CN109779553A - 一种全封闭岩心取样装置 - Google Patents
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Abstract
一种全封闭岩心取样装置，包括钻具外管、钻具内管和钻头，钻具外管连接钻头，钻具内管连接取心管接头的上部，取心管接头下部连接取样器，取样器包括拦簧座、支撑座、瓣爪和弹簧片，支撑座位于拦簧座内，拦簧座上部与取心管接头螺纹连接，拦簧座内设有支撑台，支撑座位于拦簧座内、由支撑台支撑，所述瓣爪设置数块，各瓣爪外壁固定弹簧片，各瓣爪可相对支撑座开合，各瓣爪闭合状态构成弹头形状的封闭曲面，各瓣爪全开启状态瓣爪挤压弹簧片。本发明针对海洋浅层、淤泥、流沙等流质地层的岩心取样要求而设计，能够获得对“流质”岩心、岩样良好的取心效果，保证流体地层岩心采取率，大大提高流体地层的取芯质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于钻探岩心取样装置，特别是用于海洋浅层、淤泥、流沙等复杂地层的全封闭岩心取样装置。
背景技术
随着海洋钻探领域的拓展，海洋钻探技术对岩心取样的要求也越来越高。在海洋浅层及能源勘探钻井中经常会钻遇到淤泥、水敏、粉砂等难于保证取心(取样)质量的地层。海洋中的地层条件更为复杂恶劣，砂粒更为细小，取出的岩心或岩样常呈现出一种近似于“流体”的形态，称之为“类流质”样岩心。陆地取样装置常用的爪簧对于这样的岩心或岩样因拦挡效果差取心效果十分有限。此外，现有岩心取样装置受到结构设计的影响，在使用过程中爪簧的簧爪会在岩心或岩样通过爪簧时，对岩心或岩样造成较大的扰动，难以取得钻探要求的足量、质量合格的岩心。鉴于此，需要研究新的取样装置，以满足类流质地层的取样要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可有效地防止流质岩样流失、保证流质地层岩心采取率的全封闭岩心取样装置。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种全封闭岩心取样装置，包括钻具外管、钻具内管、取样器和钻头，钻具外管连接钻头，钻具内管连接取心管接头的上部，取心管接头下部连接取样器，取样器包括拦簧座、支撑座、瓣爪和弹簧片，支撑座位于拦簧座内，拦簧座上部与取心管接头螺纹连接，拦簧座内设有支撑台，支撑座由支撑台支撑，所述瓣爪设置数块，各瓣爪外壁固定弹簧片，各瓣爪可相对支撑座开合，各瓣爪闭合状态构成弹头形状的封闭曲面，各瓣爪全开启状态瓣爪挤压弹簧片。
上述全封闭岩心取样装置，各瓣爪根部设有瓣爪安装环，所述支撑座上端面分布支撑座安装环，钢丝转轴穿过各瓣爪安装环和支撑座安装环将各瓣爪与支撑座铰接。
上述全封闭岩心取样装置，瓣爪为金属材质，瓣爪侧边设有刃口，刃口处设有凸起和凹槽，各瓣爪闭合状态相邻瓣爪的凹槽与凸起相互榫合。
上述全封闭岩心取样装置，弹簧片与瓣爪外壁的夹角a为20°-45°。
上述全封闭岩心取样装置，各瓣爪背部设有平槽，弹簧片位于平槽内，弹簧片与瓣爪经铆钉连接。
上述全封闭岩心取样装置，所述钻头内壁设有支撑台阶，支撑台阶为斜面台阶，所述拦簧座设有外卡台，外卡台匹配贴合支撑台阶。
上述全封闭岩心取样装置，支撑座的孔径与拦簧座下部孔径匹配，拦簧座下部孔径不小于钻头工作端的孔径。
上述全封闭岩心取样装置，取样器还包括支撑挡圈，支撑挡圈位于拦簧座内，支撑挡圈的上下端面分别触接取心管接头下端面及支撑座上端面。
上述全封闭岩心取样装置，瓣爪为3-8块；瓣爪闭合状态构成的曲面顶角为90-150°。
本发明针对海洋浅层、淤泥、流沙等流质地层的岩心取样要求而设计，通过花瓣式瓣爪的设置，在岩心、岩样通过时，瓣爪全张开贴近拦簧座内壁，形成的通道内径等于或大于岩心外径，尽可能地减少了对岩心、岩样的扰动；当钻进结束提钻时瓣爪闭合，相邻瓣爪之间没有空隙，实现通道的全封闭，保证获取足量岩心、岩样。此外，本发明钻头水路采用侧孔底喷式，拦簧座外结构与钻头内结构采用吻合设计，能够最大限度地避免冲洗液对岩心的冲蚀，进一步保证了取心质量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是取样器的结构示意图；
图3是取样器的瓣爪闭合状态的示意图；
图4是取样器的瓣爪完全打开状态的示意图；
图5是瓣爪的结构示意图；
图6是图5的后视图；
图7-图9是本发明工作过程示意图。
图中各标号为：1、钻具外管，2、钻具内管，3、取心管接头，4、钻头，4-1、支撑台阶，5、拦簧座，6、支撑挡圈，7、弹簧片，8、瓣爪，8-1、凹槽，8-2、凸起，8-3、平槽，8-4、瓣爪安装环，9、钢丝转轴，10、支撑座，11、外卡台，12、岩心柱。
具体实施方式
参看图1，本发明包括钻具外管1、钻具内管2、钻头4、取心管接头3和取样器。钻具外管下部连接钻头，钻具内管位于钻具外管内，钻具内管连接取心管接头上部。
参看图2-图4，取样器包括拦簧座5、支撑座10、瓣爪8、支撑挡圈6和弹簧片7。拦簧座为空心结构，拦簧座上部与取心管接头的下部螺纹链接，拦簧座内设有支撑台，支撑座为圆筒状，支撑座位于拦簧座内，支撑座底部由支撑台支撑。支撑挡圈位于拦簧座内，支撑挡圈的上下端面分别触接取心管接头下端面及支撑座上端面，支撑挡圈对支撑座轴向限位，避免钻进过程支撑座窜动。瓣爪设置3-8块，各瓣爪外壁固定弹簧片，各瓣爪根部设有瓣爪安装环8-4，支撑座上端面分布支撑座安装环，钢丝转轴9穿过各瓣爪安装环和支撑座安装环将各瓣爪与支撑座铰接。上述结构使各瓣爪可相对支撑座打开或闭合，各瓣爪闭合状态构成如图3所示的弹头形状的封闭曲面，该曲面顶角为90-150°。各瓣爪全开启状态弹簧片受压触接支撑挡圈的内壁，瓣爪呈竖直状态，瓣爪内壁构成的孔径与支撑座的孔径匹配，如图4所示。弹簧片不受压的自然状态下，弹簧片与瓣爪外壁呈夹角a，该角度过大会在瓣爪打开过程弹簧片过早受压而增大瓣爪的打开阻力，对岩心产生扰动；该角度过小则不利于瓣爪开始进行闭合。综合考虑，a的大小控制在20-45°为宜。
参看图5、图6，瓣爪8采用金属材质，为减少瓣爪闭合过程切割岩心的阻力，在瓣爪侧边设有刃口。为保证瓣爪闭合状态相邻瓣爪之间密和，避免流质岩心泄漏，在瓣爪的刃口处设有凸起8-2和凹槽8-1，各瓣爪闭合状态相邻瓣爪的凹槽与凸起相互榫合。各瓣爪背部设有平槽8-3，弹簧片位于平槽内，弹簧片经铆钉连接。弹簧片展开长度要低于瓣爪顶部。
参看图1，钻头内壁设有支撑台阶，支撑台阶为斜面台阶，拦簧座设有外卡台11，外卡台匹配接近贴合支撑台阶。该结构使冲洗液从钻头侧面通道通过，而非流经钻头内部环隙，最大程度避免了冲洗液对岩心的冲蚀，进一步保证了取心质量。支撑座的孔径与拦簧座下部孔径匹配，拦簧座下部孔径不小于钻头工作端的孔径。这样，当瓣爪全张开时，取样器形成的通道内径等于或大于岩心外径，尽可能地减少了对岩心的扰动，保证岩心的完整。
参看图7-图9，本发明的工作过程如下：进行钻进时，随着钻头回转向下切削，形成的岩心柱12向上推动瓣爪，瓣爪在此推力作用下绕钢丝转轴张开一定角度，如图7所示；随着钻进向下进程，瓣爪逐渐打开，弹簧片受迫变形储存弹性势能，直至瓣爪贴紧支撑挡圈内壁，如图8所示；回次钻进结束需采取岩心或岩样，当钻具提离孔底时，瓣爪组件在变形弹簧片作用下有向内闭合的趋势，随着钻具的提升，岩心柱对于钻具内管有相对运动，该相对运动使岩心柱进一步压迫瓣爪，瓣爪上的刃口能较为容易地切入并最终截断岩心柱，之后瓣爪完全封闭，如图9所示。瓣爪的紧密闭合状态能有效地防止流质岩样的流失，从而保证此类地层下岩心采取率。
Claims (9)
1.一种全封闭岩心取样装置，包括钻具外管(1)、钻具内管(2)、取样器和钻头(4)，钻具外管连接钻头，钻具内管连接取心管接头(3)的上部，取心管接头下部连接取样器，其特征在于：取样器包括拦簧座(5)、支撑座(10)、瓣爪(8)和弹簧片(7)，支撑座位于拦簧座内，拦簧座上部与取心管接头螺纹连接，拦簧座内设有支撑台，支撑座由支撑台支撑，所述瓣爪设置数块，各瓣爪外壁固定弹簧片，各瓣爪可相对支撑座开合，各瓣爪闭合状态构成弹头形状的封闭曲面，各瓣爪全开启状态瓣爪挤压弹簧片。
2.根据权利要求1所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：各瓣爪根部设有瓣爪安装环(8-4)，所述支撑座上端面分布支撑座安装环，钢丝转轴(9)穿过各瓣爪安装环和支撑座安装环将各瓣爪与支撑座铰接。
3.根据权利要求2所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：瓣爪为金属材质，瓣爪侧边设有刃口，刃口处设有凸起(8-2)和凹槽(8-1)，各瓣爪闭合状态相邻瓣爪的凹槽与凸起相互榫合。
4.根据权利要求3所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：弹簧片与瓣爪外壁的夹角a为20°-45°。
5.根据权利要求4所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：各瓣爪背部设有平槽(8-3)，弹簧片位于平槽内，弹簧片与瓣爪经铆钉连接。
6.根据权利要求5所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：所述钻头内壁设有支撑台阶，支撑台阶为斜面台阶，所述拦簧座设有外卡台(11)，外卡台匹配贴合支撑台阶。
7.根据权利要求6所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：支撑座的孔径与拦簧座下部孔径匹配，拦簧座下部孔径不小于钻头工作端的孔径。
8.根据权利要求7所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：取样器还包括支撑挡圈(6)，支撑挡圈位于拦簧座内，支撑挡圈的上下端面分别触接取心管接头下端面及支撑座上端面。
9.根据权利要求8所述的全封闭岩心取样装置，其特征在于：瓣爪为3-8块；瓣爪闭合状态构成的曲面顶角为90°-150°。
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