CN114000843B - 一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气勘探取芯技术领域，更具体地，涉及一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，包括内管总成和外管总成，内管总成位于外管总成的内部，内管总成包括悬挂机构、内筒及锁芯机构；内筒的一端与悬挂机构相连接，内筒的另一端与锁芯机构相连接；悬挂机构包括与内筒相连接的分水接头和设于内筒上用于释放内筒压力的安全泄压阀装置。本发明整体结构设置简单合理，工作稳定性好，岩芯收货率高，能够快速、高效的完成取芯作业，可适用于超高温高压井的钻井取芯工作。

Description

一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气勘探取芯技术领域，更具体地，涉及一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具。

背景技术

取芯作业是油气田勘探开发的重要一环，通过钻井取芯获取的岩芯可以直观地获得储层岩芯、物性、矿物成分、地层强度、可钻性等第一手资料。而目前从超高温高压井中钻井取芯仍然存在很多困难，主要是由于超高温高压油气田存在高温、高压、易漏、井底循环ECD窗口窄等复杂井筒状况，造成取芯工具选型的困惑。

常规取芯工具使用过程中需要投球作业导致无法使用内防喷工具，而使用翻板式止回阀代替箭式止回阀，增加了井控风险；另外常规取芯工具内外筒环空间隙小，影响堵漏材料选择；取芯筒螺旋形扶正器与井筒环空间隙小，增加了钻井卡钻风险，同时体积较大易抽吸诱发各类井下复杂情况；常规的取芯工具的工具材质、操作安全性也难以适用于超高温高压井。

如公开号为CN203655199U的中国专利公开了一种安全泄压的密闭取芯工具，包括外筒、内筒等，密封组件设于内筒底部，密封组件连接于内筒内壁、岩芯爪组件内壁或者取芯钻头内壁，密封组件通过至少一个定位构件与取芯钻头内壁，接头组件上开有泄压孔，泄压孔位于第二流通孔的下侧，泄压孔连通外筒和内筒，用于泄掉岩芯在进入内筒时突增的压强；虽然所述专利通过泄压孔连通了内筒和外筒的空间，避免内筒在封闭空间中出现憋压，提供了取芯工具的使用安全性，但是将该取芯工具应用于超高温高压井中进行钻井取芯仍有很多不适。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的常规取芯工具需要投球作业，操作不安全，无法适用超高温高压井的技术问题，提供一种使用方便，操作安全性高，适用于超高温高压井钻井用的取芯工具。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，包括内管总成和外管总成，所述内管总成位于所述外管总成的内部，所述内管总成包括悬挂机构、内筒及锁芯机构；所述内筒的一端与所述悬挂机构相连接，所述内筒的另一端与所述锁芯机构相连接；所述悬挂机构包括与内筒相连接的分水接头和设于所述内筒上用于释放内筒压力的安全泄压阀装置。

本发明的外筒外接外部钻具，外部钻具带动外筒转动，并将钻压传递给外筒底部连接的钻头，岩芯可通过锁芯机构进入内筒中，以实现取芯操作，钻取岩心时，部分钻井液流体从钻头处流进内筒，在水压的作用下，钻井液流体流至内筒上端，并通过分水接头流入内筒和外筒的环空，当内筒圈闭压力高于井筒压力时，安全泄压阀装置可释放内筒的压力，进而可提高取芯工具使用的安全性。

优选的，所述外管总成包括上接头、外筒及钻头；所述外筒的一端与所述上接头相连接，所述外筒的另一端与所述钻头相连接。

优选的，所述连接轴上连接有用于调节锁芯机构与钻头轴向间隙的差值调节短节结构。

优选的，所述差值调节短节结构包括与所述连接轴相连的调节轴和套设于所述调节轴且可螺纹移动的调节套；所述调节套与所述分水接头相连接；所述调节轴上设有用于对所述调节套的位置进行固定的限位结构。

优选的，所述限位结构包括设于所述调节轴上的键槽、可在所述键槽内滑动的止退环、设于所述调节套上的豁口及用于止动的锁紧备冒；所述止退环上设有与键槽滑动连接的第一凸起和可与所述豁口插接配合的第二凸起；所述锁紧备冒套接在所述调节轴上，且与所述调节轴螺纹连接。

优选的，所述安全泄压阀装置包括底座、比例卸荷阀及安全爆破阀；所述比例卸荷阀和所述安全爆破阀均设置在所述底座上。

优选的，所述连接轴上还设有用于起缓冲作用的弹簧组和用于减小内筒和外筒之间的摩擦阻力的轴承。

优选的，所述弹簧组由3-5组蝶形弹簧串联构成；所述轴承采用双轴承设置。

优选的，所述锁芯机构为岩芯爪。

优选的，所述分水接头和安全泄压阀装置之间还设有用于在发生堵芯时进行报警的堵芯报警短节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明整体结构设置简单合理，工作稳定性好，岩芯收货率高，能够快速、高效的完成取芯作业，且对工具的材质进行了改进，可适用于超高温高压井的钻井取芯工作，具有非常高的实际应用价值；

2)本发明连接轴上设置了弹簧组，当取芯工具在取芯钻进时存在轴向振动，弹簧组可起到较好的缓冲作用，避免或减小振动带来的内筒轴向运动幅度，大大提高取芯工具工作的稳定性；另外轴承采用双轴承设置，能够更好的扶正内筒，减少岩芯进入内筒的阻力；

3)本发明安全泄压阀装置并联设置了两个泄压阀，当其中一个失效时，可通过另外一个继续释放内筒压力，可大大提高取芯工具的安全性，且当整个安全泄压阀装置失效后，在地面拆解取芯工具前，可使用专用扳手手动破坏安全泄压阀装置释放内筒压力保证地面操作的安全性；

4)本发明在发生堵芯时，内筒受向上的推力，通过改变内筒顶部的流道大小来改变取芯工具的压耗，当压力升高反馈至地面管汇的压力表上，取芯工程师可以判断井下复杂情况并及时采取割芯起钻确保岩芯收获率；

5)本发明差值调节短节结构可调节锁芯机构和钻头的轴向间隙，使得锁芯机构与钻头内腔台阶面轴向间隙最优化，在保证钻头内腔扶正内筒的情况下保持流道畅通；

6)本发明连接轴、差值调节短节结构、安全泄压阀装置及堵芯报警短节均为短节，可根据实际使用需求，进行增减，使用非常方便，可进一步提高取芯工具的适用性。

附图说明

图1是本发明钻井用取芯工具的结构示意图；

图2是本发明差值调节短节结构的结构示意图；

图3是本发明止退环的结构示意图；

图4是本发明钻头和锁芯机构的结构示意图；

图5是本发明堵芯报警短节的结构示意图；

图6是本发明钻头的另一角度的结构示意图；

图7是本发明的安全泄压阀装置的结构示意图。

附图中：1-内管总成；2-外管总成；21-上接头；22-外筒；23-钻头；231-布齿；232-内流道；233-外流道；3-悬挂机构；31-连接轴；32-分水接头；33-弹簧组；34-轴承；4-内筒；5-锁芯机构；6-安全泄压阀装置；61-底座；62-比例卸荷阀；63-安全爆破阀；631-破裂片；7-差值调节短节结构；71-调节轴；711-连接部；712-螺纹部；711-连接部；712-螺纹部；72-调节套；8-限位结构；81-键槽；82-止退环；83-豁口；84-第一凸起；85-第二凸起；86-锁紧备帽；9-堵芯报警短节；91-第一连接头；92-连接体；93-第二连接头；931-锥部；94-螺钉；95-橡胶圈；10-扶正器。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例

如图1-7所示为一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具的实施例，包括内管总成1和外管总成2，其中内管总成1位于外管总成2内，具体的，外管总成2包括上接头21、外筒22及钻头23，外筒22的一端与上接头21卡扣连接，外筒22的另一端与钻头23螺纹连接，其中上接头21与外部钻具通过连接扣相连接，外部钻具工作时，外筒22可在上接头21的驱动下转动并将钻压传递给外筒22底部连接的钻头23。

其中钻头23采用冠部结构，钻头23的底端上设有布齿231，钻头23的内外分别设有内流道232和外流道233；通过对钻头23的优化，可提高钻头23取芯机械的转速，提高工作的稳定性，进而提高岩芯收获率；其中外筒23上套设有扶正器10。

其中内管总成1包括悬挂机构3、内筒4及锁芯机构5，其中内筒4的一端与悬挂机构3相连接，内筒4的另一端与锁芯机构5相连，锁芯机构5为岩心爪，用于卡箍并承托岩心，具体选用自锁式卡箍岩芯爪，包括爪环和设置爪环上的爪环凸起，爪环凸起可将岩心抱住，主体采用弹簧钢材质，内侧表面涂敷碎合金增加摩擦力，外侧割缝设计减小刚性。

其中悬挂机构3包括连接轴31、分水接头32、弹簧组33、轴承34、安全泄压阀装置6、差值调节短节结构7及堵芯报警短节8；其中弹簧组33和轴承34均设置在连接轴31，弹簧组33由3-5组蝶形弹簧串联构成，本实施例中蝶形弹簧共设置3组，当取芯工具在取芯钻进时存在轴向振动，弹簧组33可起到缓冲作用，避免或减小振动带来的内筒4轴向运动幅度，提高取芯工具工作的稳定性；其中轴承34为推力球滚珠轴承，且轴承34采用双轴承设置，能够更好的扶正内筒4，减少岩芯进入内筒4的阻力，采用双轴承串联在连接轴31上给内筒4和外筒22一个相对自由度，外筒22在转动过程中，内筒4不转或者转速较低。

其中差值调节短节结构7与连接轴31的端部相连接，差值调节短节结构7用于调节锁芯机构5和钻头23的轴向间隙W，使得锁芯机构5与钻头23内腔台阶面轴向间隙W最优化，在保证钻头23内腔扶正内筒4的情况下保持流道畅通，具体的，差值调节短节结构7包括调节轴71、调节套72及限位结构8，调节轴71包括连接部711和螺纹部712，连接部711的直径大于螺纹部712，连接部711的一端与连接轴31相连接，连接部711的另一端与螺纹部712相连接，螺纹部712上设有外螺纹，其中调节套72活动套设于螺纹部712上，调节套72的内壁设有内螺纹，通过转动调节套72，可调节调节套72在调节轴71上的位置，调节套72与分水接头32相连。

其中限位结构8用于固定限制调节套72在调节轴71上的位置，具体的，限位结构8包括键槽81、止退环82、豁口83、第一凸起84、第二凸起85及锁紧备帽86，键槽81设于螺纹部712上，其中豁口83设置在调节套72上，其中止退环82套设在螺纹部712上，止退环82的内圈设有第一凸起84，第一凸起84滑动连接在键槽81上，第一凸起84与键槽81的设置可使得止退环82沿着螺纹部712移动，但不发生转动。

另外止退环82的侧壁还设有第二凸起85，第二凸起85可插接在调节套72上的豁口83上，当第二凸起85进入调节套72的豁口83内后，可限制调节轴71和调节套72的相对运动，进而可实现对调节套72位置的固定，其中锁紧备帽86套设在螺纹部712上，且锁紧备帽86设有内螺纹，即锁紧备帽86与螺纹部712螺纹连接，转动锁紧备帽86可调节其在螺纹部712的位置，当第二凸起85进入调节套72的豁口83内后，转动锁紧备帽86移动至止退环82处，通过锁紧备帽86限制止退环82的移动，可进一步提高调节套72的稳固性。

其中分水接头32呈中空设置，分水接头32的侧壁设有旁通孔，钻井循环时，钻井液流体从钻具内经过分水接头32的旁通孔流入内筒4和外筒22的环空，作业时无投球堵塞内筒4顶部通道的要求。

其中安全泄压阀装置6设置在分水接头32与内筒4之间，用于确保内筒4圈闭的压力的释放通道安全，具体的，安全泄压阀装置6包括底座61、比例卸荷阀62及安全爆破阀63，比例卸荷阀62和安全爆破阀63均设置在底座61上，且比例卸荷阀62和安全爆破阀63为并联设置，其中安全爆破阀63的破裂片631选用正拱带槽型，适用于气、液两项型，破裂时不产生火花；安全泄压阀装置6设置为优先启动比例卸荷阀62，比例卸荷阀的工作压力3MPa，失效后释放安全爆破阀63，安全爆破阀的工作压力5Mpa。

具体为，当内筒4圈闭压力高于井筒压力，比例卸荷阀62工作，释放内筒4压力；当比例卸荷阀62因堵塞失效时，随着内筒4与井筒的压差增加，安全爆破阀63内的破裂片被挤压破裂，释放压力；如果整个安全泄压阀装置6失效，在地面拆解取芯工具前，可使用专用扳手手动破坏安全爆破63释放内筒4压力保证地面操作的安全性。

其中堵芯报警短节9设置在分水接头32与安全泄压阀装置6之间，在发生堵芯时，内筒4受向上的推力，通过改变内筒4顶部的流道大小来改变取芯工具的压耗，当压力升高反馈至地面管汇的压力表上，取芯工程师可以判断井下复杂情况并及时采取割芯起钻确保岩芯收获率。

具体的，堵芯报警短节9包括第一连接头91、连接体92及第二连接头93，其中第一连接头91与分水接头32螺纹连接，第二连接头93与安全泄压阀装置6螺纹连接，其中连接体92的一端与第一连接头91螺纹连接，连接体92的另一端与第二连接头93通过螺钉94相连接。

其中，第二连接头93设有上接部932、锥部931及下接部933，上接部932、锥部931及下接部933依次连接，其中上接部932设于连接体92内，其中下接部933与安全泄压阀装置6相连接，其中螺钉94设置在上接部932和连接体92的侧壁上，当发生堵心时，岩芯推动内筒4上行，在岩芯的推力作用下，当螺钉94受到剪切力而被剪断，当螺钉94被剪断后，可解除第二连接头93与连接本92的连接，使得第二连接头93可在连接体92的内部移动。

其中锥部931的径长从上接部932向下接部933的方向逐渐增大，锥部931径长较小的一端活动套设有橡胶圈95，橡胶圈95抵接在连接体92的端部外侧，本实施例中橡胶圈95的材质选用耐高温的橡胶材质，橡胶圈95的锥度与锥部931的锥度相匹配。

正常取芯作业时，橡胶圈95位于锥部931的径长较小的一端，此时橡胶圈95与外筒23之间的环空间隙正常，泵压处于正常稳定值；而当取芯工具发生堵芯时，岩芯推动内筒4上行，在岩芯的推力作用下，会剪断第二连接头93与连接体92之间的螺钉5，使得第二连接头93可在连接体92内上行，当锥部931逐渐伸至连接体92内时，由于锥部931与橡胶圈95接触的径长逐渐变大，橡胶圈95受到挤压而变形，当橡胶圈95位于锥部931的径长最大一端时，橡胶圈95变形程度最大，使得橡胶圈95与外筒23之间的环空过流面积明显变小，进而导致泵压明显升高，从而可指示堵芯的发生，地面上的工作人员可及时采取相应措施，以避免造成更大的损失。

其中连接轴31、差值调节短节结构7、安全泄压阀装置6及堵芯报警短节9均为短节，可根据实际使用需求，进行增减，使用非常方便，为适用各短节的的拆卸或连接，外筒23由多节螺接连接，即可根据实际需要进行增减。

为适用高温高压的环境，其中内筒4和外筒22采用无缝钢管制成，材料均为P110钢级，API SPEC 5CT标准中要求钢级抗拉强度≥862MPa，屈服强度为758-965MPa；钻头23和扶正器10采用35CrMo材料，抗拉强度≥985MPa，屈服强度≥835MPa。

本发明的具体工作原理为：工具在使用前，根据现场作业情况，增减堵芯报警短节9、安全泄压阀装置6；通过调节差值短节结构7调节锁芯机构5与钻头23之间的轴线间隙，保证钻头23内腔扶正内筒4的情况下保持流道畅通。取芯工具使用时驱动外部钻具工作，外筒22可在上接头21的驱动下转动并将钻压传递给外筒22底部连接的钻头23，岩芯可通过锁芯机构5进入内筒4中，在取芯的过程中，弹簧组33可起到缓冲作用，减小内筒4轴向振动，轴承34采用双轴承设置，能够更好的扶正内筒4，减少岩芯进入内筒4的阻力，钻井液流体从钻具内经过分水接头32的旁通孔流入内筒4和外筒22的环空。当内筒4圈闭压力高于井筒压力，比例卸荷阀62工作，释放内筒4压力；当比例卸荷阀62因堵塞失效时，随着内筒4与井筒的压差增加，安全爆破阀63内的破裂片被挤压破裂，释放压力；若发生堵芯，堵芯报警短节9通过改变内筒4顶部的流道大小来改变取芯工具的压耗，当压力升高反馈至地面管汇的压力表上，取芯工程师可以判断井下复杂情况并及时采取割芯起钻确保岩芯收获率，整个取芯工具使用方便，确保井下及人员地面操作等工作的安全性，可适用于超高温高压井的钻井取芯作业，具有较高的实际应用价值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，包括内管总成(1)和外管总成(2)，所述内管总成(1)位于所述外管总成(2)的内部，其特征在于：所述内管总成(1)包括悬挂机构(3)、内筒(4)及锁芯机构(5)；所述内筒(4)的一端与所述悬挂机构(3)相连接，所述内筒(4)的另一端与所述锁芯机构(5)相连接；所述悬挂机构(3)包括与内筒(4)相连接的分水接头(32)和设于所述内筒(4)上用于释放内筒(4)压力的安全泄压阀装置(6)；所述分水接头(32)和安全泄压阀装置(6)之间还设有用于在发生堵芯时进行报警的堵芯报警短节(9)；堵芯报警短节(9)包括第一连接头(91)、连接体(92)及第二连接头(93)，第一连接头(91)与分水接头(32)相连接，连接体(92)与第二连接头(93)通过螺钉(94)相连接，第二连接头(93)设有上接部(932)、锥部(931)及下接部(933)，上接部(932)、锥部(931)及下接部(933)依次连接，上接部(932)设于连接体(92)内，下接部(933)与安全泄压阀装置(6)相连接，锥部(931)的径长从上接部(932)向下接部(933)的方向逐渐增大，锥部(931)径长较小的一端活动套设有橡胶圈(95)；橡胶圈(95)抵接在连接体(92)的端部外侧。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述外管总成(2)包括上接头(21)、外筒(22)及钻头(23)；所述外筒(22)的一端与所述上接头(21)相连接，所述外筒(22)的另一端与所述钻头(23)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述分水接头(32)连接有连接轴(31)；所述连接轴(31)上连接有用于调节锁芯机构(5)与钻头(23)轴向间隙的差值调节短节结构(7)。

4.根据权利要求3所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述差值调节短节结构(7)包括与所述连接轴(31)相连的调节轴(71)和套设于所述调节轴(71)且可移动的调节套(72)；所述调节套(72)与所述分水接头(32)相连接；所述调节轴(71)上设有用于对所述调节套(72)的位置进行固定的限位结构(8)。

5.根据权利要求4所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述限位结构(8)包括设于所述调节轴(71)上的键槽(81)、可在所述键槽(81)内滑动的止退环(82)、设于所述调节套(72)上的豁口(83)及用于止动的锁紧备冒(86)；所述止退环(82)上设有与键槽(81)滑动连接的第一凸起(84)和可与所述豁口(83)插接配合的第二凸起(85)；所述锁紧备冒(86)套接在所述调节轴(71)上，且与所述调节轴(71)螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述安全泄压阀装置(6)包括底座(61)、比例卸荷阀(62)及安全爆破阀(63)；所述比例卸荷阀(62)和所述安全爆破阀(63)均设置在所述底座(61)上。

7.根据权利要求3所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述连接轴(31)上还设有用于起缓冲作用的弹簧组(33)和用于减小内筒(4)和外筒(22)之间的摩擦阻力的轴承(34)。

8.根据权利要求7所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述弹簧组(33)由3-5组蝶形弹簧串联构成；所述轴承(34)采用双轴承设置。

9.根据权利要求1所述的一种适用于超高温高压井钻井用取芯工具，其特征在于：所述锁芯机构(5)为岩芯爪。