CN117027785B - 一种用于地质勘察的油层取样装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地质勘察的油层取样装置与方法，包括取样钻筒、辅助钻杆和取样钻头，取样钻头上设置有取样孔，取样孔上设置有取样塞；取样钻筒的顶部设置有蓄能外齿环，蓄能外齿环的内环处啮合有若干传动齿轮，若干传动齿轮啮合有活塞驱动件，活塞驱动件的轴线位置贯穿设置有活塞杆，活塞杆上固定有活塞，活塞与取样塞之间通过取样拉溃绳连接；以及步骤S1‑S4的取样方法。本发明通过将钻孔过程中取样钻筒与钻孔之间的摩擦力，通过蓄能外齿环转化成动能，并通过若干传动齿轮、活塞驱动件、活塞杆和活塞将其回收转化成取样腔的负压环境，利用取样腔的负压环境对取样油层的原油进行吸入收集取样，取样过程简单、高效。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘察领域，尤其涉及一种用于地质勘察的油层取样装置与方法。
背景技术
石油，指气态、液态和固态的烃类混合物，是一种黏稠的、深褐色液体，具有天然的产状，被称为工业的血液。而石油勘探是指为了寻找和查明油气资源，而利用各种勘探手段了解地下的地质状况，认识生油、储油、油气运移、聚集、保存等条件，综合评价含油气远景，确定油气聚集的有利地区，找到储油气的圈闭，并探明油气田面积，搞清油气层情况和产出能力的过程。
现有的石油地质勘察用石油取样装置在对开采出的石油进行取样的过程中，往往需要先对地质层进行钻孔，将钻孔钻至石油取样层后，然后需要将钻头取出后才能进行油样的采集，钻孔和取样工序较为繁琐，油层取样效率低，因此，有必要提出一种能将钻孔和取样工序相结合、取样效率更加高效的用于地质勘察的油层取样装置与方法。
发明内容
针对现有技术地质勘察的油层取样中，钻孔至石油层后，钻孔需要取出，才能进行取样，造成钻孔和取样工序操作繁琐，油层取样效率低的问题，本发明提供了一种能将钻孔和取样工序相结合、取样效率更加高效的用于地质勘察的油层取样装置与方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种用于地质勘察的油层取样装置，包括取样钻筒，取样钻筒内设置有取样腔，取样钻筒的顶部连接有辅助钻杆，取样钻筒的底部螺纹连接有取样钻头，取样钻头上设置有取样孔，取样孔上设置有取样塞，取样孔与取样塞通过取样弹簧连接；取样钻筒的顶部设置有蓄能外齿环，蓄能外齿环的外径大于取样钻头的开孔直径；蓄能外齿环的内环处啮合有若干传动齿轮，若干传动齿轮啮合有活塞驱动件，活塞驱动件的轴线位置贯穿设置有活塞杆，活塞驱动件与活塞杆螺纹连接，活塞杆的底部固定有与取样腔密封配合的活塞，活塞与取样塞之间通过取样拉溃绳连接。
进一步地，活塞驱动件的外部设置有与传动齿轮啮合的齿轮部，活塞驱动件的底部设置有若干锁销孔，传动齿轮的上下端设置有限位转套，取样钻筒的顶部、辅助钻杆的底部设置有与限位转套配合的圆环槽；取样钻筒的顶部贯穿设置有T形的蓄能锁销，蓄能锁销与取样钻筒之间通过蓄能弹簧连接，蓄能锁销的小端与锁销孔插接配合。
进一步地，辅助钻杆上设置有竖向的高压水通道和若干横向出水孔，高压水通道与若干横向出水孔连通；高压水通道的直径小于活塞杆的直径。
进一步地，活塞的底部设置有活塞拉环，取样塞上设置有绳扣，取样拉溃绳的上下端设置有U形拉钩，取样拉溃绳通过U形拉钩安装在活塞拉环和绳扣上。
进一步地，蓄能外齿环的外齿环为棘轮齿，蓄能外齿环的内齿环、传动齿轮和活塞驱动件外齿均为直齿轮。
进一步地，取样塞上设置有方形连接部，方形连接部上设置有中径导向柱，中径导向柱上设置有小径活塞端，方形连接部上还设置有安装取样弹簧的弹簧凹槽，取样弹簧的一端固定在取样孔上，另一端固定在弹簧凹槽内。
进一步地，取样钻筒的顶部内侧还设置有压力传感器。
包括有如下步骤：
S1：钻孔准备：连接安装取样钻筒、取样钻头和辅助钻杆，在辅助钻杆的顶部连接方形转杆，并将方形转杆与钻机连接；
S11：将取样钻筒与取样钻头分离，转动蓄能外齿环将活塞调节至最低处，通过取样拉溃绳将取样塞与活塞连接，在取样拉溃绳的拉力作用下，取样塞对取样弹簧进行压缩，从而利用取样塞密封取样腔；
S2：利用钻机驱动方形钻杆转动，带动安装取样钻筒、取样钻头和辅助钻杆进行钻孔作业；
S21：取样钻头对石油勘察地层的地质层进行旋转开孔，同时在钻机的带动下往下进行掘进钻孔作业；在取样钻筒钻孔下降的过程中，蓄能外齿环的外部齿在钻孔内壁摩擦力的作用下，蓄能外齿环相对于取样钻筒反向转动，蓄能外齿环带动若干传动齿轮转动，若干传动齿轮带动活塞驱动件转动，活塞驱动件带动活塞杆上升，活塞杆带动活塞上移，由于取样腔和活塞配合，活塞杆带动活塞上升，使取样腔的气压逐渐变成负压；
S22：在活塞逐渐上升的过程中，取样拉溃绳的拉伸超过拉伸极限，取样拉溃绳被活塞拉断，取样拉溃绳拉短后，活塞继续上移，取样腔内的负压继续增大，取样塞在底部钻孔岩层的支撑作用下，取样塞相对于取样孔固定，将取样腔维持在负压状态下；
S23：在取样钻头的掘进钻孔过程中，蓄能外齿环在钻孔摩擦力的作用下，使活塞继续上升，直至活塞上升至最高处，此时活塞挤压蓄能锁销，使蓄能锁销的小端进入到活塞驱动件的锁销孔内，利用活塞将活塞驱动件、传动齿轮和蓄能外齿环锁死，使蓄能外齿环与取样钻筒停止相对运动，完成取样钻筒的负压蓄能作业；
S3：当取样钻筒与取样钻头继续向下进行掘进钻孔作业时，取样钻头钻至取样油层，取样油层对取样塞的底部支撑作用变小，取样弹簧的弹力使取样塞从取样孔弹出，取样腔通过取样孔与外部取样油层连通，此时取样腔中的负压作用将取样油层中原油吸入到取样腔中，完成取样油层的取样作业；
S4：通过钻机将取样钻筒、取样钻头和辅助钻杆一同带出，最后打开取样钻筒上的取样钻头，将取样腔内的油层取样取出，完成整个取样油层的取样作业。
进一步地，取样钻头的底部设置有圆球，取样钻头上设置有安装圆球的半球槽，圆球上设置有转轴，半球槽上设置有安装转轴的转轴盲孔，转轴、转轴盲孔的轴线方向与取样钻头的轴线方向重合。
进一步地，取样拉溃绳为橡胶绳或氨纶纤维绳或PVC线绳或聚酰胺线绳。
本发明的有益效果为：
本发明可以实现地质勘察的油层取样，利用取样钻筒、取样钻头和辅助钻杆实现对地质勘察油层的钻孔作用和取样作业；取样钻筒上的内底部设置有取样腔，在取样钻筒上的底部设置有取样孔，取样孔内设置有取样塞，取样腔、取样钻头和取样腔形成密封的取样腔，取样腔用于油层原油的取样存放。
本发明中的取样腔内设置有活塞和活塞杆，取样钻筒的外部设置有蓄能外齿环，蓄能外齿环在钻孔摩擦力的作用下，蓄能外齿环相对于取样钻筒转动，取样钻筒带动若干传动齿轮转动，若干传动齿轮带动活塞驱动件转动，活塞驱动件带动活塞杆升降，活塞杆从而带动活塞升降，活塞上升时，使取样腔变成负压，并逐渐增大，当活塞上升至最高处时，取样腔内形成负压状态，当取样钻头掘进至取样石油层时，取样钻头上的取样塞受到取样石油层的压力减小，取样塞在取样弹簧的作用力下弹出，使取样腔、取样通孔和外部取样油层连通，从而利用取样腔内负压作用，将取样油层的原油吸附压入到取样腔，从而利用取样腔对取样油层的原油进行收集存放，当把取样钻筒从取样油层中取出后，取下取样钻筒上的取样钻头，将取样油层的原油取出即可。
本发明相对现有的油层取样装置，油层钻孔和油层取样结合在一起，不需要多次取出钻头，在掘进钻孔至取样油层后，就可以实现油层的取样，而且取样不需要额外的取样设备，直接将钻头取出，就可以得到取样油层中原油。
本发明通过将钻孔过程中取样钻筒与钻孔之间的摩擦力，通过蓄能外齿环转化成动能，并通过若干传动齿轮、活塞驱动件、活塞杆和活塞将其回收转化成取样腔的负压环境，利用取样腔的负压环境对取样油层的原油进行吸入收集取样，设计巧妙，设计简单，不需要设计额外的取样设备，对油层的取样也更加高效。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为取样钻头与取样塞的结构示意图；
图4为取样塞的正视图；
图5为活塞部分的正视图；
图6为活塞部分的俯视图；
图7为油层取样原理图；
图中主要部件符号说明如下：
1、取样钻筒；2、取样钻头；3、辅助钻杆；31、高压水通道；32、横向出水孔；4、蓄能外齿环；5、传动齿轮；6、活塞驱动件；61、限位转套；62、锁销孔；7、活塞杆；8、活塞；9、活塞拉环；10、取样拉溃绳；11、取样塞；111、小径活塞端；112、中径导向柱；113、方形连接部；114、弹簧凹槽；115、绳扣；12、取样弹簧；13、蓄能锁销；14、蓄能弹簧；15、压力传感器；16、取样腔；17、取样油层；18、取样孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，用于地质勘察的油层取样装置包括取样钻筒1，取样钻筒1内设置有取样腔16，取样钻筒1的顶部连接有辅助钻杆3，取样钻筒1的底部螺纹连接有取样钻头2，取样钻头2上设置有取样孔18，取样孔18上设置有取样塞11，取样孔18与取样塞11通过取样弹簧12连接。
取样钻筒1的顶部设置有蓄能外齿环4，蓄能外齿环4的外径大于取样钻头2的开孔直径；蓄能外齿环4的内环处啮合有若干传动齿轮5，若干传动齿轮5啮合有活塞驱动件6，活塞驱动件6的轴线位置贯穿设置有活塞杆7，活塞驱动件6与活塞杆7螺纹连接，活塞杆7的底部固定有与取样腔16密封配合的活塞8，活塞8与取样塞11之间通过取样拉溃绳10连接，取样拉溃绳10的材质优选为橡胶绳、氨纶纤维绳、PVC线绳、聚酰胺线绳中的一种，取样拉溃绳10也可以采用具有一定形变能力的金属丝绳，例如钢丝绳等。其中蓄能外齿环4的外齿环优选为棘轮齿，棘轮齿具有单方向的作用力，当棘轮齿的有效转动方向与取样钻头2的转动方向相反，有效转动方向指棘轮齿条不会打滑的转动方向；蓄能外齿环4的内齿环、传动齿轮5和活塞驱动件6外齿均优选为直齿轮。
如图2所示，活塞驱动件6的外部设置有与传动齿轮5啮合的齿轮部，活塞驱动件6的底部设置有若干锁销孔62，传动齿轮5的上下端设置有限位转套61，取样钻筒1的顶部、辅助钻杆3的底部设置有与限位转套61配合的圆环槽；取样钻筒1的顶部贯穿设置有T形的蓄能锁销13，蓄能锁销13与取样钻筒1之间通过蓄能弹簧14连接，蓄能锁销13的小端与锁销孔62插接配合。
辅助钻杆3上设置有竖向的高压水通道31和若干横向出水孔32，高压水通道31与若干横向出水孔32连通；高压水通道31的直径小于活塞杆7的直径。高压水通道31一个作用是为高压水提供通道，高压水通道31可以配合横向出水孔32对钻孔过程中的钻孔碎屑或者泥浆进行冲刷，将其从钻孔与钻杆的间隙处向上冲刷带出，保证钻孔作业的支撑进行；另一个作用是提供活塞杆7升降时需要的空间，使得活塞杆7在活塞驱动件6的作用下能上下移动。
如图5和6所示，活塞8的底部设置有活塞拉环9，取样塞11上设置有绳扣115，取样拉溃绳10的上下端设置有U形拉钩，取样拉溃绳10通过U形拉钩安装在活塞拉环9和绳扣115上。
如图3和4所示，取样塞11上设置有方形连接部113，方形连接部113上设置有中径导向柱112，中径导向柱112上设置有小径活塞端111，方形连接部113上还设置有安装取样弹簧12的弹簧凹槽114，取样弹簧12的一端固定在取样孔18上，另一端固定在弹簧凹槽114内。
取样钻筒1的顶部内侧还设置有压力传感器15，活塞8位于最上方的位置时，活塞8停止移动后，活塞8顶部挤压压力传感器15，使得工作人员可以得知活塞8的具体位置，从而判断得到密封取样腔16的负压状态是否就位。
取样钻头2的底部设置有圆球，取样钻头2上设置有安装圆球的半球槽，圆球上设置有转轴，半球槽上设置有安装转轴的转轴盲孔，转轴、转轴盲孔的轴线方向与取样钻头2的轴线方向重合。还可以在取样钻头2的底部设置有圆球，取样钻头2上设置有安装圆球的半球槽，圆球上设置有转轴，半球槽上设置有安装转轴的转轴盲孔。取样钻头2的圆球可以在钻孔时，圆球相对于钻孔的底部转动，从而减小取样钻头2与钻孔底部的摩擦力，防止取样钻头2转动。
用于地质勘察油层取样装置的取样方法，包括有如下步骤：
S1：钻孔准备：连接安装取样钻筒1、取样钻头2和辅助钻杆3，在辅助钻杆3的顶部连接方形转杆，并将方形转杆与钻机连接；
S11：将取样钻筒1与取样钻头2分离，转动蓄能外齿环4将活塞8调节至最低处，通过取样拉溃绳10将取样塞11与活塞8连接，在取样拉溃绳10的拉力作用下，取样塞11对取样弹簧12进行压缩，从而利用取样塞11密封取样腔16；
S2：利用钻机驱动方形钻杆转动，带动安装取样钻筒1、取样钻头2和辅助钻杆3进行钻孔作业；
S21：取样钻头2对石油勘察地层的地质层进行旋转开孔，同时在钻机的带动下往下进行掘进钻孔作业；在取样钻筒1钻孔下降的过程中，蓄能外齿环4的外部齿在钻孔内壁摩擦力的作用下，蓄能外齿环4相对于取样钻筒1反向转动，蓄能外齿环4带动若干传动齿轮5转动，若干传动齿轮5带动活塞驱动件6转动，活塞驱动件6带动活塞杆7上升，活塞杆7带动活塞8上移，由于取样腔16和活塞8配合，活塞杆7带动活塞8上升，使取样腔16的气压逐渐变成负压；
S22：在活塞8逐渐上升的过程中，取样拉溃绳10的拉伸超过拉伸极限，取样拉溃绳10被活塞8拉断，取样拉溃绳10拉断后，活塞8继续上移，取样腔16内的负压继续增大，取样塞11在底部钻孔岩层的支撑作用下，取样塞11相对于取样孔18固定，将取样腔16维持在负压状态下；
S23：在取样钻头2的掘进钻孔过程中，蓄能外齿环4在钻孔摩擦力的作用下，使活塞8继续上升，直至活塞8上升至最高处，此时活塞8挤压蓄能锁销13，使蓄能锁销13的小端进入到活塞驱动件6的锁销孔62内，利用活塞8将活塞驱动件6、传动齿轮5和蓄能外齿环4锁死，使蓄能外齿环4与取样钻筒1停止相对运动，完成取样钻筒1的负压蓄能作业；
S3：当取样钻筒1与取样钻头2继续向下进行掘进钻孔作业时，取样钻头2钻至取样油层，取样油层对取样塞11的底部支撑作用变小，取样弹簧12的弹力使取样塞11从取样孔18弹出，取样腔16通过取样孔18与外部取样油层连通，此时取样腔16中的负压作用将取样油层中原油吸入到取样腔16中，完成取样油层的取样作业，如图7所示；
S4：通过钻机将取样钻筒1、取样钻头2和辅助钻杆3一同带出，最后打开取样钻筒1上的取样钻头2，将取样腔16内的油层取样取出，完成整个取样油层的取样作业。
还包括有高压水输送装置，高压水输送装置与辅助钻杆3的高压水通道31进水端连接，高压水通过高压水通道31和横向出水孔32对钻孔进行高压冲刷，在步骤S1-S4中，根据实际需求，利用高压水通道31和横向出水孔32对钻孔进行高压水射流。
Claims (10)
1.一种用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，包括取样钻筒(1)，所述取样钻筒(1)内设置有取样腔(16)，所述取样钻筒(1)的顶部连接有辅助钻杆(3)，所述取样钻筒(1)的底部螺纹连接有取样钻头(2)，所述取样钻头(2)上设置有取样孔(18)，所述取样孔(18)上设置有取样塞(11)，所述取样孔(18)与所述取样塞(11)通过取样弹簧(12)连接；所述取样钻筒(1)的顶部设置有蓄能外齿环(4)，所述蓄能外齿环(4)的外径大于所述取样钻头(2)的开孔直径；所述蓄能外齿环(4)的内环处啮合有若干传动齿轮(5)，若干所述传动齿轮(5)啮合有活塞驱动件(6)，所述活塞驱动件(6)的轴线位置贯穿设置有活塞杆(7)，所述活塞驱动件(6)与所述活塞杆(7)螺纹连接，所述活塞杆(7)的底部固定有与所述取样腔(16)密封配合的活塞(8)，所述活塞(8)与所述取样塞(11)之间通过取样拉溃绳(10)连接。
2.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述活塞驱动件(6)的外部设置有与所述传动齿轮(5)啮合的齿轮部，所述活塞驱动件(6)的底部设置有若干锁销孔(62)，所述传动齿轮(5)的上下端设置有限位转套(61)，所述取样钻筒(1)的顶部、所述辅助钻杆(3)的底部设置有与所述限位转套(61)配合的圆环槽；所述取样钻筒(1)的顶部贯穿设置有T形的蓄能锁销(13)，所述蓄能锁销(13)与所述取样钻筒(1)之间通过蓄能弹簧(14)连接，所述蓄能锁销(13)的小端与所述锁销孔(62)插接配合。
3.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述辅助钻杆(3)上设置有竖向的高压水通道(31)和若干横向出水孔(32)，所述高压水通道(31)与若干所述横向出水孔(32)连通；所述高压水通道(31)的直径小于所述活塞杆(7)的直径。
4.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述活塞(8)的底部设置有活塞拉环(9)，所述取样塞(11)上设置有绳扣(115)，所述取样拉溃绳(10)的上下端设置有U形拉钩，所述取样拉溃绳(10)通过U形拉钩安装在所述活塞拉环(9)和绳扣(115)上。
5.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述蓄能外齿环(4)的外齿环为棘轮齿，所述蓄能外齿环(4)的内齿环、所述传动齿轮(5)和活塞驱动件(6)外齿均为直齿轮。
6.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述取样塞(11)上设置有方形连接部(113)，所述方形连接部(113)上设置有中径导向柱(112)，所述中径导向柱(112)上设置有小径活塞端(111)，所述方形连接部(113)上还设置有安装所述取样弹簧(12)的弹簧凹槽(114)，所述取样弹簧(12)的一端固定在取样孔(18)上，另一端固定在所述弹簧凹槽(114)内。
7.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述取样钻筒(1)的顶部内侧还设置有压力传感器(15)。
8.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述取样钻头(2)的底部设置有圆球，取样钻头(2)上设置有安装圆球的半球槽，圆球上设置有转轴，半球槽上设置有安装转轴的转轴盲孔，所述转轴、转轴盲孔的轴线方向与所述取样钻头(2)的轴线方向重合。
9.根据权利要求1所述的用于地质勘察的油层取样装置，其特征在于，所述取样拉溃绳(10)为橡胶绳或氨纶纤维绳或PVC线绳或聚酰胺线绳。
10.一种用于权利要求1-7任一所述的用于地质勘察油层取样装置的取样方法，其特征在于，包括有如下步骤：
S1：钻孔准备：连接安装取样钻筒(1)、取样钻头(2)和辅助钻杆(3)，在辅助钻杆(3)的顶部连接方形转杆，并将方形转杆与钻机连接；
S11：将取样钻筒(1)与取样钻头(2)分离，转动蓄能外齿环(4)将活塞(8)调节至最低处，通过取样拉溃绳(10)将取样塞(11)与活塞(8)连接，在取样拉溃绳(10)的拉力作用下，取样塞(11)对取样弹簧(12)进行压缩，从而利用取样塞(11)密封取样腔(16)；
S2：利用钻机驱动方形钻杆转动，带动安装取样钻筒(1)、取样钻头(2)和辅助钻杆(3)进行钻孔作业；
S21：取样钻头(2)对石油勘察地层的地质层进行旋转开孔，同时在钻机的带动下往下进行掘进钻孔作业；在取样钻筒(1)钻孔下降的过程中，蓄能外齿环(4)的外部齿在钻孔内壁摩擦力的作用下，蓄能外齿环(4)相对于取样钻筒(1)反向转动，蓄能外齿环(4)带动若干传动齿轮(5)转动，若干传动齿轮(5)带动活塞驱动件(6)转动，活塞驱动件(6)带动活塞杆(7)上升，活塞杆(7)带动活塞(8)上移，由于取样腔(16)和活塞(8)配合，活塞杆(7)带动活塞(8)上升，使取样腔(16)的气压逐渐变成负压；
S22：在活塞(8)逐渐上升的过程中，取样拉溃绳(10)的拉伸超过拉伸极限，取样拉溃绳(10)被活塞(8)拉断，取样拉溃绳(10)拉断后，活塞(8)继续上移，取样腔(16)内的负压继续增大，取样塞(11)在底部钻孔岩层的支撑作用下，取样塞(11)相对于取样孔(18)固定，将取样腔(16)维持在负压状态下；
S23：在取样钻头(2)的掘进钻孔过程中，蓄能外齿环(4)在钻孔摩擦力的作用下，使活塞(8)继续上升，直至活塞(8)上升至最高处，此时活塞(8)挤压蓄能锁销(13)，使蓄能锁销(13)的小端进入到活塞驱动件(6)的锁销孔(62)内，利用活塞(8)将活塞驱动件(6)、传动齿轮(5)和蓄能外齿环(4)锁死，使蓄能外齿环(4)与取样钻筒(1)停止相对运动，完成取样钻筒(1)的负压蓄能作业；
S3：当取样钻筒(1)与取样钻头(2)继续向下进行掘进钻孔作业时，取样钻头(2)钻至取样油层，取样油层对取样塞(11)的底部支撑作用变小，取样弹簧(12)的弹力使取样塞(11)从取样孔(18)弹出，取样腔(16)通过取样孔(18)与外部取样油层连通，此时取样腔(16)中的负压作用将取样油层中原油吸入到取样腔(16)中，完成取样油层的取样作业；
S4：通过钻机将取样钻筒(1)、取样钻头(2)和辅助钻杆(3)一同带出，最后打开取样钻筒(1)上的取样钻头(2)，将取样腔(16)内的油层取样取出，完成整个取样油层的取样作业。
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