CN111706282B - 一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构 - Google Patents

Abstract

一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，包括阀芯、定位套、阀杆、分水套、下限位块、弹性卡爪、限位套、滑套、传扭接头、调节螺栓和堵心报警弹簧，并在钻井液循环系统中设置连接泥浆泵的高压溢流回路和低压溢流回路；所述阀芯为固定在阀杆上端的柱塞；所述分水套上端侧壁上设有连通钻井液通道的过流孔；所述阀杆置于分水套的内部，在阀杆与分水套之间的环状空间中由上至下依次布置定位套、堵心报警弹簧、下限位块和弹性卡爪；所述滑套套装在弹性卡爪外面，在滑套和弹性卡爪之间配装限位套。本发明克服了现有技术中到位报信机构与岩心堵塞报警机构存在的弊端，达到了改善到位报信及堵心报警提示可靠性、提高工作效率的目的。

Description

一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构

技术领域

本发明涉及一种绳索取心钻具，尤其是一种适于特深科学钻探的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构。

背景技术

特深科学钻探是通过特深孔取心、再利用获取的岩心开展地质学研究的一种科学探索活动，特深科学钻探大多选择绳索取心钻进工艺，以提高取心钻进效率及岩心采取质量、降低钻探成本。在绳索取心钻进工艺流程中，为避免出现打单管现象和减少岩心损耗，需对内管总成下放到位、岩心管堵塞等情况做出准确判断，因此在绳索取心钻具中设置了到位报信机构和岩心堵塞报警机构。

现有技术中，绳索取心钻具的到位报信机构和岩心堵塞报警机构独立设置，其中到位报信机构主要包括三种结构，第一种为阀芯配合阻尼衬套的方式，第二种为钢球配合阻尼衬套的方式，第三种为钢球、钢衬套及弹簧的组合方式。在方式一（如附图1所示）及方式二（如附图2所示）中，阀芯FX（或钢球GQ）与阻尼衬套ZNT之间采用过盈配合模式，到位报信压力值通过阻尼衬套ZNT与阀芯FX（或钢球GQ）间过盈量的大小来调节，阀芯FX（或钢球GQ）通过阻尼衬套ZNT后，泵压恢复至孔内正常循环泵压,由于阀芯FX（或钢球GQ）与阻尼衬套之间的过盈配合精度要求较高，而阻尼衬套ZNT一般选用尼龙或聚乙烯材料，在不同的工作温度下，阻尼衬套ZNT的弹性变形性能会发生波动，特深孔钻进面临的一个重要问题是孔底温度的升高，高温会对阻尼衬套ZNT的工作性能产生极大影响，难以精准控制，导致其使用寿命及可靠性严重降低；同时在钻进过程中，钻井液会对阻尼衬套ZNT进行冲刷，阀芯FX（或钢球GQ）通过阻尼衬套ZNT时，也会对其产生磨损，在多种因素的共同作用下，改变了阻尼衬套ZNT的原有尺寸精度使其失效；另外由于压力升高作用时间短，可以说是转瞬即逝，操作人员难以及时、准确的捕捉到压力变化，提示可靠性差；特别是在方式二中，每次钻进结束后，还需要拆卸钻具完成钢球GQ复位，操作步骤繁琐，辅助时间长，降低了工作效率。在方式三（如附图3所示）中，钢球GQ与钢衬套GCT之间为间隙配合，到位报信压力值通过弹簧TH的弹力来设定，钢球GQ通过钢衬套GCT后，弹簧TH产生的背压一直存在，为保证到位提示的可靠性，还需随着钻具工作深度的增加逐渐增加到位报信压力值，因此对泥浆泵的耐压性能要求高，增加了泥浆泵负荷，加速了泥浆泵的磨损，特深孔钻进时，此种问题展现的更为明显；另外，停泵后钢球GQ及弹簧TH恢复原位，封堵了钻具内部通道，打捞内管总成时，初期需要的拉力值更大。因现有到位报信机构存在上述诸多问题，实际操作过程中，操作人员通常采用听悬挂环与环座撞击声音，并参照投放时间来判断内管总成是否到位，但由于撞击能量有限，这种方法不适于特深孔钻进作业。

现有的岩心堵塞报警机构采用岩心管受力挤压报警垫片的方式，堵心时报警垫片被压缩，其径向尺寸逐渐变大后封堵内、外管总成之间钻井液过流通道，完成堵心提示。在实际使用过程中，由于钻速难以合理控制，钻进时极易出现因报警垫片过度挤压使外径严重增大，由弹性变形转换为塑形变形，因此在打捞内管总成时，外径变大的报警垫片无法通过座环，造成打捞失败，而且由于此时弹卡钳受力较大，影响了弹卡钳的正常回收，同样会影响内管总成打捞的可靠性，必须通过全面提钻来解决问题，因此降低了取心钻进效率。

发明内容

本发明提供一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，旨在通过优化各零部件结构及其配合关系，将到位报信及岩心堵塞报警机构一体化设计，达到避免钻进过程中出现打单管现象和减少岩心损耗、改善到位报信及堵心报警提示可靠性、减少零部件数量、提高工作效率的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，包括阀芯、定位套、阀杆、分水套、下限位块、弹性卡爪、限位套、滑套、传扭接头、调节螺栓和堵心报警弹簧，并在钻井液循环系统中设置连接泥浆泵的高压溢流回路和低压溢流回路；所述阀芯为固定在阀杆上端的柱塞，其外圆柱面直径与分水套上部内径相匹配；所述分水套上端与绳索取心钻具内管总成的弹卡定位机构装配，下端通过传扭接头、调节螺栓与绳索取心钻具内管总成的心轴连接，在分水套上端侧壁上设有连通钻井液通道的过流孔；所述阀杆置于分水套的内部，在阀杆与分水套之间的环状空间中由上至下依次布置定位套、堵心报警弹簧、下限位块和弹性卡爪，阀杆可在分水套内上下运动，带动阀芯实现对分水套上过流孔封堵和打开状态的切换；所述滑套套装在弹性卡爪外面，在滑套和弹性卡爪之间配装限位套，通过限位套控制弹性卡爪的弹力。

上述绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，所述阀杆为变截面圆柱杆件，在阀杆中部设有与下限位块配合的环状限位面，在阀杆下半部由上至下依次设置上卡接环槽、过渡锥面、环状凸台和下卡接环槽。

上述绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，所述分水套内侧壁上设有与定位套配合的定位凸台，所述定位凸台位于过流孔的下方。

上述绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，所述弹性卡爪为上端带有盘状凸缘的套管，套管下端通过一组均匀布置的轴向切割缝将其分割成若干个卡爪单体，在每一个卡爪单体下端设置球面结构的卡头。

上述绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，还设有一组用于调整限位套上下位置的调节套，并在滑套内壁上设置卡台，所述调整套以间隙配合方式套装在弹性卡爪外面，布置在弹性卡爪盘状凸缘与滑套卡台之间。

上述绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，在所述高压溢流回路中设有高压开关阀和高压溢流阀；在所述低压溢流回路中设有低压开关阀和低压溢流阀。

本发明为一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，尤其适用于特深科学钻探中的特深孔取心作业，它将到位报信机构与岩心堵塞报警机构集成为一体，减少了零部件数量、简化了取心钻具内总成结构；本发明在内总成下放过程中可由阀杆带动阀芯运动来封堵或打开分水套上过流孔，以此实现对钻井液循环系统压力的控制，并通过两条溢流回路工作状态的变化重复两次提示内总成到位信息，因此可使操作人员作出准确判断，有效避免了钻进过程中打单管现象的发生；本发明对各零部件结构及其配合关系进行优化设计，因此在钻进过程中出现岩心堵塞现象时，也可通过阀杆带动阀芯运动来封堵分水套上过流孔，使钻井液循环系统压力升高，通过高压溢流回路溢流来提示操作人员进行下一步操作。由此可见，本发明克服了现有技术中到位报信机构与岩心堵塞报警机构存在的弊端，达到了改善到位报信及堵心报警提示可靠性、提高工作效率的目的。

附图说明

图1是现有技术中阀芯配合阻尼衬套方式到位报信机构工作原理示意图；

图2是现有技术中钢球配合阻尼衬套方式到位报信机构工作原理示意图；

图3是现有技术中钢球、钢衬套及弹簧组合方式到位报信机构工作原理示意图；

图4是本发明所述绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构示意图；

图5是阀杆结构示意图；

图6是分水套结构示意图；

图7是弹性卡爪结构示意图；

图8是图7中A-A剖面结构示意图；

图9是滑套结构示意图；

图10是泥浆泵与两条溢流回路连接关系示意图；

图11是到位报信机构工作原理示意图；

图12是岩心堵塞报警机构工作原理示意图。

图中各标号清单为：

1、阀芯；

2、定位套；

3、阀杆，3-1、环状限位面，3-2、上卡接环槽，3-3、过渡锥面，3-4、环状凸台，3-5、下卡接环槽；

4、分水套，4-1、过流孔，4-2、定位凸台；

5、下限位块；

6、调节套；

7、限位套；

8、弹性卡爪，8-1、盘状凸缘，8-2、卡爪单体，8-3、切割缝，8-4、卡头；

9、滑套，9-1、卡台；

10、调节螺栓；

11、传扭接头；

12、堵心报警弹簧；

13、泥浆泵；

14、高压开关阀；

15、高压溢流阀；

16、低压开关阀；

17、低压溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

参看图4、图6、图10，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，它将到位报信机构与岩心堵塞报警机构集成为一体，包括阀芯1、定位套2、阀杆3、分水套4、下限位块5、弹性卡爪8、限位套7、滑套9、传扭接头11、调节螺栓10和堵心报警弹簧12，并在钻井液循环系统中设置连接泥浆泵的高压溢流回路和低压溢流回路；所述阀芯1为固定在阀杆3上端的柱塞，其外圆柱面直径与分水套4上部内径相匹配；所述分水套4上端与绳索取心钻具内管总成的弹卡定位机构装配，下端通过传扭接头11、调节螺栓10与绳索取心钻具内管总成的心轴连接，在分水套4上端侧壁上设有连通钻井液通道的过流孔4-1；所述阀杆3置于分水套4的内部，在阀杆3与分水套4之间的环状空间中由上至下依次布置定位套2、堵心报警弹簧12、下限位块5和弹性卡爪8，阀杆3可在分水套4内上下运动，带动阀芯1实现对分水套4上过流孔4-1封堵和打开状态的切换；所述滑套9套装在弹性卡爪8外面，在滑套9和弹性卡爪8之间配装限位套7，通过限位套7控制弹性卡爪8的弹力。

参看图4、图5，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，所述阀杆3为变截面圆柱杆件，在阀杆3中部设有与下限位块5配合的环状限位面3-1，在阀杆3下半部由上至下依次设置上卡接环槽3-2、过渡锥面3-3、环状凸台3-4和下卡接环槽3-5。

参看图4、图6，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，所述分水套4内侧壁上设有与定位套2配合的定位凸台4-2，所述定位凸台4-2位于过流孔4-1的下方。

参看图4、图7、图8，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，所述弹性卡爪8为上端带有盘状凸缘8-1的套管，套管下端通过一组均匀布置的轴向切割缝8-3将其分割成若干个卡爪单体8-2，在每一个卡爪单体8-2下端设置球面结构的卡头8-4。

参看图4、、图7、图9，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，还设有一组用于调整限位套7上下位置的调节套6，并在滑套9内壁上设置卡台9-1，所述调整套6以间隙配合方式套装在弹性卡爪8外面，布置在弹性卡爪8的盘状凸缘8-1与滑套9的卡台9-1之间。

参看图10，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，在所述高压溢流回路中设有高压开关阀14和高压溢流阀15；在所述低压溢流回路中设有低压开关阀16和低压溢流阀17。

参看图4、图10、图11，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其到位报信机构工作原理为：设定高压溢流回路的溢流压力值为PA，低压溢流回路的溢流压力值为PB，泥浆泵压力主要为钻进时钻井液在孔内循环时的阻力，将此压力值设定为PC，阀杆3在泥浆泵压力的作用下其环状凸台3-4能够穿过弹性卡爪8下端由卡头8-4围合的内孔，将此时相应的泥浆泵压力值设定为PD，取心钻进时，记录上一回次钻进时的循环压力PC，根据PC值的大小，按照PA＞PD＞PB＞PC的顺序设定各个压力值。钻具内总成投送作业时，首先打开低压溢流回路中的低压开关阀16，关闭高压溢流回路中的高压开关阀14，开启泥浆泵13，内管总成开始投送后阀杆3受力上移，钻具内部钻井液过流通道打开，增加钻井液过流面积，提高内管总成的投放速度（如图11中状态Ⅰ所示，其中虚线箭头为钻井液流动方向，实线箭头为阀杆3所受钻井液作用力合力方向）；内管总成投放到位后（即悬挂环与座环接触并到位），阀杆3的下卡接环槽3-5与弹性卡爪8的卡头8-4接触，阀芯1所处位置将与钻具内部钻井液过流通道连通的过流孔4-1封堵（如图9中状态Ⅱ所示），此时泥浆泵13开始憋压，由于PD＞PB＞PC，与泥浆泵连接的低压溢流回路中抵压溢流阀17溢流泄压，此时地表现象明显，且具有持续性，并且在此过程中泵压表数值逐渐增加至PB，操作人员可通过地表溢流的现象及泵压表的数值变化，判断内管总成已经到位，此后控制泥浆泵13停止运行，关闭低压溢流回路中的低压开关阀16，打开高压溢流回路中的高压开关阀14，再次开启泥浆泵13，由于PA＞PD，在泥浆泵13压力的作用下，阀芯1、阀杆3受力下移，弹性卡爪8受力张开，直至阀杆3的环状凸台3-4、过渡锥面3-3依次穿过卡头8-2部位，卡头8-2卡接在阀杆的上卡接环槽部位（此过程如图9中状态Ⅲ所示），此时弹性卡爪8处于张开状态，当阀芯1接触定位套2，钻具内部钻井液过流通道打开（如图9中状态Ⅳ所示），地表现象为孔口返出钻井液，且具有持续性，泵压表读数显示为升高至PD，随后降低至PC，操作人员可以通过上述两个现象进行综合分析，对内管总成的到位进行再次确认，做出准确判断，然后即可开始取心钻进。随着钻孔的逐渐加深，循环压力PC逐渐增大，因此还需逐渐调增PA、PB、PD数值，其中PA、PB可通过对高压溢流阀15、低压溢流阀17的设定值进行调节，PD的调节则通过调整限位套7与调节套6的相对位置，来改变弹性卡爪8有效弯臂的长度，以实现与弹性卡爪8弹力匹配的钻井液压力的调整。

参看图4、图10、图12，本发明所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其岩心堵塞报警机构工作原理为：钻具正常钻进过程中低压溢流回路中的低压开关阀16处于关闭状态，高压溢流回路中的高压开关阀14处于打开状态，岩心管发生堵心现象后，岩心管向上的压力经调节螺栓10、滑套9、下限位块5传递至堵心报警弹簧12，对其进行压缩，同时带动阀芯1、阀杆3上移，由阀芯1对分水套4上与钻井液通道连通的过流孔4-1进行封堵（如附图12中Ⅱ所示的状态），使泥浆泵13压力升高，直至压力达到高压溢流回路的溢流压力设定值PA，高压溢流阀15溢流泄压，操作人员可通过具有持续性的溢流现象及泥浆泵13压力表的数值变化，对孔内发生的堵心做出准确的判断，并及时、准确地指导操作人员进行下一步操作，即打捞内管，以避免造成岩心磨损及消耗，保证岩心采取质量，在取心作业完成后需对阀芯1、阀杆3进行人工复位，可通过专用复位工具使各相关零件复位，恢复图12中Ⅰ所示状态。

Claims (6)

1.一种绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其特征是，它包括阀芯（1）、定位套（2）、阀杆（3）、分水套（4）、下限位块（5）、弹性卡爪（8）、限位套（7）、滑套（9）、传扭接头（11）、调节螺栓（10）和堵心报警弹簧（12），并在钻井液循环系统中设置连接泥浆泵的高压溢流回路和低压溢流回路；所述阀芯（1）为固定在阀杆（3）上端的柱塞，其外圆柱面直径与分水套（4）上部内径相匹配；所述分水套（4）上端与绳索取心钻具内管总成的弹卡定位机构装配，下端通过传扭接头（11）、调节螺栓（10）与绳索取心钻具内管总成的心轴连接，在分水套（4）上端侧壁上设有连通钻井液通道的过流孔（4-1）；所述阀杆（3）置于分水套（4）的内部，在阀杆（3）与分水套（4）之间的环状空间中由上至下依次布置定位套（2）、堵心报警弹簧（12）、下限位块（5）和弹性卡爪（8），阀杆（3）可在分水套（4）内上下运动，带动阀芯（1）实现对分水套（4）上过流孔（4-1）封堵和打开状态的切换；所述滑套（9）套装在弹性卡爪（8）外面，在滑套（9）和弹性卡爪（8）之间配装限位套（7），通过限位套（7）控制弹性卡爪（8）的弹力。

2.根据权利要求1所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其特征是，所述阀杆（3）为变截面圆柱杆件，在阀杆（3）中部设有与下限位块（5）配合的环状限位面（3-1），在阀杆（3）下半部由上至下依次设置上卡接环槽（3-2）、过渡锥面（3-3）、环状凸台（3-4）和下卡接环槽（3-5）。

3.根据权利要求1所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其特征是，所述分水套（4）内侧壁上设有与定位套（2）配合的定位凸台（4-2），所述定位凸台（4-2）位于过流孔（4-1）的下方。

4.根据权利要求1或2或3所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其特征是，所述弹性卡爪（8）为上端带有盘状凸缘（8-1）的套管，套管下端通过一组均匀布置的轴向切割缝（8-3）将其分割成若干个卡爪单体（8-2），在每一个卡爪单体（8-2）下端设置球面结构的卡头（8-4）。

5.根据权利要求4所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其特征是，还设有一组用于调整限位套（7）上下位置的调节套（6），并在滑套（9）内壁上设置卡台（9-1），所述调节 套（6）以间隙配合方式套装在弹性卡爪（8）外面，布置在弹性卡爪（8）的盘状凸缘（8-1）与滑套（9）的卡台（9-1）之间。

6.根据权利要求1所述的绳索取心钻具到位报信及岩心堵塞报警机构，其特征是，在所述高压溢流回路中设有高压开关阀（14）和高压溢流阀（15）；在所述低压溢流回路中设有低压开关阀（16）和低压溢流阀（17）。

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