CN113958266B - 一种定向造斜连续取心钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向造斜连续取心钻具，包括外管总成；内管总成，所述内管总成安装于外管总成内；所述外管总成形成有第一连接管、弹卡室、推靠导向机构、悬挂环、第二连接管、扶正环、传扭管、轴承组件、第三连接管、取心钻头；所述内管总成形成有打捞机构、弹卡定位机构、单向阀、随钻测量仪、密封接头、螺杆马达、传扭短节、单动机构、取心筒；所述推靠导向机构由推靠块和安装管组成；本发明将推靠导向机构、随钻测量系统、井下动力系统和绳索取心技术集成于一体，解决了定向和连续取心不能兼容的问题，从而实现定向造斜连续取心的功能，能够快速精准获取地下目标点位的岩心；进一步采用模块化设计，整体结构简单，提高井下环境工作的可靠性。

Description

一种定向造斜连续取心钻具

技术领域

本发明涉及钻探技术与装备技术领域，尤其涉及一种定向造斜连续取心钻具。

背景技术

随着国民经济快速发展，产业链转型升级加速，但战略性矿产资源储备不足，增储方法有限，新增资源储量无法满足市场需求。随着矿产勘查工作正朝着寻找隐伏矿、深部矿、难识别矿的方向转变，找矿难度不断加大，传统的垂直或倾斜钻进取心作业方式弊端凸显。由于受地形、地层构造等因素影响，传统的钻井作业在很多场合下钻进效率低，且钻孔定向和取心不能同时进行，很大程度上限制了我国找矿勘探的进程和研究精度。

以往矿产资源取心钻探方法以竖直孔为主，在石油等领域多采用更加高效的定向钻进方法，但定向与取心不兼容，尤其是在定向造斜孔段无法取到连续岩心，从而难以满足勘探需求，目前未能够同时实现定向造斜和连续取心的钻进技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、解决矿产资源勘探工程中定向与取心不兼容的技术难题，提高井下环境工作可靠性的定向造斜连续取心钻具。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种定向造斜连续取心钻具，包括：

外管总成；

内管总成，所述内管总成安装于外管总成内；

所述外管总成形成有第一连接管、弹卡室、推靠导向机构、悬挂环、第二连接管、扶正环、传扭管、轴承组件、第三连接管、取心钻头；

所述内管总成形成有打捞机构、弹卡定位机构、单向阀、随钻测量仪、密封接头、螺杆马达、传扭短节、单动机构、取心筒；

所述推靠导向机构由推靠块和安装管组成；

所述悬挂环与密封接头配合以实现外管总成和内管总成之间形成环空密封；

所述轴承组件安装于第三连接管和传扭管之间的环状孔隙内形成第三连接管与传扭管、取心钻头运动分离以实现外管总成与内管总成同轴。

进一步的，所述第一连接管、弹卡室、安装管、第二连接管、第三连接管依次通过螺纹连接；

所述第二连接管左侧通过内螺纹与悬挂环连接；

所述第三连接管内侧通过轴承组件与传扭管连接；

所述传扭管右侧与取心钻头通过螺纹连接；

所述扶正环套置于螺杆马达的外部用以限制螺杆马达的摆动幅度。

进一步的，所述打捞机构、弹卡定位机构、单向阀、密封接头、螺杆马达、传扭短节、单动机构、取心筒依次通过螺纹连接；

所述单向阀右侧与随钻测量仪通过螺纹连接。

进一步的，所述螺杆马达通过传扭短节传递动力至传扭管和取心钻头上；其中

所述传扭短节与传扭管通过花键进行动力传递；

所述单动机构左右两端分别与传扭短节和取心筒连接以实现螺杆马达与取心筒运动分离。

进一步的，所述推靠块和安装管通过螺栓连接；

所述推靠块的凸起端与安装管侧壁的接缝处安装有密封圈。

进一步的，所述随钻测量仪具有加速度传感器、磁通门传感器或三轴光纤陀螺仪以及储存单元；

所述随钻测量仪实时测量钻孔顶角、方位角并传输至储存单元进行储存。

进一步的，该钻具造斜取心包括如下步骤：

1)选择造斜

调大单向阀的开启压力，使单向阀左端区域的钻井液压力高于右端区域的钻井液压力；

由钻井液压力驱动推靠块向外推出并与井壁相互作用产生造斜力，实现推动外管总成和内管总成向与推靠块推出方向相反的方向弯曲；

2)放弃造斜

调小单向阀的开启压力，使单向阀两端产生的压力差不足以将推靠块推出以实现停止造斜。

进一步的，通过钻杆转动外管总成以实现推靠块在0-360°范围内的推靠导向形成钻头造斜方向引导以实现井下钻进导向调节。

在上述技术方案中，本发明提供的一种定向造斜连续取心钻具，具有以下有益效果：

1、本发明将推靠导向机构、随钻测量系统、井下动力系统和绳索取心技术集成于一体，解决了定向和连续取心不能兼容的问题，从而实现定向造斜连续取心的功能，能够快速精准获取地下目标点位的岩心；

2、本发明采用模块化设计，便于钻具的维护与保养，整体结构简单，提高了井下环境工作的可靠性；

3、本发明中定向造斜连续取心钻具能够在分支孔、定向孔中进行连续取心，解决了垂直井勘探范围有限的难题，大幅提高了钻孔的辐射范围，减少了垂直孔的布孔数量，降低勘探成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种定向造斜连续取心钻具的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种定向造斜连续取心钻具中外管总成结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种定向造斜连续取心钻具中内管总成结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种定向造斜连续取心钻具中推靠导向机构局部放大结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种定向造斜连续取心钻具的钻井液流道示意图。

附图标记说明：

1、外管总成；2、内管总成；

101、第一连接管；102、弹卡室；103、推靠导向机构；104、悬挂环；105、第二连接管；106、扶正环；107、传扭管；108、轴承组件；109、第三连接管；110、取心钻头；

201、打捞机构；202、弹卡定位机构；203、单向阀；204、随钻测量仪；205、密封接头；206、螺杆马达；207、传扭短节；208、单动机构；209、取心筒；

1031、推靠块；1032、安装管；1033、螺栓；1034、密封圈。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

需要说明的是，本文所使用的的术语“左侧”、“内侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1～图5所示；

本发明的一种定向造斜连续取心钻具，包括：

外管总成1；

内管总成2，内管总成2安装于外管总成1内；

外管总成1形成有第一连接管101、弹卡室102、推靠导向机构103、悬挂环104、第二连接管105、扶正环106、传扭管107、轴承组件108、第三连接管109、取心钻头110；

内管总成2形成有打捞机构201、弹卡定位机构202、单向阀203、随钻测量仪204、密封接头205、螺杆马达206、传扭短节207、单动机构208、取心筒209；

推靠导向机构103由推靠块1031和安装管1032组成；

悬挂环104与密封接头205配合以实现外管总成1和内管总成2之间形成环空密封；

轴承组件108安装于第三连接管109和传扭管107之间的环状孔隙内形成第三连接管109与传扭管107、取心钻头110运动分离以实现外管总成1与内管总成2同轴。

第一连接管101、弹卡室102、安装管1032、第二连接管105、第三连接管109依次通过螺纹连接；

第二连接管105左侧通过内螺纹与悬挂环104连接；

第三连接管109内侧通过轴承组件108与传扭管107连接；

传扭管107右侧与取心钻头110通过螺纹连接；

扶正环106套置于螺杆马达206的外部用以限制螺杆马达206的摆动幅度。

打捞机构201、弹卡定位机构202、单向阀203、密封接头205、螺杆马达206、传扭短节207、单动机构208、取心筒209依次通过螺纹连接；

单向阀203右侧与随钻测量仪204通过螺纹连接。

螺杆马达206通过传扭短节207传递动力至传扭管107和取心钻头110上；其中

传扭短节207与传扭管107通过花键进行动力传递；

单动机构208左右两端分别与传扭短节207和取心筒209连接以实现螺杆马达206与取心筒209运动分离。

推靠块1031和安装管1032通过螺栓1033连接；

推靠块1031的凸起端与安装管1032侧壁的接缝处安装有密封圈1034。

具体的，推靠导向机构103中推靠块1031和安装管1032通过螺栓1033连接，螺栓1033在安装管1032中具有上下移动的自由度，推靠块1031与安装管1032之间通过密封圈1034密封。

随钻测量仪204具有加速度传感器、磁通门传感器或三轴光纤陀螺仪以及储存单元；

随钻测量仪204实时测量钻孔顶角、方位角并传输至储存单元进行储存。

该钻具造斜取心包括如下步骤：

1)选择造斜

调大单向阀203的开启压力，使单向阀203左端区域的钻井液压力高于右端区域的钻井液压力；

由钻井液压力驱动推靠块1031向外推出并与井壁相互作用产生造斜力，实现推动外管总成1和内管总成2向与推靠块1031推出方向相反的方向弯曲；

2)放弃造斜

调小单向阀203的开启压力，使单向阀203两端产生的压力差不足以将推靠块1031推出以实现停止造斜。

通过钻杆转动所述外管总成1以实现推靠块1031在0-360°范围内的推靠导向形成钻头造斜方向引导以实现井下钻进导向调节。

本发明的工作原理和过程：

在钻进过程中，内管总成2可以通过绳索打捞的方式从外管总成1中回收，首先将内管总成2由孔口向钻杆内腔投放，弹卡定位机构202在张簧力作用下向外撑开固定在弹卡室102中，同时悬挂环104与密封接头205接合、进一步实现内管总成2在外管总成1中的定位，悬挂环104与密封接头205实现环空密封，传扭管107与传扭短节207通过花键实现动力传动；

进一步的，钻井液从左向右依次流经打捞机构201与第一连接管101的环状间隙、弹卡室102与弹卡定位机构202之间的环状间隙，之后到达单向阀203左侧的空腔，通过钻井液压力驱动推靠导向机构103工作；

推靠导向机构103由单向阀203控制，通过调节弹簧的预紧力可以调整单向阀203的开启压力；

当需要造斜时，调大单向阀203的开启压力，单向阀203左端区域的钻井液压力要高于右端的压力，由钻井液压力驱动推靠块1031向外推出，与井壁相互作用产生造斜力，进而推动外管总成1和内管总成2向着与推靠块1031推出方向相反的方向弯曲；当不需要造斜时，调小单向阀203的开启压力，单向阀203两端产生的压力差不足以将推动块1031推出，此时停止造斜；

此外通过控制钻杆转动外管总成1，可以在0-360°范围内改变推靠块1031的方向，从而产生设计方向的造斜力，进一步实现井下可控导向钻进；

进一步的，单向阀203右侧设置有随钻测量仪204，随钻测量仪包括加速度传感器和磁通门传感器或三轴光纤陀螺仪以及储存单元，可以实时测量钻孔顶角、方位角并进行储存；在每回次钻进结束后，以绳索打捞的方式回收内管总成2时，读取钻孔的轨迹参数，据此调整钻孔轨迹；

钻井液继续向右流通经过螺杆马达206，驱动螺杆马达206的转子产生绕螺杆马达206的定子的轴向转动，带动传扭短节207转动；传扭短节207通过花键带动传扭管107转动，进而带动取心钻头110转动；

其中，扶正环106安装在螺杆马达206的外侧，用于限制螺杆马达206的摆动幅度。

传扭短节207与单动机构208通过螺纹连接，单动机构208右端与取心筒209连接，实现螺杆马达206与取心筒209的运动分离；第三连接管109和传扭管107之间的环状孔隙内设置有轴承组件108，实现第三连接管109与传扭管107、取心钻头110的运动分离，同时确保任何井段外管总成1与内管总成2的轴线保持一致，保证岩心顺利进入取心筒209内；

钻井液继续向右流通经过传扭管107与第三连接管109之间的环状间隙、传扭管107与取心筒209之间的环状间隙、取心筒209与取心钻头110之间的环状间隙，最后由取心钻头110与井壁的环状空间上返；

当一个钻进回次完成后，通过绳索打捞器将整个内管总成2提出孔底，取出岩心筒内的岩心，并通过随钻测量仪204读取钻孔的轨迹参数，据此调整钻孔轨迹；

依据钻孔轨迹设计方案调节单向阀203弹簧的预紧力，计算推靠导向机构103需要转动的角度，之后将内管总成2再次下入孔底，重复上述流程。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种定向造斜连续取心钻具，其特征在于，包括：

外管总成(1)；

内管总成(2)，所述内管总成(2)安装于外管总成(1)内；

所述外管总成(1)形成有第一连接管(101)、弹卡室(102)、推靠导向机构(103)、悬挂环(104)、第二连接管(105)、扶正环(106)、传扭管(107)、轴承组件(108)、第三连接管(109)、取心钻头(110)；

所述内管总成(2)形成有打捞机构(201)、弹卡定位机构(202)、单向阀(203)、随钻测量仪(204)、密封接头(205)、螺杆马达(206)、传扭短节(207)、单动机构(208)、取心筒(209)；

所述推靠导向机构(103)由推靠块(1031)和安装管(1032)组成；

所述悬挂环(104)与密封接头(205)配合以实现外管总成(1)和内管总成(2)之间形成环空密封；

所述轴承组件(108)安装于第三连接管(109)和传扭管(107)之间的环状孔隙内形成第三连接管(109)与传扭管(107)、取心钻头(110)运动分离以实现外管总成(1)与内管总成(2)同轴；

所述打捞机构(201)、弹卡定位机构(202)、单向阀(203)、密封接头(205)、螺杆马达(206)、传扭短节(207)、单动机构(208)、取心筒(209)依次通过螺纹连接；

所述单向阀(203)右侧与随钻测量仪(204)通过螺纹连接；

所述螺杆马达(206)通过传扭短节(207)传递动力至传扭管(107)和取心钻头(110)上；其中

所述传扭短节(207)与传扭管(107)通过花键进行动力传递；

所述单动机构(208)左右两端分别与传扭短节(207)和取心筒(209)连接以实现螺杆马达(206)与取心筒(209)运动分离。

2.根据权利要求1所述的一种定向造斜连续取心钻具，其特征在于：

所述第一连接管(101)、弹卡室(102)、安装管(1032)、第二连接管(105)、第三连接管(109)依次通过螺纹连接；

所述第二连接管(105)左侧通过内螺纹与悬挂环(104)连接；

所述第三连接管(109)内侧通过轴承组件(108)与传扭管(107)连接；

所述传扭管(107)右侧与取心钻头(110)通过螺纹连接；

所述扶正环(106)套置于螺杆马达(206)的外部用以限制螺杆马达(206)的摆动幅度。

3.根据权利要求1所述的一种定向造斜连续取心钻具，其特征在于：

所述推靠块(1031)和安装管(1032)通过螺栓(1033)连接；

所述推靠块(1031)的凸起端与安装管(1032)侧壁的接缝处安装有密封圈(1034)。

4.根据权利要求1所述的一种定向造斜连续取心钻具，其特征在于：

所述随钻测量仪(204)实时测量钻孔顶角、方位角并传输至储存单元进行储存。

5.根据权利要求1所述的一种定向造斜连续取心钻具，该钻具造斜取心包括如下步骤，其特征在于：

1)选择造斜

调大单向阀(203)的开启压力，使单向阀(203)左端区域的钻井液压力高于右端区域的钻井液压力；

由钻井液压力驱动推靠块(1031)向外推出并与井壁相互作用产生造斜力，实现推动外管总成(1)和内管总成(2)向与推靠块(1031)推出方向相反的方向弯曲；

2)放弃造斜

调小单向阀(203)的开启压力，使单向阀(203)两端产生的压力差不足以将推靠块(1031)推出以实现停止造斜。

6.根据权利要求5所述的一种定向造斜连续取心钻具，其特征在于：

通过钻杆转动所述外管总成(1)以实现推靠块(1031)在0-360°范围内的推靠导向形成钻头造斜方向引导以实现井下钻进导向调节。