CN114635657B - 一种适用于破碎地层取心的钻井取心装置和取心工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于破碎地层取心的钻井取心装置和取心工艺，所述取心装置包括安全接头、外岩心筒、旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构、岩心爪组合件和取心钻头，其中，外岩心筒和取心钻头固定连接组成外岩心筒串；旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件设置在外岩心筒串内部且依次固定连接组成内岩心筒串，其中，旋转总成与安全接头可转动连接；内岩心筒串外壁与外岩心筒串内壁之间形成有循环通道，堵心报警机构能够在发生堵心时报警；堵心解堵机构能够在发生堵心后解除堵心；安全接头分别将外岩心筒串和内岩心筒串与上部钻具固定连接。本发明具有取心工具强度高、具有限位段避免造成憋压、零部件受力更加优化等优点。

Description

一种适用于破碎地层取心的钻井取心装置和取心工艺

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探作业技术领域，具体地，涉及一种适用于破碎地层取心的钻井取心装置和取心工艺。

背景技术

钻井取心技术是获取岩心的最直接方式，在油气勘探开发中发挥了极为重要的作用。随着全国许多油田进入后期开发，地层水淹严重，取心时极易造成岩心坍塌破碎。此外，在双探栖霞、磨高灯影组等层位的白云岩裂缝孔洞非常发育，岩心破碎，采用常规取心工具取心时堵心、磨心发生的概率在90％以上，严重影响了取心单筒进尺和岩心收获率。现有的取心装置虽然能够在堵心时实现堵心报警并解除堵心1次，但是存在一些问题：剪销剪断后易掉入内筒和内外筒环空，造成堵心；堵心监视装置的心轴易受压变形，影响内筒上移，造成堵心监视功能无法实现；衬筒为整体式结构，在剪销时易损坏，整体更换加工难度大、成本高；内筒沿用常规内筒结构，出心时采用敲击的方式易损坏破碎的岩心，不利于保持岩心物性特征的完整。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种结构合理、强度高、避免堵心时造成憋压的适用于破碎地层取心的钻井取心装置。又如，本发明的另一目的在于提供一种可及时发现堵心、避免磨心、提高单筒进尺和取心收获率的适用于破碎地层取心的钻井取心工艺。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种适用于破碎地层取心的钻井取心装置，所述钻井取心装置包括安全接头、外岩心筒、旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构、岩心爪组合件和取心钻头，其中，外岩心筒和取心钻头固定连接组成取心装置的外岩心筒串；旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件均设置在外岩心筒串内部且从上到下固定连接组成取心装置的内岩心筒串，其中，旋转总成上端与安全接头下端可转动连接；内岩心筒串外壁与外岩心筒串内壁之间形成有循环通道，堵心报警机构能够与旋转总成配合在发生堵心时报警；堵心解堵机构能够在发生堵心后解除堵心使取心装置恢复正常，且堵心解堵机构包括内岩心筒、至少一层衬筒、剪切销钉、防掉套筒和连接套，其中，内岩心筒上端与堵心报警机构的下端固定连接，至少一层衬筒设置在内岩心筒中，剪切销钉将衬筒与内岩心筒固定，连接套将内岩心筒下端和岩心爪组合件连接，套筒套设在连接套外壁上以防止剪切销钉掉落到环空中；安全接头分别将外岩心筒串和内岩心筒串与上部钻具固定连接。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述取心装置还可包括第一扶正器和第二扶正器，所述外岩心筒的上端通过第一扶正器与所述安全接头固定连接，外岩心筒的下端通过第二扶正器与取心钻头固定连接。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述安全接头可包括外接头、内接头、压帽、制动环和内筒调节螺帽，其中，所述外接头用于与外岩心筒上端固定连接，所述内接头用于与旋转总成形成转轴连接，所述压帽能够与制动环配合避免内筒调节螺帽在钻进过程中螺纹发生松动，所述内筒调节螺帽能够调节内岩心筒串在外岩心筒串中的轴向位置。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述旋转总成可包括半环、轴承、轴承盒和心轴，其中，

所述轴承盒上端和安全接头固定连接，下端套设在所述心轴上端上，所述轴承设置在轴承盒内壁与心轴外壁之间，所述半环将轴承轴向锁定，所述心轴下端外壁设置有贯穿的分流孔。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述堵心报警机构可包括挡流管、弹性件、滑套、悬挂轴、内筒转换接头和自动泄压总成，其中，

所述挡流管上端插入旋转总成中并能够上下滑动将循环流道关闭或开启；

所述悬挂轴固定设置在挡流管的下端部上，所述弹性件套设在所述挡流管外壁上且其两端分别作用在旋转总成和悬挂轴上；

所述滑套套设在悬挂轴外壁上且其上端与旋转总成下端固定连接，悬挂轴外壁与滑套内壁上形成有限位台阶；

所述内筒转换接头下端与内岩心筒上端固定连接，上端与悬挂轴下端形成接触台阶；

所述自动泄压总成设置在所述内筒转换接头中并能够在内岩心筒中压力过高时单向开启自动泄压，平衡内岩心筒与旋转总成中的压力差。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述内岩心筒可为半剖式结构，且包括内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头，其中，从上到下内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头同轴固定连接。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述半剖式内筒体可包括内筒下瓣、内筒上瓣和定位销，其中，

所述内筒上瓣上沿轴向均匀的、对称的设置有两排销钉孔，内筒下瓣上设置有配合销钉孔的攻螺纹，所述定位销穿过内筒上瓣上的销钉孔进入攻螺纹将内筒下瓣和内筒上瓣固定连接；

所述半剖式内筒体还可包括凹凸型密封结构，所述凹凸型密封结构设置在内筒上瓣和内筒下瓣的配合面上以实现半剖式内筒体内部的密封。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述衬筒可包括衬筒上接头、衬筒体和衬筒下接头，其中，

所述衬筒上接头固定安装在衬筒体的上端，其外径比衬筒体大，比半剖式内岩心筒内径小；

衬筒下接头固定安装在衬筒体下端，其径向均匀的开设有一圈螺纹孔，用于装配剪切销钉；

所述衬筒体为半剖式结构。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述取心钻头可采用贯通式流道结构，取心钻头内台阶面长度不小于半剖式内岩心筒滑行行程的最大值，起到扶正半剖式内岩心筒的作用，保证进心顺利。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，在所述取心钻头内台阶面还可开设了若干沟槽，沟槽与钻头冠部排屑槽相通，并形成一定角度的夹角，在剪销解堵后，半剖式内岩心筒复位的过程中，可以更加顺利的排除堆积在钻头台阶面处的破碎岩屑，避免半剖式内岩心筒无法恢复原位，造成钻井液长期憋压的问题。

本发明的另一方面提供了一种适用于破碎地层取心的钻井取心工艺，所述取心工艺可通过如上任意一项所述的适用于破碎地层取心的钻井取心装置来实现，且包括步骤：

取心工具组装好后与钻具相连，下放取心工具至距井底0.5～1m的位置；

下钻完毕，启动转盘或顶驱，开泵循环清除沉沙后，缓慢下放钻具，根据推荐树心参数进行树心钻进后，再按选择合适的钻进参数进行取心钻进；

取心完成后，割芯起钻。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：

当钻进过程中遇到进尺变慢、立压缓慢升高的情况时，此时可能已经钻遇堵心；维持原钻压和排量继续钻进，观察并记录钻压，当出现钻压骤降，随后立压下降到正常值时，表明已经完成剪销解堵，可以继续钻进；如果立压下降到正常值以下，需检查泥浆泵，若泥浆泵无异常时，应立即割心起钻。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：

若发现堵心报警显示，但继续钻进超过35mm后，钻压和立压仍无变化，可维持一定静压，观察钻压和立压的变化情况，若仍无变化，判断钻头位置堵心，堵心解堵机构无法解除该位置堵心，应立即割心起钻。在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：

解堵一次后，由于弹性件的弹性变形，立压可能会存在一定幅度的波动，若立压变化峰值小于0.5MPa，可以继续按正常钻进参数钻进；若立压变化峰值超过0.5MPa，应适当降低排量至正常排量的80％～90％，如果立压降低，则按当前参数继续钻进，否则应割心起钻。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：在割心起钻后，将岩心从内岩心筒中取出的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)结构更简单，减少了不必要的螺纹连接，提高了取心工具强度，保证取心安全；

(2)具有限位段，可以避免堵心时旋转总成的斜向流道口完全封闭，造成憋压，刺漏外岩心筒；

(3)零部件受力更加优化，采用钢球下沉式设计，钢球装配在堵心报警机构下端，不会直接压在心轴上，避免因心轴的受压变形而造成取心事故；

(4)具有堵心报警机构，可以及时发现堵心，避免磨心，提高取心收获率；

(5)具有堵心解堵机构，堵心时可以通过剪销解除堵心，提高取心单筒进尺；

(6)具有完善的取心工艺。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的一个示例性实施例的适用于破碎地层取心的钻井取心装置的结构示意图；

图2示出了本发明的一个示例性实施例的内岩心筒的结构示意图；

图3示出了图2中半剖式内筒体的结构示意图；

图4(a)和4(b)示出了图2中沿A-A、B-B向的剖视图；

图5示出了本发明的一个示例性实施例的堵心解堵机构的结构示意图；

图6示出了本发明的一个示例性实施例的衬筒的结构示意图；

图7(a)和7(b)示出了本发明的一个示例性实施例的取心钻头的结构示意图；

图8示出了本发明的一个示例性实施例的旋转总成的结构示意图。

附图标记说明：

1-安全接头、1a-内接头、1b-外接头、1c-压帽、1d-制动环、1e-内筒调节螺帽、2-第一扶正器、3-旋转总成、3a-半环、3b-轴承、3c-轴承盒、3d-心轴、4-挡流管、5-弹性件、6-滑套、7-悬挂轴、8-短节、9-内筒转换接头、10-自动泄压总成、11-外岩心筒、12-内岩心筒、13-衬筒、14-第二扶正器、15-岩心爪组合件、16-取心钻头、17-分流孔、18-限位段、19-内筒上接头、20-半剖式内筒体、21-双母短接、22-公母短接、23-内筒下接头、24-内筒下瓣、25-内筒上瓣、26-定位销、27-剪切销钉、28-防掉套筒、29-连接套、30-衬筒上接头、31-衬筒体、32-衬筒下接头、33-贯通流道。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的适用于破碎地层取心的钻井取心装置和取心工艺。

在本发明的第一示例性实施例中，适用于破碎地层取心的钻井取心装置主要包括安全接头、外岩心筒、旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构、岩心爪组合件和取心钻头。

其中，外岩心筒下端和取心钻头的上端固定连接组成了取心装置的外岩心筒串。

旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件均设置在外岩心筒串的内部。从上到下，旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件同轴设置且固定连接组成取心装置的内岩心筒串。

其中，旋转总成的上端与安全接头的下端形成可转动连接，确保外岩心筒串在旋转过程中，内岩心筒串可以保持相对静止，避免因内岩心筒串旋转与岩心产生过大的摩擦，损坏岩心。在内岩心筒串的外壁与外岩心筒串的内壁之间形成有供钻井介质通过的循环通道。该循环流道一端通过旋转总成上的分流孔与上部钻具连通，另一端与取心钻头上的贯通流道连通。堵心报警机构的上端和旋转总成的下端固定连接，堵心报警机构的下端和堵心解堵机构的上端固定连接，发生堵心时岩心作用在堵心解堵机构上对堵心解堵机构施加向上的作用力，堵心解堵机构推动与其固定连接的堵心报警机构上行，堵心解堵机构与旋转总成配合使其上的分流孔的截面积减小，从而使循环流道的截面减小，旋转总成和安全接头中的压力上升，即立压升高。若立压持续居高不下，此时可判断为堵心发出报警。

堵心解堵机构能够在发生堵心后解除堵心状态使取心装置恢复正常，继续进行取心作业。且堵心解堵机构包括内岩心筒、至少一层衬筒、剪切销钉、防掉套筒和连接套。

其中，内岩心筒的上端与堵心报警机构的下端固定连接，至少一层衬筒设置在内岩心筒中，剪切销钉将衬筒与内岩心筒固定，连接套将内岩心筒下端和岩心爪组合件连接，套筒套设在连接套外壁上以防止剪切销钉掉落到环空中。这里，衬筒可包括衬筒上接头、衬筒体和衬筒下接头。其中，衬筒上接头固定安装在衬筒体的上端，其外径比衬筒体大，比半剖式内岩心筒内径小，起到扶正衬筒的作用。

衬筒下接头固定安装在衬筒体下端，其径向均匀的开设有一圈螺纹孔，用于装配剪切销钉。这里，衬筒下接头由于在剪销时频繁受力，属于易损件，需要特殊的硬化处理，与衬筒体分开单独设计可以避免衬筒体剪销时受损，更换和加工困难的问题。

安全接头分别将外岩心筒串和内岩心筒串与上部钻具固定连接。

在本示例性实施例中，所述取心装置还可包括第一扶正器和第二扶正器，所述外岩心筒的上端通过第一扶正器与所述安全接头固定连接，外岩心筒的下端通过第二扶正器与取心钻头固定连接。在第一扶正器和第二扶正器的外壁上敷焊有耐磨层，增加第一扶正器和第二扶正器的耐磨性能，延长使用寿命。这里，通过设置第一扶正器和第二扶正器可以避免钻井过程中磨损外筒、扶正整个取心工具，减小进心阻力；还可以对取心工具进行尺寸补偿，方便装配。在本示例性实施例中，所述安全接头可包括外接头、内接头、压帽、制动环和内筒调节螺帽，其中，所述外接头用于与外岩心筒上端固定连接，所述内接头用于与旋转总成形成转轴连接，所述压帽能够与制动环配合避免内筒调节螺帽在钻进过程中螺纹发生松动，所述内筒调节螺帽能够调节内岩心筒串在外岩心筒串中的轴向位置。这里，内筒调节螺帽用于调节内筒在取心工具中的轴向位置(通过旋松或旋紧与安全接头配合的螺纹实现)，使岩心爪组合件与钻头内台阶面保持合适的距离，便于进心；压帽与制动环配合使用，避免内筒调节螺帽在钻进过程中螺纹发生松动(普通公制螺纹易出现倒扣)，改变了岩心爪组合件与钻头内台阶面的距离，影响进心。

在本示例性实施例中，所述旋转总成可包括半环、轴承、轴承盒和心轴。

其中，轴承盒上端和安全接头的下端固定连接，轴承盒体的下端套设在心轴上端外壁上。轴承设置在轴承盒内壁与心轴外壁之间，所述半环将轴承轴向锁定，所述心轴下端外壁设置有贯穿的分流孔，所述分流孔将安全接头内部流动和循环流道连通。

在本示例性实施例中，所述堵心报警机构可包括挡流管、弹性件、滑套、悬挂轴、内筒转换接头和自动泄压总成。其中，挡流管的上端插入旋转总成中并能够上下滑动将循环流道关闭或开启。悬挂轴的上端与挡流管的下端固定连接。弹性件套设在挡流管外壁上且其上端作用在旋转总成上，下端作用在悬挂轴上。这里，弹性件可以为弹簧。滑套套设在悬挂轴外壁上且其上端与旋转总成下端固定连接，悬挂轴的外壁上设置有凸起的台阶，滑套的内壁上设置有对应的限位台阶，通过所述限位台阶限制悬挂轴在滑套中向下移动的位移。此外，滑套与悬挂轴可采用内、外六方配合，便于转配内筒转换接头时紧扣，避免了采用圆柱台阶时滑套与悬挂轴发生相对转动，造成紧扣时不易固定问题。

内筒转换接头下端与内岩心筒上端固定连接，上端与悬挂轴下端形成接触台阶；这里，滑套下端面与内筒转换接头上端面之间的距离构成限位段，可以避免堵心时旋转总成的斜向流道口完全封闭，造成憋压，刺漏外岩心筒。

自动泄压总成设置在所述内筒转换接头中并能够在内岩心筒中压力过高时单向开启自动泄压，平衡内岩心筒与旋转总成中的压力差。这里，自动泄压总成采用钢球下沉式设计，钢球装配在堵心报警机构下端，不会直接压在心轴上，零部件受力更加优化，避免因心轴的受压变形而造成取心事故。设置自动泄压总成一方面可以起到保护岩心的作用，使钻井液只能单向流通(当内岩心筒中压力过大时，钻井液从内岩心筒、经过悬挂轴、当流管后流向旋转总成)，避免钻井液对岩心的冲蚀损坏；另一方面可以平衡整个取心过程中的内岩心筒中的压力(当内岩心筒中压力过高时，钻井液反向流进旋转总成，自动泄压)，减小进心阻力。

在本示例性实施例中，所述内岩心筒可为半剖式结构，且包括内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头。其中，从上到下内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头同轴固定连接。例如，内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头之间可通过螺纹实现固定连接。

在本示例性实施例中，进一步地，所述半剖式内筒体可包括内筒下瓣、内筒上瓣和定位销。其中，内筒上瓣上沿轴向均匀的、对称的设置有两排销钉孔，内筒下瓣上设置有配合销钉孔的攻螺纹，所述定位销穿过内筒上瓣上的销钉孔进入攻螺纹将内筒下瓣和内筒上瓣固定连接。半剖式内筒体还可包括凹凸型密封结构，所述凹凸型密封结构设置在内筒上瓣和内筒下瓣的配合面上以实现半剖式内筒体内部的密封。这里，通过设置凹凸型密封结构，一方面可以防止钻井液冲刷岩心，另一方面还可以进一步加固半剖式内筒体，避免取心遇堵时，岩心将半剖式内筒体撑开。

在本示例性实施例中，所述衬筒可包括衬筒上接头、衬筒体和衬筒下接头。其中，衬筒上接头固定安装在衬筒体的上端，其外径比衬筒体大，比半剖式内岩心筒内径小，起到扶正衬筒的作用。

衬筒下接头固定安装在衬筒体下端，其径向均匀的开设有一圈螺纹孔，用于装配剪切销钉。衬筒下接头由于在剪销时频繁受力，属于易损件，需要特殊的硬化处理，与衬筒体分开单独设计可以避免衬筒体剪销时受损，更换和加工困难的问题。这里，衬筒体也可以采用上述半剖式结构，方便拆卸取心。

在本示例性实施例中，与常规取心钻头不同，所述取心钻头可采用贯通式流道结构，取心钻头内台阶面长度有适当延长，取心钻头内台阶面长度不小于半剖式内岩心筒滑行行程的最大值，起到扶正半剖式内岩心筒的作用，保证进心顺利。

在本示例性实施例中，进一步地，在所述取心钻头内台阶面还可开设了若干沟槽，沟槽与钻头冠部排屑槽相通，并形成一定角度的夹角，在剪销解堵后，半剖式内岩心筒复位的过程中，可以更加顺利的排除堆积在钻头台阶面处的破碎岩屑，避免半剖式内岩心筒无法恢复原位，造成钻井液长期憋压的问题。

这里，需要说明的是，没有特别指明，以上内容中所涉及到的固定连接均可通过螺纹方式实现。

图1示出了本发明的一个示例性实施例的适用于破碎地层取心的钻井取心装置的结构示意图；图2示出了本发明的一个示例性实施例的内岩心筒的结构示意图；图3示出了图2中半剖式内筒体的结构示意图；图4(a)和4(b)示出了图2中沿A-A、B-B向的剖视图；图5示出了本发明的一个示例性实施例的堵心解堵机构的结构示意图；图6示出了本发明的一个示例性实施例的衬筒的结构示意图；图7(a)和7(b)示出了本发明的一个示例性实施例的取心钻头的结构示意图；图8示出了本发明的一个示例性实施例的旋转总成的结构示意图。

在本发明的第二示例性实施例中，如图1～8中所示，适用于破碎地层取心的钻井取心装置主要包括安全接头1、外岩心筒11、旋转总成3、堵心报警机构、堵心解堵机构、岩心爪组合件15和取心钻头16。这里，从上到下方向即为图1～图3和图5～图8中的从左到右方向。

其中，外岩心筒11的下端和取心钻头16的上端固定连接组成了取心装置的外岩心筒串。

旋转总成3、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件15均设置在外岩心筒串的内部。从上到下，旋转总成3、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件15同轴设置且固定连接组成取心装置的内岩心筒串。其中，旋转总成3的上端与安全接头1的下端形成可转动连接，使得外岩心筒串在旋转过程中，内岩心筒串可以保持相对静止，避免因内岩心筒串旋转与岩心产生过大的摩擦，损坏岩心。在内岩心筒串的外壁与外岩心筒串的内壁之间形成有供钻井介质通过的循环通道。该循环流道一端通过旋转总成3上的分流孔与上部钻具连通，另一端与取心钻头16上的贯通流道连通。堵心报警机构的上端和旋转总成3的下端固定连接，堵心报警机构的下端和堵心解堵机构的上端固定连接，发生堵心时岩心作用在堵心解堵机构上对堵心解堵机构施加向上的作用力，堵心解堵机构推动与其固定连接的堵心报警机构上行，堵心解堵机构与旋转总成配合使其上的分流孔的截面积减小，从而使循环流道的截面减小，旋转总成和安全接头中的压力上升，即立压升高。若立压持续居高不下，此时可判断为堵心发出报警。

堵心解堵机构能够在发生堵心后解除堵心状态使取心装置恢复正常，继续进行取心作业。如图5中所示，堵心解堵机构包括内岩心筒12、至少一层衬筒13、剪切销钉27、防掉套筒28和连接套29。

其中，内岩心筒12的上端与堵心报警机构的下端固定连接，至少一层衬筒13设置在内岩心筒12中，剪切销钉27将衬筒13与内岩心筒12固定。连接套29将内岩心筒12的下端和岩心爪组合件15的上端固定连接。防掉套筒28套设在连接套29的外壁上以防止剪切销钉27剪断后的剩下的部分掉落到环空中。

具体来讲，内岩心筒12与连接套29可通过螺纹连接，衬筒13穿过内岩心筒12与连接套29的内台阶配合，衬筒13的下端钻有若干均匀分布的螺纹孔。相应的，连接套29上配合螺纹孔钻有直孔，剪切销钉27穿过连接套29与衬筒13的螺纹孔连接，实现衬筒13的固定。防掉套筒28套在剪切销钉27外，通过连接套29压紧固定。剪销时，由于剪切销钉27与衬筒13是通过螺纹连接，剪断的部分会留在螺纹孔内，不会掉入衬筒13内，同时，剪切销钉27外有防掉套筒28，阻止了剪切销钉27剪断后向外掉入内外岩心筒形成的环形空间，两者共同作用，保证了剪切销钉27剪断后仍处于原位，避免堵塞内、外岩心筒的环形空间流道和衬筒13的岩心进心通道，保证取心顺利、安全。

这里，如图6中所示，衬筒可包括衬筒上接头30、衬筒体31和衬筒下接头32。其中，衬筒上接头30固定安装在衬筒体31的上端，其外径比衬筒体大，比半剖式内岩心筒内径小，起到扶正衬筒的作用。衬筒下接头32固定安装在衬筒体31的下端，其径向均匀的开设有一圈螺纹孔，用于装配剪切销钉。这里，衬筒下接头32由于在剪切销钉剪销时频繁受力，属于易损件，需要特殊的硬化处理，与衬筒体31分开单独设计可以避免衬筒体31剪销时受损，更换和加工困难的问题。

如图1中所示，安全接头1分别将外岩心筒串和内岩心筒串与上部钻具固定连接进行取心作业。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述取心装置还可包括第一扶正器2和第二扶正器14，外岩心筒11的上端通过第一扶正器2与安全接头1固定连接，外岩心筒11的下端通过第二扶正器14与取心钻头16的上端固定连接。在第一扶正器2和第二扶正器14的外壁上敷焊有耐磨层，以增加第一扶正器和第二扶正器的耐磨性能，延长使用寿命。这里，如图1中所示，所示取心装置还可包括短节8，短节8设置在第一扶正器2和外岩心筒11之间将第一扶正器2和外岩心筒11固定连接。这里，通过设置第一扶正器和第二扶正器可以避免钻井过程中磨损外筒、扶正整个取心工具，减小进心阻力；还可以对取心工具进行尺寸补偿，方便装配。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述安全接头1可包括外接头1b、内接头1a、压帽1c、制动环1d和内筒调节螺帽1e，其中，所述外接头1b用于与外岩心筒11的上端固定连接，所述内接头1a用于与旋转总成3形成转轴连接，所述压帽1c能够与制动环1d配合避免内筒调节螺帽1e在钻进过程中螺纹发生松动，所述内筒调节螺帽1e能够调节内岩心筒串在外岩心筒串中的轴向位置。这里，内筒调节螺帽用于调节内筒在取心工具中的轴向位置(通过旋松或旋紧与安全接头配合的螺纹实现)，使岩心爪组合件与钻头内台阶面保持合适的距离，便于进心；压帽与制动环配合使用，避免内筒调节螺帽在钻进过程中螺纹发生松动(普通公制螺纹易出现倒扣)，改变了岩心爪组合件与钻头内台阶面的距离，影响进心。

在本示例性实施例中，如图8中所示，所述旋转总成3可包括半环3a、轴承3b、轴承盒3c和心轴3d。

其中，轴承盒3c的上端和安全接头的下端固定连接，轴承盒3c的下端套设在心轴的上端外壁上。轴承3b设置在轴承盒3c的内壁与心轴3d的外壁之间，所述半环3a将轴承3b轴向锁定，所述心轴3d下端外壁设置有贯穿的分流孔17，所述分流孔17将安全接头内部流动和循环流道连通。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述堵心报警机构可包括挡流管4、弹性件5、滑套6、悬挂轴7、内筒转换接头9和自动泄压总成10。其中，挡流管4的上端插入旋转总成3中并能够上下滑动将循环流道关闭或开启。悬挂轴7的上端与挡流管4的下端固定连接。弹性件5套设在挡流管4的外壁上且其上端作用在旋转总成3上，下端作用在悬挂轴7上。这里，弹性件可以为弹簧。滑套6套设在悬挂轴7的外壁上且其上端与旋转总成3的下端固定连接，悬挂轴7的外壁上设置有凸起的台阶，滑套6的内壁上设置有对应的限位台阶，通过所述限位台阶限制悬挂轴7在滑套6中向下移动的位移。此外，滑套与悬挂轴可采用内、外六方配合，便于转配内筒转换接头时紧扣，避免了采用圆柱台阶时滑套与悬挂轴发生相对转动，造成紧扣时不易固定问题。

内筒转换接头9的下端与内岩心筒12的上端固定连接，内筒转换接头的上端与悬挂轴7的下端形成接触台阶。这里，滑套6的下端面与内筒转换接头9的上端面之间的距离构成限位段18，设置限位段18可以避免堵心时旋转总成3上的斜向设置的分流孔17被完全封闭，造成憋压，刺漏外岩心筒11。

自动泄压总成10设置在所述内筒转换接头9中并能够在内岩心筒12中压力过高时单向开启自动泄压，平衡内岩心筒12与旋转总成3中的压力差。这里，自动泄压总成10采用钢球下沉式设计，钢球装配在堵心报警机构的下端，不会直接压在心轴上，零部件受力更加优化，避免因心轴的受压变形而造成取心事故。设置自动泄压总成一方面可以起到保护岩心的作用，使钻井液只能单向流通(当内岩心筒中压力过大时，从内岩心筒中流向旋转总成)，避免钻井液对岩心的冲蚀损坏；另一方面可以平衡整个取心过程中的内岩心筒中的压力(当内岩心筒中压力过高时，钻井液反向流进旋转总成，自动泄压)，减小进心阻力。

在本示例性实施例中，如图2和图3中所示，所述内岩心筒可为半剖式结构，且包括内筒上接头19、半剖式内筒体20、双母短接21、公母短接22和内筒下接头23。其中，从上到下，内筒上接头19、半剖式内筒体20、双母短接21、公母短接22、半剖式内筒体20和内筒下接头23同轴固定连接。例如，这里，内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头之间可通过螺纹实现固定连接。

在本示例性实施例中，如图3和图4(a)中所示，进一步地，所述半剖式内筒体可包括内筒下瓣24、内筒上瓣25和定位销26。其中，内筒上瓣25上沿轴向均匀的、对称的设置有两排销钉孔，内筒下瓣24上设置有配合销钉孔的攻螺纹，所述定位销26穿过内筒上瓣25上的销钉孔进入攻螺纹将内筒下瓣24和内筒上瓣25固定连接。如图4(b)中所示，半剖式内筒体还可包括凹凸型密封结构，所述凹凸型密封结构设置在内筒上瓣和内筒下瓣的配合面上以实现半剖式内筒体内部的密封。这里，通过设置凹凸型密封结构，一方面可以防止钻井液冲刷岩心，另一方面还可以进一步加固半剖式内筒体，避免取心遇堵时，岩心将半剖式内筒体撑开。

在本示例性实施例中，如图6中所示，所述衬筒可包括衬筒上接头30、衬筒体31和衬筒下接头32。其中，衬筒上接头30固定安装在衬筒体31的上端，其外径比衬筒体31大，比半剖式内岩心筒内径小，起到扶正衬筒的作用。

衬筒下接头32固定安装在衬筒体31的下端，其径向均匀的开设有一圈螺纹孔，用于装配剪切销钉。衬筒下接头32由于在剪销时频繁受力，属于易损件，需要特殊的硬化处理，与衬筒体31分开单独设计可以避免衬筒体31剪销时受损，更换和加工困难的问题。这里，衬筒体也可以采用上述半剖式结构，方便拆卸取心。

在本示例性实施例中，如图7(a)和7(b)中所示，与常规取心钻头不同，本发明中的取心钻头可采用贯通式流道结构，贯通流道33将循环流道与井下连通。取心钻头内台阶面长度有适当延长，取心钻头内台阶面长度不小于半剖式内岩心筒滑行行程的最大值，起到扶正半剖式内岩心筒的作用，保证进心顺利。

进一步地，在所述取心钻头内台阶面还可开设了若干沟槽，沟槽与钻头冠部排屑槽相通，并形成一定角度的夹角，在剪销解堵后，半剖式内岩心筒复位的过程中，可以更加顺利的排除堆积在钻头台阶面处的破碎岩屑，避免半剖式内岩心筒无法恢复原位，造成钻井液长期憋压的问题。

本发明的工作原理为：取心遇堵时，岩心作用在衬筒上的力会推动半剖式内岩心筒向上移动，同时也会带动内筒转换接头、悬挂轴和挡流管上行压缩弹簧。当挡流管上行到一定位置时，旋转总成的分流孔会有部分被挡住(仍然存在循环通道)，工具内钻井液流道面积减小，立压升高。若立压持续居高不下，此时可判断为堵心。继续增加钻压钻进，此时随着继续钻进，岩心对衬筒的作用力会逐渐增加。当该作用力等于剪切销钉的剪切力时，剪切销钉被剪断，衬筒随着岩心一起上行，即可解除堵心。此时，岩心对内岩心筒的作用力几乎不存在，在弹簧、岩心和半剖式内岩心筒自重以及压差(因为自动泄压总成上端憋有压力，通过自动泄压总成的钢球传递到内筒组件)的共同作用下，内岩心筒回复到原位，重新建立正常的循环通道，上部差压消失，立压恢复正常，可进行正常的取心钻进。如果进心的阻力小于弹簧设计的最大弹力，则不需进行剪销解堵，弹簧弹力即可抵消进心阻力。如此往复，根据设计的衬筒层数不同，可以达到不同次数的解堵效果。

在本发明的第三示例性实施例中，适用于破碎地层取心的钻井取心工艺可通过如第一或第二示例性实施例所述的适用于破碎地层取心的钻井取心装置来实现，且包括步骤：

取心工具组装好后与钻具相连，下放取心工具至距井底0.5～1m的位置。具体来讲，下钻过程中操作应平稳，不猛刹、猛放、猛顿，防止钻具剧烈摆动造成提前剪销，严禁钻具猛烈反转，以防倒开安全接头，下钻中若遇键槽、狗腿、井径缩小井段，应缓慢下放；若严重遇阻，沉沙超过3米，禁止用取心钻头划眼。

下钻完毕，启动转盘或顶驱，开泵循环清除沉沙后，缓慢下放钻具，根据推荐树心参数进行树心钻进后，再按选择合适的钻进参数进行取心钻进。这里，取心钻进中，无特殊情况，不停泵、不停转、钻头不提离井底，严禁加足钻压启动转盘。

取心完成后，割芯起钻。这里，割芯按常规割芯心方式进行。

在本示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：取心之前的准备工艺，主要包括取心工具下井前工具自身和井底情况的各项检查，以及工具组装需要注意的问题。

①确保剪切销钉上紧到位，半剖式内岩心筒和衬筒相对固定。

②确保弹簧弹性正常，压缩行程不大于35mm。

③确保挡流管处于心轴泄流孔下端5～10mm处，严禁遮挡心轴泄流孔。

④确保悬挂轴在滑套内无堵塞，能够自由滑动。

⑤半剖式内筒应尽量保持在水平位置组装，方便对扣，螺纹上紧扭矩按整体螺纹的80％选择。

⑥岩心爪座须进入钻头的内引导腔，下端面与钻头台阶保持8～12mm间隙。

⑦确保卡箍敷焊的碳化钨颗粒均匀，有棱角，整体弹性适中，徒手闭合10次放手后，与原宽度相差在2mm以内，对岩心爪进行开合检测，反复3次，放手后与原开度相差在4mm以内。

⑧保证井底无金属落物，井眼电畅通。

⑨确保旋转总成应转动灵活。

⑩确保安全接头的摩檫环、螺纹应完好，“O”型密封圈无损伤。

确保内、外岩心筒11无碰扁和影响强度的裂纹等缺陷，螺纹应完好，按规定扭矩紧扣。

在本示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：

当钻进过程中遇到进尺变慢、立压缓慢升高的情况时，此时可能已经钻遇堵心；维持原钻压和排量继续钻进，观察并记录钻压，当出现钻压骤降，随后立压下降到正常值时，表明已经完成剪销解堵，可以继续钻进；如果立压下降到正常值以下，需检查泥浆泵，若泥浆泵无异常时，应立即割心起钻。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：

若发现堵心报警显示，但继续钻进超过35mm后，钻压和立压仍无变化，可维持一定静压(例如，5t)，观察钻压和立压的变化情况，若仍无变化，判断钻头位置堵心，堵心解堵机构无法解除该位置堵心，应立即割心起钻。在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：

解堵一次后，由于弹性件的弹性变形，立压可能会存在一定幅度的波动，若此时立压变化峰值小于0.5MPa，可以继续按正常钻进参数钻进；若立压变化峰值超过0.5MPa，应适当降低排量至正常钻进排量的80％～90％，如果立压降低，则按当前参数继续钻进，否则应割心起钻。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述取心工艺还可包括：在割心起钻后，将岩心从内岩心筒中取出的步骤。

具体来讲，破碎地层取心工具出心工艺与常规取心工具出心的不同在于，破碎地层取心工具存在两层内筒，需要分别对两层内筒进行出心，本发明设计了两种出心工艺：

①场地出心

适用于外层内筒采用半剖式内筒结构的情况，此时，外层内筒沿轴向被切割成两半，通过内筒上接头、双母短接、公母短接、内筒下接头将其暂时的整合成一个整体，出心时，先卸开外岩心筒短节与外岩心筒的连接螺纹，上提半剖式内岩心筒，利用内筒卡盘将半剖式内岩心筒座在外岩心筒上端面，卸开内筒转换接头与半剖式内岩心筒的连接螺纹，使用内筒提环将半剖式内岩心筒与岩心一起提离外岩心筒，转运至场地出心。

在场地上，首先卸与开半剖式内筒连接的内筒上接头、双母短接、公母短接、内筒下接头的连接螺纹，将半剖式内筒拆分成两半，此时，由于衬筒比半剖式内筒短，岩心一半将直接暴露在外，另一半仍在衬筒中，暴露在外的岩心可以直接取走储存，再将衬筒上接头、衬筒体和衬筒下接头的连接螺纹卸开，衬筒体分成2半，取出衬筒体中的岩心，完成整个出心操作。

②钻台出心

适用于整体式内筒的情况，此时，两层内筒均为整体式，外层内筒(相当于原来半剖式内筒)根据取心进尺要求由若干截短内筒组成，里层内筒(相当于原来衬筒)比任意一截外层内筒稍长，出心时有以下几种工艺方案。

a、钻进过程中未剪销

剪切销钉未剪断，里层内筒处于外层内筒下端，两层内筒均储存有岩心，由于里层内筒内径比外层内筒小，按常规出心工艺出心，上端岩心不能通过里层内筒，完成不了出心，此时要分两步出心：

第一，上提外层内筒至下半截露出外岩心筒，使用内筒卡盘将外层内筒座在外筒上，卸开两截外层内筒的连接螺纹，利用岩心分断钳卡住上半截外层内筒，将上半截外层内筒连同岩心一起提离外岩心筒，按常规出心方法对上半截外层内筒进行出心。

第二，剩余的半截外层内筒连同里层内筒仍然座在钻头台阶上，此时通过加长的内筒提环，将剩余的外层内筒和岩心一起提离外岩心筒，卸开卡箍座与连接套的连接螺纹，按常规出心方式对剩下的岩心进行出心。

b、钻进过程中剪断了销钉

当剪切销钉被剪断以后，里层内筒将处于浮动状态，取心完成后可能会处于外层内筒的任意位置，此时里层内筒有部分岩心，里层内筒下端到岩心爪这一段的空间也会储存有岩心，此时宜按以下出心工艺进行出心：

第一，先按常规出心工艺，将外层内筒和岩心提离外岩心筒，卸开内筒与连接套的连接螺纹，对里层内筒下端到岩心爪这一段的空间内的岩心进行出心。

第二，第一步出心完成后，里层内筒将从外层内筒下端面露出，此时，先将连接套与卡箍座上紧螺纹，使用岩心钳卡住两层内筒，上提外层内筒，将里层内筒放入连接套内，松开岩心钳，上紧连接套与外层内筒的连接螺纹，再次上提内筒放入外岩心筒中，利用内筒卡盘将内筒座在外岩心筒上端面，通过里层内筒配套的内筒提环单独将里层内筒提离外层内筒，再次按常规出心方法对里层内筒进行出心操作，至此，完成全部出心操作。

现场试验采用133-66型取心工具开展了功能性试验，试验过程中，在钻遇堵心时，立压由1.5MPa上升至2.85MPa，继续钻进27mm后，钻压骤降2.4t，立压降至1.6MPa,工具出井完好，剪切销钉断口平整，证明堵心报警和解堵功能可行。本发明解决了破碎地层取心易堵心、单筒进尺低等共性问题，采用该取心装置可以及时监测到取心过程中是否出现堵心，并解除堵心，提高取心单筒进尺，避免过度磨心，造成取心收获率低。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)结构更简单，减少了不必要的螺纹连接，提高了取心工具强度，保证取心安全；

(2)具有限位段，可以避免堵心时旋转总成的斜向流道口完全封闭，造成憋压，刺漏外岩心筒；

(3)零部件受力更加优化，采用钢球下沉式设计，钢球装配在堵心报警机构下端，不会直接压在心轴上，避免因心轴的受压变形而造成取心事故；

(4)具有堵心报警机构，可以及时发现堵心，避免磨心，提高取心收获率；

(5)具有堵心解堵机构，堵心时可以通过剪销解除堵心，提高取心单筒进尺；

(6)具有完善的取心工艺。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (7)

1.一种适用于破碎地层取心的钻井取心装置，其特征在于，所述钻井取心装置包括安全接头、外岩心筒、旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构、岩心爪组合件和取心钻头，其中，外岩心筒和取心钻头固定连接组成取心装置的外岩心筒串；旋转总成、堵心报警机构、堵心解堵机构和岩心爪组合件均设置在外岩心筒串内部且从上到下固定连接组成取心装置的内岩心筒串，其中，旋转总成上端与安全接头下端可转动连接；内岩心筒串外壁与外岩心筒串内壁之间形成有循环通道，堵心报警机构能够与旋转总成配合在发生堵心时报警；堵心解堵机构能够在发生堵心后解除堵心使取心装置恢复正常，且堵心解堵机构包括内岩心筒、至少一层衬筒、剪切销钉、防掉套筒和连接套，其中，内岩心筒上端与堵心报警机构的下端固定连接，至少一层衬筒设置在内岩心筒中，剪切销钉将衬筒与内岩心筒固定，连接套将内岩心筒下端和岩心爪组合件连接，套筒套设在连接套外壁上以防止剪切销钉掉落到环空中；安全接头分别将外岩心筒串和内岩心筒串与上部钻具固定连接；

所述内岩心筒为半剖式结构，且包括内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头，其中，从上到下内筒上接头、半剖式内筒体、双母短接、公母短接和内筒下接头同轴固定连接；

所述半剖式内筒体包括内筒下瓣、内筒上瓣和定位销，其中，所述内筒上瓣上沿轴向均匀的、对称的设置有两排销钉孔，内筒下瓣上设置有配合销钉孔的攻螺纹，所述定位销穿过内筒上瓣上的销钉孔进入攻螺纹将内筒下瓣和内筒上瓣固定连接；所述半剖式内筒体还包括凹凸型密封结构，所述凹凸型密封结构设置在内筒上瓣和内筒下瓣的配合面上以实现半剖式内筒体内部的密封；

所述衬筒包括衬筒上接头、衬筒体和衬筒下接头，其中，所述衬筒上接头固定安装在衬筒体的上端，其外径比衬筒体大，比半剖式内岩心筒内径小；衬筒下接头固定安装在衬筒体下端，其径向均匀的开设有一圈螺纹孔，用于装配剪切销钉；所述衬筒体为半剖式结构；

所述安全接头包括外接头、内接头、压帽、制动环和内筒调节螺帽，其中，所述外接头用于与外岩心筒上端固定连接，所述内接头用于与旋转总成形成转轴连接，所述压帽能够与制动环配合避免内筒调节螺帽在钻进过程中螺纹发生松动，所述内筒调节螺帽能够调节内岩心筒串在外岩心筒串中的轴向位置；

所述旋转总成包括半环、轴承、轴承盒和心轴，其中，所述轴承盒上端和安全接头固定连接，下端套设在所述心轴上端上，所述轴承设置在轴承盒内壁与心轴外壁之间，所述半环将轴承轴向锁定，所述心轴下端外壁设置有贯穿的分流孔；

所述堵心报警机构包括挡流管、弹性件、滑套、悬挂轴、内筒转换接头和自动泄压总成，其中，所述挡流管上端插入旋转总成中并能够上下滑动将循环流道关闭或开启；所述悬挂轴固定设置在挡流管的下端部上，所述弹性件套设在所述挡流管外壁上且其两端分别作用在旋转总成和悬挂轴上；所述滑套套设在悬挂轴外壁上且其上端与旋转总成下端固定连接，悬挂轴外壁与滑套内壁上形成有限位台阶；所述内筒转换接头下端与内岩心筒上端固定连接，上端与悬挂轴下端形成接触台阶；所述自动泄压总成设置在所述内筒转换接头中并能够在内岩心筒中压力过高时单向开启自动泄压，平衡内岩心筒与旋转总成中的压力差。

2.根据权利要求1所述的适用于破碎地层取心的钻井取心装置，其特征在于，所述取心装置还包括第一扶正器和第二扶正器，所述外岩心筒的上端通过第一扶正器与所述安全接头固定连接，外岩心筒的下端通过第二扶正器与取心钻头固定连接。

3.根据权利要求1所述的适用于破碎地层取心的钻井取心装置，其特征在于，所述取心钻头采用贯通式流道结构，取心钻头内台阶面长度不小于半剖式内岩心筒滑行行程的最大值，起到扶正半剖式内岩心筒的作用，保证进心顺利。

4.根据权利要求3所述的适用于破碎地层取心的钻井取心装置，其特征在于，在所述取心钻头内台阶面还开设了若干沟槽，沟槽与钻头冠部排屑槽相通，并形成一定角度的夹角，在剪销解堵后，半剖式内岩心筒复位的过程中，可以更加顺利的排除堆积在钻头台阶面处的破碎岩屑，避免半剖式内岩心筒无法恢复原位，造成钻井液长期憋压的问题。

5.一种适用于破碎地层取心的钻井取心工艺，其特征在于，所述取心工艺可通过如权利要求1~4中任意一项所述的适用于破碎地层取心的钻井取心装置来实现，且包括步骤：

取心工具组装好后与钻具相连，下放取心工具至距井底0.5~1m的位置；

下钻完毕，启动转盘或顶驱，开泵循环清除沉沙后，缓慢下放钻具，根据推荐树心参数进行树心钻进后，再按选择合适的钻进参数进行取心钻进；

取心完成后，割心起钻；

所述取心工艺还包括：若发现堵心报警显示，但继续钻进超过35mm后，钻压和立压仍无变化，可维持一定静压，观察钻压和立压的变化情况，若仍无变化，判断钻头位置堵心，堵心解堵机构无法解除该位置堵心，应立即割心起钻；

所述取心工艺还包括：解堵一次后，由于弹性件的弹性变形，立压可能会存在一定幅度的波动，若立压变化峰值小于0.5MPa，可以继续按正常钻进参数钻进；若立压变化峰值超过0.5MPa，应适当降低排量至正常排量的80%~90%，如果立压降低，则按当前参数继续钻进，否则应割心起钻。

6.根据权利要求5所述的适用于破碎地层取心的钻井取心工艺，其特征在于，所述取心工艺还包括：

当钻进过程中遇到进尺变慢、立压缓慢升高的情况时，此时可能已经钻遇堵心；维持原钻压和排量继续钻进，观察并记录钻压，当出现钻压骤降，随后立压下降到正常值时，表明已经完成剪销解堵，可以继续钻进；如果立压下降到正常值以下，需检查泥浆泵，若泥浆泵无异常时，应立即割心起钻。

7.根据权利要求5所述的适用于破碎地层取心的钻井取心工艺，其特征在于，所述取心工艺还包括：

在割心起钻后，将岩心从内岩心筒中取出的步骤。