CN113123748B - 一种保应力取心的岩心管压力智能调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保应力取心的岩心管压力智能调节系统及方法，至少包括能够采取岩心样本的岩心管(2)和能够向岩心管(2)容纳岩心样本的腔室加压的液压调节组件，所述液压调节组件根据预先获取的地应力数据向进入岩心管(2)内的岩心提供相对应的径向压力，其中，液压调节组件的储液仓(5)的腔室通过弹性膜(53)而被分隔为位于下层的第一储液腔(51)和位于上层的第二储液腔(52)。本发明能够跟随岩心管所处地层深度的变化而实时调节对岩心施加围压。

Description

一种保应力取心的岩心管压力智能调节系统及方法

本发明是申请号为202110000627.7，申请日为2021年01月04日，申请类型为发明，申请名称为一种加压取心系统及方法。

技术领域

本发明涉及岩体钻孔取样技术领域，尤其涉及一种保应力取心的岩心管压力智能调节系统及方法。

背景技术

在进行油气藏开发与深埋地下工程的勘察过程中，由于地层深处岩体通常处于高地应力环境中，其实际的地层岩石的破坏机理和力学性能与浅层岩石的存在显著差别，因此，常规的钻探设备在进行深地层岩心取样操作时，岩心样品在随着岩心管上升过程中常常由于其所受的压力变化和自重应力的改变而无法维持其原有的结构和形态，从而导致了岩心饼化现象的产生，使得相关操作人员无法获取到完整有效的岩心样品，导致后续勘探人员无法根据采集岩心做出准确无误的设定地层的实际数据分析结果，因此，为了能够方便相关技术人员能够高效准确的采集到完好的岩心样品，需要设计一种能够根据岩心初始所处环境所受应力，在采心设备中设置能够调节岩心所受压力而保证岩心受力情况稳定不变的岩心采集组件。

中国专利CN111335837A公开了一种煤岩保压取心内筒，内部胶套插设在岩心加持筒外管内，内部胶套和加持筒外管的内壁间形成一围压空腔，内部胶套两端均设有密封堵头和密封圈，上端的密封堵头和密封圈配合使用来密封围压空腔上端口，下端的密封堵头和密封圈配合使用来密封围压空腔下端口，上端连接件的一端密封连接中空岩心加持筒的上端，另一端连接供压仓，供压仓通过供压管线与围压空腔连通，供压阀设置在供压管线上，用于控制参考压力的流体的供给，下端连接件的一端密封连接中空岩心加持筒的下端，另一端连接球阀，岩心加持筒的上端设有出口管线，上端出口管线设有上端出口阀。该发明可保证含气量的准确测定，且无需将岩心取出即可实现煤岩地层条件渗透率测试。该专利仅能够在初始加压至设定压力后无法根据后续上提、取出样本等操作过程进行压力调节，其无法有效地实现对岩心样本所受压力进行实时调节。

中国专利CN110552644A公开了一种原位煤岩保温保压取心装置及应用方法。该装置包括上接头、外筒和取心钻头，上接头下端连接外筒，外筒下端连接取心钻头；上接头下端内壁连接连接套，连接套下端设计为与启动球相匹配密封的压力球座，压力球座上端的连接套上开有连通孔Ⅰ，差动滑套挂接在压力球座上并挡住连通孔Ⅰ，差动滑套上开有连通孔Ⅱ。该发明实现了使取出的煤岩样品最大限度地保持原始地层的温度和压力，采用韧性压力膜包覆已进筒的原始煤心免受钻井液等外来流体的污染，并在后续保压阶段隔离高压液压液，进而最大限度地保护煤心的原始物理和化学特征，确保获取高质量的保真煤心样品。该专利虽然设置有岩心受压调节结构，能够通过调节其所受到的压力使得能够有效地保证岩心的完整性，但是该装置结构复杂，且其压力调节单纯的做功调节，在处于深地层和深度变化的情况下，需要长时间大量的驱动做功来对岩心所受压力进行调节，大大增加了装置能量的耗费和设备的工作时间，另外该结构中的岩心存取结构无法单独进行快速拆卸，大大降低了岩心获取的效率。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，提供一种加压取心系统，该装置能够对岩心样品初始应力大小和采集保存的岩心的压力大小进行采集，并能够根据采集到的岩心压力数据对系统的岩心容纳腔对岩心施加的压力大小进行调节，使得采集的岩心在从地层取出过程中始终保持其处于岩体中时的初始应力大小，通过微型泵输入的高压流体对岩心收纳腔施加围压，进而保证取出岩心过程中的应力保真。

本发明涉及的一种加压取心系统，所述岩心管包括液压调节组件和岩心采集组件，所述液压调节组件根据预先获取的地应力数据对进入岩心管内的岩心提供相对应的径向压力，其中，液压调节组件的储液仓的腔室通过弹性膜而被分隔为位于下层的第一储液腔和位于上层的第二储液腔，第二储液腔中存储的钻井液能够在其自身重力作用下对其腔室底部的弹性膜进行压迫，使得同时作为第一储液腔顶部腔壁的弹性膜向第一储液腔的腔室内部凹陷，从而存储有液压液的第一储液腔按照其腔室体积减小的方式将其存储的液压液注入到高压流体腔中，从而对岩心采集组件采集的岩心施加第一径向压力；在第一径向压力与预先获取的地应力数据存在差异时，所述液压调节组件通过驱动部的驱动将液压液进一步注入到高压流体腔中，从而对岩心采集组件中的岩心进行二次加压，使得岩心能够在岩心管中受到与预先获取的地应力数据相同的径向压力。

根据一种优选的实施方式，在所述液压调节组件向轴向上位于其下方的岩心采集组件的高压流体腔内注入液压液时，所述高压流体腔通过对构成岩心容纳腔的腔壁挤压的方式向进入岩心容纳腔的岩心提供对应于预先采集的地应力数据的径向压力。

根据一种优选的实施方式，所述液压调节组件是通过对储液仓中的液压液存储腔进行空间压缩的方式向高压流体腔内注入液压液，使得进入岩心容纳腔的岩心受到第一径向压力；根据采集到的第一径向压力和预先获取的地应力数据的压力差，所述液压调节组件控制驱动部驱动储液仓的液压液继续注入高压流体腔内，从而对进入岩心容纳腔的岩心提供对应于预先采集的地应力数据的径向压力。

根据一种优选的实施方式，在岩心插入岩心容纳腔并受到与预先采集的地应力相同的径向压力的情况下，设置在所述岩心管一端的岩心转移系统沿所述岩心管的轴向向上提起彼此连接的所述液压调节组件和岩心采集组件，其中，所述所述岩心管远离岩心转移系统的一端还设置有岩心爪组件，所述岩心爪组件能够将采取岩心固定在所述岩心容纳腔内，使得岩心跟随所述所述岩心管轴向上升而与岩体分离。

根据一种优选的实施方式，所述能够采集岩心所受压力并容纳岩心的岩心采集组件包括高压流体腔和岩心容纳腔，所述高压流体腔按照套设包裹岩心容纳腔腔室的方式与岩心容纳腔连接，从而构成具有相互分隔且共轴线的双重腔室结构的岩心加压容纳结构，其中，所述岩心容纳腔和高压流体腔通过弹性腔膜相互分隔，高压流体腔能够向其腔室内增加液压液的方式对所述弹性腔膜施加沿其径向压缩的作用力，从而调节所述岩心容纳腔腔壁对其内部腔室的岩心施加的压力。

根据一种优选的实施方式，所述储液仓能够将其腔室分为两个相邻而不相通的第一储液腔和第二储液腔，其中，第一储液腔的顶部端面和第二储液腔的底部端面为同一弹性膜，在第二储液腔能够根据其内腔中的钻井液所受到的压力变化对其底部的弹性膜施压时，作为第一储液腔顶面的弹性膜发生向第一储液腔的腔室内部凹陷的形变。

根据一种优选的实施方式，所述钻头包括钻头齿和钻杆，在所述钻杆为驱动所述钻头齿而旋转时，所述液压调节组件是容纳于所述钻杆之内且与所述钻杆彼此转动脱离的；所述钻头沿其环型端面圆周排布有若干金刚石钻头齿，其中，所述相邻的两个钻头齿按照沿同一圆环面内的不同圆周线上进行设置的方式构成交错式钻头唇面。

根据一种优选的实施方式，所述第一储液腔与高压流体腔连接的输送管道上还设置有驱动部，所述驱动部至少包括控制芯片和驱动泵，所述驱动泵能够在所述岩心管深入到钻头钻进的岩层中进行岩心获取时根据岩心管端部采集到的岩体应力数值对具有第一径向压力的高压流体腔内继续充入液压液，使得高压流体腔能够对采收到岩心容纳腔的岩心表面加压，从而采集岩心能够保持在岩体中的初始应力下的完整形态，其中，所述控制芯片能够根据岩心管内设置的传感器采集到的岩心容纳腔内的实际压力和第一径向压力差而驱动驱动泵进行运转以将液压液进一步注入高压流体腔，进而使得岩心容纳腔的腔膜能够对其内部采集的岩心施加与岩心初始状态时大小相同的压力。

根据一种优选的实施方式，所述岩心容纳腔的面向岩心一侧的腔壁表面按照能够避免腔壁与岩心接触的方式布设有限位模块，由截面为三角形、四边形、五边形或其他多边形块状限定的所述限位模块按照一体模压成型的方式与所述岩心容纳腔的腔膜连接。

本申请还提供一种加压取心方法，在钻头径向内侧设置用于采取岩心的岩心管；在所述岩心管内设置相互连接的液压调节组件和岩心采集组件，在钻头钻进到设定深度的地层中的情况下，所述液压调节组件根据预先获取的地应力数据调节对进入岩心管内的岩心施加径向压力；所述岩心采集组件能够按照维持岩心所受压力不变的方式容纳采集到的岩心。

本发明的有益技术效果：

1、本发明通过设置能够根据压力变化实时调节岩心容纳结构对岩心施加的压力的大小，从而使得采集到的岩心能够始终保持在一个初始应力大小的环境中，有效地避免了岩心在取出的过程中由于所受压力和自重应力的变化而导致其形态和结构的损坏，有效地提高了采集到的岩心样品的完好程度和后期数据分析的准确性；

2、利用驱动部预先输入的高压流体对包裹在耐磨橡胶模套中的岩心施加相当于初始地层的围压，对其进行保应力取心，岩心的上下两端少量部分也被耐磨橡胶模套包裹，从而可以将岩心全部包裹在橡胶模内，较为完整的保留岩心原位地层的样貌分布；且由静止高压流体提供的保应力大小在提钻过程中相对平稳，使用的寿命也相对较长，保应力的范围也相对较广，能有效防止岩心饼化现象的发生，可以显著提高保应力取心的采收率；

3、将取心管前端改装为可拆卸构件，由于采用绳索取心的特点，不用起钻，只需要用胶丝将取心管从井内提起，当取心管井内提起后，地面人员可以快速地将取心管前端的可拆卸装置替换，极大的加快岩心钻取的速率，且在地面上预先注入高压流体后，如发现高压流体的压力骤降，可判断高压流体产生泄露，可以在下取心管之前判断是否会发生泄露，若发生泄露，地面人员可以快速地跟换可拆卸装置，能够极大提高取心管前端的密封性能；

4、本发明提出的耐磨橡胶模，是在普通的耐磨橡胶模上多浇筑一些橡胶模块，利用橡胶模块和岩心直接接触，避免较为薄弱的外层橡胶模和刚钻出的岩心直接接触产生破坏，可以大幅的增大保应力取心的成功概率；

5、前端的钻头使用的是整体式的高强度钻头，并非拼装式的钻头，在高地应力环境地层，岩石的力学性能和常态大不相同，拼装而成的钻头在钻进遇到难以钻进的岩石时，可能会导致钻头结构的松动，更严重的可能会导致钻杆偏离预定轨道以及岩心采取的失败；采用高强度的整体式钻头能有效地避免这种情况的发生。

附图说明

图1是本发明的一种加压取心系统的优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的加压取心系统的保应力部的结构示意图；

图3是本发明的保应力取心装置的岩心容纳腔的腔壁展开示意图；

图4是本发明的保应力取心装置的钻头的唇面示意图。

附图标记列表

1：钻头 2：岩心管 3：岩心内管

4：保应力部 5：储液仓 6：输送管道

7：驱动部 8：电源 9：岩心转移系统

11：钻头齿 12：钻杆 41：高压流体腔

42：岩心容纳腔 43：岩心爪组件 51：第一储液腔

52：第二储液腔 53：弹性膜 71：控制芯片

72：驱动泵 421：限位模块 431：卡箍座

432：卡箍

具体实施方式

图1示出了一种加压取心系统，该装置包括钻头1和岩心管2，其中，钻头1杆体内设置有能够插入岩心管2的贯通通道。

根据一种具体的实施方式，岩心管2内设置有能够调节容纳采集到的岩心的液压调节组件，液压调节组件包括高压流体腔41、岩心容纳腔42和高压流体腔41连通的储液仓5。高压流体腔41按照套设包裹岩心容纳腔42腔室的方式与岩心容纳腔42连接，从而构成具有相互分隔且共轴线的双重腔室结构的岩心加压结构。岩心容纳腔42按照构成单向密封腔体的方式将其密封端延伸到高压流体腔41的腔室内部。岩心容纳腔42和高压流体腔41通过弹性腔膜相互分隔，从而使得具有密闭腔室的高压流体腔41能够通过向腔室内加压的方式调节岩心容纳腔42所受压力。储液仓5按照在其主腔体内设置弹性膜53将其腔室分为两个互不相通的存储不同液体的副腔室的方式设置有第一储液腔51和第二储液腔52。第一储液腔51能够存储根据需求改变高压流体腔41内液压大小的液压液，第二储液腔52存储有能够辅助钻头1在地层中钻进的钻进液。优选的，第一储液腔51设置在储液仓5腔室靠近底部的一端，第二储液腔52设置在储液仓5腔室靠近顶部的一端，其中第一储液腔51和第二储液腔52之间通过能够跟随所受压力而发生形变的弹性膜53。在储液仓5跟随钻头深入地层时，第二储液腔52跟随所受压力的变化对位于其底部的弹性膜53施加向下的压力，从而使得弹性膜53向第一储液腔51的腔室内部凹陷，从而缩小了第一储液腔51的腔室体积并将其腔室内的液压液输送到高压流体腔41中，进而实现了对高压流体腔41中压力大小的初始调节。进一步优选的，第一储液腔51与高压流体腔41连接的输送管道上还设置有驱动泵，液压调节组件能够在重力作用下对岩心容纳腔42提供第一径向压力的基础上通过驱动泵控制液压液的输送，从而进一步调控岩心容纳腔42腔侧壁所受到的压力，使得进入岩心容纳腔42中的岩心能够始终保持其所受到的应力不变，保证了采取的岩心的完整性，方便对岩心样品进行保应力采取，防止其所处地层位置和环境变化而导致发生样本粉碎和饼化现象。

第一储液腔51与高压流体腔41连接的输送管道上还设置有驱动部7。驱动部7包括控制芯片71和驱动泵72，驱动泵72能够在岩心管2深入到钻头1钻进的岩层中进行岩心获取时根据岩心管2端部采集到的岩体应力数值对具有第一径向压力的高压流体腔42内继续充入液压液，使得高压流体腔能够对采收到岩心容纳腔42的岩心表面加压，保证采集岩心能够保持在岩体中的初始应力下的完整形态。控制芯片71能够根据岩心管2内设置的传感器采集到的岩心容纳腔42内的实际压力和岩心初始压力控制驱动泵72进行运转，从而调节所述高压流体腔41内液压液的运动，进而使得岩心容纳腔42的腔膜能够对其内部采集的岩心施加与岩心初始状态时大小相同的压力。优选的，岩心容纳腔42深入到岩心内管3的封闭顶部还设置触发传感器，从而在钻头持续钻进采取岩心时，岩心逐渐进入到岩心容纳腔42中，在岩心接触到其封闭端设置的触发传感器后，控制芯片能够控制钻头停止钻进，并提示操作人员已完成相关的钻进采样操作，从而手动控制或程序自动控制岩心内管3进行上提操作，拔断岩心与岩体之间的连接。岩心管2靠近钻头1的一端还设置有岩心爪组件43，岩心爪组件43内部具有岩心能够穿过并进入岩心容纳腔42的贯通孔，岩心爪组件43包括卡箍座431和卡箍432。卡箍432被限制在卡箍座431的内部贯穿腔中，仅能沿其轴线上下运动，且无法从卡箍座内脱离。在岩心管2沿钻头1钻进的孔洞深入地层时，设置在卡箍432一端的应力探测仪能够插入岩体，从而通过采集其探测针所受到岩体对其的应力大小来获取岩心的初始应力，进而当岩心进入到岩心容纳腔42时，控制芯片71能够控制驱动泵72工作，从而调节高压流体腔41内液压液对岩心容纳腔42的施加的压力，使得进入的岩心能够收到在其在岩体中所受大小相同的应力。

实施例1

本申请针对现有的高地应力环境下进行岩心取样时，由于岩体所处地层应力作用常常无法获取保存完好的岩心样本，根据岩土工程勘察规范中记载的地应力分级标准将初始地应力分为以下几级：

1、极高地应力垂直轴线的最大应力值：≥40MPa

硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多；基坑有剥离现象，成形性差；钻孔岩芯多有饼化现象。

2、高地应力垂直轴线的最大应力值：20～40MPa

软质岩：钻孔岩芯有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；基坑岩体发生卸荷回弹，出现显著隆起或剥离，不易成形；

硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多；基坑时有剥离现象，成形性一般尚好；钻孔岩芯时有饼化现象。

3、中等地应力垂直轴线的最大应力值：10～20MPa

软质岩：钻孔岩芯有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差；基坑有隆起现象，成形性较差；

硬质岩：开挖过程洞壁岩体局部有剥离和掉块现象，成洞性尚好；基坑局部有剥离现象，成形性尚好。

4、低地应力垂直轴线的最大应力值：＜10MPa

软质岩：开挖过程中洞壁岩体局部有位移，成洞性尚好；基坑局部有隆起现象，成形性一般尚好。

本装置通过对现有的取心钻头的岩心筒进行改进，将取心钻头采取的岩心套入到一个单向密封的高耐磨橡胶套中，其中，裸露部分的岩心利用井下泥浆的一定压力来进行应力保真，而橡胶套中的岩心通过钻杆内部的微型泵工作运输和外界相当压力的高压流体来进行应力保真。本申请有别于现有技术中的弹簧应力保真结构，利用高压流体对容纳腔套的挤压力来实现采取岩心的应力保真，从而使得装置的可调性较大，且压力大小的调节更加准确精密，整个应力保真结构相对于现有弹簧结构也具有更长的使用寿命。

岩心管2按照能够插入到钻头1的钻杆12内部的的方式与钻头1连接。岩心管2包括能够相互螺纹连接形成一个密闭的高压流体腔41的岩心内管3和保应力部4，其中，岩心内管3的一个端面按照贯穿端面的方式设置有一个构成部分高压流体腔41的内腔，岩心内管3的该端面能够与具有倒U型腔体的保应力部4的外环开口相互螺纹连接，从而构成高压流体腔41。保应力部4的外环开口的一端的外壁上设置有与岩心内管3的管体上的内螺纹相互契合的外螺纹。钻孔取样前，需要将岩心内管3和保应力部4相互连接，且需向其构成的高压流体腔41预先充入一定量的液压液。优选的，保应力部4远离岩心内管3的端面还按照向端面内部凹陷的方式设置有单向密封的具有内环开口的岩心容纳腔42。通过在柱状的保应力部4的两个端面分别设置大口径的外环开口的杯装的容腔和在外环开口的杯装容腔的底部开设小口径的内环开口的岩心容纳腔42，从而形成了具有两个共用部分容腔壁的共轴线的反向容腔，进而构成了具有倒U型腔体的保应力部4。优选的，岩心容纳腔42的腔壁采用具有一定弹性的材料制造，例如橡胶，从而使得在高压流体腔41输送液压液而升高其腔室内的液压时，能够对岩心容纳腔42的腔壁施加扩张力，从而使得其腔壁能够对腔室内的柱状岩心进行压迫，从而使得岩心能够始终承受到其处于地层岩体中时的压力。优选的，所采用的岩心管略长于每次取得岩心长度，当岩心在钻进过程中缓慢进入岩心管内，钻头暂时停止向下的掘进微型泵也相应断电，所输入的高压流体挤压高耐磨橡胶模包裹岩心从而完成岩心的保应力工作。通过采用具有一定弹性的橡胶腔壁能够使得整个腔壁收到均匀的围压，从而提高保应力取心的采收率和防止岩心饼化现象的发生。在进行岩体的岩心样本的采集时，尤其是针对处在高地应力环境的岩石，由于岩体所处地层位置的不同，岩心在岩体中的初始压力较大，在取出岩心过程中向地面运输岩心时，如果不能够使得岩心样本始终保持收到一定的周围压力，岩心就会因为随着位置的改变而导致其所处环境周围的压力骤减，这样就会导致取出岩体的岩心在运输过程中发生岩心饼化现象，使得采集的样本对后续的岩心分析工作带来较大的不确定因素，因为为了能够获取完好的岩心，需要在岩心钻取设备中设置能够对采取的岩心施加压力的施加结构，从而使得取出的岩心能够始终受到其在岩体中的初始位置时所受到的相同大小的周围压力，进而根据取心的需求，相关领域技术人员设计了能够对岩心采取过程施加围压的高保应力取心的取心结构。

如图2所示，在保应力部4与岩心内管3的一端螺纹连接的情况下，保应力部4的岩心容纳腔42插入到岩心内管3的内部腔室中，该岩心容纳腔42面向岩心一侧的橡胶腔壁表面还设置有能够直接与岩心表面接触的限位模块421。如图3所述，限位模块421是与岩心容纳腔42的橡胶腔壁一体模压成型的橡胶块，橡胶块可以是三角形、四边形、五边形等任意图形。优选的，限位模块421和岩心容纳腔42的腔壁均采用具有较高耐磨性能的橡胶或其它的具有耐磨性和弹性材料。限位模块421上设置有压力传感器，使得控制芯片71能够采集岩心进入岩心容纳腔42后实际所受压力，从而根据其实际压力与岩心初始状态的应力调节岩心容纳腔42的腔壁对岩心施加压力的大小。优选的，该压力传感器能够在上升过程中实时采集压力信号，从而早上提过程的任意压力变化的情况下将采集到的异常信号传输到控制芯片，从而控制芯片控制驱动泵72的工作调节高压流体腔41内液压液对岩心容纳腔壁的压力。限位模块421按照能够避免岩心直接与橡胶腔壁发生摩擦而磨损腔壁的方式均匀排布在腔壁表面上，从而使得高压流体腔41施加在岩心容纳腔42的腔壁上的压力能够均匀的传递到限位模块421上，从而使得橡胶模块能够对岩心施加与岩心所在岩体中时收到的周围应力大小一致的围压。通过设置橡胶块式的限位模块，能够有效地提高橡胶腔壁的使用寿命，同时降低了腔壁破损造成液压液泄露的风险。

优选的，通过将保应力部4可拆卸地连接在岩心内管3的端部，使得在完成岩体取心后能够将取出的保应力部4直接从岩心内管3上拆卸下来，方便岩心的取样和保存。另外，在多次取样操作时，仅需重新更换另外的保应力部4与岩心内管3连接，即可进行再次的岩心取样，大大提高了取样的效率和安全性，保证取出岩心的应力保真。

该装置通过装载保应力取心系统和岩心转移系统，在掘进过程中密切合作，提高保应力取心的采收率和防止岩心饼化现象的发生。岩心内管3远离保应力部4的一端还设置有能够向高压流体腔内输送增压的液压液的储液仓5和驱动部7。储液仓5通过外接的输送管道6与高压流体腔41相互连通，从而能够根据需求将储液仓5中的液压液输送到高压流体腔41中，同时，也能够在拆分岩心内管3和保应力部4时，能够将高压流体腔41中的多余液压液输送回储液仓5，从而避免液压液从接口处流出。优选的，储液仓5的腔室体积大于岩心内管3体积和岩心体积之差，从而使得当岩心进入到岩心容纳腔42后，储液仓5能够进入高压流体腔41的液压液体积远远大于高压流体腔41的体积，从而使得液压液能够对高压流体腔41的弹性腔壁施加不同大小的膨胀力。输送管道6的管路上还连通有能够为回路中的液压液提供驱动的驱动部7。驱动部7采用能够受电磁继电器控制电力的通断的方式实现其工作状态的转换和其提供的驱动力的驱动方向的调节的微型泵，从而根据需求为管路中的液压液提供驱动力。其中，在岩心进行岩心采取的过程中，受电磁继电器控制的驱动部7根据需求向高压流体腔41输送高压液流，从而输入的高压液流对岩心容纳腔42的腔壁施加围压。驱动部7还电性连通有采用绳索供电、泥浆脉冲发电、微型可充电蓄电池供电的电源8。电源8也设置在岩心内管3远离保应力部4的一端。

如图4所示，钻头1在其钻杆12开设贯穿通道后的环型端面上圆周排布有若干金刚石钻头齿11，从而构成钻头的切削进取端。其中，相邻的两个钻头齿11按照沿同一圆环面内的不同圆周线上进行设置的方式构成交错式钻头唇面。中间间隔有一个钻头齿11的两个钻头齿11安装在钻杆12的环形端面的同一圆周线上，从而使得在环形端面上构成位置交错的连个不同圆周尺寸的圆周排布的金刚石钻头齿11。通过设置交错的钻头唇面能够有效地降低钻头与岩体表面的接触面积，使得作用于岩体的单位面积压力增加，从而能够更加有利于岩体的体积粉碎，且钻头唇面部分空余出来后，容屑体积增大，在钻进过程中残留在孔底，没有被钻井液带走的岩屑也增加，可以有效地磨损钻头的胎体，促使钻头更加锋锐。优选的，金刚石钻头齿11与钻头1的钻杆主体按照分层填入钢体模具的方式一体烧结。从而避免了组装式钻头容易松懈或脱落的问题。岩心管2通过所述钻头1的钻杆12内的贯通通道连接有岩心转移系统9。在钻头1带动岩心管2完成岩心采取的情况下，岩心转移系统9能够拉动岩心管2从钻杆12中移出，从而将位于地层中的岩心管2转移到地面。岩心容纳腔42靠近钻头端面的筒壁上设置有能够割取岩心和承托已割取的岩心柱岩心爪组件43。岩心爪组件43至少包括卡箍座431和卡箍432。卡箍座431设置在所述保应力部4远离所述岩心内管3的一端，卡箍座431的内部按照能够发生相对滑动的方式设置有能够在其倾斜内壁上下滑动的卡箍432，具有侧壁贯穿开口的所述卡箍432在上下滑动过程中能够受所述卡箍座431的限制而的改变其横截面的大小，进而减小卡箍432的内环所限定的空心环径，使得卡箍432与岩心的滑动摩擦力增大且使得岩心随上提操作与岩体发生分离。岩心爪组件43在岩心装填到岩心容纳腔42的情况下，岩心爪组件43切断岩心与岩石之间的连接。使用时，岩心在钻进过程中慢慢进入岩心管2内，在钻进系统内输入每次钻进的深度，完成岩心装填后，利用岩心爪组件43切断岩心，通过岩心转移系统9，在不提钻头的情况下，取出岩心后再从钻杆12中投入另一根岩心管2，继续进行钻进，循环进行，直到钻头磨损完毕，再进行提钻更换钻头再按照以上流程往复循环钻进。

实施例2

本申请的一种加压取心系统尤其适用于在高地应力环境下对岩石进行保应力的取心工作。在取心装置从岩体中采集出岩心之后，将岩心套入到单向密封的由高耐磨橡胶套构成的岩心容纳腔42中，其中，裸露部分的岩心利用井下泥浆的一定压力来进行应力保真，而被橡胶套包裹的岩心用过位于钻杆12内部的设置在岩心管2上的微型泵运输一定量的高压流体到高压流体腔41中，从而使得高压流体腔41通过对腔壁的施加膨胀压力从而对橡胶套包裹的岩心表面施加岩心初始状态在岩体中所受到的相等的压力，从而实现对岩心的应力保真。优选的，微型泵通过绳索供电或者泥浆脉冲发电(对应岩心抵碰装置)即岩心完全进入取心管后抵碰该装置断电。在岩心完全进入到岩心容纳腔42中后，岩心的端部会抵碰到设置在岩心容纳腔42封闭端面上的岩心抵碰装置，从而通过该装置传输的抵碰信号从而实现对应的电磁继电器来控制电路的断开。优选的，砖头1上还安装有压力传感器，从而能够对所处不同深度岩层位置处的压力大小数值进行获取，从而方便保应力取心结构能够针对不同应力控制其向高压流体腔41中输送不同体积的液压液，使得不同压力环境中的岩心采取后均能够保持所受围压不变。当通过取心结构完成岩心的钻取后，通过本领域常用的绳索取心法将取心管2中的岩心运输到地面上。

优选的，岩心管2包括能够相互可拆卸连接的岩心内管3和保应力部4，通过将采集包裹岩心的橡胶模套与岩心内管3设置为方便拆卸和组装的组合结构，从而方便在取心过程中，仅需根据需求更换保应力部4就能完成同一钻孔中不同深度的岩心采集工作。且本申请的岩心转移采用绳索取心技术，能够在实际取心操作过程中，只需要利用胶丝将取心管从井中提出，在取心管从井下提出后，施工人员在地面上完成取心管前端的更换，可以提高钻井取心的效率并且可以降低高压流体的泄露，可以以较快的速度进行橡胶模的替换工作。

实际勘探过程中，钻井取心是岩心分析工作中的重要环节，当岩石处于一些非常环境尤其是高地应力环境中时，在钻孔过程中，随着孔壁应力的解除岩心裂成饼状，且地应力越大，形成的岩饼厚度越小；而岩心饼化破裂会对后续的岩心分析工作带来较大的影响，本发明提供一种以高压流体施加围压的方法来防止岩心饼化现象的发生，确保高地应力环境下的岩心应力保真和提高保应力取心的采取率。保应力系统采用的措施是利用微型泵预先输入的高压流体对包裹在耐磨橡胶模套中的岩心施加相当于初始地层的围压，对其进行保应力取心，岩心的上下两端少量部分也被耐磨橡胶模套包裹，相比于其它的专利，本专利提供的方法可以将岩心全部包裹在橡胶模内，较为完整的保留岩心原位地层的样貌分布；且由静止高压流体提供的保应力大小在提钻过程中相对平稳，使用的寿命也相对较长，保应力的范围也相对较广，能有效防止岩心饼化现象的发生，可以显著提高保应力取心的采收率。通过采用绳索取心法，该取心方法带来的优势极其明显：该法能够实现不提钻取心，节省提钻时间增加钻进时间，缩短施工时间，降低成本；结合本专利提供的采用螺纹将岩心管连接在一起的方法，可以极大的提高钻取岩心的速度，也极大的提高了岩心的采取率并且可以减少孔内事故的发生概率。本申请将取心管前端改装为可拆卸构件，由于采用绳索取心的特点，不用起钻，只需要用胶丝将取心管从井内提起，当取心管井内提起后，地面人员可以快速地将取心管前端的可拆卸装置替换，极大的加快岩心钻取的速率，且在地面上预先注入高压流体后，如发现高压流体的压力骤降，可判断高压流体产生泄露，可以在下取心管之前判断是否会发生泄露，若发生泄露，地面人员可以快速地跟换可拆卸装置，能够极大提高取心管前端的密封性能。此外，装置前端的钻头使用的是整体式的高强度钻头，并非拼装式的钻头，在高地应力环境地层，岩石的力学性能和常态大不相同，拼装而成的钻头在钻进遇到难以钻进的岩石时，可能会导致钻头结构的松动，更严重的可能会导致钻杆偏离预定轨道以及岩心采取的失败；采用高强度的整体式钻头能有效地避免这种情况的发生。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种保应力取心的岩心管压力智能调节系统，至少包括能够采取岩心样本的岩心管(2)和能够向岩心管(2)容纳岩心样本的腔室加压的液压调节组件，其特征在于，所述液压调节组件根据预先获取的地应力数据向进入岩心管(2)内的岩心提供相对应的径向压力，其中，液压调节组件的储液仓(5)的腔室通过弹性膜(53)而被分隔为位于下层的第一储液腔(51)和位于上层的第二储液腔(52)；

在第二储液腔(52)根据其内腔中的钻井液所受到的重力作用而对弹性膜(53)施压时，作为第一储液腔(51)顶面的弹性膜(53)发生向第一储液腔(51)的腔室内部凹陷的形变；从而第一储液腔(51)按照将其存储的液压液注入到高压流体腔(41)中方式对岩心采集组件采集的岩心施加第一径向压力；

在第一径向压力与预先获取的地应力数据存在差异时，所述液压调节组件通过驱动部(7)的驱动将液压液进一步注入到高压流体腔(41)中，从而对岩心采集组件中的岩心进行二次加压，使得岩心能够在岩心管(2)中受到与预先获取的地应力数据相同的径向压力。

2.如权利要求1所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，在所述液压调节组件向轴向上位于其下方的岩心采集组件的高压流体腔(41)内注入液压液时，所述高压流体腔(41)通过对构成岩心容纳腔(42)的腔壁挤压的方式向进入岩心容纳腔(42)的岩心提供对应于预先采集的地应力数据的径向压力。

3.如权利要求2所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，所述岩心容纳腔(42)根据所述储液仓(5)向高压流体腔(41)内注入液压液而调节其腔室内岩心受到的第一径向压力；在采集到的第一径向压力和预先获取的地应力数值存在压力差时，所述液压调节组件控制驱动部(7)驱动储液仓(5)的液压液继续注入高压流体腔(41)内，从而对进入岩心容纳腔(42)的岩心提供对应于预先采集的地应力数据的径向压力。

4.如权利要求3所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，所述高压流体腔(41)按照套设包裹岩心容纳腔(42)腔室的方式与岩心容纳腔(42)连接，从而构成具有相互分隔且共轴线的双重腔室结构的岩心加压容纳结构。

5.如权利要求4所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，所述岩心容纳腔(42)和高压流体腔(41)通过弹性腔膜相互分隔，高压流体腔(41)能够向其腔室内增加液压液的方式对所述弹性腔膜施加沿其径向压缩的作用力，从而调节所述岩心容纳腔(42)腔壁对其内部腔室的岩心施加的压力。

6.如权利要求5所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，所述岩心管(2)轴向下端还设置有岩心爪组件(43)，所述岩心爪组件(43)能够将采取岩心固定在所述岩心容纳腔(42)内，使得岩心跟随所述岩心管(2)轴向上升而与岩体分离。

7.如权利要求6所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，所述岩心管(2)上还套设有能够在地层中进行钻进的钻头(1)，所述液压调节组件是容纳于所述钻头(1)的钻杆(12)之内且与所述钻杆(12)彼此转动脱离的。

8.如权利要求7所述的保应力取心的岩心管压力智能调节系统，其特征在于，所述岩心容纳腔(42)的面向岩心一侧的腔壁表面按照能够避免腔壁与岩心接触方式布设有限位模块(421)。

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