CN108756796B - 海洋钻探保压取心方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋钻探保压取心方法，包括以下步骤：1)通过打捞矛头将内管总成投放至位于孔底的外管总成内；2)保持钻井液循环，钻井液使活塞补偿平衡机构推动岩心管前伸，贯入刀头只下压不转动，贯入刀头贯入地层后，开始转动外管总成，贯入刀头随钻头进尺挤压修整岩心进岩心管，进行孔底随钻回转贯入取心；3)通过打捞矛头带动内管总成b沿着内管总成a向上滑动，装有岩心样品的岩心管向上滑动进入内管总成a内，岩心管触发重力管驱动机构的配重管通过自重驱动球阀向下滑动并翻转90°；4)通过打捞矛头将内管总成从弹卡室内脱卡并提拉出井口，取出岩心样品，完成保压取心过程。本发明实现取心器的保压取样，提高取心成功率。

Description

海洋钻探保压取心方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，具体是一种海洋钻探保压取心方法。

背景技术

通过海洋钻探获取天然气水合物样品是目前普遍使用的技术，而由于天然气水合物位于条件恶劣且难以接近的极地和深海海洋环境，更是因为当它被带到地表时，会迅速分解为天然气水合物的两种成分，即液态水和甲烷气体，受此影响，通常取心成功率不高，甚至导致取心失败，也间接影响到取心效率，因此为了保证取心成功，就需要采用保压方式进行取心作业。而海洋环境变化多端，取心失败的次数越多，施工时间就越长，施工风险越大，因此面对复杂多变的海洋环境，如何提高取心成功率，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种海洋钻探保压取心方法，其能够实现保压取心，提高取心成功率。

本发明的技术方案为：

一种海洋钻探保压取心方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过打捞矛头将内管总成投放至位于孔底的外管总成内；

2)保持钻井液循环，钻井液使活塞补偿平衡机构推动岩心管前伸，贯入刀头只下压不转动，贯入刀头贯入地层后，开始转动外管总成，钻头进尺切削贯入刀头及岩心管周边地层，贯入刀头随钻头进尺挤压修整岩心进岩心管，进行孔底随钻回转贯入取心；

3)通过打捞矛头带动内管总成b沿着内管总成a向上滑动，内管总成a不脱卡保持原位，装有岩心样品的岩心管向上滑动进入内管总成a内，当岩心管向上滑动提拉至球阀的通孔以上部位后，岩心管触发重力管驱动机构的配重管通过自重驱动球阀向下滑动并实现翻转90°，球阀封住上球阀座的下端，岩心管达到上行极限位置时，密封接头台阶接触密封挡头；

密封接头台阶接触密封挡头至球阀封住上球阀座的下端之间的区域为保压区域，装有岩心样品的岩心管位于保压区域内；

4)通过打捞矛头将内管总成从弹卡室内脱卡并提拉出井口，取出岩心样品，完成保压取心过程。

进一步地，所述岩心管及贯入刀头贯入地层时受到的阻力与活塞补偿平衡机构的活塞体向下的推力形成动态平衡；钻头进尺切削贯入刀头及岩心管周边地层后，推力平衡被打破。

进一步地，所述贯入刀头碰到硬质地层时，岩心样品顶着内管总成b向上移动，导致钻井液循环通道先被堵住，随后在活塞补偿平衡机构的活塞体上方形成高压，一方面限制住内管总成b上行的行程范围，避免由于行程过大而对内管总成b的弹卡造成变形失效，另一方面推动活塞体下移，使得钻井液循环通道被重新连通，形成钻井液循环通道堵住-钻井液循环通道连通的循环，从而对地面泥浆泵泵压形成脉冲式冲击，提醒钻探取心操作人员，当前取心地层为硬质地层，需改变钻井参数。

进一步地，所述外管总成的内壁上设有座环和弹卡室，外管总成的底端设有钻头；所述内管总成包括内管总成a和内管总成b，内管总成b安装于内管总成a的内部且可沿着内管总成a轴向移动，内管总成a包括由上到下依次连接的打捞矛头、弹卡装置、悬挂堵头、液压活塞筒、活塞下限位短接、限位铜销、密封挡头、中管、重力管驱动机构和保压球阀翻转密封机构；内管总成b包括由上到下依次连接活塞补偿平衡机构、单动机构、蓄能器机构、密封机构和岩心管；所述活塞补偿平衡机构包括活塞滑动管、活塞体和液压活塞杆；所述悬挂堵头包括设置在悬挂堵头径向两侧的悬挂堵头进水口和悬挂堵头出水口，悬挂堵头进水口和悬挂堵头出水口之间连通；所述活塞滑动管的上部设置在弹卡装置的内部且可沿着弹卡装置轴向移动，下部设置在液压活塞筒的内部；所述活塞体设置于液压活塞筒内部且可相对于液压活塞筒沿轴向移动，活塞体包括活塞体进水通道和活塞体分水通道；活塞体的下端与位于液压活塞筒内部的液压活塞杆的上端连接，活塞体的上端与活塞滑动管的下端连接；液压活塞筒的底端与活塞下限位短接的上端连接，液压活塞筒的下部设有液压活塞筒出水口，液压活塞筒出水口与活塞体分水通道之间连通；液压活塞筒与弹卡装置的连接处设有悬挂环，悬挂环坐落在座环上；活塞下限位短接上设有限位铜销，限位铜销贯穿液压活塞杆上的液压活塞杆长销孔和活塞下限位短接后固定设置在活塞下限位短接上；所述单动机构位于活塞下限位短接的内部，且与下方的连接管连接，活塞下限位短接的下端与密封挡头的上端连接，密封挡头的下端与位于外管内部的中管的上端连接；所述密封机构位于中管的内部且可以沿着中管轴向移动；所述岩心管位于中管内部，岩心管上设有岩心管凸肩；所述重力管驱动机构包括剪切短接、剪切销、配重管上限位台肩、配重管下限位台肩、配重管和推力薄壁管，剪切短接位于中管与岩心管之间，剪切短接坐落在中管内壁上的配重管上限位台肩，剪切短接与中管及剪切短接与岩心管间隙配合，且处于垂直状态；剪切销贯穿剪切短接和配重管，使得剪切短接与配重管连接，配重管上端接触剪切短接，配重管下端固定连接有推力薄壁管，配重管接触中管上的配重管下限位台肩，且配重管被配重管下限位台肩顶住而不能越过；所述保压球阀翻转密封机构包括球阀管、球阀管上压盖上球阀座、球阀、下球阀座和球阀管下压盖；球阀管上从上至下依次设有球阀翻转驱动插销和球阀管长圆孔和设置在球阀管中空内部的球阀管窗口；球阀上设有球阀轴和球阀翻转滑动槽，球阀上设有用于岩心管穿过的通孔；球阀管上端与中管的下端连接，球阀管中部设有球阀管长圆孔，位于球阀管长圆孔内的球阀翻转驱动插销固定在球阀管的内壁上，球阀翻转驱动插销伸入至球阀上的球阀翻转滑动槽内；球阀通过球阀轴固定设置在球阀管上的球阀管窗口内，球阀轴一端连接球阀，另一端伸入至球阀管长圆孔内，且可在球阀管长圆孔内沿轴向方向自由滑动；球阀管的内部设有上球阀座和下球阀座，上球阀座与球阀管上压盖连接，球阀管上压盖的上端与推力薄壁管的下端连接，上球阀座的下端与球阀接触，下球阀座与球阀管下压盖连接，下球阀座的上端与球阀接触；保压球阀翻转密封机构的下端连接设有对岩心管进行冲洗的冲洗机构；保压球阀翻转密封机构与重力管驱动机构及中管连接，且重力管驱动机构可推动保压球阀翻转密封机构的球阀翻转90°。

进一步地，所述单动机构包括推力轴承、芯轴、铜套、轴承套、推力轴承和锁紧螺母，芯轴的上端与液压活塞杆的底端螺纹连接，轴承套套设在芯轴上，轴承套与芯轴之间设有铜套，铜套上下两端分别设有上推力轴承和下推力轴承，芯轴的底端设有锁紧螺母，下推力轴承位于锁紧螺母上方。

进一步地，所述活塞体上还设有弹簧腔室，弹簧腔室上下两端分别设有滑阀和弹簧底座，弹簧底座固定设置在活塞体下部，弹簧腔室内部设有弹簧，弹簧安装在弹簧底座上，弹簧的上端与滑阀的下端连接。

进一步地，所述内管总成上设有蓄能器机构，蓄能器机构位于单动机构与密封机构之间，且分别与单动机构和密封机构连接；所述蓄能器机构包括从上至下依次设置的蓄能器阀盖、蓄能室、活塞、蓄能器下端盖、蓄能器压力接头、高压软管和高压腔室测压接头，活塞位于蓄能室内部且可沿着蓄能室轴向移动，活塞与蓄能室结合处设有密封圈，活塞与蓄能器下端盖接触，蓄能器下端盖中部设有轴向通孔，蓄能器压力接头通过高压软管与高压腔室测压接头连接，轴向通孔、蓄能器压力接头、高压软管与高压腔室测压接头连通形成气通路，蓄能器机构位于连接管内部。

进一步地，所述密封机构包括密封接头、压力通道、密封接头密封圈和密封接头台阶，密封接头的上端与连接管的下端连接，且与蓄能器机构连接，密封接头中部设有轴向的压力通道，高压腔室测压接头的下端伸入压力通道，且与压力通道连通，密封接头上套设有密封接头密封圈，密封接头两侧设有密封接头台阶。

进一步地，所述球阀管与上球阀座的贴合处设有上球阀座密封圈，球阀管与下球阀座的贴合处设有下球阀座密封圈；上球阀座上设有缓冲弹簧，缓冲弹簧上下两端分别与球阀管上压盖和上球阀座连接，球阀管上压盖的上端与推力薄壁管的下端连接，上球阀座的下端与球阀接触；下球阀座上设有承重弹簧，承重弹簧上下两端分别与下球阀座和球阀管下压盖连接，下球阀座的上端与球阀接触。

进一步地，所述配重管下限位台肩位于配重管上限位台肩的下方，配重管位于中管与岩心管之间，配重管的外壁与中管的内壁间隙配合，配重管与岩心管之间设有间隙，推力薄壁管与中管及推力薄壁管与岩心管之间均设有间隙；岩心管凸肩位于配重管与岩心管之间且处于剪切短接的下方，剪切短接通过配重管上限位台肩悬挂在中管与岩心管之间，从而使得与剪切短接连接的配重管和推力薄壁管也悬挂在中管与岩心管之间。

本发明的有益效果为：1、通告保压球阀翻转密封机构的球阀向下滑动并翻转90°，球阀与上球阀座密封接触，实现球阀上部区域的保压效果，此时岩心管位于球阀上方的保压区域，使得岩心管内的取心样品处于保压状态，实现取心器的保压取样，提高取心成功率；2、在取心过程中，碰到硬质地层时，地面泥浆泵泵压会形成脉冲式冲击，能够提醒钻探取心操作人员，当前地质为硬质地层，需改变钻井参数，保护取心装置的同时，也扩展了取心的能力；3、通过钻井液对活塞体上部形成高压来限制住内管总成b上行的行程范围，避免由于行程过大而对内管总成b的弹卡造成变形失效，保护了取心装置。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中C段区域的放大示意图；

图3为图1中D段区域的放大示意图；

图4为图1中F段区域的放大示意图；

图2至图4为构成图1的分段结构示意图，图2的下端连接图3的上端，图3的下端连接图4的上端；

图5为图4中A处的放大示意图；

图6为图4中B处的放大示意图；

图7为剪切销被拉断后的剪切短接与配重管的连接关系状态示意图；

图8是外管总成的结构示意图；

图9是内管总成的结构示意图；

图10是内管总成a的结构示意图；

图11是内管总成b的结构示意图；

图12是钻探取心过程中的状态示意图之一(内管总成b下移)；

图13是打捞脱卡过程中的状态示意图之一(悬挂堵头本体远离活塞体进水通道)；

图14是打捞脱卡过程中的状态示意图之一(球阀翻转90°)；

图15是打捞脱卡过程中的状态示意图之一(完成脱卡动作)；

图16是球阀翻转过程中的状态示意图之一(岩心管未提拉出球阀通孔)；

图17是球阀翻转过程中的另状态示意图之一(岩心管已从球阀通孔提拉出来)；

图中，10-外管总成、20-内管总成、201-内管总成a、202-内管总成b、110-弹卡室、120-座环、130-扶正环、140-钻头、21-打捞矛头、22-弹卡装置、2201-弹卡、2202-脱卡管、2203-弹卡托架管、2204-进水口、2205-弹卡托架管长销孔、2206-脱卡管倾斜部、23-活塞补偿平衡机构、231-活塞滑动管、2311-活塞滑动管长销孔、232-弹性销、233-悬挂堵头、2331-悬挂堵头进水口、2332-悬挂堵头长销孔、2333-悬挂堵头出水口、2334-悬挂堵头本体、234-悬挂环、235-活塞体、2351-活塞体进水通道、2352-活塞体分水通道、2353-弹簧腔室、236-滑阀、237-弹簧、238-弹簧底座、24-液压活塞杆、241-液压活塞杆长销孔、25-液压活塞筒、251-液压活塞筒出水口、26-活塞下限位短接、27-限位铜销、28-单动机构、281-上推力轴承、282-芯轴、283-铜套、284-轴承套、285-下推力轴承、286-锁紧螺母、29-蓄能器机构、291-蓄能器阀盖、292-蓄能室、293-活塞、294-蓄能器下端盖、295-蓄能器压力接头、296-高压软管、297-高压腔室测压接头、30-密封机构、301-密封接头、302-压力通道、303-密封接头密封圈、304-密封接头台阶、31-单向球阀、32-岩心管、33-重力管驱动机构、331-剪切短接、332-剪切销、333-配重管上限位台肩、334-配重管下限位台肩、335-配重管、336-推力薄壁管、34-保压球阀翻转密封机构、341-球阀管、3411-球阀管密封圈、3412-球阀管窗口、3413-球阀翻转驱动插销、3414-球阀管长圆孔、342-球阀管上压盖、343-缓冲弹簧、344-上球阀座、3441-上球阀座密封圈、345-球阀、3451-球阀轴、3452-球阀翻转滑动槽、346-下球阀座、3461-下球阀座密封圈、347-承重弹簧、348-球阀管下压盖、35-贯入刀头、36-岩心管凸肩、37-中管、38-密封挡头、39-连接管。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1至17所示，一种海洋钻探保压取心方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)预先将外管总成10投放至孔底，通过打捞矛头21将内管总成20投放至位于孔底的外管总成10内，投放到位后，进行海洋底层随钻回转取心；

2)保持钻井液循环，钻井液使活塞补偿平衡机构23推动岩心管32前伸，贯入刀头35只下压不转动，贯入刀头35前伸压紧孔底，贯入刀头35贯入地层后，开始转动外管总成10，钻头140进尺切削贯入刀头35及岩心管32周边地层，贯入刀头35随钻头140进尺挤压修整岩心进岩心管32，进行孔底随钻回转贯入取心；

3)通过打捞矛头21带动内管总成b 202沿着内管总成a 201向上滑动，且内管总成a 201不脱卡保持原位，通过依次带动内管总成a 201上的各部件向上滑动，实现将装有岩心样品的岩心管32向上滑动进入内管总成a 201内，当岩心管32向上滑动提拉至球阀345的通孔以上部位后，岩心管32触发重力管驱动机构33的配重管335通过自重驱动球阀345向下滑动并实现翻转90°，球阀345封住上球阀座344的下端，岩心管32达到上行极限位置时，密封接头台阶304接触密封挡头301；密封接头台阶304接触密封挡头301至球阀封345住上球阀座344的下端之间的区域为保压区域，保压区域内处于高压状态，带有岩心样品的岩心管32位于保压区域内；

4)通过打捞矛头21将内管总成20从弹卡室110内脱卡并提拉出井口，取出岩心样品，完成保压取心过程。

在步骤2)中，当贯入刀头碰到地层过硬，通过活塞体235向下的推力无法推动贯入刀头35贯入地层的时候，岩心样品会顶着内管总成b 202向上滑动，内管总成b 202上移使得悬挂堵头233进入活塞体进水通道2351，钻井液循环通道被堵住，随后钻井液在活塞体235上部形成额外的高压，形成的高压，一方面能够限制住内管总成b上行的行程范围，避免由于内管总成b向上滑动的行程过大而对弹卡造成编写失效的问题，另一方面，高压使得活塞体235向下的推力增大，从而再次整体推动内管总成b 202向下移动，进而推动贯入刀头35继续向下贯入地层，使得岩心进入岩心管；在内管总成b 202向下移动过程中，悬挂堵头233悬挂在弹性销上保持不动，悬挂堵头233滑出活塞体进水通道2351，钻井液循环通道重新打开，活塞体235上部压力降低；通过以上方式，使得岩心管32及贯入刀头35贯入地层时受到的阻力与活塞补偿平衡机构23的活塞体235向下的推力形成动态平衡，钻头140进尺切削贯入刀头35及岩心管32周边地层后，推力平衡被打破，然后重新构建新的推力平衡，推力平衡是一个动态过程；

活塞体235形成高压和低压的循环过程使得地面泥浆泵的泵压会形成脉冲式冲击，以此提醒钻探取心技术人员，取心地层已经变硬，需适时改变钻进参数；通过以上钻井液循环通道，也即水通路开闭式的脉冲冲击，可以实现硬地层取心，扩展了取心能力，还避免了岩心卡堵岩心管的技术问题；同时通过水路闭合的方式，形成活塞体35上部高压，通过向下的推力限制住内管总成b上行的行程，避免通过内管总成b 202上行对弹卡承受过大向上的推力，导致内管总成b 202中的弹卡变形失效。为了让上述取心方法能够实现，优选采用如下装置：包括所述外管总成10和安装在外管总成10内部的所述内管总成20，外管总成10的内壁上设有座环120、弹卡室110和扶正环130，外管总成10的底端设有钻头140；

内管总成20包括内管总成a 201和内管总成b 202，内管总成b202安装于内管总成a 201的内部且可沿着内管总成a 201轴向移动，内管总成a 201包括由上到下依次连接的打捞矛头21、弹卡装置22、悬挂堵头233、液压活塞筒25、活塞下限位短接26、限位铜销27、密封挡头38、中管37、重力管驱动机构33和保压球阀翻转密封机构34；内管总成b 202包括由上到下依次连接活塞补偿平衡机构23、单动机构28、蓄能器机构29、密封机构30和岩心管32；

打捞矛头21、弹卡装置22、液压活塞筒25、活塞下限位短接26、密封挡头38、中管37和保压球阀翻转密封机构34上的球阀管341之间均采用螺纹连接或一体结构；活塞补偿平衡机构23、单动机构28、蓄能器机构29、密封机构30和岩心管32之间均采用螺纹连接或一体结构。

岩心管32的外壁与扶正环130的内壁接触，优选为密封接触且钻井液不能通过；

弹卡装置22包括弹卡2201、脱卡管2202、弹卡托架管2203、进水口2204、弹卡托架管长销孔2205和脱卡管倾斜部2206，弹卡2201设置在所述弹卡室110内，且与弹卡托架管2203连接，弹卡托架管2203设置在脱卡管2202内部，脱卡管2202与打捞矛头21固定连接，脱卡管2202的底端设有用于将弹卡2201从弹卡室110脱卡出来的脱卡管倾斜部2206，脱卡管2202的侧壁上设有进水口2204，弹卡托架管长销孔2205设置在弹卡托架管2203的中腔内部；

活塞补偿平衡机构23包括活塞滑动管231、悬挂环234、活塞体235、液压活塞杆24、滑阀236、弹簧237和弹簧底座238；

悬挂堵头233包括设置在悬挂堵头233径向两侧的悬挂堵头进水口2331和悬挂堵头出水口2333、设置在悬挂堵头233中腔内的悬挂堵头长销孔2332和设置在悬挂堵头233底端的悬挂堵头本体2334，悬挂堵头进水口2331和悬挂堵头出水口2333之间连通；

活塞滑动管231的上部设置在弹卡托架管2203的内部且可以沿着弹卡托架管2203进行轴向移动，下部设置在液压活塞筒25的内部；活塞滑动管231的顶端位于弹卡托架管长销孔2205顶端的下方；

活塞体235设置于液压活塞筒25内部且可相对于液压活塞筒25沿轴向移动，活塞体235包括活塞体进水通道2351、活塞体分水通道2352和弹簧腔室2353，弹簧腔室2353上下两端分别设有滑阀236和弹簧底座238，弹簧底座238固定设置在活塞体235下部，弹簧腔室2353内部设有弹簧237，弹簧237安装在弹簧底座238上，弹簧237的上端与滑阀236的下端连接，滑阀236在弹簧237的作用下伸入活塞体进水通道2351中，阻断活塞体进水通道2351与活塞体分水通道2352之间的连通，当钻井液进入至活塞体进水通道2351形成压力后，推动滑阀236向下移动，使得活塞体进水通道2351与活塞体分水通道2352重新连通，滑阀236和弹簧237的设置提高了钻井液推动活塞体235向下移动所需达到的压力；

设置于内管总成a 201内的弹性销232贯穿弹卡托架管长销孔2205、活塞滑动管231内设置的活塞滑动管长销孔2311和悬挂堵头长销孔2332后固定设置在所述脱卡管2202上，且弹性销232可在弹卡托架管长销孔2205、活塞滑动管长销孔2311和悬挂堵头长销孔2332内自由滑动，实现所述弹卡托架管2203、悬挂堵头233、活塞滑动管231和脱卡管2202之间的套装连接，从而实现活塞补偿平衡机构23与弹卡装置22的连接；

脱卡管2202通过弹性销232带动悬挂堵头233上下移动，当悬挂堵头本体2334伸入至活塞体进水通道2351时，阻断悬挂堵头出水口2333与活塞体进水通道2351之间的连通，进而阻断悬挂堵头233与活塞体235之间的水通路，此时，钻井液在活塞体235上方形成高压，推动活塞体235沿着液压活塞筒25轴向下移，悬挂堵头本体2334脱离活塞体进水通道2351，悬挂堵头出水口2333与活塞体进水通道2351之间连通；当钻井液进一步形成高压，推动滑阀236向下压缩弹簧237，使得滑阀236脱离活塞体进水通道2351，活塞体进水通道2351与活塞体分水通道2352连通，从而使得悬挂堵头进水口2331、悬挂堵头出水口2333、活塞体进水通道2351和活塞体分水通道2352之间连通，形成水通路；

活塞体235的下端与位于液压活塞筒25内部的液压活塞杆24的上端连接，活塞体235的上端与活塞滑动管231的下端连接，连接方式均可以是螺纹固定连接；液压活塞杆24上设有液压活塞杆长销孔241，液压活塞杆长销孔241的上下两端均为实心结构，液压活塞筒25的下端与活塞下限位短接26的上端连接，液压活塞筒25的下部设有液压活塞筒出水口251，液压活塞筒出水口251位于活塞下限位短接26上方，液压活塞筒出水口251与活塞体分水通道2352之间连通，液压活塞筒25的上端与弹卡托架管2203的下端连接，实现液压活塞筒25与弹卡装置22的连接，液压活塞筒25与弹卡托架管2203的连接处设有悬挂环234，悬挂环234坐落在座环120上，内管总成20通过悬挂环234悬挂安装在外管总成10的内部；

活塞下限位短接26上设有限位铜销27，限位铜销27贯穿液压活塞杆24上的液压活塞杆长销孔241和活塞下限位短接26后固定设置在活塞下限位短接26上，活塞下限位短接26通过限位铜销27可以承重液压活塞杆24上方区域的内管总成20的自重；

由于液压活塞杆长销孔241上带有轴向的长通孔，使得限位铜销27不会限制液压活塞杆24的轴向移动，液压活塞杆24到达下行极限位置时，限位铜销27未接触液压活塞杆24的上端实心部分，当限位铜销27接触液压活塞杆24的下端实心部分并在液压活塞杆24进一步向上移动时，限位铜销27被拉断；

单动机构28包括上推力轴承281、芯轴282、铜套283、轴承套284、下推力轴承285和锁紧螺母286，芯轴282的上端与液压活塞杆24的底端螺纹连接，轴承套284套设在芯轴282上，轴承套284与芯轴282之间设有铜套283，铜套283上下两端分别设有上推力轴承281和下推力轴承285，芯轴282的底端设有锁紧螺母286，下推力轴承285位于锁紧螺母286上方；

单动机构28位于活塞下限位短接26的内部，单动机构28通过铜套283与连接管39连接，连接管39与蓄能器机构29连接，从而实现单动机构28与蓄能器机构29连接，活塞下限位短接26的下端与密封挡头38的上端连接，密封挡头38的下端与位于外管总成10内部的中管37的上端连接，密封挡头38与中管37的连接处设有密封挡头密封圈(图中未示出)；单动机构28避免岩心管32跟着外管总成10转动，而造成岩心磨损，同时传递活塞体235的推力，岩心管32压紧孔底，同时岩心管32只下压不转动；

蓄能器机构29包括从上至下依次设置的蓄能器阀盖291、蓄能室292、活塞293、蓄能器下端盖294、蓄能器压力接头295、高压软管296和高压腔室测压接头297，蓄能室292用于存放氮气，活塞293位于蓄能室292内部且可沿着蓄能室292轴向移动，活塞293与蓄能室292结合处设有密封圈，活塞293与蓄能器下端盖294接触，蓄能器下端盖294中部设有轴向通孔，蓄能器压力接头295通过高压软管296与高压腔室测压接头297连接，轴向通孔、蓄能器压力接头295、高压软管296与高压腔室测压接头297连通形成气通路，蓄能器机构29位于连接管39内部；

密封机构30包括密封接头301、压力通道302、密封接头密封圈303和密封接头台阶304，密封接头301的上端与连接管39的下端连接，且与蓄能器机构29连接，密封接头301中部设有轴向的压力通道302，高压腔室测压接头297的下端伸入压力通道302，且与压力通道302连通，密封接头301上套设有密封接头密封圈303，密封接头301两侧设有密封接头台阶304；

密封机构30位于中管37的内部且可以沿着中管37轴向移动，直至密封接头台阶304接触密封挡头38，则密封机构30停止向上移动；

密封机构30下方连接有单向球阀31，使得气流只能从下往上通过单向球阀31流向密封机构30的压力通道302内；

单向球阀31的下端与岩心管32的上端螺纹连接，岩心管32位于中管37内部，岩心管32上设有岩心管凸肩36；

重力管驱动机构33包括剪切短接331、剪切销332、配重管上限位台肩333、配重管下限位台肩334、配重管335和推力薄壁管336，剪切短接331位于中管37与岩心管32之间，剪切短接331坐落在中管37内壁上的配重管上限位台肩333，剪切短接331与中管37及剪切短接331与岩心管32间隙配合，使得剪切短接331处于垂直状态；剪切销332贯穿剪切短接331和配重管335，使得剪切短接331与配重管335连接，配重管335上端接触剪切短接331，配重管335下端固定连接有推力薄壁管336，配重管335接触中管37上的配重管下限位台肩334，且配重管335通过一侧的凹凸配合被配重管下限位台肩334顶住而不能越过，配重管下限位台肩334位于配重管上限位台肩333的下方，配重管335位于中管37与岩心管32之间，配重管335的外壁与中管37的内壁间隙配合，配重管335不与岩心管32接触，推力薄壁管336均不与中管37和岩心管32接触；

重力管驱动机构33位于中管37与岩心管32之间，岩心管凸肩36位于配重管335与岩心管32之间且处于剪切短接331的下方，剪切短接331通过配重管上限位台肩333悬挂在中管37与岩心管32之间，从而使得与剪切短接331连接的配重管335和推力薄壁管336也悬挂在中管37与岩心管32之间；

在具体使用时，中管37在弹卡装置22的反作用力下不向上滑动，岩心管32向上滑动带动岩心管凸肩36向上移动并接触剪切短接331，当岩心管32继续向上移动时，由于与剪切短接331连接的配重管335被中管37上的配重管下限位台肩334顶住不动，配重管335与剪切短接331之间的剪切销332被岩心管32向上推动剪切短接331向上移动的推力所拉断，配重管335与剪切短接331断开连接，配重管335在重力作用下向下滑动；

钻井液从进水口2204进入后，通过液压活塞筒25内向在活塞补偿平衡机构23产生向下的推力，使得活塞体235向下移动，悬挂堵头233固定地挂在弹性销232上保持不动，悬挂堵头本体2334从活塞体进水通道2351中脱离出来，如图13所示，悬挂堵头本体2334与活塞体进水通道2351分离，活塞体进水通道2351与进水口2204连通形成水通路；当活塞体235达到下行极限位置时，与活塞体235连接的弹簧底座238未接触限位铜销27，且滑阀236仍伸入至活塞体进水通道2351，活塞体进水通道2351与活塞体分水通道2352不连通，钻井液继续在活塞体235上方形成高压，钻井液开始推动滑阀236向下移动，滑阀236脱离出活塞体进水通道2351，活塞体235进水通道与活塞体分水通道2352连通，使得进水口2204与液压活塞筒出水口251连通，形成水通路；

当钻井液对活塞补偿平衡机构23产生向下的推力，活塞体235下移过程中，活塞体235依次通过单动机构28、蓄能器机构29和密封机构30推动岩心管32下移，岩心管32前方的贯入刀头35以较小深度微贯入孔底的地层，如图12所示，贯入刀头35从外管总成10伸出贯入地层，并且岩心管32及刀头贯入地层时受到的阻力与活塞体235向下的推力形成平衡；当钻头140回转进尺，清扫贯入刀头35贯入深度周围地层时，平衡打破，贯入刀头35随钻头140进尺挤压修整岩心进岩心管32，形成动态平衡。活塞体235在液压活塞筒25内的位置就是活塞体235在活塞体235推力与岩心管32及刀头贯入地层时受到的阻力达到平衡时的位置。外管总成10随波浪升起时，活塞体235相对液压活塞筒25下沉，钻井液进入液压活塞筒25对活塞体235产生向下的推力，使岩心管32及刀头保持压紧孔底而不随外管总成10升沉，避免岩心管32随外管总成10上下窜动，出现磨芯、堵芯的问题，提高了取心成功率，减少了对岩心的扰动。

保压球阀翻转密封机构34包括球阀管341、球阀管上压盖342、缓冲弹簧343、上球阀座344、球阀345、下球阀座346、承重弹簧347和球阀管下压盖348；球阀345上设有球阀轴3451和球阀翻转滑动槽3452，球阀345上设有用于岩心管32穿过的通孔；

内管总成a 201上的球阀管341上从上至下移依次设有球阀管密封圈3411、球阀翻转驱动插销3413和球阀管长圆孔3414；

球阀管341上端与中管37的下端连接，球阀管341与中管37的连接处设有球阀管密封圈3411，球阀管341的中空内部设有球阀管窗口3412，球阀管341中部设有球阀管长圆孔3414，位于球阀管长圆孔3414内的球阀翻转驱动插销3413固定在球阀管341的内壁上，球阀翻转驱动插销3413伸入至球阀345上的球阀翻转滑动槽3452内；

球阀345通过球阀轴3451固定设置在球阀管341上的球阀管窗口3412内，球阀轴3451一端连接球阀345，另一端伸入至球阀管长圆孔3414内，且可在球阀管长圆孔3414内沿轴向方向自由滑动；

球阀管341的内部设有上球阀座344和下球阀座346，球阀管341与上球阀座344的贴合处设有上球阀座密封圈3441，球阀管341与下球阀座346的贴合处设有下球阀座密封圈3461；上球阀座344从下至上依次设有缓冲弹簧343和球阀管上压盖342，缓冲弹簧343上下两端分别与球阀管上压盖342和上球阀座344连接，球阀管上压盖342的上端与推力薄壁管336的下端连接，上球阀座344的下端与球阀345接触；下球阀座346从上至下依次设有承重弹簧347和球阀管下压盖348，承重弹簧347上下两端分别与下球阀座346和球阀管下压盖348连接，下球阀座346的上端与球阀345接触；

通过缓冲弹簧343和承重弹簧347，实现球阀345与上球阀座344和下球阀座346的浮动接触；

通过球阀管341上端与中管37的下端连接及球阀管上压盖342的上端与推力薄壁管336的下端连接，实现了保压球阀翻转密封机构34与重力管驱动机构33及中管37的连接，且重力管驱动机构33可推动保压球阀翻转密封机构34的球阀345翻转90°；

在具体使用时，如图16和图17所示，岩心管32从球阀345的通孔内向上提拉出来后，重力管驱动机构33的配重管335在重力作用下向下滑动，推动球阀345整体沿着球阀管长圆孔3414下移，当与球阀345连接的球阀轴3451接触到球阀翻转驱动插销3413，由配重管335下移产生的推力，推动球阀翻转驱动插销3413，由于球阀翻转驱动插销3413被球阀345上的球阀翻转滑动槽3452顶住，使得球阀翻转驱动插销3413对球阀345给予一个扭矩，实现球阀345向下滑动并翻转90°，球阀345与上球阀座344密封接触，实现了球阀345上部区域的保压效果，此时岩心管32位于球阀345上方的保压区域，使得岩心管32内的取心样品处于保压状态，实现取心器的保压取样。

进一步地，保压球阀翻转密封机构34的下端连接设有对岩心管32进行冲洗的冲洗机构，冲洗机构安装于内管总成a 201上，冲洗机构避免岩心管32上的岩屑等污染物带入取心器内，特别是被带入保压区域，进而影响到保压效果，甚至有可能实现不了保压；

冲洗机构包括冲洗机构进水口和冲洗机构出水口，处于高压的钻井液从进水口进入后，对岩心管32上的岩屑进行高压快速冲洗，钻井液随后从出水口排出，冲洗机构与球阀管341的下端螺纹连接，且与球阀管下压盖348的下端连接；

在本实施例中，钻井液从液压活塞筒出水口251流出后，流入中管37与外管总成10之间的区域，由于扶正环130设置在外管内壁与冲洗机构之间，且扶正环130与冲洗机构为密封接触，使得中管37与外管总成10之间区域内的钻井液无法从扶正环130与冲洗机构之间通过，钻井液只能从冲洗机构进水口流入，实现钻井液通过冲洗机构对岩心管32的冲洗。

在本实施例中，钻头140处于冲洗机构下方，钻头140为五翼硬质合金刮刀钻头140。

如图13至15所示，在具体使用时，当活塞体235推动岩心管32下移完成岩心进入岩心管32后，开始进行打捞取心过程：打捞矛头21带动脱卡管2202及脱卡管2202上的弹性销232向上移，脱卡管2202上的脱卡管倾斜部2206接触弹卡2201，使得弹卡2201断开与弹卡室110的接触，完成脱卡动作，弹性销232带着悬挂堵头233沿着活塞滑动管长销孔2311向上移动，直至弹性销232上行至接触活塞滑动管长销孔2311的上端，在弹性销232接触至活塞滑动管长销孔2311的上端的上端之前，弹性销232带着活塞滑动管231和悬挂堵头232一起沿着弹卡托架管长销孔2205向上移动；在活塞滑动管231被弹性销232带动向上移动过程中：与活塞滑动管231连接的活塞体235也向上移动，活塞体235带动液压活塞杆24向上移动，限位铜销27与液压活塞杆24的下端接触后被液压活塞杆24拉断，液压活塞杆24依次带动单动机构28、连接管39、蓄能器机构29、密封机构30、单向球阀31和岩心管32一起向上移动，直至弹性销232上行至接触弹卡托架管长销孔2205的上端，上述所有移动停止，此时密封接头台阶304与密封挡头38接触；在密封接头台阶304与密封挡头38接触之前，脱卡管2202上的脱卡管倾斜部2206先于接触弹卡2201，弹卡2201断开与弹卡室110的接触完成脱卡动作；

在岩心管32向上移动的过程中：岩心管32从球阀345的通孔中提拉出来，当岩心管32向上提拉至球阀345的通孔以上部位后，岩心管32触发重力管驱动机构33上的配重管335驱动球阀345向下滑动并实现翻转90°；

岩心管32触发重力管驱动机构33上的配重管335驱动球阀345向下滑动的过程是这样实现的：岩心管32上移过程中，岩心管32上的岩心管凸肩36开始与剪切短接331相接触，此时岩心管32已经向上提拉至球阀345的通孔以上部位，且密封接头台阶304还未与密封挡头38接触，随着岩心管32继续向上移动，岩心管凸肩36拉动剪切短接331向上移动，剪切短接331与配重管335之间的剪切销332被拉断，配重管335在重力的作用下向下滑动，使得重力管驱动机构33向下推动保压球阀翻转密封机构34的球阀345向下滑动翻转90°，球阀345与上球阀座344密封接触；

球阀345与上球阀座344接触的以上部位至密封接头台阶304与密封挡头38接触的以下部位之间的区域为稳定的保压区域，装有岩心样品的岩心管32位于保压区域内，保证了岩心处于保压区域内，使得岩心处于高压下的保压状态，实现了保压取心；

在弹性销232上行至接触弹卡托架管长销孔2205的上端后，脱卡管倾斜部2206接触弹卡2201并使得弹卡2201与弹卡室110断开连接，完成脱卡动作，脱卡管2202继续向上移动，使得整个内管总成20可以从外管总成10内拉出，进而取出内管总成20的岩心样品，完成取心的整个过程。

在实际使用时，内管总成20在打捞上移过程中，本发明周边围压逐渐减小，一直至井口大气压环境，在一定时间范围内，保压区域有可能出现微泄露，保压区域开始向外部泄压，当压力下降到一定程度时，天然气水合物分解。为了避免这一问题发生，在本实施例中，设有蓄能器机构29，当发生微泄露，由于在深海孔底中，孔底压力大于蓄能器29机构的蓄能室292氮气设置压力，活塞293向上压缩蓄能室292的氮气并蓄能。内管总成20完成取心后，打捞上移至井口，围压逐渐减小直至常规大气压，当内管总成20的保压区域出现渗漏时，蓄能器机构29的氮气能量释放，活塞293向下推动，向保压区域注液，使得保压区域仍然处于高压下的保压状态，从而使得即使在有微渗漏的情况下，仍然保证压力平稳，避免岩心被分解。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海洋钻探保压取心方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过打捞矛头将内管总成投放至位于孔底的外管总成内；

2)保持钻井液循环，钻井液使活塞补偿平衡机构推动岩心管前伸，贯入刀头只下压不转动，贯入刀头贯入地层后，开始转动外管总成，钻头进尺切削贯入刀头及岩心管周边地层，贯入刀头随钻头进尺挤压修整岩心进岩心管，进行孔底随钻回转贯入取心；

3)通过打捞矛头带动内管总成b沿着内管总成a向上滑动，内管总成a不脱卡保持原位，装有岩心样品的岩心管向上滑动进入内管总成a内，当岩心管向上滑动提拉至球阀的通孔以上部位后，岩心管触发重力管驱动机构的配重管通过自重驱动球阀向下滑动并实现翻转90°，球阀封住上球阀座的下端，岩心管达到上行极限位置时，密封接头台阶接触密封挡头；

密封接头台阶接触密封挡头至球阀封住上球阀座的下端之间的区域为保压区域，装有岩心样品的岩心管位于保压区域内；

4)通过打捞矛头将内管总成从弹卡室内脱卡并提拉出井口，取出岩心样品，完成保压取心过程；

所述外管总成的内壁上设有座环和弹卡室，外管总成的底端设有钻头；

所述内管总成包括内管总成a和内管总成b，内管总成b安装于内管总成a的内部且可沿着内管总成a轴向移动，内管总成a包括由上到下依次连接的打捞矛头、弹卡装置、悬挂堵头、液压活塞筒、活塞下限位短接、限位铜销、密封挡头、中管、重力管驱动机构和保压球阀翻转密封机构；内管总成b包括由上到下依次连接活塞补偿平衡机构、单动机构、蓄能器机构、密封机构和岩心管；

所述活塞补偿平衡机构包括活塞滑动管、活塞体和液压活塞杆；

所述悬挂堵头包括设置在悬挂堵头径向两侧的悬挂堵头进水口和悬挂堵头出水口，悬挂堵头进水口和悬挂堵头出水口之间连通；

所述活塞滑动管的上部设置在弹卡装置的内部且可沿着弹卡装置轴向移动，下部设置在液压活塞筒的内部；

所述活塞体设置于液压活塞筒内部且可相对于液压活塞筒沿轴向移动，活塞体包括活塞体进水通道和活塞体分水通道；活塞体的下端与位于液压活塞筒内部的液压活塞杆的上端连接，活塞体的上端与活塞滑动管的下端连接；液压活塞筒的底端与活塞下限位短接的上端连接，液压活塞筒的下部设有液压活塞筒出水口，液压活塞筒出水口与活塞体分水通道之间连通；液压活塞筒与弹卡装置的连接处设有悬挂环，悬挂环坐落在座环上；

活塞下限位短接上设有限位铜销，限位铜销贯穿液压活塞杆上的液压活塞杆长销孔和活塞下限位短接后固定设置在活塞下限位短接上；

所述单动机构位于活塞下限位短接的内部，且与下方的连接管连接，活塞下限位短接的下端与密封挡头的上端连接，密封挡头的下端与位于外管内部的中管的上端连接；

所述密封机构位于中管的内部且可以沿着中管轴向移动；

所述岩心管位于中管内部，岩心管上设有岩心管凸肩；

所述重力管驱动机构包括剪切短接、剪切销、配重管上限位台肩、配重管下限位台肩、配重管和推力薄壁管，剪切短接位于中管与岩心管之间，剪切短接坐落在中管内壁上的配重管上限位台肩，剪切短接与中管及剪切短接与岩心管间隙配合，且处于垂直状态；剪切销贯穿剪切短接和配重管，使得剪切短接与配重管连接，配重管上端接触剪切短接，配重管下端固定连接有推力薄壁管，配重管接触中管上的配重管下限位台肩，且配重管被配重管下限位台肩顶住而不能越过；

所述保压球阀翻转密封机构包括球阀管、球阀管上压盖上球阀座、球阀、下球阀座和球阀管下压盖；球阀管上从上至下依次设有球阀翻转驱动插销和球阀管长圆孔和设置在球阀管中空内部的球阀管窗口；球阀上设有球阀轴和球阀翻转滑动槽，球阀上设有用于岩心管穿过的通孔；

球阀管上端与中管的下端连接，球阀管中部设有球阀管长圆孔，位于球阀管长圆孔内的球阀翻转驱动插销固定在球阀管的内壁上，球阀翻转驱动插销伸入至球阀上的球阀翻转滑动槽内；

球阀通过球阀轴固定设置在球阀管上的球阀管窗口内，球阀轴一端连接球阀，另一端伸入至球阀管长圆孔内，且可在球阀管长圆孔内沿轴向方向自由滑动；

球阀管的内部设有上球阀座和下球阀座，上球阀座与球阀管上压盖连接，球阀管上压盖的上端与推力薄壁管的下端连接，上球阀座的下端与球阀接触，下球阀座与球阀管下压盖连接，下球阀座的上端与球阀接触；

保压球阀翻转密封机构的下端连接设有对岩心管进行冲洗的冲洗机构；

保压球阀翻转密封机构与重力管驱动机构及中管连接，且重力管驱动机构可推动保压球阀翻转密封机构的球阀翻转90°。

2.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法,其特征在于：所述步骤2)中，岩心管及贯入刀头贯入地层时受到的阻力与活塞补偿平衡机构的活塞体向下的推力形成动态平衡；钻头进尺切削贯入刀头及岩心管周边地层后，推力平衡被打破。

3.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法,其特征在于：所述步骤2)中，贯入刀头碰到硬质地层时，岩心样品顶着内管总成b向上移动，导致钻井液循环通道先被堵住，随后在活塞补偿平衡机构的活塞体上方形成高压，一方面限制住内管总成b上行的行程范围，避免由于行程过大而对内管总成b的弹卡造成变形失效，另一方面推动活塞体下移，使得钻井液循环通道被重新连通，形成钻井液循环通道堵住-钻井液循环通道连通的循环，从而对地面泥浆泵泵压形成脉冲式冲击，提醒钻探取心操作人员，当前取心地层为硬质地层，需改变钻井参数。

4.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法，其特征在于：所述单动机构包括推力轴承、芯轴、铜套、轴承套、推力轴承和锁紧螺母，芯轴的上端与液压活塞杆的底端螺纹连接，轴承套套设在芯轴上，轴承套与芯轴之间设有铜套，铜套上下两端分别设有上推力轴承和下推力轴承，芯轴的底端设有锁紧螺母，下推力轴承位于锁紧螺母上方。

5.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法，其特征在于：所述活塞体上还设有弹簧腔室，弹簧腔室上下两端分别设有滑阀和弹簧底座，弹簧底座固定设置在活塞体下部，弹簧腔室内部设有弹簧，弹簧安装在弹簧底座上，弹簧的上端与滑阀的下端连接。

6.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法，其特征在于：所述内管总成上设有蓄能器机构，蓄能器机构位于单动机构与密封机构之间，且分别与单动机构和密封机构连接；所述蓄能器机构包括从上至下依次设置的蓄能器阀盖、蓄能室、活塞、蓄能器下端盖、蓄能器压力接头、高压软管和高压腔室测压接头，活塞位于蓄能室内部且可沿着蓄能室轴向移动，活塞与蓄能室结合处设有密封圈，活塞与蓄能器下端盖接触，蓄能器下端盖中部设有轴向通孔，蓄能器压力接头通过高压软管与高压腔室测压接头连接，轴向通孔、蓄能器压力接头、高压软管与高压腔室测压接头连通形成气通路，蓄能器机构位于连接管内部。

7.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法，其特征在于：所述密封机构包括密封接头、压力通道、密封接头密封圈和密封接头台阶，密封接头的上端与连接管的下端连接，且与蓄能器机构连接，密封接头中部设有轴向的压力通道，高压腔室测压接头的下端伸入压力通道，且与压力通道连通，密封接头上套设有密封接头密封圈，密封接头两侧设有密封接头台阶。

8.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法，其特征在于：所述球阀管与上球阀座的贴合处设有上球阀座密封圈，球阀管与下球阀座的贴合处设有下球阀座密封圈；上球阀座上设有缓冲弹簧，缓冲弹簧上下两端分别与球阀管上压盖和上球阀座连接，球阀管上压盖的上端与推力薄壁管的下端连接，上球阀座的下端与球阀接触；下球阀座上设有承重弹簧，承重弹簧上下两端分别与下球阀座和球阀管下压盖连接，下球阀座的上端与球阀接触。

9.根据权利要求1所述的海洋钻探保压取心方法，其特征在于：所述配重管下限位台肩位于配重管上限位台肩的下方，配重管位于中管与岩心管之间，配重管的外壁与中管的内壁间隙配合，配重管与岩心管之间设有间隙，推力薄壁管与中管及推力薄壁管与岩心管之间均设有间隙；岩心管凸肩位于配重管与岩心管之间且处于剪切短接的下方，剪切短接通过配重管上限位台肩悬挂在中管与岩心管之间，从而使得与剪切短接连接的配重管和推力薄壁管也悬挂在中管与岩心管之间。

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