CN106593335B - 煤层取芯密封装置及其密封取芯方法 - Google Patents

Abstract

煤层取芯密封装置，包括均为空心结构的内钻杆、外钻杆和动力钻杆，内钻杆滑动插设在外钻杆内，内钻杆与外钻杆的连接处通过密封套管连接，动力钻杆的底端与内钻杆的顶端连接；密封套管外壁与外钻杆内壁固定连接，密封套管的管壁沿轴线方向开设有与外钻杆内部连通的气孔，气孔上装配有气孔帽；外钻杆的底端设有气囊、三组充气机构和十二组底端封堵机构，气囊绕外钻杆的底端周向设置，三组充气机构均与气囊连接；综上所述，本发明整体结构简单，原理科学，安全可靠，可以大大减少钻取煤心时，使得煤层中原气体泄漏量减少。

Description

煤层取芯密封装置及其密封取芯方法

技术领域

本发明属于煤层密封取芯技术领域，具体涉及一种煤层取芯密封装置及其密封取芯方法。

背景技术

煤层取芯现在较好的方法有密闭取芯和保压取芯两种方式，因为在取芯时不可避免的会与钻井液接触，这就会影响到所取煤心气体方面研究的影响，所取煤心中的气体会进入钻进液中，而密闭取芯能较好的解决这个缺陷，专利申请号为201310150259X的专利文献《一种密闭取芯测定煤层含气量的方法》中利用密闭液进行密闭，但是此方法没有考虑在钻取煤心过程中气体的损失。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、可以大大减少钻取煤心时使得煤层中原气体泄漏量减少的煤层取芯密封装置及其密封取芯方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤层取芯密封装置，包括均为空心结构的内钻杆、外钻杆和动力钻杆，内钻杆滑动插设在外钻杆内，内钻杆与外钻杆的连接处通过密封套管连接，动力钻杆的底端与内钻杆的顶端连接；

密封套管外壁与外钻杆内壁固定连接，密封套管的管壁沿轴线方向开设有与外钻杆内部连通的气孔，气孔上装配有气孔帽；外钻杆的底端设有气囊、三组充气机构和十二组底端封堵机构，气囊绕外钻杆的底端周向设置，三组充气机构均与气囊连接；三组充气机构沿外钻杆底端部的外侧面均匀布置；十二组底端封堵机构设置在外钻杆的底端面，十二组底端封堵机构将外钻杆的底端面封堵；

动力钻杆的底端周向设有安装盘，安装盘通过螺栓固定在内钻杆的顶端面，动力钻杆和内钻杆同轴线设置；

内钻杆的底端面周向设有一圈切割滚轮，内钻杆的杆壁内部开设有三个安装孔，三个安装孔沿内钻杆的中心线均匀布置，安装孔的上端位于内钻杆顶端的外侧面，安装孔的下端位于内钻杆底端的内侧面，每个安装孔内均设有一组煤层切断机构。

充气机构包括固定在外钻杆底端部外侧面的气箱，气箱的底部设有出气管和充气推杆，出气管与气囊上部连接，充气推杆的上端插设在气箱内，充气推杆的上端设有位于气箱内的活塞，活塞外缘与气箱内壁滑动密封连接，充气推杆上设有固定板，固定板与气箱底面之间设有弹簧，弹簧的中心线、充气推杆的轴线均沿竖直方向设置且位于气囊内侧，充气推杆的下端凸出于外钻杆的底端面。

底端封堵机构包括封堵板和触动块，封堵板为圆心角为30°的扇形板，封堵板的圆弧一侧通过销轴铰接在外钻杆底端部的内侧面，销轴上设有扭簧，封堵板的底部设有触动块，触动块的下端凸出于外钻杆的底端面，触动块凸出于外钻杆底端面的长度小于充气推杆的下端凸出于外钻杆的底端面的长度。

内钻杆顶端与动力钻杆底端之间的连接处设有扭矩传递机构，扭矩传递机构包括固定在内钻杆顶端外侧面的凹型块和固定在安装盘外侧面的凸台，凸台插设在凹型块内。

煤层切断机构包括切断片、驱动杆、短轴、连杆和传动杆，传动杆插设在安装孔内，内钻杆顶端开设有与安装孔对应连通的穿孔，短轴插设在穿孔内，驱动杆位于内钻杆顶端的外侧，短轴的一端与驱动杆的一端固定连接，短轴的另一端与连杆固定连接，连杆位于安装孔内，连杆的另一端与传动杆上端铰接，切断片外侧底部铰接在内钻杆内壁的安装孔下端处，传动杆的下端铰接在切断片外侧中部，切断片上端边沿设有向内凸出的切削刃。

密封套管内壁自上而下依次开设有第一环形槽和第二环形槽，第一环形槽内装配有刚性密封圈，第二环形槽内装配有柔性密封圈，刚性密封圈和柔性密封圈均凸出于密封套管内壁。

煤层取芯密封装置的密封取芯方法，包括以下步骤：

（1）在煤层上钻取取芯井，钻井结束后将本装置替换钻杆上的钻头；

（2）打开外钻杆上的气孔帽，将外钻杆、内钻杆和动力钻杆内的气体从气孔处抽出呈真空状态，之后将气孔帽重新盖在气孔上；

（3）将本装置整体沿取芯井下放，当充气推杆下端触碰到取芯煤层后，充气推杆向上运动并推动气箱内的活塞向上运动，从而活塞将气箱内的气体沿出气管压入气囊中，气囊开始充气，继续下放本装置；气囊完全膨胀后将钻井液挤到外钻杆上方，触动块下端触碰到取芯煤层，触动块向上推动封堵板，封堵板向外钻杆内部方向打开；

（4）当外钻杆触碰到取芯煤层，停止外钻杆移动，继续下放动力钻杆，当内钻杆底端接触到取心煤层时，旋转动力钻杆，在扭矩传递机构的作用下内钻杆跟随动力钻杆转动并继续缓慢下降，内钻杆底端的一圈切割滚轮开始对煤层进行切割，待切割一段时间后，内钻杆外壁顶部的驱动杆触碰到目标煤层后被拨动开，驱动杆带动短轴转动，从而短轴带动连杆转动，连杆开始拉动传动杆移动，从而传动杆拉动切断片向上移动，切断片的片头从安装孔底端伸出，开始对煤心底部切割；

（5）切割完成后，缓慢提起动力钻杆，内钻杆跟随向上提起，触动块离开取芯煤层，在扭簧的作用下，封堵板回落至最初位置；

（6）继续向上将内钻杆向上提起一定高度，充气推杆逐渐离开取芯煤层，活塞向下移动并将气囊中的气体收回至气箱；

（7）将本装置完全提出到地面后，首先打开气孔帽，将内钻杆和外钻杆之间的空腔内的全部气体抽出到地面容器内，接着对地面容器内的气体进行分析；

（8）打开本装置，将内钻杆内的煤心取出，结束煤层取芯工作。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、气囊是在外钻杆接触到取芯煤层后缓慢充气的，在此过程中气囊外部是钻井液会逐渐被挤压至上部，使得取芯煤层表面的钻井液降低到最少，减少钻井液对取芯煤层的影响，其气囊充气与否是通过充气推杆是否被取芯煤层挤压决定的。

2、触动块比充气推杆短，当充气推杆接近被完全按下时触动块被按下，封堵板的开合是很快完成并非缓慢进行，所以只要封堵板开关被按下后即可执行此操作。

3、气孔是用于外部设备对外钻杆内部气体进行操作的，由于密封性好，在下放前将外钻杆内部气体抽出，在钻取煤心时，游离气体会进入外钻杆中，待取出钻采装置后再通过气孔将内部气体全部抽出，即可进行实验研究，为防止钻井液堵到通气孔口，在气孔口通过螺纹旋紧气孔帽。

4、内钻杆底部的切割滚轮，利用滚轮进行切割，使得切割效果更好，同时当接近切割完成时，驱动杆被触发，隐藏于内钻杆底部位置的切断片伸出，对煤心底部进行不完全切割，切割完成后，通过拉拽即可将煤心拉断。

5、动力钻杆与内钻杆之间的凸台连接使得扭矩的传递更为可靠，减轻螺栓的挤压力，延长使用寿命；内钻杆与外钻杆的连接处通过密封套管连接，密封套管对内钻杆与外钻杆的连接处进行密封，其中第一环形凹槽内的刚性密封圈，用于限定内钻杆在外钻杆内的位置，使内钻杆同轴线位于外钻杆内部，第二环形凹槽内的柔性密封圈用于密封内钻杆与外钻杆的连接处，防止气体从外钻杆向外泄出。

综上所述，本发明整体结构简单，原理科学，安全可靠，可以大大减少钻取煤心时，使得煤层中原气体泄漏量减少。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是外钻杆的结构示意图；

图3是密封套管的安装示意图；

图4是内钻杆的结构示意图；

图5是扭矩传递机构的安装示意图；

图6是充气机构的结构示意图；

图7是底端封堵机构的结构示意图；

图8是煤层切断机构的结构示意图。

具体实施方式

如图1-8所示，本发明的煤层取芯密封装置，包括均为空心结构的内钻杆1、外钻杆2和动力钻杆3，内钻杆1滑动插设在外钻杆2内，内钻杆1与外钻杆2的连接处通过密封套管31连接，密封套管31与外钻杆一体制成，动力钻杆3的底端与内钻杆1的顶端连接；

密封套管31外壁与外钻杆2内壁固定连接，密封套管31的管壁沿轴线方向开设有与外钻杆2内部连通的气孔，气孔上装配有气孔帽4；外钻杆2的底端设有气囊5、三组充气机构6和十二组底端封堵机构7，气囊5绕外钻杆2的底端周向设置，三组充气机构6均与气囊5连接；三组充气机构6沿外钻杆2底端部的外侧面均匀布置；十二组底端封堵机构7设置在外钻杆2的底端面，十二组底端封堵机构7将外钻杆2的底端面封堵；.

动力钻杆3的底端周向设有安装盘9，安装盘9通过螺栓10固定在内钻杆1的顶端面，动力钻杆3和内钻杆1同轴线设置；

内钻杆1的底端面周向设有一圈切割滚轮11，内钻杆1的杆壁内部开设有三个安装孔，三个安装孔沿内钻杆1的中心线均匀布置，安装孔的上端位于内钻杆1顶端的外侧面，安装孔的下端位于内钻杆1底端的内侧面，每个安装孔内均设有一组煤层切断机构12。

充气机构6包括固定在外钻杆2底端部外侧面的气箱13，气箱13的底部设有出气管14和充气推杆15，出气管14与气囊5上部连接，充气推杆15的上端插设在气箱13内，充气推杆15的上端设有位于气箱13内的活塞，活塞外缘与气箱13内壁滑动密封连接，充气推杆15上设有固定板16，固定板16与气箱13底面之间设有第一弹簧17，第一弹簧17的中心线、充气推杆15的轴线均沿竖直方向设置且位于气囊5内侧，充气推杆15的下端凸出于外钻杆2的底端面。

底端封堵机构7包括封堵板18和触动块19，封堵板18为圆心角为30°的扇形板，封堵板18的圆弧一侧通过销轴铰接在外钻杆2底端部的内侧面，销轴上设有扭簧，封堵板18的底部触动块19，触动块19的下端凸出于外钻杆2的底端面，触动块19凸出于外钻杆2底端面的长度小于充气推杆15的下端凸出于外钻杆2的底端面的长度。

内钻杆1顶端与动力钻杆3底端之间的连接处设有扭矩传递机构，扭矩传递机构包括固定在内钻杆1顶端外侧面的凹型块21和固定在安装盘9外侧面的凸台22，凸台22插设在凹型块21内。

煤层切断机构12包括切断片23、驱动杆24、短轴25、连杆26和传动杆27，传动杆27插设在安装孔内，内钻杆1顶端开设有与安装孔对应连通的穿孔，短轴25插设在穿孔内，驱动杆24位于内钻杆1顶端的外侧，短轴25的一端与驱动杆24的一端固定连接，短轴25的另一端与连杆26固定连接，连杆26位于安装孔内，连杆26的另一端与传动杆27上端铰接，切断片23外侧底部铰接在内钻杆1内壁的安装孔下端处，传动杆27的下端铰接在切断片23外侧中部，切断片23上端边沿设有向内凸出的切削刃。

密封套管31内壁自上而下依次开设有第一环形槽和第二环形槽，第一环形槽内装配有刚性密封圈29，第二环形槽内装配有柔性密封圈30，刚性密封圈29和柔性密封圈30均凸出于密封套管31内壁。

煤层取芯密封装置的密封取芯方法，包括以下步骤：

（1）在煤层上钻取取芯井，钻井结束后将本装置替换钻杆上的钻头；

（2）打开外钻杆2上的气孔帽4，将外钻杆2、内钻杆1和动力钻杆3内的气体从气孔处抽出呈真空状态，之后将气孔帽4重新盖在气孔上；

（3）将本装置整体沿取芯井下放，当充气推杆15下端触碰到取芯煤层后，充气推杆15向上运动并推动气箱13内的活塞向上运动，从而活塞将气箱13内的气体沿出气管14压入气囊5中，气囊5开始充气，继续下放本装置；气囊5完全膨胀后将钻井液挤到外钻杆2上方，钻井液被挤到上方，触动块19下端触碰到取芯煤层，触动块19向上推动封堵板18，封堵板18向外钻杆2内部方向打开；

（4）当外钻杆2触碰到取芯煤层，停止外钻杆2移动，动力钻杆3继续下放，当内钻杆1底端接触到取芯煤层时，旋转动力钻杆3，在扭矩传递机构的作用下内钻杆1跟随动力钻杆3转动并继续缓慢下降，内钻杆1底端的一圈切割滚轮11开始对煤层进行切割，待切割一段时间后，内钻杆1外壁顶部的驱动杆24触碰到目标煤层后被拨动开，驱动杆24带动短轴25转动，从而短轴25带动连杆26转动，连杆26开始拉动传动杆27移动，从而传动杆27拉动切断片23向上移动，切断片23的片头从安装孔底端伸出，开始对煤心底部切割；

（5）切割完成后，缓慢提起动力钻杆3，内钻杆1跟随向上提起，触动块19离开取芯煤层，在扭簧的作用下，封堵板18回落至最初位置；

（6）继续向上将内钻杆1向上提起一定高度，充气推杆15逐渐离开取芯煤层，活塞向下移动并将气囊5中的气体收回至气箱13；

（7）将本装置完全提出到地面后，首先打开气孔帽4，将内钻杆1和外钻杆2之间的空腔内的全部气体抽出到地面容器内，接着对地面容器内的气体进行分析；

（8）打开本装置，将内钻杆1内的煤心取出，结束煤层取芯工作。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.煤层取芯密封装置，其特征在于：包括均为空心结构的内钻杆、外钻杆和动力钻杆，内钻杆滑动插设在外钻杆内，内钻杆与外钻杆的连接处通过密封套管连接，动力钻杆的底端与内钻杆的顶端连接；

密封套管外壁与外钻杆内壁固定连接，密封套管的管壁沿轴线方向开设有与外钻杆内部连通的气孔，气孔上装配有气孔帽；外钻杆的底端设有气囊、三组充气机构和十二组底端封堵机构，气囊绕外钻杆的底端周向设置，三组充气机构均与气囊连接；三组充气机构沿外钻杆底端部的外侧面均匀布置；十二组底端封堵机构设置在外钻杆的底端面，十二组底端封堵机构将外钻杆的底端面封堵；

动力钻杆的底端周向设有安装盘，安装盘通过螺栓固定在内钻杆的顶端面，动力钻杆和内钻杆同轴线设置；

内钻杆的底端面周向设有一圈切割滚轮，内钻杆的杆壁内部开设有三个安装孔，三个安装孔沿内钻杆的中心线均匀布置，安装孔的上端位于内钻杆顶端的外侧面，安装孔的下端位于内钻杆底端的内侧面，每个安装孔内均设有一组煤层切断机构。

2.根据权利要求1所述的煤层取芯密封装置，其特征在于：充气机构包括固定在外钻杆底端部外侧面的气箱，气箱的底部设有出气管和充气推杆，出气管与气囊上部连接，充气推杆的上端插设在气箱内，充气推杆的上端设有位于气箱内的活塞，活塞外缘与气箱内壁滑动密封连接，充气推杆上设有固定板，固定板与气箱底面之间设有弹簧，弹簧的中心线、充气推杆的轴线均沿竖直方向设置且位于气囊内侧，充气推杆的下端凸出于外钻杆的底端面。

3.根据权利要求2所述的煤层取芯密封装置，其特征在于： 底端封堵机构包括封堵板和触动块，封堵板为圆心角为30°的扇形板，封堵板的圆弧一侧通过销轴铰接在外钻杆底端部的内侧面，销轴上设有扭簧，封堵板的底部设有触动块，触动块的下端凸出于外钻杆的底端面，触动块凸出于外钻杆底端面的长度小于充气推杆的下端凸出于外钻杆的底端面的长度。

4.根据权利要求3所述的煤层取芯密封装置，其特征在于：内钻杆顶端与动力钻杆底端之间的连接处设有扭矩传递机构，扭矩传递机构包括固定在内钻杆顶端外侧面的凹型块和固定在安装盘外侧面的凸台，凸台插设在凹型块内。

5.根据权利要求4所述的煤层取芯密封装置，其特征在于：煤层切断机构包括切断片、驱动杆、短轴、连杆和传动杆，传动杆插设在安装孔内，内钻杆顶端开设有与安装孔对应连通的穿孔，短轴插设在穿孔内，驱动杆位于内钻杆顶端的外侧，短轴的一端与驱动杆的一端固定连接，短轴的另一端与连杆固定连接，连杆位于安装孔内，连杆的另一端与传动杆上端铰接，切断片外侧底部铰接在内钻杆内壁的安装孔下端处，传动杆的下端铰接在切断片外侧中部，切断片上端边沿设有向内凸出的切削刃。

6.根据权利要求5所述的煤层取芯密封装置，其特征在于：密封套管内壁自上而下依次开设有第一环形槽和第二环形槽，第一环形槽内装配有刚性密封圈，第二环形槽内装配有柔性密封圈，刚性密封圈和柔性密封圈均凸出于密封套管内壁。

7.根据权利要求6所述的煤层取芯密封装置的密封取芯方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在煤层上钻取取芯井，钻井结束后将本装置替换钻杆上的钻头；

（2）打开外钻杆上的气孔帽，将外钻杆、内钻杆和动力钻杆内的气体从气孔处抽出呈真空状态，之后将气孔帽重新盖在气孔上；

（3）将本装置整体沿取芯井下放，当充气推杆下端触碰到取芯煤层后，充气推杆向上运动并推动气箱内的活塞向上运动，从而活塞将气箱内的气体沿出气管压入气囊中，气囊开始充气，继续下放本装置；气囊完全膨胀后将钻井液挤到外钻杆上方，触动块下端触碰到取芯煤层，触动块向上推动封堵板，封堵板向外钻杆内部方向打开；

（4）当外钻杆触碰到取芯煤层，停止外钻杆移动，继续下放动力钻杆，当内钻杆底端接触到取心煤层时，旋转动力钻杆，在扭矩传递机构的作用下内钻杆跟随动力钻杆转动并继续缓慢下降，内钻杆底端的一圈切割滚轮开始对煤层进行切割，待切割一段时间后，内钻杆外壁顶部的驱动杆触碰到目标煤层后被拨动开，驱动杆带动短轴转动，从而短轴带动连杆转动，连杆开始拉动传动杆移动，从而传动杆拉动切断片向上移动，切断片的片头从安装孔底端伸出，开始对煤心底部切割；

（5）切割完成后，缓慢提起动力钻杆，内钻杆跟随向上提起，触动块离开取芯煤层，在扭簧的作用下，封堵板回落至最初位置；

（6）继续向上将内钻杆向上提起一定高度，充气推杆逐渐离开取芯煤层，活塞向下移动并将气囊中的气体收回至气箱；

（7）将本装置完全提出到地面后，首先打开气孔帽，将内钻杆和外钻杆之间的空腔内的全部气体抽出到地面容器内，接着对地面容器内的气体进行分析；

（8）打开本装置，将内钻杆内的煤心取出，结束煤层取芯工作。