压管（33）并压入到含有天然气水合物的地层中采取地层样品；

3）利用钢丝绳通过绳索打捞系统（8）将取样钻具内管总成提离地层，通过差动系统（11）实现外置差动；

4）将耐高压保温取样管总成（13）提离板阀密封系统（14），进入样品保压管（33）中，关闭的板阀密封系统（14）和样品保压管（33）形成一个密闭保压空间腔；

5）压力补偿系统（12）将其蓄能高压腔（26）的压力补偿给上述密闭保压空间腔，维持腔内的压力不变，实现对样品的保压；

6）继续提取钢丝绳，将绳索冲击式保温保压取样钻具内管总成完全提出外管总成，完成取样。