CN111155950A - 一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，属于地质、科学钻探取心领域，所述岩心套设置在岩心与岩心管之间的环空间隙内，该岩心套包括岩心包裹套和岩心包裹套的自锁、互锁机构，岩心包裹套的材质摩擦系数小以及每一层岩心包裹套的长度较岩心管短减少了岩心与岩心包裹套的摩擦力，降低了岩心进入岩心包裹套的阻力，避免了绳索取心钻进中的堵管现象；岩心包裹套的自锁、互锁机构使岩心包裹套按照其直径由小到大的顺序进行，一层岩心包裹套取心完成后触发解锁机构，下一层岩心包裹套才能继续取心，不会出现由于大直径岩心包裹套率先取心后导致破碎岩心不能进入小直径岩心包裹套，使得小直径岩心包裹套不能够完成取心的目的。

Description

一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套

技术领域

本发明属于科学钻探和地质钻探领域，具体涉及一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套。

背景技术

随着科学和地质取心钻探技术的不断发展，钻进效率在不断的提高，但取心的满筒率是决定钻探效率的关键因素之一。理想钻探取心钻进，岩心经过钻头、卡簧进入取心筒内管，由下至上直到取心筒内管的上顶面。取心筒内管与岩心之间有一定的间隙，尽管岩心与取心筒内管之间的摩擦力较小，但岩心受到摩擦力的方向与岩心在取心筒内管中的运动方向相反。当钻遇破碎地层时，岩心有不完整，一些岩心碎屑会进入取心筒内管与岩心间的间隙中，从而发生局部摩擦力急剧增大，当达到一定值时便导致堵心，此时往往只能停止钻进开始取心作业，耗时耗力耗费用。即使在完整地层取心钻进，若工艺处理出现偏差(如孔底循环不彻底等)，偶尔也会出现堵心不能满筒取心的情况。而且，在正常的钻探取心中，这种因堵心不能满筒取心钻进的情况占整个钻进取心次数的40％以上。一般情况，在钻进破碎地层时，往往每进尺50cm～100cm就会发生堵心现象而不能继续钻进。通常单根岩心管的长度是3m，一旦发生堵心，不管单次进尺多深都得提取岩心，极大的影响了钻进效率，且孔深越深影响越大，钻进的辅助时间越长，成本越高。因此，发明能够解决破碎地层钻进的岩心管堵塞难题，将会大大提高钻进效率，降低钻进成本，降低人工劳动强度，节约能源。但目前，国内外对岩心管岩心卡堵难题的研究较少，还没有相关研究的报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种针对取心困难、堵心事故频发地层能顺利取心的岩心套，以保证取心流畅，不出现“堵心”现象，以达到即使在破碎地层中也能满筒取心，从而减少取心次数，增加纯钻进时间，提高钻进效率，减少劳动强度，缩短工期，节约钻进成本。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述岩心套设置在岩心与岩心管之间的环空间隙内，岩心套包括第一岩心包裹套、第二岩心包裹套、第三岩心包裹套、限位凸台、限位凹槽、岩心限位盖、锁紧限位弹块、机关触发弹块、锁紧限位弹性体、机关触发弹性体、锁紧限位盲孔、机关触发盲孔、贯通孔、限位盲孔及圆角，所述第一岩心包裹套、第二岩心包裹套及第三岩心包裹套均为两端开口的圆筒形结构，第一岩心包裹套、第二岩心包裹套及第三岩心包裹套同轴且从内向外依次层叠布置，第一岩心包裹套和第二岩心包裹套的外侧壁下端均设置有向外凸起的限位凸台，第二岩心包裹套和第三岩心包裹套的内侧壁上均开设有与限位凸台滑动配合的限位凹槽，限位凹槽纵向布置，限位凹槽的上端封闭，下端贯通；所述岩心限位盖设置在第一岩心包裹套的顶部开口处，岩心限位盖的中部开有贯穿开口；所述锁紧限位盲孔开设在第三岩心包裹套的内壁上部，且沿第三岩心包裹套的径向布置；所述锁紧限位弹性体设置在锁紧限位盲孔内部且与锁紧限位盲孔的孔底固定连接；所述锁紧限位弹块设置在锁紧限位盲孔内部并与锁紧限位弹性体相连，锁紧限位弹块和锁紧限位弹性体的中心线共线；所述机关触发盲孔开设在第一岩心包裹套的外壁下部，且沿第一岩心包裹套的径向布置；所述机关触发弹性体的弹性系数为锁紧限位弹性体的弹性系数1.5倍或大于1.5倍；机关触发弹性体设置在机关触发盲孔内部且与机关触发盲孔的孔底固定连接；所述机关触发弹块设置在机关触发盲孔内部并与机关触发弹性体相连，机关触发弹块和机关触发弹性体的中心线共线；所述贯通孔沿径向开设在第二岩心包裹套上部；所述盲孔设置在第二岩心包裹套外侧壁下部；在每一个盲孔、贯通孔和机关触发弹块的边缘及第一岩心包裹套下端均设置有圆角；

所有岩心包裹套处于锁紧状态时，盲孔与机关触发盲孔位置正对，贯通孔和锁紧限位盲孔位置正对。

进一步，所述第一岩心包裹套、第二岩心包裹套及第三岩心包裹套的长度均小于岩心管。

进一步，所述第一岩心包裹套、第二岩心包裹套及第三岩心包裹套为表面镀有金刚石膜或石墨烯膜的钢管。

进一步，所述岩心限位盖与第一岩心包裹套可拆卸地固定连接。

进一步，所述岩心限位盖与第一岩心包裹套一体成型或通过焊接固定连接。

进一步，所述第一岩心包裹套和第三岩心包裹套数量均为一个，第二岩心包裹套的数量至少一个。

进一步，所述锁紧限位弹性体为弹簧或弹片。

进一步，所述机关触发弹性体为弹簧或弹片。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，该岩心套包括岩心包裹套和岩心包裹套的自锁、互锁机构两大部分，岩心包裹套的表面材质摩擦系数小以及每一层岩心包裹套的长度较岩心管短，减少了岩心与岩心包裹套的摩擦力，大大降低了岩心进入岩心包裹套的阻力。避免了绳索取心钻进中的“堵心”现象；岩心包裹套的自锁、互锁机构使岩心包裹套按照其直径由小到大的顺序进行，一层岩心包裹套取心完成后触发解锁机构，下一层岩心包裹套才能继续取心，不会出现由于大直径岩心包裹套率先取心导致破碎岩心不能进入小直径岩心包裹套，使得小直径岩心包裹套不能够完成取心的目的，与现有的钻进技术相比，本发明提出的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，在不同地层进行钻进即使是破碎地层，也可实现满筒取心，也可根据地层破碎情况来确定岩心包裹套的数量，岩心包裹套采用高强度，耐磨性好，摩擦系数小的材料制作或者镀摩擦系数小、强度大的膜，在现有的取心钻进的结构上充分利用岩石与岩心管之间的环空间隙对岩心进行包裹，同时岩心与岩心包裹套的摩擦力因为其材质的摩擦系数小使得摩擦力极小，对岩心的阻力极小小，岩心进入岩心包裹套相对于岩心管更易于进入。使在绳索取心钻探领域不再出现“堵心”现象。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例中三个岩心包裹套自锁、互锁机构轴向剖面示意图。

图2是本发明实施例中三个岩心包裹套限位凸台与限位凹槽配合轴向剖面示意图。

图3是本发明实施例中三个岩心包裹套限位凸台与限位凹槽位置分布横向剖面示意图。

图4是本发明实施例中三个岩心包裹套限位机构解锁第二岩心包裹套开始伸出轴向剖面示意图。

图5是本发明实施例中三个岩心包裹套限位机构解锁第三岩心包裹套开始伸出轴向剖面示意图。

图中各标记如下：1-第一岩心包裹套，2-第二岩心包裹套，3-第三岩心包裹套，4-限位凸台，5-限位凹槽，6-凹槽限位面，7-岩心限位盖，8-锁紧限位弹块，9-机关触发弹块，10-锁紧限位弹性体，11-机关触发弹性体，12-锁紧限位盲孔，13-机关触发盲孔，14-贯通孔，15-盲孔，16-圆角。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，限定有第一”、“第二”、“第三”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如上、下、内、外、顶等位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

本发明所提供的一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套与传统的绳索取心钻具配合，利用岩心与岩心管之间的环空间隙，采用高强度，高耐磨性，摩擦系数小的材料将破碎岩心包裹的同时将破碎岩心与岩心管隔离，利用摩擦系数小的材料与破碎岩心接触，同时又将整个岩心管路径分成几份，减小摩擦力的同时缩短摩擦路径。另外本发明还设计了岩心包裹套逐级单动的自锁、互锁机构。

如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，所述岩心套设置在岩心与岩心管之间的环空间隙内，岩心套包括第一岩心包裹套1、第二岩心包裹套2、第三岩心包裹套3、限位凸台4、限位凹槽5、岩心限位盖7、锁紧限位弹块8、机关触发弹块9、锁紧限位弹性体10、机关触发弹性体11、锁紧限位盲孔12、机关触发盲孔13、贯通孔14、限位盲孔15及圆角16，

所述第一岩心包裹套1、第二岩心包裹套2及第三岩心包裹套3均为两端开口的圆筒形结构，第一岩心包裹套1、第二岩心包裹套2及第三岩心包裹套3同轴且从内向外依次层叠布置，第一岩心包裹套1、第二岩心包裹套2及第三岩心包裹套3的长度均小于岩心管，减少了岩心与岩心包裹套的摩擦力，其中第二岩心包裹套2的个数至少一个；第一岩心包裹套1、第二岩心包裹套2及第三岩心包裹套3的材质选用强度高、耐磨性好、摩擦系数小的材料。因为在取心钻进中，岩心与岩心管之间的环空间隙较小，为了满足现有技术的要求以及与现有钻进工具进行配套，岩心包裹套需要做的相对薄一些，因此要求其所用材料具有高强度、耐磨性好、摩擦系数小等特点，如立方氮化硼，石墨烯，或者是在钢材表面镀膜，金刚石膜，石墨烯膜等，隔离了破碎岩心与岩心管之间的接触，利用摩擦系数小的材料与破碎岩心进行滑动摩擦，减小了摩擦阻力。同时利用多个岩心包裹套来实现减小摩擦路径，实现破碎岩心的钻取。各个岩心包裹套取心的先后顺序是固定的：直径最小的第一岩心包裹套1先取心，然后按各岩心包裹套的直径从小到大依次进行，避免大直径岩心包裹套先取心而导致小直径岩心包裹套不能取心的问题，多个岩心包裹套逐级单动原理，采用大直径岩心包裹套锁紧比其直径小一级岩心包裹套，小直径岩心包裹套解锁比其直径大一级岩心包裹套的原理，一层岩心包裹套工作完成才会触发解锁机构解锁下一级岩心包裹套，不会出现破碎岩心率先进入大直径岩心包裹套的情况，岩心包裹套的个数可以根据地层破碎情况以及所用材料的摩擦系数来确定，地层一般破碎时可以是三个岩心包裹套，地层比较破碎时可以是四个或者五个岩心包裹套，以此类推可以是n个。随着地层的破碎也可以减小岩心包裹套的摩擦系数；各层岩心包裹套的厚度一般根据其材料性能确定，但是要根据具体钻进情况而定。

所述第一岩心包裹套1和第二岩心包裹套2的外侧壁下端均设置有向外凸起的限位凸台4，第二岩心包裹套2和第三岩心包裹套3的内侧壁上均开设有与限位凸台4滑动配合的限位凹槽5，限位凸台4和限位凹槽5一一对应，限位凹槽5纵向布置，限位凹槽5的上端封闭，下端贯通，限位凹槽5的内顶面即为凹槽限位面6，限位凸台4和限位凹槽5相互配合限制岩心包裹套之间的相互转动，使得解锁机构位置精确，且使各个岩心包裹套相连，不相互脱离；限位凸台4在限位凹槽5中滑动当到达凹槽限位面6时，在这一瞬间机关触发，然后随着钻进的进行，岩心包裹套伸出；

所述岩心限位盖7设置在第一岩心包裹套1的顶部开口处，岩心限位盖7与第一岩心包裹套1可拆卸地固定连接，或者，岩心限位盖7与第一岩心包裹套1一体成型或通过焊接固定连接；岩心限位盖7的中部开有贯穿开口；岩心限位盖7用于防止岩心到达第一岩心包裹套1的顶端而溢出，同时岩心限位盖7具有贯穿开口避免因压缩空气而阻碍岩心的进入；岩心限位盖7的贯穿开口大小根据具体情况而定；

所述锁紧限位盲孔12开设在第三岩心包裹套3的内壁上部，且沿第三岩心包裹套3的径向布置；所述锁紧限位弹性体10为弹簧或弹片，锁紧限位弹性体10设置在锁紧限位盲孔12内部且与锁紧限位盲孔12的孔底固定连接；所述锁紧限位弹块8设置在锁紧限位盲孔12内部并与锁紧限位弹性体10相连，锁紧限位弹块8和锁紧限位弹性体10的中心线共线；所述机关触发盲孔13开设在第一岩心包裹套1的外壁下部，且沿第一岩心包裹套1的径向布置；所述机关触发弹性体11为弹簧或弹片，机关触发弹性体11设置在机关触发盲孔13内部且与机关触发盲孔13的孔底固定连接；所述机关触发弹块9设置在机关触发盲孔13内部并与机关触发弹性体11相连，机关触发弹块9和机关触发弹性体11的中心线共线；所述贯通孔14沿径向开设在第二岩心包裹套2上部；所述盲孔15设置在第二岩心包裹套2外侧壁下部；在每一个盲孔15、贯通孔14和机关触发弹块9的边缘及第一岩心包裹套1下端均设置有圆角；

所述锁紧限位弹块8、机关触发弹块9、锁紧限位弹性体10、机关触发弹性体11、锁紧限位盲孔12、机关触发盲孔13及贯通孔14构成岩心套的锁紧及解锁结构，锁紧限位弹性体10在锁紧限位盲孔12中处于原长状态使锁紧限位弹块8一部分处于第二岩心包裹套2中，另一部分处在第三岩心包裹套3中，第三岩心包裹套3利用锁紧限位弹块8锁紧第二岩心包裹套2，每层岩心包裹套都有至少三个锁紧限位弹块8，且至少三个锁紧限位弹块8分布均匀，使每层岩心包裹套受力均匀，使整个机构运动平稳。在钻进过程中，岩心随着钻杆的下移进入岩心包裹套，岩心包裹套因为锁紧及解锁机构而产生了先后运动顺序，岩心装满第一岩心包裹套1后，由于其他岩心包裹套是锁紧的所以其率先伸出。当到达第一岩心包裹套1的极限也就是限位凸台4与凹槽限位面6相接触时，处于机关触发盲孔13中的处于压缩状态的机关触发弹性体11在恢复原长的过程中带动机关触发弹块9进入第二岩心包裹套2上的贯通孔14与锁紧限位弹块8相互碰撞，这里机关触发弹性体11的弹性系数是锁紧限位弹性体10的弹性系数1.5倍或大于1.5倍，在碰撞过程中机关触发弹性体11所释放的能量克服弹块的摩擦产生的无用功，以及碰撞中的能量损失最后将锁紧限位弹性体10压缩，在这弹块顶替一瞬间岩心随着岩心管的下移带动第二岩心包裹套2向上伸出，完成解锁。

所述盲孔15是为了让第一岩心包裹套1实现自锁、自解锁功能。机关触发弹块9在被压缩的机关触发弹性体11的作用下嵌入盲孔15中实现自锁，使得在岩心充满第一岩心包裹套1之前都不会发生位置变化，即岩心最开始只会进入第一岩心包裹套1，不会进入第二岩心包裹套2。当岩心完全充满第一岩心包裹套1后，随着岩心不断的进入产生压力，盲孔15与机关触发弹块9前端均是圆角16，所以在该压力下就会实现第一岩心包裹套1的自解锁。进入1第一岩心包裹套1的伸长过程。

请参阅图1、图4及图5，本发明提出的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其随钻进的进行工作过程分为三个阶段：

第一阶段：第一岩心包裹套1自锁岩心进入过程，盲孔15与机关触发盲孔13正对，机关触发弹块9一侧置于盲孔15内，另一侧与机关触发弹性体11接触；机关触发弹性体11处于压缩状态，第一岩心包裹套1在机关触发弹性体11、机关触发弹块9和第二岩心包裹套2上的盲孔15的共同作用下实现自锁，此过程一直到第一岩心包裹套1内装满岩心；

第二阶段：第一岩心包裹套1解锁，岩心进入第二岩心包裹套2过程，位于机关触发弹块9前端的圆角16与盲孔15的圆角16形成的自锁在一定大的力的情况下也就是岩心管随着钻进的进行持续下移，岩心相对于岩心包裹套产的向上的力；机关触发弹性体11就会在圆角16的曲面产生侧向压力下被完全压缩，自我解锁，使第一岩心包裹套1伸出，当第一阶段结束，第一岩心包裹套1依靠限位凸台4和限位凹槽5的配合带动第二岩心包裹套2随着岩心的进入而伸长，一直到其伸长极限即第二岩心包裹套2的限位凸台4与第三岩心包裹套3的限位凹槽5接触；

第三阶段：岩心包裹套解锁阶段，第二阶段的结束伴随着第三阶段的开始，至少三个处于机关触发盲孔13中的处于压缩状态的机关触发弹性体11在恢复原长的过程中带动机关触发弹块9进入第二岩心包裹套2上的贯通孔14与锁紧限位弹块8相互碰撞，在碰撞过程中机关触发弹性体11所释放的能量克服弹块的摩擦产生的无用功，以及碰撞中的能量损失最后将锁紧限位弹性体10压缩，在这弹块顶替一瞬间岩心带动被刚刚解锁的岩心包裹套向上伸出，完成解锁；

如此第二、第三阶段交替出现，直到岩心包裹套全部伸出为止。

本发明在将岩心管取出孔底后，岩心套会在岩心管内部随着岩心管一起回到地面。在取岩心时，只需要将本发明的岩心套从岩心管内部取出，然后按压锁紧限位机构几个部位，将岩心套逐级按压，如从图5开始按压上部到图4状态，再从图4状态按压至图1状态。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述岩心套设置在岩心与岩心管之间的环空间隙内，岩心套包括第一岩心包裹套(1)、第二岩心包裹套(2)、第三岩心包裹套(3)、限位凸台(4)、限位凹槽(5)、岩心限位盖(7)、锁紧限位弹块(8)、机关触发弹块(9)、锁紧限位弹性体(10)、机关触发弹性体(11)、锁紧限位盲孔(12)、机关触发盲孔(13)、贯通孔(14)、限位盲孔(15)及圆角(16)，所述第一岩心包裹套(1)、第二岩心包裹套(2)及第三岩心包裹套(3)均为两端开口的圆筒形结构，第一岩心包裹套(1)、第二岩心包裹套(2)及第三岩心包裹套(3)同轴且从内向外依次层叠布置，第一岩心包裹套(1)和第二岩心包裹套(2)的外侧壁下端均设置有向外凸起的限位凸台(4)，第二岩心包裹套(2)和第三岩心包裹套(3)的内侧壁上均开设有与限位凸台(4)滑动配合的限位凹槽(5)，限位凹槽(5)纵向布置，限位凹槽(5)的上端封闭，下端贯通；所述岩心限位盖(7)设置在第一岩心包裹套(1)的顶部开口处，岩心限位盖(7)的中部开有贯穿开口；所述锁紧限位盲孔(12)开设在第三岩心包裹套(3)的内壁上部，且沿第三岩心包裹套(3)的径向布置；所述锁紧限位弹性体(10)设置在锁紧限位盲孔(12)内部且与锁紧限位盲孔(12)的孔底固定连接；所述锁紧限位弹块(8)设置在锁紧限位盲孔(12)内部并与锁紧限位弹性体(10)相连，锁紧限位弹块(8)和锁紧限位弹性体(10)的中心线共线；所述机关触发盲孔(13)开设在第一岩心包裹套(1)的外壁下部，且沿第一岩心包裹套(1)的径向布置；所述机关触发弹性体(11)的弹性系数为锁紧限位弹性体(10)的弹性系数1.5倍或大于1.5倍；机关触发弹性体(11)设置在机关触发盲孔(13)内部且与机关触发盲孔(13)的孔底固定连接；所述机关触发弹块(9)设置在机关触发盲孔(13)内部并与机关触发弹性体(11)相连，机关触发弹块(9)和机关触发弹性体(11)的中心线共线；所述贯通孔(14)沿径向开设在第二岩心包裹套(2)上部；所述盲孔(15)设置在第二岩心包裹套(2)外侧壁下部；在每一个盲孔(15)、贯通孔(14)和机关触发弹块(9)的边缘及第一岩心包裹套(1)下端均设置有圆角(16)；

所有岩心包裹套处于锁紧状态时，盲孔(15)与机关触发盲孔(13)位置正对，贯通孔(14)和锁紧限位盲孔(12)位置正对。

2.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述第一岩心包裹套(1)、第二岩心包裹套(2)及第三岩心包裹套(3)的长度均小于岩心管。

3.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述第一岩心包裹套(1)、第二岩心包裹套(2)及第三岩心包裹套(3)为表面镀有金刚石膜或石墨烯膜的钢管。

4.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述岩心限位盖(7)与第一岩心包裹套(1)可拆卸地固定连接。

5.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述岩心限位盖(7)与第一岩心包裹套(1)一体成型或通过焊接固定连接。

6.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述第一岩心包裹套(1)和第三岩心包裹套(3)数量均为一个，第二岩心包裹套(2)的数量至少一个。

7.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述锁紧限位弹性体(10)为弹簧或弹片。

8.根据权利要求1所述的可控伸缩式低摩阻满筒取心的岩心套，其特征在于：所述机关触发弹性体(11)为弹簧或弹片。

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