CN106761513B - 一种绳索打捞式保压取心钻具 - Google Patents
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Abstract
一种绳索打捞式保压取心钻具，属于钻井设备技术领域，它包括外管总成、中管总成和内管总成；所述外管总成上端设有上接头，下端设有钻头，在外管总成内腔中套装中管总成；所述中管总成通过中管定位弹卡组件实现中管总成的轴向定位，在中管总成上端设有捞矛头，下端设置板阀组件，所述板阀组件由翻板阀和翻板阀座组成，所述翻板阀通过销轴铰接在翻板阀座侧壁上，翻板阀通过圆柱面与翻板阀座内腔配合，并在所述圆柱面上设置密封圈；所述内管总成套装在中管总成空腔中，内管总成通过内管定位机构实现轴向定位，在内管总成下端设有取样管。本发明不仅增强了岩心取样钻具的保压性能，还可以通过绳索打捞取样工艺有效地提高钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种取心钻具，尤其是一种适用于海洋天然气水合物地层保压原位取心的钻具，属于钻井设备技术领域。
背景技术
天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源，它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃冰”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被普遍认为将是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一，也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源。在我国广阔管辖海域、专属经济区及冻土地区有着巨大的水合物资源开发前景。
为了获取有效的天然气水合物岩心，这就要求取样钻具能够保持原位的压力和温度。现有的水合物取样钻具大多以板阀或球阀等机械结构的闭合实现保压性能，但由于在取样过程中经常会受到岩屑等杂物的干扰，造成板阀或球阀关闭不严或无法关闭，难以取得良好的保压效果。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题提出了一种新的钻具结构，它可通过绳索打捞方式来获取岩样，旨在增强岩心取样钻具的保压性能，提高钻井工作效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种绳索打捞式保压取心钻具，包括外管总成、中管总成和内管总成；所述外管总成上端设有连接钻杆的上接头，下端设有钻头，在外管总成内腔中套装中管总成；所述中管总成设有中管定位弹卡组件，通过中管定位弹卡组件实现中管总成的轴向定位，在中管总成上端设有与绳索打捞器配合的捞矛头，下端设置与内管总成配合的板阀组件，所述板阀组件由翻板阀和翻板阀座组成，所述翻板阀通过销轴铰接在翻板阀座侧壁上，翻板阀通过圆柱面与翻板阀座内腔配合，并在所述圆柱面上设置密封圈；所述内管总成套装在中管总成空腔中，在内管总成中设置内管定位机构，内管总成通过内管定位机构实现轴向定位，在内管总成下端设有用于采集海洋天然气水合物样品的取样管。
上述绳索打捞式保压取心钻具，所述外管总成还设有弹卡挡头、第一连接管、座环、上扩孔器、第二连接管、扶正环和下扩孔器；所述上接头、第一连接管、上扩孔器、第二连接管、下扩孔器和钻头从上至下依次通过螺纹连接起来；所述弹卡挡头嵌入上接头内腔，并通过上接头和第一连接管的螺纹连接结构压紧，中管总成的中管定位弹卡组件与弹卡挡头配装；所述座环嵌入上扩孔器内腔，并通过第一连接管和上扩孔器的螺纹连接结构压紧；所述扶正环嵌入下扩孔器内腔，并通过第二连接管和下扩孔器的螺纹连接结构压紧。
上述绳索打捞式保压取心钻具，所述中管总成还设有定位块、捞矛座、回收管、中管弹卡架、悬挂环接头、悬挂环、密封接头和保压管；所述定位块布置在捞矛头内腔中，用于定位捞矛头与捞矛座的相对位置；所述捞矛头通过第一弹性销和捞矛座连接；所述捞矛座通过第二弹性销和回收管连接；所述回收管通过第三弹性销、第四弹性销与中管定位弹卡组件连接，在回收管侧壁上设有第三弹性销滑槽和中管定位弹卡滑槽，所述第三弹性销穿入第三弹性销滑槽中，所述中管定位弹卡组件与中管弹卡架配装，中管定位弹卡组件的弹卡穿入回收管的中管定位弹卡滑槽中，所述中管弹卡架、悬挂环接头、密封接头、保压管、翻板阀座从上至下依次螺纹连接；所述悬挂环套装在悬挂环接头外面，并通过悬挂环接头和密封接头的螺纹连接结构压紧，在钻进过程中，通过悬挂环与外管总成中座环的配合实现中管总成辅助轴向定位。
上述绳索打捞式保压取心钻具，在所述中管弹卡架上设置第四弹性销滑槽和弹卡室，所述第四弹性销穿入第四弹性销滑槽中，所述内管定位机构配装在弹卡室中。
上述绳索打捞式保压取心钻具，在所述中管总成的翻板阀座内腔中设置与内管总成取样管配合的内密封圈。
上述绳索打捞式保压取心钻具，所述中管总成的保压管与密封接头、翻板阀座螺纹连接处设置保压密封圈。
上述绳索打捞式保压取心钻具，所述内管定位机构由内管弹卡组件和内管弹卡架组成，所述内管弹卡组件与内管弹卡架配装，并通过第四弹性销将内管弹卡组件、内管弹卡架和中管总成的回收管连接起来。
上述绳索打捞式保压取心钻具，所述内管总成还设有单动机构；所述单动机构包括推力轴承、心轴和单动管，所述心轴上端与内管弹卡架螺纹连接，在心轴和单动管之间安装推力轴承。
上述绳索打捞式保压取心钻具，所述内管总成还设有脱钩机构，所述脱钩机构包括打捞钩座、打捞钩和打捞矛头；所述打捞钩座和单动管螺纹连接，在打捞钩座上设置两道打捞钩座密封圈；所述打捞钩布置在打捞钩座中，通过打捞钩与打捞钩座的配合将打捞矛头夹紧或松开；所述打捞矛头下端为配装在取样管中的活塞结构，打捞矛头可在取样管内腔中上下运动。
本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：
本发明为一种绳索打捞式保压取心钻具，其工作过程主要包括正常钻进和保压取心两个步骤，由于本发明在中管总成下端设置了与内管总成配合的板阀组件，该板阀组件的翻板阀通过销轴铰接在翻板阀座侧壁上，在保压取心步骤中，当上提内管总成的取样管至板阀组件上方后，翻板阀会在自身重力作用下绕销轴转动，翻板阀闭合形成保压腔的下密封端，继续拉动取样管向上运动，使打捞钩座上的两道打捞钩座密封圈运动到密封接头的中心孔内，形成保压腔的上密封端，由此实现了保压腔上下两端的密封，起到对岩心样品的保压作用；本发明还将翻板阀与翻板阀座内腔的配合面设计为圆柱面结构，并在该圆柱面上设置密封圈，进一步保证了翻板阀闭合后保压腔内良好的密封效果；本发明还在内管总成中设置了脱钩机构，当取样管被上提至一定高度后，通过脱钩机构将打捞矛头松开，取样管作自由落体运动，通过取样管给翻板阀施加一定的冲击力，确保了翻板阀可靠密封。经过试验证明，本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具最大保压压力可达25Mpa，能够在水深不大于2500m的海域进行天然气水合物原位取样作业，由此可见，本发明不仅增强了岩心取样钻具的保压性能，同时还配合绳索打捞方式获取岩样，避免了提钻取样的繁琐操作，有效地提高了钻井效率。
附图说明
图1是本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具结构示意图；
图2是外管总成结构示意图；
图3是中管总成结构示意图；
图4是图3的A处结构放大图；
图5是回收管结构示意图；
图6是中管定位弹卡组件、中管弹卡架结构及装配关系示意图；
图7是内管总成结构示意图；
图8是绳索打捞式保压取心钻具处于钻进工作状态示意图；
图9是图8中B处结构放大图；
图10是绳索打捞式保压取心钻具处于保压取心工作状态示意图。
图中各标号表示为：
1、外管总成，1-1、上接头，1-2、弹卡挡头，1-3、第一连接管，1-4、座环，1-5、上扩孔器，1-6、第二连接管，1-7、扶正环，1-8、下扩孔器，1-9、钻头；
2、中管总成，2-1、捞矛头，2-2、定位块，2-3、捞矛座，2-4、回收管，2-4-1、第三弹性销滑槽，2-4-2、中管定位管滑槽，2-5、中管定位弹卡，2-6、中管弹卡架，2-6-1、第四弹性销滑槽，2-6-2、弹卡室，2-7、悬挂环接头，2-8、悬挂环，2-9、密封接头，2-10、保压管，2-11、翻板阀，2-11-1、销轴，2-11-2、密封圈，2-12、翻板阀座，2-13、第一弹性销，2-14、第二弹性销，2-15、第三弹性销，2-16、第四弹性销，2-17、保压密封圈，2-18、内密封圈；
3、内管总成，3-1、内管弹卡组件，3-2、内管弹卡架，3-3、推力轴承，3-4、心轴，3-5、单动管，3-6、打捞钩座，3-6-1、打捞钩座密封圈，3-7、打捞钩，3-8、打捞矛头，3-9、取样管。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
参看图1，本发明提供一种绳索打捞式保压取心钻具，它包括外管总成1、中管总成2和内管总成3；在所述外管总成1的内腔中套装中管总成2，在所述中管总成2内腔中套装内管总成3。
参看图2，在本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具中，所述外管总成1包括上接头1-1、弹卡挡头1-2、第一连接管1-3、座环1-4、上扩孔器1-5、第二连接管1-6、扶正环1-7、下扩孔器1-8和钻头1-9；其中上接头1-1、第一连接管1-3、上扩孔器1-5、第二连接管1-6、下扩孔器1-8和钻头1-9顺次通过螺纹连接起来；弹卡挡头1-2嵌入上接头1-1内腔，并通过上接头1-1和第一连接管1-3的螺纹连接结构压紧；座环1-4嵌入上扩孔器1-5内腔，并通过第一连接管1-3和上扩孔器1-5的螺纹连接结构压紧；扶正环1-7嵌入下扩孔器1-8内腔，并通过第二连接管1-6和下扩孔器1-8的螺纹连接结构压紧。
参看图3、图4，在本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具中，所述中管总成2包括捞矛头2-1、定位块2-2、捞矛座2-3、回收管2-4、中管定位弹卡组件2-5、中管弹卡架2-6、悬挂环接头2-7、悬挂环2-8、密封接头2-9、保压管2-10、翻板阀2-11和翻板阀座2-12；其中捞矛头2-1和捞矛座2-3通过第一弹性销2-13连接在一起，捞矛座2-3和回收管2-4通过第二弹性销2-14连接起来；中管弹卡架2-6、悬挂环接头2-7、密封接头2-9、保压管2-10、翻板阀座2-12从上至下依次螺纹连接，在保压管2-10与密封接头2-9、翻板阀座2-12螺纹连接处设置保压密封圈2-17；悬挂环2-8套装在悬挂环接头2-7外面，并通过悬挂环接头2-7和密封接头2-9的螺纹连接结构压紧；由翻板阀2-11和翻板阀座2-12组成板阀组件，翻板阀2-11通过销轴2-11-1铰接在翻板阀座2-12的侧壁上，翻板阀2-11通过圆柱面与翻板阀座内腔配合，并在该圆柱面上设置密封圈2-11-2，在翻板阀座2-12内腔中设置与内管总成3配合的内密封圈2-18。
参看图3、图5，本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具，所述回收管2-4通过第三弹性销2-15、第四弹性销2-16与中管定位弹卡组件2-5连接，在回收管2-4侧壁上设有第三弹性销滑槽2-4-1和中管定位弹卡滑槽2-4-2，所述第三弹性销2-14穿入第三弹性销滑槽2-4-1中，所述中管定位弹卡组件2-5与中管弹卡架2-6配装，中管定位弹卡组件2-5的弹卡穿入回收管2-4的中管定位弹卡滑槽2-4-2中。
参看图3、图6，本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具，在中管弹卡架2-6上设置第四弹性销滑槽2-6-1和弹卡室2-6-2，所述第四弹性销2-16穿入第四弹性销滑槽2-6-1中。
参看图7，本发明所述的绳索打捞式保压取心钻具，内管总成3包括内管定位机构、单动机构、脱钩机构和取心管3-9。其中内管定位机构由内管弹卡组件3-1和内管弹卡架3-2组成，内管弹卡组件3-1穿入内管弹卡架3-2中，并通过第四弹性销2-16将回收管2-4、内管弹卡组件3-1和内管弹卡架3-2连接起来；单动机构包括推力轴承3-3、心轴3-4和单动管3-5，心轴3-4通过螺纹与内管弹卡架3-2连接起来，推力轴承3-3将心轴3-4和单动管3-5连接在一起；脱钩机构包括打捞钩座3-6、打捞钩3-7和打捞矛头3-8；所述打捞钩座3-6和单动管3-5螺纹连接；所述打捞钩3-7布置在打捞钩座3-6中，通过打捞钩3-7与打捞钩座3-6的配合将打捞矛头3-8夹紧或松开；所述打捞矛头3-8下端为配装在取样管3-9中的活塞结构，打捞矛头3-8可在取样管3-9内腔中上下运动。
本发明所述绳索打捞式保压取心钻具的工作过程主要包括正常钻进和保压取心两个步骤。
参看图8、图9，本发明所述绳索打捞式保压取心钻具在正常钻进步骤中，钻具通过三个位置进行轴向定位：一、中管定位弹卡组件2-5的弹卡张开卡在外管弹卡挡头1-2内；二、内管弹卡组件3-1的弹卡张开卡在中管弹卡架2-6的弹卡室2-6-2中；三、中管总成2中悬挂环2-8悬挂在外管总成1的座环1-4上。此时取样管3-9超前钻头1-9约500mm，可避免钻井液对岩样的冲刷；翻板阀2-11竖立起来，使取样管3-9顺利从翻板阀座2-12的空腔通过；翻板阀座2-12的下端的外花键与钻头1-9的内花键配合，由外管总成1带动内管总成3和中管总成2转动；取样管3-9上端面与打捞钩座3-6的下端面接触，打捞矛头3-8卡在打捞钩3-7下端的钩子内。由此确保了取样钻具的定位和转动，使岩心顺利进入取样管3-9内。
参看图10，本发明所述绳索打捞式保压取心钻具在保压取心步骤中，通过外管总成1内腔形成的中心通道将打捞器下放到取样钻具的上方，并用打捞器抓住捞矛头2-1，向上拉动打捞器，顺次带动定位块2-2、捞矛座2-3、回收管2-4向上运动，使得第四弹性销2-16也向上运动，带动内管弹卡组件3-1的弹卡收回解卡。待内管弹卡组件3-1解卡后，打捞器继续向上拉动捞矛头2-1，此时回收管2-4沿着中管弹卡架2-6向上滑动，其中中管定位弹卡组件2-5可以在回收管2-4的中管定位弹卡滑槽2-4-2中滑动，第三弹性销2-15可以在第三弹性销滑槽2-4-1中滑动，第四弹性销2-16可以在中管弹卡架2-6的第四弹性销滑槽2-6-1中滑动，回收管2-4通过第四弹性销2-16带动内管弹卡架3-2、内管弹卡组件3-1、推力轴承3-3、心轴3-4、单动管3-5、打捞钩座3-6、打捞钩3-7、打捞矛头3-8和取样管3-9一起向上运动，在此过程中，翻板阀座2-12内腔中的内密封圈2-18与取心管3-9外壁密贴形成刮泥器。当取样管3-9回收到翻板阀2-11的上方时，翻板阀2-11在重力作用下自动关闭，与翻板阀座2-12配合形成保压腔的下密封端。打捞器继续拉动取样管3-9向上运动，直到第三弹性销2-15滑动到第三弹性销滑槽2-4-1的最下端，带动中管定位弹卡组件2-5的弹卡收回，此时就可以顺利将中管总成2和内管总成3从外管总成1的内腔中打捞出来了；同时第四弹性销2-16滑动到第四弹性销滑槽2-6-1的最上端，打捞钩座3-6上的两道打捞钩座密封圈3-6-1运动到密封接头2-9的中心孔内，与之形成保压腔的上密封端，由此确保了保压腔内岩心样品与其原位压力的一致性；此时打捞钩3-7的上端触碰到密封接头的内台阶而收缩，其下端张开，将打捞矛头3-8释放，随之与取样管3-9一起自由下落，冲击到翻板阀2-11上并将其压紧。
Claims (8)
1.一种绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：所述绳索打捞式保压取心钻具包括外管总成(1)、中管总成(2)和内管总成(3)；所述外管总成(1)上端设有连接钻杆的上接头(1-1)，下端设有钻头(1-9)，在外管总成内腔中套装中管总成(2)；所述中管总成(2)设有中管定位弹卡组件(2-5)，通过中管定位弹卡组件(2-5)实现中管总成的轴向定位，在中管总成(2)上端设有与绳索打捞器配合的捞矛头(2-1)，下端设置与内管总成配合的板阀组件，所述板阀组件由翻板阀(2-11)和翻板阀座(2-12)组成，所述翻板阀(2-11)通过销轴(2-11-1)铰接在翻板阀座(2-12)侧壁上，翻板阀(2-11)通过圆柱面与翻板阀座内腔配合，并在所述圆柱面上设置密封圈(2-11-2)；所述内管总成(3)套装在中管总成(2)空腔中，在内管总成(3)中设置内管定位机构，内管总成通过内管定位机构实现轴向定位，在内管总成下端设有用于采集海洋天然气水合物样本的取样管(3-9)；
所述中管总成(2)还设有定位块(2-2)、捞矛座(2-3)、回收管(2-4)、中管弹卡架(2-6)、悬挂环接头(2-7)、悬挂环(2-8)、密封接头(2-9)和保压管(2-10)；所述定位块(2-2)布置在捞矛头(2-1)内腔中，用于定位捞矛头(2-1)与捞矛座(2-3)的相对位置；所述捞矛头(2-1)通过第一弹性销(2-13)和捞矛座(2-3)连接；所述捞矛座(2-3)通过第二弹性销(2-14)和回收管(2-4)连接；所述回收管(2-4)通过第三弹性销(2-15)、第四弹性销(2-16)与中管定位弹卡组件(2-5)连接，在回收管(2-4)侧壁上设有第三弹性销滑槽(2-4-1)和中管定位弹卡滑槽(2-4-2)，所述第三弹性销(2-15)穿入第三弹性销滑槽(2-4-1)中，所述中管定位弹卡组件(2-5)与中管弹卡架(2-6)配装，中管定位弹卡组件(2-5)的弹卡穿入回收管(2-4)的中管定位弹卡滑槽(2-4-2)中，所述中管弹卡架(2-6)、悬挂环接头(2-7)、密封接头(2-9)、保压管(2-10)、翻板阀座(2-12)从上至下依次螺纹连接；所述悬挂环(2-8)套装在悬挂环接头(2-7)外面，并通过悬挂环接头(2-7)和密封接头(2-9)的螺纹连接结构压紧，在钻进过程中，通过悬挂环(2-8)与外管总成(1)中座环(1-4)的配合实现中管总成(2)的辅助轴向定位。
2.根据权利要求1所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：所述外管总成(1)还设有弹卡挡头(1-2)、第一连接管(1-3)、座环(1-4)、上扩孔器(1-5)、第二连接管(1-6)、扶正环(1-7)和下扩孔器(1-8)；所述上接头(1-1)、第一连接管(1-3)、上扩孔器(1-5)、第二连接管(1-6)、下扩孔器(1-8)和钻头(1-9)从上至下依次通过螺纹连接起来；所述弹卡挡头(1-2)嵌入上接头(1-1)内腔，并通过上接头(1-1)和第一连接管(1-3)的螺纹连接结构压紧，中管总成(2)的中管定位弹卡组件(2-5)与弹卡挡头(1-2)配装；所述座环(1-4)嵌入上扩孔器(1-5)内腔，并通过第一连接管(1-3)和上扩孔器(1-5)的螺纹连接结构压紧；所述扶正环(1-7)嵌入下扩孔器(1-8)内腔，并通过第二连接管(1-6)和下扩孔器(1-8)的螺纹连接结构压紧。
3.根据权利要求2所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：在所述中管弹卡架(2-6)上设置第四弹性销滑槽(2-6-1)和弹卡室(2-6-2)，所述第四弹性销(2-16)穿入第四弹性销滑槽(2-6-1)中，所述内管定位机构配装在弹卡室(2-6-2)中。
4.根据权利要求3所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：在所述中管总成(2)的翻板阀座(2-12)内腔中设置与内管总成(3)取样管(3-9)配合的内密封圈(2-18)。
5.根据权利要求4所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：在所述中管总成(2)的保压管(2-10)与密封接头(2-9)、翻板阀座(2-12)螺纹连接处设置保压密封圈(2-17)。
6.根据权利要求3或4或5所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：所述内管定位机构由内管弹卡组件(3-1)和内管弹卡架(3-2)组成，所述内管弹卡组件(3-1)与内管弹卡架(3-2)配装，并通过第四弹性销(2-16)将内管弹卡组件(3-1)、内管弹卡架(3-2)和中管总成(2)的回收管(2-4)连接起来。
7.根据权利要求6所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：所述内管总成(3)还设有单动机构；所述单动机构包括推力轴承(3-3)、心轴(3-4)和单动管(3-5)，所述心轴(3-4)上端与内管弹卡架(3-2)螺纹连接，在心轴(3-4)和单动管(3-5)之间安装推力轴承(3-3)。
8.根据权利要求7所述的绳索打捞式保压取心钻具，其特征在于：所述内管总成(3)还设有脱钩机构，所述脱钩机构包括打捞钩座(3-6)、打捞钩(3-7)和打捞矛头(3-8)；所述打捞钩座(3-6)和单动管(3-5)螺纹连接，在打捞钩座(3-6)上设置两道打捞钩座密封圈(3-6-1)；所述打捞钩(3-7)布置在打捞钩座(3-6)中，通过打捞钩(3-7)与打捞钩座(3-6)的配合将打捞矛头(3-8)夹紧或松开；所述打捞矛头(3-8)下端为配装在取样管(3-9)中的活塞结构，打捞矛头(3-8)可在取样管(3-9)内腔中上下运动。
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