CN116065996B - 一种超深井控压取心工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气勘探和开采技术领域，公开了一种超深井控压取心工具和方法。超深井控压取心工具包括内筒、外筒、液力提升装置、压力控制装置和球阀密封装置，液力提升装置使得内筒和外筒差动运动，有效解决了超深层取心差动困难、球阀关闭不严和保压成功率低问题；压力控制装置主动调节并降低内筒的压力，使内筒压力降低至取心工具安全可控范围内，同时实现保油、保气目的；球阀密封装置采用第二氮气腔增压以将第二活塞压接在球阀顶部和悬挂转轴转动连接球阀的方式固定球阀，通过高压氮气和悬挂转轴提升球阀承压能力，解决深层、超深层的超高压工况下的保压取心问题，为油气评价和勘探开发提供技术支持对内筒进行密封。

Description

一种超深井控压取心工具和方法

技术领域

本发明涉及油气勘探和开采技术领域，尤其涉及一种超深井控压取心工具和方法。

背景技术

在油气田勘探开发过程中，通过钻井取心获取地层岩心资料对储层物性和资源量进行精细评价是科学指导油气开发的重要手段。根据我国目前钻井取心技术水平，用于石油与天然气的钻井取心工具主要包括常规取心工具、长筒取心工具、密闭取心工具、保压取心工具等。现有的钻井取心工具中，除了保压取心工具以外，其他几种取心工具均没有压力保护和密封措施，起钻过程中油气组分大量损失，导致油气评价和储量计算不准确，严重影响油田勘探开发方案的制定。

现有技术中的多种保压取心工具，通用保压能力为35MPa，保压能力最高的达到70MPa，仅仅能够满足浅井以及浅海保压取心作业需求。对于井底压力达到80-100MPa，甚至100-150MPa的超高压、超深层油气储层，现有保压取心工具远远无法满足超高压地层保压取心作业需求。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种超深井控压取心工具，以解决超高压、超深层的保压取心问题。

本发明的第二个目的在于提供一种超深井控压取心方法，以解决超高压、超深层的保压取心问题。

本发明的第一个目的采用以下技术方案实现：

一种超深井控压取心工具，包括：

内筒和外筒，所述内筒设于所述外筒内部；

液力提升装置，包括提升轴、提升筒和第一剪切销钉，所述提升轴的顶端连接所述外筒的顶端，所述提升轴的底端位于所述外筒的内部并通过所述第一剪切销钉连接所述提升筒，所述提升轴与所述提升筒通过第一剪切销钉固定以在二者之间形成液力腔，所述液力腔为所述提升筒提供上行作用力并使得所述内筒和所述外筒差动运动；

压力控制装置，包括控压上接头、控压下接头、滑套接头和第一活塞，所述控压上接头的顶端连接所述提升筒的底端，所述控压上接头的底端连接所述控压下接头的顶端，所述控压下接头的底端连接所述内筒的顶端，所述滑套接头套设在所述控压下接头外通过第二剪切销钉连接并在二者之间形成第一环形腔，所述第一活塞滑动连接在所述控压上接头内，所述第一活塞顶部为第一氮气腔，底部为第一液压腔，所述滑套接头能够关闭或导通所述内筒和所述第一液压腔以调节所述内筒的压力；

球阀密封装置，包括密封仓、岩心爪座、第二活塞、取心钻头、悬挂转轴、连接套、球阀和球阀座，所述取心钻头连接于所述外筒底端，所述球阀座位于所述取心钻头内，所述密封仓抵接于所述球阀座的顶端，所述球阀设于所述球阀座内，所述悬挂转轴的第一端固定在所述取心钻头上，另一端穿设在所述球阀座和球阀中以转动连接所述球阀；所述岩心爪座内固定设有岩心爪，所述岩心爪座的底端伸入所述球阀的上通孔，所述连接套底端连接所述岩心爪座，顶端连接所述内筒的底端，所述连接套与所述密封仓之间具有第二氮气腔，所述第二活塞滑动连接在所述密封仓和所述岩心爪座之间且所述第二活塞顶部连通所述第二氮气腔。

可选地，所述提升轴的底端设有钢球座，侧壁设有侧向孔，所述侧向孔连通所述液力腔，向所述钢球座内投钢球后，所述侧向孔对所述液力腔憋压并剪断所述第一剪切销钉，完成所述内筒和所述外筒的差动运动。

可选地，所述控压上接头的顶端设置轴向注气孔和径向排气孔，所述注气孔连通所述第一氮气腔和所述排气孔，所述注气孔和所述排气孔之间设置第一针阀。

可选地，所述第一活塞设有多个，多个所述第一活塞滑动连接在多个第一活塞腔内，所述第一活塞腔绕所述控压上接头的中心轴线对称设置。

可选地，所述控压下接头设有第二液压腔和第三液压腔，所述第二液压腔连通所述第一液压腔和所述第一环形腔，所述第三液压腔能够在所述第二剪切销钉剪断后连通所述内筒和所述第一环形腔。

可选地，所述控压上接头或所述控压下接头的侧壁设有液体泄压孔，所述液体泄压孔连通所述第一液压腔，所述液体泄压孔能够将所述第一液压腔内液体排出。

可选地，所述外筒的内侧壁设有台阶孔，当所述滑套接头上升至与所述台阶孔相抵时，所述第二剪切销钉剪断。

可选地，所述密封仓的底端设有两个拉杆，两个所述拉杆对称设置在所述密封仓的周向，两个所述拉杆的底端能够嵌入所述球阀以带动所述球阀转动。

可选地，所述第二活塞与所述岩心爪座之间连接有第三剪切销钉，所述第二活塞的底端设有密封面，所述密封面能够在所述第三剪切销钉剪断后止抵于所述球阀表面以限定所述球阀转动。

本发明的第二个目的采用以下技术方案实现：

一种超深井控压取心方法，根据所述超深井控压取心工具，所述超深井控压取心方法包括如下步骤：

S1，向压力控制装置的第一氮气腔内注入第一高压氮气并密封；向球阀密封装置的第二氮气腔内注入第二高压氮气并密封；

S2，将所述超深井控压取心工具下入井底，岩心爪进行取心；

S3，取心完成后，液力提升装置的第一剪切销钉剪断，内筒和外筒产生差动运动；

S4，在所述差动运动过程中，提升筒带动所述压力控制装置和所述内筒上行，直到上行至第二剪切销钉剪断，所述第一液压腔与所述内筒连通以降低所述内筒压力；所述内筒上行时带动球阀密封装置的岩心爪座和密封仓上行直至所述岩心爪座完全离开球阀，所述球阀转动以密封所述内筒；

第二活塞止抵于所述球阀顶部，同时所述内筒压力作用在所述球阀顶部，并通过悬挂转轴最终作用在取心钻头和所述外筒上；

S5，所述超深井控压取心工具到达地面后，所述第一氮气腔和所述第二氮气腔泄压。

本发明的有益效果：

本发明的一种超深井控压取心工具，液力提升装置通过内筒和外筒差动运动方式实现内筒上行，有效解决了超深层取心差动困难、球阀关闭不严和保压成功率低问题。压力控制装置通过第一活塞平衡第一氮气腔和第一液压腔的压力，主动调节并降低内筒压力，使内筒压力降低至取心工具安全可控范围内，同时实现保油、保气目的；球阀密封装置采用第二氮气腔增压以将第二活塞压接在球阀顶部和悬挂转轴转动连接球阀的方式固定球阀，通过高压氮气和悬挂转轴提升球阀承压能力，解决深层、超深层的超高压工况下的保压取心问题，为油气评价和勘探开发提供技术支持。

本发明的超深井控压取心方法，在外筒内侧设置液力提升装置使得外筒和内筒产生差动运动过程，内筒上行过程中内筒压力降低，球阀压力通过悬挂转轴传递至取心钻头和外筒，利用取心钻头和外筒的结构强度提高球阀的密封能力，解决了超高压、超深层的保压取心问题。

附图说明

图1为本发明超深井控压取心工具的整体结构正视图(取心前)；

图2为本发明超深井控压取心工具关闭球阀之前的整体剖视结构示意图；

图3为本发明超深井控压取心工具关闭球阀之后的整体剖视结构示意图；

图4为本发明超深井控压取心工具的液力提升装置的结构正视图；

图5为本发明超深井控压取心工具的压力控制装置的结构正视图；

图6为本发明超深井控压取心工具的控压上接头的示意图；

图7为本发明超深井控压取心工具的控压下接头的示意图；

图8为本发明超深井控压取心工具的球阀密封装置在球阀关闭之前的结构正视图；

图9为本发明超深井控压取心工具的球阀密封装置在球阀关闭之后的结构正视图；

图10为本发明超深井控压取心工具的球阀密封装置的立体示意图；

图11为本发明超深井控压取心工具的密封仓的结构示意图；

图12为本发明超深井控压取心工具的密封仓和球阀装配示意图；

图13为本发明超深井控压取心工具的球阀结构示意图；

图14为本发明超深井控压取心工具的悬挂转轴示意图。

图中：

1、液力提升装置；101、提升轴；102、提升筒；103、第一剪切销钉；104、液力腔；105、钢球座；106、侧向孔；107、第一密封圈；

2、压力控制装置；201、控压上接头；202、控压下接头；203、滑套接头；204、第一活塞；205、第二剪切销钉；206、第一环形腔；207、第一氮气腔；208、第一液压腔；209、注气孔；210、排气孔；211、第一针阀；212、第一导流孔；213、第一活塞腔；214、第二导流孔；215、第三导流孔；216、第二密封圈；217、第二液压腔；218、第三液压腔；219、第四导流孔；220、第五导流孔；221、第六导流孔；222、第七导流孔；223、下台阶面；224、液体泄压孔；225、第二针阀；226、销钉孔；

3、内筒；4、外筒；401、台阶孔；5、球阀密封装置；501、密封仓；502、岩心爪座；503、第二活塞；504、取心钻头；505、悬挂转轴；506、连接套；507、球阀；508、球阀座；509、岩心爪；510、上通孔；511、第二氮气腔；512、拉杆；513、限位柱；514、限位槽；515、下通孔；516、第一端；517、第二端；518、第三剪切销钉；519、密封面；520、轴向通孔；521、第三密封圈；522、第四密封圈；523、第五密封圈；524、第六密封圈；525、环形凸台；526、端口台肩；527、环形台肩；528、上凸台面；529、单流阀；530、第二环形腔；6、钢球。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一：

本发明实施例提供一种超深井控压取心工具，超深井具有超高压和超深层的特点，本发明可以实现超深层超高压工况下的保压取心作业。

如图1-图2所示，超深井控压取心工具包括，液力提升装置1、压力控制装置2、内筒3、外筒4和球阀密封装置5，内筒3设于外筒4内部；其中，液力提升装置1、压力控制装置2、内筒3和球阀密封装置5顺次螺纹连接组成内筒总成，液力提升装置1、外筒4和球阀密封装置5顺次螺纹连接组成外筒总成。通过采用压力控制装置2主动调节并降低内筒3压力，采用氮气增压高强度球阀密封装置5提升承压能力，使内筒3压力降低至取心工具安全可控范围内，同时实现保油、保气目的，为深层、超深层油气评价和勘探开发提供技术支持。

具体地，如图4，液力提升装置1包括提升轴101、提升筒102和第一剪切销钉103，提升轴101的顶端连接外筒4的顶端，提升轴101的底端位于外筒4的内部并连接提升筒102，提升轴101与提升筒102通过第一剪切销钉103固定并在二者之间形成液力腔104，液力腔104为提升筒102提供上行作用力并使得内筒3和外筒4差动运动；其中，提升轴101和提升筒102之间为间隙配合，间隙插间配合便于提升筒102相对于提升轴101滑动以在液力腔104的作用下产生差动。差动过程中内筒3上行，有效解决了超深层取心差动困难、球阀关闭不严和保压成功率低问题；且内筒3上行，避免了外筒4下行与井壁摩擦阻力大的问题，差动更加容易实施，保压成功率高。

如图5，压力控制装置2包括控压上接头201、控压下接头202、滑套接头203和第一活塞204，控压上接头201的顶端连接提升筒102的底端，优选连接方式为螺纹连接，控压上接头201的底端连接控压下接头202的顶端，控压下接头202的底端连接内筒3的顶端，滑套接头203套设在控压下接头202外通过第二剪切销钉205连接并在二者之间形成第一环形腔206，第一活塞204滑动连接在控压上接头201内，第一活塞204顶部为第一氮气腔207，底部为第一液压腔208，滑套接头203能够关闭或导通内筒3和第一液压腔208以调节内筒3的压力。需要解释说明的是，从提升筒102底端依次螺纹连接控压上接头201、控压下接头202和内筒3，实现提升筒102上行时带动内筒3的上行，实现内筒3和外筒4的差动。第一活塞204设置在控压上接头201内部，能够在内筒3的压力作用下滑动并最终停止在内筒3压力与第一氮气腔207内氮气压力相同的状态，实现对内筒3压力的自主调节。内筒3的压力降低后，对球阀密封装置5的压力降低，利于实现取心后的密封，实现超高压地层的压力可控。第一活塞204实现了氮气和液体的隔离，氮气不会进入内筒3，避免了外来气体混入内筒3，获取的岩心和流体为井底最为真实的地层资料，利于确保取心的准确性。

如图8，球阀密封装置5包括密封仓501、岩心爪座502、第二活塞503、取心钻头504、悬挂转轴505、连接套506、球阀507和球阀座508，取心钻头504连接于外筒4底端，优选螺纹连接；内筒3、连接套506和岩心爪座502依次连接实现在差动过程中内筒3带动岩心爪座502提升至脱离球阀507接触对球阀507的限位。具体地，球阀座508位于取心钻头504内，密封仓501抵接于球阀座508的顶端，球阀507设于球阀座508内，悬挂转轴505的第一端固定在取心钻头504上，另一端穿设在球阀座508和球阀507中以转动连接球阀507；岩心爪座502内固定设有岩心爪509，岩心爪座502的底端伸入球阀507上通孔510，连接套506底端连接岩心爪座502，顶端连接内筒3的底端，连接套506与密封仓501之间具有第二氮气腔511，第二活塞503滑动连接在密封仓501和岩心爪座502之间且第二活塞503顶部连通第二氮气腔511。

如图8-图10所示，在取心过程中，球阀507为打开状态，第二活塞503的底端与球阀507之间具有一定间隙，岩心爪座502的底端插入球阀507的上通孔510以限定球阀507的转动；取心完成后，内筒3通过连接套506带动岩心爪座502上提至离开球阀507的上通孔510后球阀507转动为关闭状态，同时第二活塞503下行至止抵于球阀507的表面，内筒3压力作用在球阀507表面，由于球阀507两侧转动连接于悬挂转轴505，球阀507的表面压力通过悬挂转轴505传递至取心钻头504和外筒4，提高了球阀507的承压能力，进而使得该球阀密封装置5可以进行深层、超深层的超高压工况下的保压取心作业，为油气评价和勘探开发提供技术支持。

本发明的一种超深井控压取心工具，液力提升装置1用于提供差动作用力以提升内筒3上行，压力控制装置2用于主动调节并降低内筒3压力，使内筒3压力降低至取心工具安全可控范围内，并有效保持气液分离，实现保油、保气目的；球阀密封装置5实现将球阀507顶部压力通过悬挂转轴505传递至结构强度更高的取心钻头504和外筒4，提升球阀507承压能力，解决深层、超深层的超高压工况下的保压取心问题。

可选地，提升轴101的底端设有钢球座105，侧壁设有侧向孔106，侧向孔106连通液力腔104，当钢球座105内投钢球6后，侧向孔106对液力腔104憋压并剪断第一剪切销钉103，完成内筒3和外筒4的差动运动。

结合图3-图4，取心完成后，从提升轴101顶端投钢球6，钢球6落入钢球座105，向提升轴101内打压时，侧向孔106连通液力腔104造成液力腔104内压力上升，利用液压将第一剪切销钉103剪断，由于外筒4和提升轴101固定，迫使提升筒102带动下部内筒总成抬升，实现内筒3和外筒4的差动，在差动过程中球阀507关闭，压力控制装置2打开以主动调节内筒3压力。补充说明的是，液力腔104两端的提升轴101和提升筒102之间设有多个第一密封圈107，第一密封圈107套设在提升轴101上以密封液力腔104。提升轴101和提升筒102通过设置内外台肩结构形成液力腔104。

可选地，控压上接头201的顶端设置轴向注气孔209和径向排气孔210，注气孔209连通第一氮气腔207和排气孔210，注气孔209和排气孔210之间设置第一针阀211。如图5所示，注气孔209和排气孔210连通设置，通过注气孔209内的第一针阀211调节导通和关闭，注气时，第一针阀211连通注气孔209和第一氮气腔207，同时关闭排气孔210，用于在使用前向第一氮气腔207内充入第一高压氮气，充气后通过第一针阀211封堵注气孔209和排气孔210，实现保压。优选地，注气孔210与第一氮气腔207之间设有第一导流孔212以连通，第一导流孔212的孔径小于注气孔209的孔径，利于第一针阀211密封第一氮气腔207。

可选地，第一活塞204设有多个，多个第一活塞204滑动连接在多个第一活塞腔213内，第一活塞腔213绕控压上接头201的中心轴线对称设置。

如图5和图6所示，控压上接头201的中间段设置第一活塞腔213，第一活塞腔213的上下两端分别为第一氮气腔207和第一液压腔208，第一活塞204在第一活塞腔213内上下滑动以调节第一氮气腔207和第一液压腔208的压力相等或平衡时停止。如图6，第一活塞204设有五个，轴线上设置一个，周围均布四个，通过设置多个第一活塞204，可以逐渐调节内筒3压力，避免压力变化过快导致较大的激动压力。进一步地，第一活塞腔213的顶部通过多个第二导流孔214连通第一氮气腔207，第一活塞腔213的底部通过多个第三导流孔215连通第一液压腔208，以进一步地调节内筒3压力的变化速度。为了实现良好的密封效果，第一活塞204上套设多个第二密封圈216。

可选地，控压下接头202设有第二液压腔217和第三液压腔218，第二液压腔217连通第一液压腔208和第一环形腔206，第三液压腔218能够在第二剪切销钉205剪断后连通内筒3和第一环形腔206。

结合图5和图7，控压下接头202为哑铃结构，滑套接头203套设在控压下接头202的中间段并与控压下接头202之间形成第一环形腔206，具体可以通过设置台肩结构实现，滑套接头203与控压下接头202之间为间隙插间配合。第二液压腔217和第三液压腔218互不连通，第二液压腔217轴向通过第四导流孔219连通第一液压腔208，第四导流孔219的孔径小于第二液压腔217的孔径。第二液压腔217的侧壁设有第五导流孔220，第五导流孔220为径向小孔径的孔，连通第二液压腔217和第一环形腔206，第五导流孔220的孔径小于第二液压腔217的孔径，优选小于第四导流孔219的孔径。第三液压腔218的侧壁设有径向第六导流孔221用以连通第一环形腔206，轴向的底端设有第七导流孔222连通内筒3，当第二剪切销钉205剪断后，滑套接头203的底端止抵于控压下接头202的下台阶面223上，此时，第六导流孔221连通第三液压腔218和第一环形腔206，同时第一环形腔206通过第五导流孔220连通第二液压腔217，进而实现内筒3、第三液压腔218、第一环形腔206、第二液压腔217和第一液压腔208的依次连通，内筒3压力推动第一活塞204向上滑动压缩第一氮气腔207内氮气，实现内筒3压力降低的效果。其中，第六导流孔221和第七导流孔222均为小孔径孔，孔径小于第三液压腔218的孔径，利于内筒3压力的缓慢降低调节。

可选地，控压上接头201或控压下接头202的侧壁设有液体泄压孔224，液体泄压孔224连通第一液压腔208，液体泄压孔224能够将第一液压腔208内液体排出。

如图5，液体泄压孔224可以有两个设置方式，第一种，液体泄压孔224为径向孔设置在第一液压腔208的侧壁上，用于在取心结束后泄流；第二种，液体泄压孔224为连通控压下接头202顶端和侧壁的斜孔或直角孔，当控压上接头201和控压下接头202连接后，液体泄压孔224的顶端连通第一液压腔208用于泄流。液体泄压孔224内设有第二针阀225，用于在泄流前密封液体泄压孔224。如图7，控压下接头202上设有销钉孔226，用于与第二剪切销钉205配合插接实现控压下接头202和滑套接头203的定位。

可选地，外筒4的内侧壁设有台阶孔401，当滑套接头203上升至滑套接头203的顶端与台阶孔401相抵时，第二剪切销钉205剪断。

如图1和图3所示，滑套接头203的顶端外径大于控压下接头202的外径，当控压下接头202上行穿过台阶孔401后，滑套接头203的顶端会止抵于台阶孔401的下表面，使得第二剪切销钉205剪断，滑套接头203抵接于控压下接头202的下台阶面223上，内筒3压力开始下降。

可选地，密封仓501的底端设有两个拉杆512，两个拉杆512对称设置在密封仓501的底端周向，两个拉杆512的底端能够嵌入球阀507以带动球阀507转动。

如图11和图12，两个拉杆512呈180°设置在密封仓501的底端并向下延伸，两个拉杆512的相对侧面设有水平方向的限位柱513，与之相应地，球阀507的表面设有对称分别的限位槽514，在密封仓501的底端与球阀座508的顶端相抵接限位时，拉杆512能够深入球阀座508内并且限位柱513能够滑动连接于限位槽514内，此时状态对应球阀507打开状态。球阀507具有上通孔510和下通孔515，岩心爪座502的底端插入上通孔510内限位球阀507转动使其保持打开状态；球阀507上限位槽514从球阀507上悬挂转轴505处斜向下并与上通孔510的轴线呈45°角，如图12，当两侧拉杆512随密封仓501上提，通过限位柱513在限位槽514内的滑动，驱动球阀507向上转动90°以密封。可见，设置拉杆512带动球阀507转动，可以实现球阀507的转动控制，内筒3压力得到缓慢变化。如图13所示，球阀507对应悬挂转轴505的两侧加工为平面，平面上设有沿球阀507直径方向的中心通孔作为悬挂转轴505的安装孔，如图14，悬挂转轴505的第一端516螺纹连接于取心钻头504的侧壁，第二端517为光杆轴，依次穿设球阀座508和球阀507以转动连接球阀507。

可选地，第二活塞503与岩心爪座502之间连接有第三剪切销钉518，第二活塞503的底端设有密封面519，密封面519能够在第三剪切销钉518剪断后止抵于球阀507表面以限定球阀507转动。

如图8和图13，球阀507的上通孔510的孔径大于下通孔515的孔径，在岩心爪座502的底端插入上通孔510后贯通上通孔510并形成与下通孔515的孔径相等的通道，在球阀507打开状态，取心钻头504的轴向通孔520连通下通孔515且孔径相等，利于岩心顺利进入内筒3。第二活塞503底端的密封面519为弧形面，利于与球阀507的表面相抵，以压接于球阀507顶部限定球阀507转动。为了确保第二氮气腔511内氮气压力的密封效果，第二活塞503与密封仓501之间设有多个第三密封圈521，第二活塞503与岩心爪座502之间设有多个第四密封圈522，连接套506与密封仓501之间设有多个第五密封圈523和多个第六密封圈524，如图8，连接套506的靠近顶端设有环形凸台525，第五密封圈523和第六密封圈524分别设置在环形凸台525的外周壁和底面。与环形凸台525配合，密封仓501的顶端设有端口台肩526和环形台肩527，端口台肩526和环形台肩527之间形成环形凸台525的滑动腔，球阀507打开状态时环形凸台525止抵于环形台肩527并能够密封，球阀507关闭后环形凸台525上凸台面528止抵于端口台肩526并带动密封仓501和内筒3同步上升至如图9所示状态。补充说明的是，第二氮气腔511的侧壁即密封仓501的侧壁开设有注入孔，注入孔内安装单流阀529，注入孔用于在下井前向第二氮气腔511内充入第二高压氮气，并通过单流阀529密封。如图8，第二活塞503的顶端，密封仓501和岩心爪座502之间形成第二环形腔530，第二环形腔530能够连通第二氮气腔511和第二活塞503的顶端，使得第二氮气腔511的压力局部作用在第二活塞503上。当连接套506带动密封仓501和岩心爪座502上行后，第二活塞503的顶端与密封仓501和岩心爪座502之间分离，第二活塞503顶端受到氮气的作用面积增加至整个端面，可以增强氮气对第二活塞503的推动力，使得第二活塞503的底端与球阀507表面紧密贴合相抵，第二活塞503将球阀507限定在关闭密封位置，起到限位作用。

实施例二：一种超深井控压取心方法。

根据实施例一的超深井控压取心工具，超深井控压取心方法包括如下步骤：

S1，向压力控制装置2的第一氮气腔207内注入第一高压氮气并密封，将第一活塞204推到第一活塞腔213的底部；向球阀密封装置5的第二氮气腔511内注入第二高压氮气并密封；

第一高压氮气的压力根据井底地层压力的高低进行设定，井底压力超过80MPa，第一高压氮气的压力为井底压力的30％，井底压力低于或等于80MPa，第一高压氮气的压力为井底压力的30-50％。第二高压氮气的压力对第二活塞503产生的压力应小于第三剪切销钉518的静剪切力的二分之一，确保第三剪切销钉518不会被提前剪断。

S2，将超深井控压取心工具下入井底，岩心爪509进行取心；钻取的岩心依次通过取心钻头504、球阀507、岩心爪座502进入内筒3。

S3，取心完成后，液力提升装置1的顶端投钢球6并憋压，第一剪切销钉103剪断，内筒3和外筒4产生差动运动；

具体地，在地面管汇处投入钢球6并开泵送钢球6至提升轴101的底部钢球座105处堵住钻井液下行流动通道，钻井液压力通过侧向孔106对液力腔104进行憋压，直至第一剪切销钉103剪断，提升筒102在液压作用下上行，逐步带动下面的内筒3上行，实现内筒3和外筒4的差动。

S4，在差动运动过程中，提升筒102带动压力控制装置2和内筒3上行，直到上行至第二剪切销钉205剪断，第一液压腔208与内筒3连通以降低内筒3压力；内筒3上行时带动球阀密封装置5的岩心爪座502和密封仓501上行直至岩心爪座502完全离开球阀507，球阀507转动以密封内筒3；第二活塞503止抵于球阀507顶部，同时内筒3压力作用在球阀507顶部，并通过悬挂转轴505最终作用在取心钻头504和外筒4上。

具体地，内筒3和外筒4在差动过程中，外筒4始终处于静止状态，内筒总成整体受到向上的提升力，提升力最终作用在岩心爪座502上，对第三剪切销钉518形成剪切力并将第三剪切销钉518剪断。第三剪切销钉518剪断后，内筒总成整体提升上行，岩心爪座502下端完全提出球阀507，如图9；同时连接套506在密封仓501内部上行，连接套506上环形凸台525上行至密封仓501顶部至上凸台面528止抵于端口台肩526，将提升力传递至密封仓501；密封仓501通过拉杆512提拉限位柱513，限位柱513通过限位槽514对球阀507形成向上转动力矩，因岩心爪座502已被完全提出球阀507，失去对球阀507的限位功能，球阀507在力矩作用下向上旋转；球阀507旋转90°后，内筒3被球阀507关闭；因第三剪切销钉518已被剪断，对第二活塞503失去限位作用，第二活塞503被第二氮气腔511内的高压氮气推动下行，使密封面519贴合在球阀507表面；第二活塞503下行后，上部受到氮气的作用面积由狭窄的第二环形腔530变为整个上端面，可以增强氮气的推力，使密封面519与球阀507表面紧密贴合；在第三密封圈521和第四密封圈522的密封作用下，氮气不会发生泄漏；球阀507旋转关闭以后，内筒3中的高压压力也会作用在球阀507顶部，对球阀507形成强大推力，因悬挂转轴505将球阀507、球阀座508、取心钻头504进行定位，对球阀507形成的强大推力最终通过悬挂转轴505作用在取心钻头504和外筒4上，借助外筒4和取心钻头504的高强度结构，使球阀507可以承受住高压压力，大大提高了密封装置的整体承压能力。

球阀507旋转关闭后，内筒总成尚未差动到位，在液压作用下继续上行，使滑套接头203上端面与外筒4的内侧壁设有台阶孔401发生撞击，将第二剪切销钉205剪断，滑套接头203被台阶孔401下端面限位停止上行，而内筒总成在液压作用下继续上行，直至控压下接头201的下台阶面223上行至滑套接头203下端，整个工具的差动动作全部完成。此时,第六导流孔221、第一环形腔206和第五导流孔220保持连通，内筒3中的高压流体依次通过第七导流孔222、第三液压腔218、第六导流孔221、第一环形腔206、第五导流孔220、第二液压腔217、第四导流孔219进入到第一液压腔208，并对第一活塞204产生向上的推力；因第一氮气腔207内的氮气压力小于井底压力，在推力作用下，多组第一活塞204(均为浮动活塞)上行并压缩第一氮气腔207内的氮气，在此过程中，第一液压腔208中的压力逐渐降低，第一氮气腔207内的氮气压力被压缩逐渐升高，当第一氮气腔207压力和第一液压腔208压力达到平衡后，第一活塞204停止移动，从而完成内筒3从高压至低压的控制转换，使内筒3的压力降低至内筒3的强度可承受范围内。

S5，超深井控压取心工具到达地面后，第一氮气腔207和第二氮气腔511泄压。

具体地，旋开第一针阀211，可使第一氮气腔207内的氮气从排气孔210排出泄压；旋开第二针阀225，可使第一液压腔208中的流体从液体泄压孔224排出泄压。完成一次超深井的保压取心作业。

本发明的超深井控压取心方法，在外筒4内侧设置液力提升装置1使得外筒4和内筒3产生差动过程，内筒3上行过程中内筒3压力降低，球阀507压力通过悬挂转轴505传递至取心钻头504和外筒4，利用取心钻头504和外筒4的结构强度提高球阀507的密封能力，解决了超高压、超深层的保压取心问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚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，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。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之内。

Claims (9)

1.一种超深井控压取心工具，其特征在于，包括：

内筒(3)和外筒(4)，所述内筒(3)设于所述外筒(4)内部；

液力提升装置(1)，包括提升轴(101)、提升筒(102)和第一剪切销钉(103)，所述提升轴(101)的顶端连接所述外筒(4)的顶端，所述提升轴(101)的底端位于所述外筒(4)的内部并通过所述第一剪切销钉(103)连接所述提升筒(102)，所述提升轴(101)与所述提升筒(102)通过第一剪切销钉(103)固定以在二者之间形成液力腔(104)，所述液力腔(104)为所述提升筒(102)提供上行作用力并使得所述内筒(3)和所述外筒(4)差动运动；

压力控制装置(2)，包括控压上接头(201)、控压下接头(202)、滑套接头(203)和第一活塞(204)，所述控压上接头(201)的顶端连接所述提升筒(102)的底端，所述控压上接头(201)的底端连接所述控压下接头(202)的顶端，所述控压下接头(202)的底端连接所述内筒(3)的顶端，所述滑套接头(203)套设在所述控压下接头(202)外通过第二剪切销钉(205)连接并在二者之间形成第一环形腔(206)，所述第一活塞(204)滑动连接在所述控压上接头(201)内，所述第一活塞(204)顶部为第一氮气腔(207)，底部为第一液压腔(208)，所述滑套接头(203)能够关闭或导通所述内筒(3)和所述第一液压腔(208)以调节所述内筒(3)的压力；

球阀密封装置(5)，包括密封仓(501)、岩心爪座(502)、第二活塞(503)、取心钻头(504)、悬挂转轴(505)、连接套(506)、球阀(507)和球阀座(508)，所述取心钻头(504)连接于所述外筒(4)底端，所述球阀座(508)位于所述取心钻头(504)内，所述密封仓(501)抵接于所述球阀座(508)的顶端，所述球阀(507)设于所述球阀座(508)内，所述悬挂转轴(505)的第一端(516)固定在所述取心钻头(504)上，另一端穿设在所述球阀座(508)和球阀(507)中以转动连接所述球阀(507)；所述岩心爪座(502)内固定设有岩心爪(509)，所述岩心爪座(502)的底端伸入所述球阀(507)的上通孔(510)，所述连接套(506)底端连接所述岩心爪座(502)，顶端连接所述内筒(3)的底端，所述连接套(506)与所述密封仓(501)之间具有第二氮气腔(511)，所述第二活塞(503)滑动连接在所述密封仓(501)和所述岩心爪座(502)之间且所述第二活塞(503)顶部连通所述第二氮气腔(511)；

所述密封仓(501)的底端设有两个拉杆(512)，两个所述拉杆(512)对称设置在所述密封仓(501)的周向，两个所述拉杆(512)的底端能够嵌入所述球阀(507)以带动所述球阀(507)转动。

2.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述提升轴(101)的底端设有钢球座(105)，侧壁设有侧向孔(106)，所述侧向孔(106)连通所述液力腔(104)，向所述钢球座(105)内投钢球(6)后，所述侧向孔(106)对所述液力腔(104)憋压并剪断所述第一剪切销钉(103)，完成所述内筒(3)和所述外筒(4)的差动运动。

3.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述控压上接头(201)的顶端设置轴向注气孔(209)和径向排气孔(210)，所述注气孔(209)连通所述第一氮气腔(207)和所述排气孔(210)，所述注气孔(209)和所述排气孔(210)之间设置第一针阀(211)。

4.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述第一活塞(204)设有多个，多个所述第一活塞(204)滑动连接在多个第一活塞腔(213)内，所述第一活塞腔(213)绕所述控压上接头(201)的中心轴线对称设置。

5.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述控压下接头(202)设有第二液压腔(217)和第三液压腔(218)，所述第二液压腔(217)连通所述第一液压腔(208)和所述第一环形腔(206)，所述第三液压腔(218)能够在所述第二剪切销钉(205)剪断后连通所述内筒(3)和所述第一环形腔(206)。

6.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述控压上接头(201)或所述控压下接头(202)的侧壁设有液体泄压孔(224)，所述液体泄压孔(224)连通所述第一液压腔(208)，所述液体泄压孔(224)能够将所述第一液压腔(208)内液体排出。

7.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述外筒(4)的内侧壁设有台阶孔(401)，当所述滑套接头(203)上升至与所述台阶孔(401)相抵时，所述第二剪切销钉(205)剪断。

8.根据权利要求1所述的超深井控压取心工具，其特征在于，所述第二活塞(503)与所述岩心爪座(502)之间连接有第三剪切销钉(518)，所述第二活塞(503)的底端设有密封面(519)，所述密封面(519)能够在所述第三剪切销钉(518)剪断后止抵于所述球阀(507)表面以限定所述球阀(507)转动。

9.一种超深井控压取心方法，其特征在于，应用权利要求1-8任一项所述超深井控压取心工具，所述超深井控压取心方法包括如下步骤：

S1，向压力控制装置(2)的第一氮气腔(207)内注入第一高压氮气并密封；向球阀密封装置(5)的第二氮气腔(511)内注入第二高压氮气并密封；

S2，将所述超深井控压取心工具下入井底，岩心爪(509)进行取心；

S3，取心完成后，液力提升装置(1)的第一剪切销钉(103)剪断，内筒(3)和外筒(4)产生差动运动；

S4，在所述差动运动过程中，提升筒(102)带动所述压力控制装置(2)和所述内筒(3)上行，直到上行至第二剪切销钉(205)剪断，第一液压腔(208)与所述内筒(3)连通以降低所述内筒(3)压力；所述内筒(3)上行时带动球阀密封装置(5)的岩心爪座(502)和密封仓(501)上行直至所述岩心爪座(502)完全离开球阀(507)，所述球阀(507)转动以密封所述内筒(3)；第二活塞(503)止抵于所述球阀(507)顶部，同时所述内筒(3)压力作用在所述球阀(507)顶部，并通过悬挂转轴(505)最终作用在取心钻头(504)和所述外筒(4)上；

S5，所述超深井控压取心工具到达地面后，所述第一氮气腔(207)和所述第二氮气腔(511)泄压。