CN113898306B - 一种原位自触发随钻成膜保质取心装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种原位自触发随钻成膜保质取心装置及方法，包括外钻杆和中心杆，外钻杆内通过轴承连接设置有取心筒，中心杆密封伸缩设置在取心筒内，外钻杆远离中心杆的一端设置有用于取岩石的取心钻头，中心杆上固定有压缩部，压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，挤压腔内设置有分别用于储存液体A和B的储液盘管A和储液盘管B，取芯筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；成膜液随钻进取心过程，在岩心表面覆盖，通过交联固化反应形成固态保质密封膜。
Description
技术领域
本发明涉及岩石的科学钻探技术领域，具体而言，涉及一种原位自触发随钻成膜保质取心装置及方法。
背景技术
在钻进岩层取心及取出岩心过程中，岩心会受到井底地层水或钻井液等的污染而造成岩心原位品质、油气含量及湿度等受到影响，并且岩心取出后会由于空气、光照等影响导致微生物生存环境改变而影响科学研究；同时，岩心内部油气资源的丧失会导致资源评估失真，由此，深部岩石钻探取心的保质基本采用密闭取心技术以实现原位保质取心，即采用高分子基的密闭液，在所取岩心表面形成一层液态膜，以减少钻井液对岩心的浸染。
密闭取心技术在岩石钻探技术领域进行了大量研究，但现有岩石取心技术无法做到完全保质取心，究其原因在于传统密闭取心技术中，取心筒完全注满密闭液，由销钉固定取心筒下部的密闭活塞，钻进取心过程中，由于钻压作用，销钉被剪断，密闭液被挤出，在井底形成保护区，防止岩心被钻井液污染，这样密闭取心生成的是液态膜，无法保证岩心中成分散失；这对于探知原位环境、油气资源勘探、深地医学研究都十分不利，因此，急需要一种能随钻在岩心表面形成固态密封膜，实时封存岩心中原始成分信息的保质随钻成膜取心方法和装置。
发明内容
本发明旨在提供一种原位自触发随钻成膜保质取心装置及方法，随钻进取心动态过程中，成膜单液触发释放经过静态混合搅拌器形成成膜液，成膜液在岩心表面均匀完整覆盖，通过交联固化作用形成一层具备高阻隔性能的固态保质密封膜，保护岩心免受钻井液污染，并防止岩心内部物质散失，使所取岩心能真实反映原位地层状态，为深部资源勘探与开发作业提供指导、为深部岩石科学、深部生物学探索研究奠定基础。
本发明的实施例是这样实现的：
一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，包括外钻杆和中心杆，所述外钻杆内通过轴承连接设置有取心筒，所述中心杆密封伸缩设置在所述取心筒内，所述外钻杆远离中心杆的一端设置有用于取岩石的取心钻头，所述中心杆上固定有压缩部，所述压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，所述挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A和储液盘管B，所述取心筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，所述成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，所述调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，所述调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；所述混合盘管用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面。
优选的，所述储液盘管A和储液盘管B交错盘绕设置在所述挤压腔内，所述成膜液释放机构的数量为两个，一个用于单独连通储液盘管A和混合盘管、另一个用于单独连通储液盘管B和混合盘管。储液盘管A和储液盘管B为较软，易变形、耐高温的材质制成，比如硅胶、乳胶等。
优选的，所述混合盘管内设置有静态混合器，所述静态混合器设置在靠近混合盘管进液口的一端，并用于混合不同的成膜单液形成混合后的成膜液。
优选的，所述成膜液释放机构设置在挤压腔上方，所述储液盘管A和储液盘管B的底部无开口，顶部设置有与所述成膜液释放机构连通的开口，所述混合盘管设置在所述压缩部的底部且固定在所述中心杆上，所述取心筒上设置有用于连通所述混合盘管和调节腔的第一输液管。
优选的，所述成膜液释放机构设置在所述压缩部下方，所述储液盘管A和储液盘管B的底部设置有与所述成膜液释放机构连通的开口，顶部无开口，所述混合盘管设置在所述成膜液释放机构的底部且固定在所述取心筒上，所述压缩部上设置有用于连通所述储液盘管A、储液盘管B和调节腔的第二输液管，所述压缩部上设置有用于连通所述混合盘管和调节腔的第三输液管。
优选的，所述弹簧活动组件包括设置在调节腔内的封堵螺丝、弹簧和浮动活塞，所述浮动活塞与储液盘管A和/或储液盘管B连通，所述调节腔的侧壁上设置有连通混合盘管的出液口，所述出液口在所述浮动活塞的活动进程内。
优选的，所述取心筒靠近所述取心钻头的一端还设置有底部密封器，所述底部密封器与所述中心杆、取心筒围合形成容置岩石样品的取样腔。底部密封器由弹性记忆性好的材料制成，比如弹簧钢、乳胶、硅胶等。
优选的，所述底部密封器为弹性花瓣状结构，且每一瓣的端部固定在外钻杆的内壁上、其余端面相互抵持对取心筒底部进行密封。
优选的，所述取心筒的取样腔内还设置有用于固定岩石的岩心爪，所述岩心爪环绕设置在所述取心筒的内壁上。
优选的，所述中心杆上设置有收缩弹卡，所述收缩弹卡用于锁定所述中心杆和取心筒。
优选的，所述液体A包括环氧树脂类或聚二甲基硅氧烷类，液体B包括环氧固化剂类或聚甲基氢硅氧烷类。
还提供一种原位自触发随钻成膜保质取心方法，包括以下步骤：
S1：在储液盘管A中储存液体A，在储液盘管B中储存液体B，且液体A和液体B混合后的成膜液能够交联固化形成固态保护膜；
S2：取心筒对岩石进行取心，并将岩石放入封闭空间内；
S3：将液体A和液体B输入到混合盘管中进行混合形成成膜液；
S4：将成膜液喷洒到岩石表面，并填充入封闭空间中，直到成膜液完全覆盖在岩石表面；
S5：待成膜液在岩石表面固化完全，取出岩石。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括：本发明的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置及方法，包括外钻杆和中心杆，所述外钻杆内通过轴承连接设置有取心筒，所述中心杆密封伸缩设置在所述取心筒内，所述外钻杆远离中心杆的一端设置有用于取岩石的取心钻头，所述中心杆上固定有压缩部，所述压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，所述挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A和储液盘管B，所述取心筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，所述成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，所述调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，所述调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；所述混合盘管用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的第一结构剖面图；
图2是本发明的图1的局部A放大图；
图3是本发明的图1的局部B放大图；
图4是本发明的图1的A-A向剖面图；
图5是本发明的图1的B-B向剖面图；
图6是本发明的第一结构取心状态结构图；
图7是本发明的图6的局部A放大图；
图8是本发明的图6的局部B放大图；
图9是本发明的第一结构取心后结构图；
图10是本发明的图9的局部A放大图；
图11是本发明的图9的局部B放大图；
图12是本发明的第二结构取心后结构图；
图13是本发明的第二结构取心状态结构图；
图14是本发明的图13的局部A结构放大图；
图15是本发明的图13的局部B结构放大图；
图16是本发明的第二结构剖面图；
图17是本发明的图16的局部A放大图。
具体元素符号说明：1、中心杆；2、外钻杆；3、轴承；4、成膜液释放机构；5、储液盘管A；6、储液盘管B；7、第一输液管；8、取心筒；9、混合盘管；10、弹卡；11、岩心爪；12、岩心；13、底部密封器；14、取心钻头；15、压缩部；16、连接头；17、第二输液管；18、第三输液管；41、封堵螺丝；42、弹簧；43、浮动活塞；91、静态混合器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：请参阅图1至图17，本实施例的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，包括外钻杆2和中心杆1，所述外钻杆2内通过轴承3连接设置有取心筒8，所述中心杆1密封伸缩设置在所述取心筒8内，所述外钻杆2远离中心杆1的一端设置有用于取岩石的取心钻头14，所述中心杆1上固定有压缩部15，所述压缩部15与取心筒8的内壁滑动密封连接，进而中心杆1、取心筒8和压缩部15围合形成挤压腔，所述挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A5和储液盘管B6，所述取心筒8上还设置有成膜液释放机构4和混合盘管9，所述成膜液释放机构4包括与混合盘管9连通的调节腔，所述调节腔另一端还连通有储液盘管A5和储液盘管B6，所述调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧42活动组件；所述混合盘管9用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面。成膜液随钻进取心动态过程中，在岩心12表面完整均匀覆盖，并通过交联固化反应形成一层具备高阻隔性能的固态保质密封膜，保护岩心12免受钻井液污染，并防止岩心12内部物质散失，使所取岩心12能真实反映原位地层状态，为深部资源勘探与开发作业提供指导、为深部岩石科学、深部生物学探索研究奠定基础。
实施例2：本实施例的储液盘管A5和储液盘管B6交错盘绕设置在挤压腔内，成膜液释放机构4的数量为两个，一个用于单独连通储液盘管A5和混合盘管9、另一个用于单独连通储液盘管B6和混合盘管9。本实施例的混合盘管9内设置有静态混合器91，静态混合器91设置在靠近混合盘管9进液口的一端，并用于混合不同的成膜单液形成混合后的成膜液。本实施例的弹簧42活动组件包括设置在调节腔内的封堵螺丝41、弹簧42和浮动活塞43，浮动活塞43与储液盘管A5和/或储液盘管B6连通，调节腔的侧壁上设置有连通混合盘管9的出液口，出液口在浮动活塞43的活动进程内。
实施例3：本实施例的取心筒8靠近取心钻头14的一端还设置有底部密封器13，底部密封器13与中心杆1、取心筒8围合形成容置岩石样品的取样腔。本实施例的底部密封器13为弹性花瓣状结构，且每一瓣的端部固定在取心筒8的内壁上、其余端面相互抵持对取心筒8底部进行密封。本实施例的取心筒8的取样腔内还设置有用于固定岩石的岩心爪11，岩心爪11环绕设置在取心筒8的内壁上。本实施例的中心杆1上设置有收缩弹卡10，收缩弹卡10用于锁定中心杆1和取心筒8。本实施例的液体A包括环氧树脂类或聚二甲基硅氧烷类，液体B包括环氧固化剂类或聚甲基氢硅氧烷类。
实施例4：本实施例的成膜液释放机构4设置在挤压腔上方，储液盘管A5和储液盘管B6的底部无开口，顶部设置有与成膜液释放机构4连通的开口，混合盘管9设置在压缩部15的底部且固定在取心筒8上，外钻杆2上设置有用于连通混合盘管9和调节腔的第一输液管7。成膜液释放机构4上设置有轴承3，成膜单液包括A和B。若需要两种以上成膜单液，就需要增加更多的储液盘管，成膜单液和储液盘管的数量不限于两种；取心前：成膜A/B液被分别预储存于储液盘管A5及储液盘管B6中。弹簧42推动浮动活塞43堵住成膜A/B液出口，防止成膜A/B液在取心前泄漏。取心时：中心杆1静止，外钻杆2驱动取心钻头14向下钻进，取心钻头14驱动轴承3、成膜液释放机构4、取心筒8一起向下运动，岩心12随钻穿过底部密封器13进入取样腔中。中心杆1与成膜液释放机构4和外钻杆2内部的取心筒8发生相对运动，使挤压腔减小，对储液盘管A5及储液盘管B6施加轴向压缩力，使其变形并分别排出成膜A/B液。成膜A/B液挤压浮动活塞43及弹簧42，使出液口暴露。成膜A/B液经第一输液管7中向下流动，汇集到混合盘管9中，经过混合盘管9底部内置静态混合器91充分混合形成具备固化能力的成膜液。成膜液再经过混合盘管9上部内侧出液孔流出，覆盖在新钻出的岩心12表面。此种出液方式，出液口相对于岩心12移动，出液位置相对于岩心12向下移动，从岩心12侧面流出。成膜液迅速发生交联固化反应，在岩心12表面形成一层固态保质密封膜。取心后：完成取心进尺后，弹卡10弹出，使中心杆1与取心筒8间的相对位置固定。上提钻具，岩心爪11拔断岩心12后，底部密封器13重新闭合，防止成膜液从取心筒8底部大量泄漏。成膜液在岩心12与取心筒8之间的环形空间，以及在岩心12顶底部空间发生交联固化反应形成固态保质密封膜，完全包裹岩心12各面。
实施例5：本实施例的成膜液释放机构4设置在压缩部15下方，储液盘管A5和储液盘管B6的底部设置有与成膜液释放机构4连通的开口，顶部无开口，混合盘管9设置在成膜液释放机构4的底部且固定在取心筒8上，压缩部15上设置有用于连通储液盘管A5、储液盘管B6和调节腔的第二输液管17，压缩部15上设置有用于连通混合盘管9和调节腔的第三输液管18。挤压腔上设置有连接头16，连接头16上设置有轴承3；取心前：成膜单液包括A和B，成膜A/B液被分别预储存于储液盘管A5及储液盘管B6中。弹簧42推动浮动活塞43堵住成膜A/B液出口，防止成膜A/B液在取心前泄漏。取心时：中心杆1静止，外钻杆2驱动取心钻头14向下钻进，驱动外钻杆2上的连接头16向下运动，岩心12随钻穿过底部密封器13进入外钻杆2内壁上的取心筒8。中心杆1及成膜液释放机构4与连接头16及取心筒8发生相对运动，使储液空间减小，对储液盘管A5及储液盘管B6施加轴向压缩力，使其变形并分别通过第二输液管17排出成膜A/B液。成膜A/B液挤压浮动活塞43及弹簧42，使出液口暴露。成膜A/B液经第三输液管18中向下流动，汇集到混合盘管9中，经过混合盘管9顶部内置静态混合器91充分混合形成具备固化能力的成膜液。成膜液再经过混合盘管9底部下侧出液孔流出，覆盖在岩心12表面。此种出液方式，出液口相对于岩心12固定，成膜液始终从岩心12顶部往下流动。成膜液迅速发生交联固化反应，在岩心12表面形成一层固态保质密封膜。取心后：完成取心进尺后，弹卡10弹出，使中心杆1与取心筒8间的相对位置固定。上提钻具，岩心爪11拔断岩心12后，底部密封器13重新闭合，防止成膜液从取心筒8底部大量泄漏。成膜液在岩心12与取心筒8之间的环形空间，以及在岩心12顶底部空间发生交联固化反应形成固态保质密封膜，完全包裹岩心12各面。
实施例6：本实施例还提供一种原位自触发随钻成膜保质取心方法，包括以下步骤：S1：在储液盘管A5中储存液体A，在储液盘管B6中储存液体B，且液体A和液体B混合后的成膜液能够交联固化形成固态保护膜；S2：取心筒8对岩石进行取心，并将岩石放入封闭空间内；S3：将液体A和液体B输入到混合盘管9中进行混合形成成膜液；S4：将成膜液喷洒到岩石表面，并填充入封闭空间中，直到成膜液完全覆盖在岩石表面；S5：待成膜液在岩石表面固化完全，取出岩石。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，包括外钻杆和中心杆，所述外钻杆内通过轴承连接设置有取心筒，所述中心杆密封伸缩设置在所述取心筒内，所述外钻杆远离中心杆的一端设置有用于取岩石的取心钻头，所述中心杆上固定有压缩部，所述压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，所述挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A和储液盘管B，所述取心筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，所述成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，所述调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，所述调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；所述混合盘管用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面。
2.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述储液盘管A和储液盘管B交错盘绕设置在所述挤压腔内，所述成膜液释放机构的数量为两个，一个用于单独连通储液盘管A和混合盘管、另一个用于单独连通储液盘管B和混合盘管。
3.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述混合盘管内设置有静态混合器，所述静态混合器设置在靠近混合盘管进液口的一端，并用于混合不同的成膜单液形成混合后的成膜液。
4.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述成膜液释放机构设置在挤压腔上方，所述储液盘管A和储液盘管B的底部无开口，顶部设置有与所述成膜液释放机构连通的开口，所述混合盘管设置在所述压缩部的底部且固定在所述中心杆上，所述取心筒上设置有用于连通所述混合盘管和调节腔的第一输液管。
5.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述成膜液释放机构设置在所述压缩部下方，所述储液盘管A和储液盘管B的底部设置有与所述成膜液释放机构连通的开口，顶部无开口，所述混合盘管设置在所述成膜液释放机构的底部且固定在所述取心筒上，所述压缩部上设置有用于连通所述储液盘管A、储液盘管B和调节腔的第二输液管，所述压缩部上设置有用于连通所述混合盘管和调节腔的第三输液管。
6.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述弹簧活动组件包括设置在调节腔内的封堵螺丝、弹簧和浮动活塞，所述调节腔的一端设置有与所述储液盘管A和/或储液盘管B连通的进液口，所述调节腔的侧壁上设置有连通混合盘管的出液口，所述浮动活塞用于控制所述进液口和出液口之间的通断。
7.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述取心筒靠近所述取心钻头的一端还设置有底部密封器，所述底部密封器与所述中心杆、取心筒围合形成容置岩石样品的取样腔。
8.根据权利要求7所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述底部密封器为弹性花瓣状结构，且每一瓣的端部固定在取心筒的内壁上、其余端面相互抵持对取心筒底部进行密封。
9.根据权利要求1所述的一种原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，所述液体A包括环氧树脂类或聚二甲基硅氧烷类，液体B包括环氧固化剂类或聚甲基氢硅氧烷类。
10.一种原位自触发随钻成膜保质取心方法，使用如上述权利要求1-9中任一项所述的原位自触发随钻成膜保质取心装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在储液盘管A中储存液体A，在储液盘管B中储存液体B，且液体A和液体B混合后的成膜液能够交联固化形成固态保护膜；
S2：取心筒对岩石进行取心，并将岩石放入封闭空间内；
S3：将液体A和液体B输入到混合盘管中进行混合形成成膜液；
S4：将成膜液喷洒到岩石表面，并填充入封闭空间中，直到成膜液完全覆盖在岩石表面；
S5：待成膜液在岩石表面固化完全，取出岩石。
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