CN111058842A - 一种海洋自给进式取样钻具及取样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋自给进式取样钻具及取样方法，属于海洋取样技术领域，钻具包括外管总成和内管总成，所述内管总成活动套接于外管总成的内部并通过弹卡固定，所述外管总成的一端具有钻头，位于钻头的同侧，所述内管总成一端具有切入刀头，外管总成和内管总成固定后，所述切入刀头通过内管总成内置的螺杆马达转子驱动回转并切入地层获取岩心。本发明采用螺杆马达自给进的方式，避免钻杆和钻头的回转，通过钻井液的能量来驱动超前取心筒回转来获取岩心，最大限度的降低对岩心的冲泡、扰动，且避免了静压“桩效应”对岩心品质的影响。

Description

一种海洋自给进式取样钻具及取样方法
技术领域
本发明型涉及海洋取样技术领域，具体涉及一种海洋自给进式取样钻具及取样方法。
背景技术
近几年随着海洋经济的崛起，各种资源开发、港口建设、环境调查等工作的大面积铺开，近海范围内的钻探取样工作也逐年增加，同时由于工程和地质研究的需要，海底地层样品的原位保真度要求也越来越高，目前的取样方式已经越来越滞后于时代发展的需求，且没有一种普适的取样钻具能够包揽所有地层取样。
为此，根据实际工作需要开发有针对性的特种取样钻具是一种有效的技术手段。当前采用的取样方式多为提钻取心或直接把陆地上的绳索取样器具转移到海上使用，由于地层的差别和取样要求的不同，导致这样的取样效果往往不理想。本发明就是针对软弱且粘性较大的沉积层取样开展技术创新，着力解决钻井液对岩心的冲泡、取心率低等技术难题。
发明内容
本发明的目的是针对海底软弱地层的地(低)扰动取样，提供一种海洋自给进式取样钻具及取样方法，采用螺杆马达自给进的方式，避免钻杆和钻头的回转，通过钻井液的能量来驱动超前取心筒回转来获取岩心，最大限度的降低对岩心的冲泡、扰动，且避免了静压“桩效应”对岩心品质的影响。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明首先提供了一种海洋自给进式取样钻具，包括外管总成和内管总成，所述内管总成活动套接于外管总成的内部并通过弹卡固定，所述外管总成的一端具有钻头，位于钻头的同侧，所述内管总成一端具有切入刀头，外管总成和内管总成固定后，所述切入刀头通过内管总成内置的螺杆马达转子驱动回转并切入地层获取岩心；
进一步地，所述内管总成包括螺杆马达定子和活动伸缩于螺杆马达定子内的螺杆马达转子，所述螺杆马达定子内部形成有双螺旋腔体，所述螺杆马达转子采用单螺旋结构，通过向螺杆马达定子内注入钻井液驱动螺杆马达转子回转并向下运动；
进一步地，所述内管总成由打捞组件、弹卡、进水管、悬挂环、螺杆马达定子、螺杆马达转子、导向杆、止动接头、回水接头、调节螺母、调节接头、取样筒、爪簧和切入刀头组成；打捞组件连接在弹卡管的上端，进水管连接在弹卡管的下端，悬挂环套装于进水管和螺杆马达定子连接螺纹外；所述螺杆马达定子的上端依次与进水管和打捞组件连接，最终通过弹卡实现固定在外管总成内，并承受螺杆马达转子在转动过程中产生的反扭矩；所述螺杆马达转子的下端依次与回水接头、调节螺母、调节接头、取样筒、爪簧和切入刀头连接，驱动切入刀头回转并切入地层获取岩心；
进一步地，所述悬挂环上放置有密封圈，密封圈与外管总成的内孔配合；
进一步地，所述外管总成由弹卡挡头、弹卡室、座环、连接管、扶正环、扩孔器、钻头组成，其中弹卡挡头、弹卡室、连接管、扩孔器和钻头依次通过螺纹连接，座环嵌装于弹卡室和连接管之间的螺纹中，扶正环嵌装于连接管和扩孔器连接螺纹内；
进一步地，所述座环上形成有内孔。
本发明的另一目的是：提供一种使用上述海洋自给进式取样钻具的取样方法，包括以下步骤：
S1、先将外管总成随着钻杆下放到海底泥线附近；
S2、然后将内管总成投放到钻杆的内孔中自由下落，直至内管总成上的悬挂环坐落于座环的内台阶上，此时弹卡张开，并卡固在弹卡室内；
S3、然后向钻杆内孔泵入钻井液，此时钻杆不回转，当钻井液在特定的流道设计下进入螺杆马达转子，驱动其回转并向下运动，进而将取样筒钻进至地层中，获取岩心；
S4、当螺杆马达转子向下运动到导向杆的上端凸台与止动接头的上台阶接触时，此时达到螺杆马达的极限行程，无法再向下钻进；
S5、最后通过绳索打捞的方式将内管总成提拉到钻探船上获取岩心。
具体地，使用上述的海洋自给进式取样钻具的取样方法中，步骤S3所述的钻井液的特定流道为：弹卡挡头、弹卡室与打捞组件的环状间隙→进水管内孔→螺杆马达转子→螺杆马达定子下端与导向杆之间的环状间隙→止动接头和回水接头的间隙→外管总成下端和内管总成下端的环状间隙→钻头流出。
本发明的有益效果是：
本发明的海洋自给进式取样钻具，采用螺杆马达自给进的方式，在取样过程中，由螺杆马达转子带动相关零部件回转取心，外管总成并不回转，避免钻杆和钻头的回转，通过钻井液的能量来驱动超前取心筒回转来获取岩心，最大限度的降低对岩心的冲泡、扰动，且能避免静压取样造成的挤压效应，有助于获取高质量岩心，同时螺杆马达充分利用了钻井液的能量，不需要额外提供能量，钻具结构简单。
本发明的海洋自给进式取样方法，主要是针对海底软弱地层的地扰动取样，通过钻井液驱动自给进式取样钻具中的螺杆马达转动，从而推动超前取样筒切入海底沉积层，避免了钻井液对岩心的冲蚀。同时结合绳索打捞技术实现取样的快钻快提，有效提高了钻井效率，在解决软弱黏土层取样方面提供了一种新的方法手段。
附图说明
图1为本发明的海洋自给进式取样钻具的结构示意图。
图2为本发明的海洋自给进式取样钻具内管总成的结构示意图。
图3为本发明的海洋自给进式取样钻具内管总成取样示意图。
附图标记说明：
1外管总成、1-1弹卡挡头、1-2弹卡室、1-3座环、1-4连接管、1-5扶正环、1-6扩孔器、1-7钻头；
2内管总成、2-1打捞组件、2-2弹卡、2-3进水管、2-4悬挂环、2-5螺杆马达定子、2-6螺杆马达转子、2-7导向杆、2-8止动接头、2-9回水接头、2-10调节螺母、2-11调节接头、2-12取样筒、2-13爪簧、2-14切入刀头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明的一种海洋自给进式取样钻具，包括外管总成1和内管总成2，所述内管总成2活动套接于外管总成1的内部并通过弹卡2-2固定，所述外管总成1的一端具有钻头1-7，位于钻头1-7的同侧，所述内管总成2一端具有切入刀头2-14，外管总成1和内管总成2固定后，所述切入刀头2-14通过内管总成2内置的螺杆马达转子2-6驱动回转并切入地层获取岩心。
其中，如图1所示，所述外管总成1由弹卡挡头1-1、弹卡室1-2、座环1-3、连接管1-4、扶正环1-5、扩孔器1-6、钻头1-7组成，其中弹卡挡头1-1、弹卡室1-2、连接管1-4、扩孔器1-6和钻头1-7依次通过螺纹连接，座环1-3嵌装于弹卡室1-2和连接管1-4之间的螺纹中，扶正环1-5嵌装于连接管1-4和扩孔器1-6连接螺纹内。所述座环1-3上形成有内孔。
如图2所示，所述内管总成2包括螺杆马达定子2-5和活动伸缩于螺杆马达定子2-5内的螺杆马达转子2-6，所述螺杆马达定子2-5内部形成有双螺旋腔体，所述螺杆马达转子2-6采用单螺旋结构，通过向螺杆马达定子2-5内注入钻井液驱动螺杆马达转子2-6回转并向下运动。
具体地，所述内管总成2由打捞组件2-1、弹卡2-2、进水管2-3、悬挂环2-4、螺杆马达定子2-5、螺杆马达转子2-6、导向杆2-7、止动接头2-8、回水接头2-9、调节螺母2-10、调节接头2-11、取样筒2-12、爪簧2-13和切入刀头2-14组成。
打捞组件2-1连接在弹卡管的上端，进水管2-3连接在弹卡管的下端，悬挂环2-4套装于进水管2-3和螺杆马达定子2-5连接螺纹外；所述悬挂环2-4上放置有密封圈2-4-1，密封圈2-4-1与外管总成1的座环1-3内孔配合，促使钻井液通过进水管2-3进入到螺杆马达转子2-6中，实现钻井液流道改变，推动螺杆马达转子2-6转动。
钻井液的流道为：弹卡挡头1-1、弹卡室1-2与打捞组件2-1的环状间隙→进水管2-3内孔→螺杆马达转子2-6→螺杆马达定子2-5下端与导向杆2-7之间的环状间隙→止动接头2-8和回水接头2-9的间隙→外管总成1下端和内管总成2下端的环状间隙→钻头流出。
所述螺杆马达定子2-5的上端依次与进水管2-3和打捞组件2-1连接，最终通过弹卡2-2实现固定在外管总成内，并承受螺杆马达转子2-6在转动过程中产生的反扭矩；所述螺杆马达转子2-6的下端依次与回水接头2-9、调节螺母2-10、调节接头2-11、取样筒2-12、爪簧2-13和切入刀头2-14连接，驱动切入刀头2-14回转并切入地层获取岩心。
参看图1、图2和图3，关于上述海洋自给进式取样钻具的使用方法，包括以下步骤：
S1、先将外管总成1随着钻杆下放到海底泥线附近；
S2、然后将内管总成2投放到钻杆的内孔中自由下落，直至内管总成2上的悬挂环2-4坐落于座环1-3的内台阶上，此时弹卡2-2张开，并卡固在弹卡室1-2内；
S3、然后向钻杆内孔泵入钻井液，此时钻杆不回转，当钻井液在特定的流道设计下进入螺杆马达转子2-6，驱动其回转并向下运动，进而将取样筒钻进至地层中，获取岩心；
S4、当螺杆马达转子2-6向下运动到导向杆2-7的上端凸台与止动接头2-8的上台阶接触时，此时达到螺杆马达的极限行程，无法再向下钻进；
S5、最后通过绳索打捞的方式将内管总成2提拉到钻探船上获取岩心。根据岩心的长度，回转钻杆向下钻进，直至取心位置，接着投放内管总成2重复上述的取心动作。
在取样过程中，由螺杆马达转子带动相关零部件回转取心，外管总成并不回转，能有效避免钻井液对岩心的冲泡，且能避免静压取样造成的挤压效应，有助于获取高质量岩心，同时螺杆马达充分利用了钻井液的能量，不需要额外提供能量，钻具结构简单，使用工艺成熟，在解决软弱黏土层取样方面提供了一种新的方法手段。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种海洋自给进式取样钻具，其特征在于：包括外管总成(1)和内管总成(2)，所述内管总成(2)活动套接于外管总成(1)的内部并通过弹卡(2-2)固定，所述外管总成(1)的一端具有钻头(1-7)，位于钻头(1-7)的同侧，所述内管总成(2)一端具有切入刀头(2-14)，外管总成(1)和内管总成(2)固定后，所述切入刀头(2-14)通过内管总成(2)内置的螺杆马达转子(2-6)驱动回转并切入地层获取岩心。
2.根据权利要求1所述的海洋自给进式取样钻具，其特征在于：所述内管总成(2)包括螺杆马达定子(2-5)和活动伸缩于螺杆马达定子(2-5)内的螺杆马达转子(2-6)，所述螺杆马达定子(2-5)内部形成有双螺旋腔体，所述螺杆马达转子(2-6)采用单螺旋结构，通过向螺杆马达定子(2-5)内注入钻井液驱动螺杆马达转子(2-6)回转并向下运动。
3.根据权利要求2所述的海洋自给进式取样钻具，其特征在于：所述内管总成(2)由打捞组件(2-1)、弹卡(2-2)、进水管(2-3)、悬挂环(2-4)、螺杆马达定子(2-5)、螺杆马达转子(2-6)、导向杆(2-7)、止动接头(2-8)、回水接头(2-9)、调节螺母(2-10)、调节接头(2-11)、取样筒(2-12)、爪簧(2-13)和切入刀头(2-14)组成；打捞组件(2-1)连接在弹卡管的上端，进水管(2-3)连接在弹卡管的下端，悬挂环(2-4)套装于进水管(2-3)和螺杆马达定子(2-5)连接螺纹外；所述螺杆马达定子(2-5)的上端依次与进水管(2-3)和打捞组件(2-1)连接，最终通过弹卡(2-2)实现固定在外管总成内，并承受螺杆马达转子(2-6)在转动过程中产生的反扭矩；所述螺杆马达转子(2-6)的下端依次与回水接头(2-9)、调节螺母(2-10)、调节接头(2-11)、取样筒(2-12)、爪簧(2-13)和切入刀头(2-14)连接，驱动切入刀头(2-14)回转并切入地层获取岩心。
4.根据权利要求3所述的海洋自给进式取样钻具，其特征在于：所述悬挂环(2-4)上放置有密封圈(2-4-1)，密封圈(2-4-1)与外管总成的内孔配合。
5.根据权利要求4所述的海洋自给进式取样钻具，其特征在于：所述外管总成(1)由弹卡挡头(1-1)、弹卡室(1-2)、座环(1-3)、连接管(1-4)、扶正环(1-5)、扩孔器(1-6)、钻头(1-7)组成，其中弹卡挡头(1-1)、弹卡室(1-2)、连接管(1-4)、扩孔器(1-6)和钻头(1-7)依次通过螺纹连接，座环(1-3)嵌装于弹卡室(1-2)和连接管(1-4)之间的螺纹中，扶正环(1-5)嵌装于连接管(1-4)和扩孔器(1-6)连接螺纹内。
6.根据权利要求5所述的海洋自给进式取样钻具，其特征在于：所述座环(1-3)上形成有内孔。
7.使用权利要求6所述的海洋自给进式取样钻具的取样方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、先将外管总成(1)随着钻杆下放到海底泥线附近；
S2、然后将内管总成(2)投放到钻杆的内孔中自由下落，直至内管总成(2)上的悬挂环(2-4)坐落于座环(1-3)的内台阶上，此时弹卡(2-2)张开，并卡固在弹卡室(1-2)内；
S3、然后向钻杆内孔泵入钻井液，此时钻杆不回转，当钻井液在特定的流道设计下进入螺杆马达转子(2-6)，驱动其回转并向下运动，进而将取样筒钻进至地层中，获取岩心；
S4、当螺杆马达转子(2-6)向下运动到导向杆(2-7)的上端凸台与止动接头(2-8)的上台阶接触时，此时达到螺杆马达的极限行程，无法再向下钻进；
S5、最后通过绳索打捞的方式将内管总成(2)提拉到钻探船上获取岩心。
8.根据权利要求7所述的海洋自给进式取样钻具的取样方法，其特征在于：步骤S3所述的钻井液的特定流道为：弹卡挡头(1-1)、弹卡室(1-2)与打捞组件(2-1)的环状间隙→进水管(2-3)内孔→螺杆马达转子(2-6)→螺杆马达定子(2-5)下端与导向杆(2-7)之间的环状间隙→止动接头(2-8)和回水接头(2-9)的间隙→外管总成(1)下端和内管总成(2)下端的环状间隙→钻头流出。
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