CN107956443A - 自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器，是由打捞机构、弹卡定位机构、到位报信机构、岩心堵塞报警机构、单动保护机构、调节机构、保压密封取样管和岩心卡断密封机构组成，并依次通过螺纹连接在一起，该取样器既可用于小口径绳索取心施工，通过加快投放和提取的速度，提高取样的效率；又可用于大直径提钻取心工艺，便于在实际中应用，可获取大直径岩心，扩大了应用范围和取心能力；本发明具有保压密封功能，便于操作，成功率高，同时能把岩心管内原先存在的气体排出，减少对页岩气成分的干扰，取心完成后，岩心封闭部分在分析检测阶段拆装移动方便，便于后期的分析测试。

Description

自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器
技术领域
本发明涉及页岩气及岩心勘探密闭取样技术领域，特别涉及一种自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器。
背景技术
页岩气是从页岩层或泥岩层中开采出的天然气，是一种储量巨大、清洁、环保的赋存于页岩中的非常规天然气。钻探取心技术是页岩气开采前期勘探评测阶段中的核心技术之一，对指导后续的工作具有极其重大的意义。常规取心技术会使岩心在提取过程中受到钻井液的侵蚀污染，导致岩心中游离气的成分、含量发生改变。目前，密闭取心技术、保压密闭取心技术和孔底冷冻保压密闭取样技术是使用相对较为广泛的取心技术，它们可以尽量保持孔底岩心赋存的状态，保持岩心提取过程中环境的相对稳定，更可能接近岩心在孔底的原位状态；
但它们都具有各自的缺点，难以满足我国在页岩气开采方面的发展需要。密闭取心时，一般采用的是密封液，成本相对较高，而且岩心容易受到流动的钻井液的侵蚀，从而造成污染；保压密闭取心则更多的是依靠球阀完成密封，可靠性有所提升，但是整套机构复杂，有多处易损件容易造成密封失效，成功率依然不高，现有密闭取心和保压密闭取心技术多采用提钻取心，使得回次钻进效率很低，而且容易造成孔内事故。孔底冷冻保压密闭取心技术主要包括液氮冷冻取心和干冰升华式取心，液氮冷冻取心时，由于液氮置于孔底钻具内，在钻进过程中由于液氮易汽化加上机械振动加速了液氮的汽化，导致液氮的冷冻效率降低；干冰升华式取心时，如果冷冻岩心的温度不足够低，那么水合物岩心也会有少量的分解，影响水合物岩心的保真效果。并且这两种取心装置结构复杂，容易产生损坏，效率不高，因此，开发新型的取心技术，设计新型的取心器，是目前一项亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有密闭取心和保压密闭取心技术多采用提钻取心，使得回次钻进效率很低，而且容易造成孔内事故，密闭取心时，成本较高，岩心容易侵蚀，从而造成污染；保压密闭取心整套机构复杂，容易造成密封失效，成功率低；冷冻取心技术结构复杂，效率低等问题，而提供一种自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器。
自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器，是由是由打捞机构、弹卡定位机构、到位报信机构、岩心堵塞报警机构、单动保护机构、调节机构、保压密封取样管和岩心卡断密封机构组成，打捞机构、弹卡定位机构、到位报信机构、岩心堵塞报警机构、单动保护机构、调节机构、保压密封取样管和岩心卡断密封机构依次螺纹连接在一起。
打捞机构包括捞矛头、回收管帽、第一弹性圆柱销、复位弹簧、捞矛座和回收管，第一弹性圆柱销穿过捞矛头、回收管帽和捞矛座，将捞矛头铰接在捞矛座上，回收管帽下端和回收管上端螺纹连接，复位弹簧放置于捞矛座上，上部接触回收管帽下部，回收管帽下部、复位弹簧和捞矛座都位于回收管内部。
弹卡定位机构包括回收管、弹卡涨簧、弹卡钳、第二弹性圆柱销、第三弹性圆柱销、弹卡座、第四弹性圆柱销和弹卡架，弹卡涨簧两个支脚分别安装在弹卡钳两翼的凹槽中，将弹卡钳撑开，弹卡钳、弹卡座和弹卡架设置在回收管内，并依次由第二弹性圆柱销连接起来，弹卡座上端与回收管间隙配合，第三弹性圆柱销将弹卡钳和弹卡架铰接在一起，弹卡座和弹卡架则通过第四弹性圆柱销铰接在一起。
到位报信机构包括弹卡架、报信阀帽、报信阀座、报信弹簧、报信阀外管、第一O型密封圈、第二O型密封圈报、报信环和报信阀下接头，报信阀外管与上部弹卡架螺纹连接，报信阀帽设置在报信弹簧上端，报信弹簧位于报信阀座上，报信阀外管中间通道内设有台阶，报信阀帽，报信弹簧和报信阀座从上到下依次位于报信阀外管中间通道的台阶上，第一O型密封圈和第二O型密封圈置于报信阀外管下部的凹槽内，报信环套在报信阀外管的下部，下接报信阀下接头，报信阀下接头与报信阀外管螺纹连接。
岩心堵塞报警机构包括报信阀下接头、第五弹性圆柱销、单动轴、叠簧、滑套和滑套座，报信阀下接头下部和单动轴上部过渡配合，并通过第五弹性圆柱销铰接连接，滑套上部与报信阀下接头过渡配合，下部与滑套座螺纹连接，叠簧位于滑套和单动轴之间的环空中，上部接触单动轴上部，下部接触滑套座；
单动保护机构包括单动轴、第一止推轴承、上轴承套、铜套、第二止推轴承、下轴承套、弹簧、垫圈和螺母，铜套装于上轴承套内部，二者过渡配合，第一止推轴承，上轴承套，第二止推轴承，弹簧，垫圈和螺母从上到下依次穿在单动轴上，螺母与单动轴尾部螺纹连接，下轴承套上部与上轴承套底部螺纹连接；
调节机构包括调节上接头、锁紧螺母和调节下接头，调节上接头上部与下轴承套下部螺纹连接，下部依次与锁紧螺母，调节下接头螺纹连接，调节下接头与半合管上部螺纹连接；
保压密封取样管包括卡箍、卡瓦、半合管、固定开关、圆柱销和弹片，半合管上部与调节下接头下部螺纹连接，下部与卡簧座螺纹连接，半合管上设有孔槽，圆柱销位于半合管的孔槽内，弹片安装在圆柱销上，固定开关安装于弹片正上方的孔槽中；
岩心卡断密封机构包括螺母、密封帽、橡胶垫、单向溢流阀、密封膜、密封接头、卡簧座、橡胶密封圈、卡簧挡圈和卡簧，螺母将橡胶垫安装在密封帽顶部，与密封帽螺纹连接，密封膜下部镶在密封接头上，上部镶在密封帽上，位于半合管下部的储存槽内，密封帽内部左右各设有一个单向溢流阀，密封接头螺纹连接于卡簧座上部内侧，密封帽，密封膜和密封接头都位于半合管内，卡簧座上部外侧螺纹连接于半合管，橡胶密封圈，卡簧挡圈和卡簧从上至下依次位于卡簧座内。
本发明的工作原理和过程：
根据目标页岩气层分布范围进行钻孔(井)结构设计，并依据孔(井)径及施工设备情况，选择适合尺寸的自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器及取心方式(绳索取心和提钻取心)，该取样器的尺寸规格外直径分别为89mm、114mm、131mm和140mm。提钻取心只需要将保压密封取样管7和岩心卡断密封机构8替代常规的单动双管钻具的内岩心管和卡簧即可；
保压密封取样器使用前先用卡瓦72和卡箍71将半合管73组装好，将固定开关74扳下，挡住弹片76的外侧，钻进新的回次前向钻杆内投入完整的取样器，然后开泥浆泵施加泵压，取样器在下落过程中，钻井液充满卡簧座86，密封帽81在钻井液的作用力下上行，碰到弹片76后停止，后再弹片76的作用下维持相对位置不动，由于钻井液的下行压力，单向溢流阀83打开，钻井液通过单向溢流阀83，后经半合管73上部的开孔流出，排出密封机构内原有的气体；
保压密封取样器到达孔底后，报信环37落在外管的承座环上，封堵住了泥浆下行的通道，钻杆内取样器上端27钻井液压力逐渐增大，报信阀帽32在压力差的作用下克服报信弹簧34阻力下行，下行一段距离后，钻井液可通过报信阀帽32两侧的开孔30进入报信阀座33中间，经报信阀外管35，从报信阀下接头39的开孔40进入钻杆内，钻井液流动通道被打开，使得瞬间井内压力降低、泥浆泵示数变小，从而完成到位报信工作；
在钻进过程中，单动轴42、第一止推轴承51、上轴承套52、铜套53、第二止推轴承54、下轴承套55、弹簧56、垫圈57和螺母58构成了单动系统，可以使单动轴42以上的部分随钻杆回转，上轴承套52及以下部分则随岩心不动，拉断岩心时，压缩弹簧56，内管及卡簧座86下移至钻头内台阶上，从而拉断岩心的力由钻头传至外管，保护内管不受损坏；
钻进取心时，岩心进入卡簧座86内，穿过橡胶密封圈87，进入密封膜84内，当岩心碰到密封帽81后，在岩心的上行力作用下，密封帽81将弹片76顶开折起，之后岩心继续顶着密封帽81上行，当岩心充满半合管73，密封帽81碰到调节上接头61，作用力向上传递，压缩叠簧43，滑套44上行，封堵钻井液下行通道40，钻杆内钻井液压力升高，地表泥浆泵示数升高，完成岩心堵塞报警，这时上提钻具，卡簧89将岩心卡断，下部橡胶密封圈87将岩心下部密封，完成孔底取心，进行绳索取心打捞工作，取样器提至地表后，在分析检测阶段，上扳固定开关74，解放弹片76，卸下卡箍71、卡瓦72，打开半合管73，即可获得封闭岩心部分。
本发明的有益效果：
本发明结构合理，安装、拆卸方便，成本相对较低，密封功能的实现便于操作，成功率高，同时能把密封装置内原先存在的气体排出，减少对页岩气成分的干扰，采用绳索取心的方式，取样器投放过程中，保压密封取样管内有钻井液流动的通道，到位后通过报信机构通知操作人员，可加快投放过程，取心完成后，岩心堵塞报警提示工作人员取心完成，提高工作效率，提至地表后岩心封闭部分在分析检测阶段拆装移动方便，便于下一步动作。
附图说明
图1是本发明的剖视图。
图2是本发明第一段的剖视图。
图3是本发明第二段的剖视图。
图4是本发明第三段的剖视图。
图5是本发明第四段的剖视图。
图6是本发明第五段的剖视图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器，是由打捞机构1、弹卡定位机构2、到位报信机构3、岩心堵塞报警机构4、单动保护机构5、调节机构6、保压密封取样管7和岩心卡断密封机构8组成，打捞机构1、弹卡定位机构2、到位报信机构3、岩心堵塞报警机构4、单动保护机构5、调节机构6、保压密封取样管7和岩心卡断密封机构8依次螺纹连接在一起；
打捞机构1包括捞矛头11、回收管帽12、第一弹性圆柱销13、复位弹簧14、捞矛座15和回收管16，第一弹性圆柱销13穿过捞矛头11、回收管帽12和捞矛座15，将捞矛头11铰接在捞矛座15上，回收管帽12下端和回收管16上端螺纹连接，复位弹簧14放置于捞矛座15上，上部接触回收管帽12下部，回收管帽12下部、复位弹簧14和捞矛座15都位于回收管16内部；
弹卡定位机构2包括回收管16、弹卡涨簧21、弹卡钳22、第二弹性圆柱销23、第三弹性圆柱销24、弹卡座25、第四弹性圆柱销26和弹卡架31，弹卡涨簧21两个支脚分别安装在弹卡钳22两翼的凹槽中，将弹卡钳22撑开，弹卡钳22、弹卡座25和弹卡架31设置在回收管16内，并依次由第二弹性圆柱销23连接起来，弹卡座25上端与回收管16间隙配合，第三弹性圆柱销24将弹卡钳22和弹卡架31铰接在一起，弹卡座25和弹卡架31则通过第四弹性圆柱销26铰接在一起；
到位报信机构3包括弹卡架31，报信阀帽32，报信阀座33，报信弹簧34，报信阀外管35，第一O型密封圈36，第二O型密封圈38，报信环37和报信阀下接头39，报信阀外管35与上部弹卡架31螺纹连接，报信阀帽32设置在报信弹簧34上端，报信弹簧34位于报信阀座33上，报信阀外管35中间通道内设有台阶，报信阀帽32，报信弹簧34和报信阀座33从上到下依次位于报信阀外管35中间通道的台阶上，第一O型密封圈36和第二O型密封圈38置于报信阀外管35下部的凹槽内，报信环37套在报信阀外管35的下部，下接报信阀下接头39，报信阀下接头39与报信阀外管35螺纹连接；
岩心堵塞报警机构4包括报信阀下接头39、第五弹性圆柱销41、单动轴42、叠簧43、滑套44和滑套座45，报信阀下接头39下部和单动轴42上部过渡配合，并通过第五弹性圆柱销41铰接连接，滑套44上部与报信阀下接头39过渡配合，下部与滑套座45螺纹连接，叠簧43位于滑套44和单动轴42之间的环空中，上部接触单动轴42上部，下部接触滑套座45；
单动保护机构5包括单动轴42、第一止推轴承51、上轴承套52、铜套53、第二止推轴承54、下轴承套55、弹簧56、垫圈57和螺母58，铜套53装于上轴承套52内部，二者过渡配合，第一止推轴承51，上轴承套52，第二止推轴承54，弹簧56，垫圈57和螺母58从上到下依次穿在单动轴上，螺母58与单动轴42尾部螺纹连接，下轴承套55上部与上轴承套52底部螺纹连接；
调节机构6包括调节上接头61、锁紧螺母62和调节下接头63，调节上接头61上部与下轴承套55下部螺纹连接，下部依次与锁紧螺母62，调节下接头63螺纹连接，调节下接头63与半合管73上部螺纹连接；
保压密封取样管7包括卡箍71、卡瓦72、半合管73、固定开关74、圆柱销75和弹片76，半合管73上部与调节下接头63下部螺纹连接，下部与卡簧座螺纹连接，半合管73上设有孔槽，圆柱销75位于半合管73的孔槽内，弹片76安装在圆柱销75上，固定开关74安装于弹片76正上方的孔槽中；
岩心卡断密封机构8包括螺母80、密封帽81、橡胶垫82、单向溢流阀83、密封膜84、密封接头85、卡簧座86、橡胶密封圈87、卡簧挡圈88和卡簧89，螺母80将橡胶垫82安装在密封帽81顶部，与密封帽81螺纹连接，密封膜84下部镶在密封接头85上，上部镶在密封帽81上，位于半合管73下部的储存槽78内；
密封帽81内部左右各设有一个单向溢流阀83，密封接头85螺纹连接于卡簧座86上部内侧，密封帽81，密封膜84和密封接头85都位于半合管73内，卡簧座86上部外侧螺纹连接于半合管73，橡胶密封圈87，卡簧挡圈88和卡簧89从上至下依次位于卡簧座86内。
本发明的工作原理和过程：
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，根据目标页岩气层分布范围进行钻孔(井)结构设计，并依据孔(井)径及施工设备情况，选择适合尺寸的自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器及取心方式(绳索取心和提钻取心)，该取样器的尺寸规格外直径分别为89mm、114mm、131mm和140mm，提钻取心只需要将保压密封取样管7和岩心卡断密封机构8替代常规的单动双管钻具的内岩心管和卡簧即可；
保压密封取样器使用前先用卡瓦72和卡箍71将半合管73组装好，将固定开关74扳下，挡住弹片76的外侧，钻进新的回次前向钻杆内投入完整的取样器，然后开泥浆泵施加泵压，取样器在下落过程中，钻井液充满卡簧座86，密封帽81在钻井液的作用力下上行，碰到弹片76后停止，后再弹片76的作用下维持相对位置不动，由于钻井液的下行压力，单向溢流阀83打开，钻井液通过单向溢流阀83，后经半合管73上部的开孔流出，排出密封机构内原有的气体；
保压密封取样器到达孔底后，报信环37落在外管的承座环上，封堵住了泥浆下行的通道，钻杆内取样器上端27钻井液压力逐渐增大，报信阀帽32在压力差的作用下克服报信弹簧34阻力下行，下行一段距离后，钻井液可通过报信阀帽32两侧的开孔30进入报信阀座33中间，经报信阀外管35，从报信阀下接头39的开孔40进入钻杆内，钻井液流动通道被打开，使得瞬间井内压力降低、泥浆泵示数变小，从而完成到位报信工作；
在钻进过程中，单动轴42、第一止推轴承51、上轴承套52、铜套53、第二止推轴承54、下轴承套55、弹簧56、垫圈57和螺母58构成了单动系统，可以使单动轴42以上的部分随钻杆回转，上轴承套52及以下部分则随岩心不动，拉断岩心时，压缩弹簧56，内管及卡簧座86下移至钻头内台阶上，从而拉断岩心的力由钻头传至外管，保护内管不受损坏；
钻进取心时，岩心进入卡簧座86内，穿过橡胶密封圈87，进入密封膜84内，当岩心碰到密封帽81后，在岩心的上行力作用下，密封帽81将弹片76顶开折起，之后岩心继续顶着密封帽81上行，当岩心充满半合管73，密封帽81碰到调节上接头61，作用力向上传递，压缩叠簧43，滑套44上行，封堵钻井液下行通道40，钻杆内钻井液压力升高，地表泥浆泵示数升高，完成岩心堵塞报警，这时上提钻具，卡簧89将岩心卡断，下部橡胶密封圈87将岩心下部密封，完成孔底取心，进行绳索取心打捞工作，取样器提至地表后，在分析检测阶段，上扳固定开关74，解放弹片76，卸下卡箍71、卡瓦72，打开半合管73，即可获得封闭岩心部分。

Claims (1)

1.自适应膜式页岩气及岩心保压密封取样器，其特征在于：是由打捞机构(1)、弹卡定位机构(2)、到位报信机构(3)、岩心堵塞报警机构(4)、单动保护机构(5)、调节机构(6)、保压密封取样管(7)和岩心卡断密封机构(8)组成，打捞机构(1)、弹卡定位机构(2)、到位报信机构(3)、岩心堵塞报警机构(4)、单动保护机构(5)、调节机构(6)、保压密封取样管(7)和岩心卡断密封机构(8)依次螺纹连接在一起；
打捞机构(1)包括捞矛头(11)、回收管帽(12)、第一弹性圆柱销(13)、复位弹簧(14)、捞矛座(15)和回收管(16)，第一弹性圆柱销(13)分别穿过捞矛头(11)、回收管帽(12)和捞矛座(15)，并将捞矛头(11)铰接在捞矛座(15)上，回收管帽(12)下端和回收管(16)上端螺纹连接，复位弹簧(14)设置在捞矛座(15)上端，并且上部接触回收管帽(12)下部，回收管帽(12)下部、复位弹簧(14)和捞矛座(15)都位于回收管(16)内部；
弹卡定位机构(2)包括回收管(16)、弹卡涨簧(21)、弹卡钳(22)、第二弹性圆柱销(23)、第三弹性圆柱销(24)、弹卡座(25)、第四弹性圆柱销(26)和弹卡架(31)，弹卡涨簧(21)两个支脚分别安装在弹卡钳(22)两翼的凹槽中，将弹卡钳(22)撑开，弹卡钳(22)、弹卡座(25)和弹卡架(31)上部设置在回收管(16)内，并依次由第二弹性圆柱销(23)连接起来，弹卡座(25)上端与回收管(16)间隙配合，第三弹性圆柱销(24)将弹卡钳(22)和弹卡架(31)铰接在一起，弹卡座(25)和弹卡架(31)分别通过第四弹性圆柱销(26)铰接在一起；
到位报信机构(3)包括弹卡架(31)、报信阀帽(32)、报信阀座(33)、报信弹簧(34)、报信阀外管(35)、第一O型密封圈(36)、第二O型密封圈(38)、报信环(37)和报信阀下接头(39)，报信阀外管(35)与上部弹卡架(31)螺纹连接，报信阀帽(32)设置在报信弹簧(34)上端，报信弹簧(34)位于报信阀座(33)上，报信阀外管(35)中间通道内设有台阶，报信阀帽(32)，报信弹簧(34)和报信阀座(33)从上到下依次位于报信阀外管(35)中间通道的台阶上，第一O型密封圈(36)和第二O型密封圈(38)置于报信阀外管(35)下部的凹槽内，报信环(37)套在报信阀外管(35)的下部，下接报信阀下接头(39)，报信阀下接头(39)与报信阀外管(35)螺纹连接；
岩心堵塞报警机构(4)包括报信阀下接头(39)、第五弹性圆柱销(41)、单动轴(42)、叠簧(43)、滑套(44)和滑套座(45)，报信阀下接头(39)下部和单动轴(42)上部过渡配合，并通过第五弹性圆柱销(41)铰接连接，滑套(44)上部与报信阀下接头(39)过渡配合，下部与滑套座(45)螺纹连接，叠簧(43)位于滑套(44)和单动轴(42)之间的环空中，上部接触单动轴(42)上部，下部接触滑套座(45)；
单动保护机构(5)包括单动轴(42)、第一止推轴承(51)、上轴承套(52)、铜套(53)、第二止推轴承(54)、下轴承套(55)、弹簧(56)、垫圈(57)和螺母(58)，铜套(53)装于上轴承套(52)内部，二者过渡配合，第一止推轴承(51)，上轴承套(52)，第二止推轴承(54)，弹簧(56)，垫圈(57)和螺母(58)从上到下依次穿在单动轴上，螺母(58)与单动轴(42)尾部螺纹连接，下轴承套(55)上部与上轴承套(52)底部螺纹连接；
调节机构(6)包括调节上接头(61)、锁紧螺母(62)和调节下接头(63)，调节上接头(61)上部与下轴承套(55)下部螺纹连接，下部依次与锁紧螺母(62)，调节下接头(63)螺纹连接，调节下接头(63)与半合管(73)上部螺纹连接；
保压密封取样管(7)包括卡箍(71)、卡瓦(72)、半合管(73)、固定开关(74)、圆柱销(75)和弹片(76)，半合管(73)上部与调节下接头(63)下部螺纹连接，下部与卡簧座(85)螺纹连接，半合管(73)上设有孔槽(77)，圆柱销(75)位于半合管(73)的孔槽内，弹片(76)安装在圆柱销(75)上，固定开关(74)安装于弹片(76)正上方的孔槽中；
岩心卡断密封机构(8)包括螺母(80)、密封帽(81)、橡胶垫(82)、单向溢流阀(83)、密封膜(84)、密封接头(85)、卡簧座(86)、橡胶密封圈(87)、卡簧挡圈(88)和卡簧(89)，螺母(80)将橡胶垫(82)安装在密封帽(81)顶部，与密封帽(81)螺纹连接，密封膜(84)下部镶在密封接头(85)上，上部镶在密封帽(81)上，位于半合管(73)下部的储存槽(78)内；
密封帽(81)内部两端分别设有单向溢流阀(83)，密封接头(85)螺纹连接于卡簧座(86)上部内侧，密封帽(81)，密封膜(84)和密封接头(85)都位于半合管(73)内，卡簧座(86)上部外侧螺纹连接于半合管(73)，橡胶密封圈(87)，卡簧挡圈(88)和卡簧(89)从上至下依次位于卡簧座(86)内。
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