CN117646610A - 可持续钻进式地质取芯钻具组合及取芯钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可持续钻进式地质取芯钻具组合及取芯钻进方法，钻具组合包括钻头、双母短节和取芯筒，其中钻头与双母短节螺纹连接，取芯筒以可拆卸方式设置于钻头和双母短节连通的内腔中，钻头的底部具有内外贯通的取芯孔，钻头内底部设有开闭机构，开闭机构具有与取芯孔正对设置的通道，开闭机构能够从开位切换到闭位以封闭通道。开闭机构供取芯筒通过进行正常取芯作业，在取芯筒取走后自动复位对取芯孔进行封闭，钻井液仍然从水眼流出，可以建立正常的钻井液循环通道，保证正常钻进泵压，满足持续钻进需求，即在不起钻情况下可以直接进行下步钻进作业，大大提高作业效率，降低人员劳动强度和作业成本等。

Description

可持续钻进式地质取芯钻具组合及取芯钻进方法

技术领域

本发明属于地质勘探设备领域，具体涉及一种可持续钻进式地质取芯钻具组合及取芯钻进方法。

背景技术

在开展油气等地下资源的勘探施工过程中，为获得准确的地质资料，钻孔取芯是一种常用且实用的技术手段，为此，市面上也出现了很多取芯专用工具，如专利号为“202310602780.6”，名称为“”一种取芯装置的专利，以及专利号为“201821131731”，专利名称为“一种取芯钻头”的专利等。

目前市面上对于取芯工具的研究主要着重于取芯效率和安装便捷性等方面，大体取芯流程是，组配取芯钻具组合-下钻-到达既定位置开始取芯-起出取芯钻具组合-取出取芯筒完成作业。申请人在研究过程中发现，因为取芯钻头头部有较大孔洞供岩屑进入取芯筒中，所以取芯完成后，取芯钻头是不适合继续钻进作业，即当前的取芯钻具组合不适合继续钻进，然而通常勘探井设计都较深，如果在取芯完成后，随即起钻，大大降低了现场的整体施工效率，增加了施工作业成本以及人员劳动强度，此外，频繁起下钻也增加了安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可持续钻进式地质取芯钻具组合及取芯钻进方法，以解决现有技术中，取芯工具在取芯完成后不能持续钻进，减少了钻具组合的有效钻进进尺，增加钻井或勘探成本等问题。

其技术方案如下：

一种可持续钻进式地质取芯钻具组合，其关键在于：包括钻头、双母短节和取芯筒，其中所述钻头与双母短节螺纹连接，取芯筒以可拆卸方式设置于钻头和双母短节连通的内腔中，钻头的底部具有内外贯通的取芯孔，钻头内底部设有开闭机构，所述开闭机构具有与取芯孔正对设置的通道；

取芯过程中，所述开闭机构处于开位时，通道打开，所述取芯筒下端穿过所述通道后位于取芯孔内；

钻进过程中，所述开闭机构处于闭位，并将通道和取芯孔封闭。

采用以上方案，主要针对取芯孔设置开闭机构，当开闭机构处于开位时，取芯筒可正常通过进行取芯操作，而在取芯结束后，开闭机构处于闭位时，取芯孔被遮挡，此时钻具组合内的钻井液只能通过钻头上的水眼进入井底，能够保证足够的井底泵压，可以正常进行钻进操作，而不必起出地面更换钻具组合，大大提高了该组合钻进的有效钻进进尺，减少作业过程中的起下钻时间。

作为优选：所述开闭机构包括导向底座、多个封闭块和驱转件，其中所述导向底座上具有弧形导向槽，所述封闭块与弧形导向槽一一对应设置，并与对应的弧形导向槽滑动配合，所述驱转件上具有与封闭块滑动配合的直线导向槽，所述驱转件与导向底座同轴设置，通道位于导向底座上，且导向底座相对钻头固定设置；

当所述驱转件转动时，能够使封闭块沿弧形导向槽滑动，并相对通道水平转动，以打开或封闭通道。

采用以上方案，利用导向底座和驱转件配合实现封闭块对通道的旋转打开和封闭，可减少工作空间占用，且可靠性和稳定性相对较好。

作为优选：所述封闭块呈扇形，其端部具有沿其厚度方向两侧延伸的轴突部，所述轴突部两端与对应的弧形导向槽和直线导向槽配合。采用以上方案，在该机构中，封闭块属于易损件，采用上述结构，便于后期进行拆装更换。

作为优选：所述导向底座固设于钻头的内底部，且弧形导向槽对应所述钻头的水眼位置。采用以上方案，可进一步提高开闭机构的稳定性，并且避免了开闭机构对正常水眼的影响。

作为优选：所述驱转件具有筒部，所述筒部外径与双母短节的内径相适应，内径大于取芯筒，驱转件底部具有与取芯筒相适应的过孔，所述取芯筒位于筒部内侧，其上端通过剪切销钉与筒部连接。采用以上方案，取芯过程中，钻井液可通过筒部与取芯筒之间的环空间隙流至钻头内腔底部，再经由水眼流出，不干涉钻井液的正常循环，同时可以保证取芯筒的安装稳定性。

作为优选：所述筒部与钻头内侧壁之间设有轴承和扭簧，且所述扭簧位于轴承下方，所述扭簧的两端分别作用于筒部和钻头；

所述双母短节内具有环状限位凸台，所述环状限位凸台的内径小于筒部的外径，并位于筒部上方，且当开闭机构处于开位时，筒部顶端与环状限位凸台之间的垂距小于轴突部伸入直线导向槽内的长度。采用以上方案，当取芯筒取走后，利用扭簧实现驱转件的自主转动，其方案简单，便于实施，且实施成本相对较低，同时利用轴承可安装驱转件可充分保证其安装稳定性和旋转灵活度。

作为优选：所述直线导向槽内端与筒部贯通，筒部中空底部具有与直线导向槽间隔分布的分流孔。采用以上方案，可确保筒部内腔中的钻井液始终能够流出，避免被封闭块遮挡，提高其过流可靠性。

作为优选：所述取芯筒顶部具有打捞头，取芯筒下端设有扶正部，所述扶正部位于筒部内，且所述扶正部与筒部底壁之间设有缓冲弹簧。采用打捞头结构便于快速从井下将取芯筒取出，而设置缓冲弹簧可减少在破坏剪切销钉瞬间取芯筒产生的震动，并且避免扶正部与筒部底面硬接触，导致内部岩芯样品断裂等情况发生，有利于保证岩芯样品质量。

作为优选：所述取芯筒的下端靠近端部的位置设有防脱结构。采用以上方案，可有效防止取芯筒内的岩芯样品脱出，降低取芯失败风险。

本申请在上述可持续钻进式地质取芯钻具组合基础之上，提出了一种取芯钻进方法，以便进一步提高取芯及钻进效率，降低作业成本等。

其技术方案如下；

一种取芯钻进方法，其关键在于：采用上述可持续钻进式地质取芯钻具组合，并按如下步骤进行：

S1，组装可持续钻进式地质取芯钻具组合，开闭机构处于开位，取芯筒下端处于取芯孔内，并通过钻杆将可持续钻进式地质取芯钻具组合送入井底；

S2，进行正常钻进开始取芯，岩芯通过取芯孔进入取芯筒内；

S3，当钻进进尺达到取芯底深时，停止钻进，利用钢绳连接与打捞头匹配的打捞件，然后经钻杆内腔下放，直至打捞件与打捞头卡合之后，利用液压或地面拉力破坏所述剪切销钉，使取芯筒与筒部分离，然后利用钢绳将取芯筒拉至地面；

S4，开闭机构在扭簧作用下处于闭位，采用正常钻压和转速进行钻进。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的可持续钻进式地质取芯钻具组合及取芯钻进方法，主要针对传统取芯孔位置增设开闭机构，可供取芯筒通过进行正常取芯作业。

在取芯筒取走后自动复位对取芯孔进行封闭，从而避免钻井液直接从取芯孔流入井底，取芯孔封闭后，钻井液仍然从水眼流出，可以建立正常的钻井液循环通道，保证正常钻进泵压，满足持续钻进需求，即在不起钻情况下可以直接进行下步钻进作业，大大提高作业效率，降低人员劳动强度和作业成本等。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖视图(开闭机构处于开位)；

图3为本发明剖视图(取出取芯，且开闭机构处于闭位)；

图4为开闭机构爆炸示意图；

图5为开闭机构俯视图(处于开位)；

图6为开闭机构仰视图；

图7为开闭机构轴测图(去除驱转件，且处于闭位)；

图8为驱转件俯视图；

图9为驱转件仰视图；

图10为导向底座俯视图；

图11为图2中A处局部放大图；

图12为图2中B处局部放大图；

图13为取芯筒结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参考图1至图9所示的可持续钻进式地质取芯钻具组合，主要包括钻头1、双母短节2和取芯筒3，如图所示，双母短节2的两端均为母扣，其下端与钻头1螺纹连接，上端用于与钻杆等钻具连接，取芯筒3以可拆卸方式设置于钻头1和双母短节2连通的内腔中，钻头1的底部具有内外贯通的取芯孔10，取芯过程中，井底岩芯可通过取芯孔10进入内部的取芯筒3中，钻头1内腔底部设有开闭机构4，开闭机构4具有与取芯孔10正对设置的通道40，该通道40主要用于供取芯筒3通过以便进行取芯作业，且通道40直径与取芯孔10直径基本一致，本申请中开闭机构4主要有开位和闭位两种工作状态，分别对应取芯作业和持续钻进作业。

取芯过程中，开闭机构4处于开位，此时通道40打开，取芯筒3下端穿过通道40后位于取芯孔10内。

持续钻进过程中，开闭机构4处于闭位，并将通道40和取芯孔10封闭。

重点参考图4至图9，本实施例中，开闭机构4包括导向底座41、多个封闭块42和驱转件43，其中导向底座41上具有弧形导向槽410，如图所示，导向底座41呈圆盘状，通道40位于导向底座41上，为开设在导向底座41上的中心孔，弧形导向槽410相对通道40的中心倾斜设置，其一端相对通道40中心渐渐远离，封闭块42与弧形导向槽410一一对应设置，并与对应的弧形导向槽410滑动配合，驱转件43上具有与封闭块42滑动配合的直线导向槽430，驱转件43与导向底座41同轴设置，本实施例中导向底座41相对钻头1固定设置，当驱转件43转动时，能够使封闭块42沿弧形导向槽410滑动，并相对通道40水平转动，以打开或封闭通道40。

本实施例中封闭块42呈扇形，其半径大于或等于通道40的半径，封闭块42的外周端部具有沿其厚度方向两侧延伸的轴突部420，轴突部420两端与对应的弧形导向槽410和直线导向槽430配合，即轴突部420的上下两端分别伸入正对的直线导向槽430和弧形导向槽410中，驱转件43转动过程中，带动封闭块42沿弧形导向槽410和直线导向槽430滑动，同时相对通道40发生转动，具体而言，封闭机构4处于闭位时，轴突部420位于弧形导向槽410和直线导向槽430的内端(靠近通道40的一端)，而处于开位时，轴突部420位于弧形导向槽410和直线导向槽430的外端(远离通道40的一端)，且导向底座41上通道40外围的半径大于或等于封闭块42的弦长，可以刚好容纳处于开位时的封闭块42，从而减少封闭块42的空间占用，同时能够对其起到更好的支撑效果。

具体实施过程中，导向底座41固设于钻头1的内腔底部(通常采用粘接或螺栓连接方式，便于后期拆换)，且弧形导向槽410对应所述钻头1上水眼11的位置，这样可以避免导向底座41对水眼11的遮挡，影响钻井循环压力。

驱转件43具有筒部431，筒部431向上延伸至双母短节2中，其外径与双母短节2的内径相适应，内径大于取芯筒3，驱转件43底部具有与取芯筒3相适应的过孔432，如图所示，筒部431的底部具有突出至其内腔的环形支撑部434，过孔432与环形支撑部434同轴设置，其直径基本与取芯筒3的外径相等或略大，取芯筒3设置于筒部431内，其上端通过剪切销钉30与筒部431连接。

本申请中驱转件43的转动采用自动复位的方式，筒部431与钻头1内侧壁之间设有轴承5和扭簧6，且扭簧6位于轴承5下方，扭簧6的两端分别作用于筒部431和钻头1，具体如图所示，本实施例中，轴承5有两个，并优选为双列圆锥滚子轴承，选用此种轴承，可以承受轴向两个方向较大的力，其可靠性和稳定性相对更好，两个轴承5均位于钻头1内，扭簧6的一端固定在钻头1的内壁上，另一端固定在筒部431的外侧壁上，通常在钻头1和筒部431上预置扭簧挂钩，且当开闭机构4处于开位时，扭簧6是处于压缩状态的。

在磁基础之上，双母短节2内在筒部431的上方设有环状限位凸台20，环状限位凸台20的内径小于筒部431的外径，且当开闭机构4处于开位时，筒部431顶端与环状限位凸台20之间的垂距小于轴突部420伸入直线导向槽430内的长度，二者之间的距离间隙主要为驱转件43转动时预留轴向位移空间，同时防止驱转件43与封闭块42脱离配合状态。

本申请中，考虑取芯作业及后续钻进过程中，钻井液的循环回路的通畅性和稳定性，故如图8和图9所示，直线导向槽430的内端与筒部431贯通，筒部431中空底部具有与直线导向槽430间隔分布的分流孔433，即环形支撑部434上具有分流孔433，且分流孔433沿筒部431的周向均匀分布，这样即使轴突部420位于导向槽430的内端时，大部分钻井液也可通过分流孔433流出。

重点参考图12和图13，取芯筒3顶部具有打捞头31，取芯筒3下端设有扶正部32，扶正部32位于筒部431内，扶正部32为弧形瓣状结构，其外径与筒部431的内径相等或略小3-5mm，主要对取芯筒3起到一定对中扶正的效果，且不妨碍钻井液从取芯筒3与筒部431之间的间隙流过。

在此基础之上，实施时扶正部32与筒部431底壁之间设有缓冲弹簧7，如图所示，缓冲弹簧7向下两端分别与扶正部32底部以及筒部431的内底部相抵，可减少取芯作业过程中钻井液冲击对剪切销钉30的影响，以及缓解最后破坏剪切销钉30瞬间，扶正部32与筒部431底部之间的冲击力。

传统的取芯筒3为底部敞口的中空柱状结构，而本申请中为进一步降低取芯作业的失败风险，故在取芯筒3的下端靠近敞口位置设有防脱结构，防脱结构主要用于防止进入取芯筒3中的柱状岩芯样品脱出，基于此种情况，打捞头31与取芯筒3主体之间采用可拆卸的连接方式，通常为螺纹连接或旋转卡接结构，这样当将取芯筒3取出之后，即可将打捞头31与取芯筒3主体分离，然后从取芯筒3的主体上端取出岩芯样品。

如图2和图12所示，本实施例中防脱结构为设置于取芯筒3下端敞口部位的弹片33，如图所示弹片33沿取芯筒3的周向均匀分布，并相对取芯筒3的轴线向内倾斜设置，其上端相对更靠近取芯筒3的轴线，弹片33与取芯筒3的侧壁构成类似倒钩状结构，进一步的，弹片33的内侧壁(即靠近取芯筒3的一侧)上具有沿其高度方向分布的倒棱330，且倒棱330的下侧呈弧状，上侧为平直状，这样有利于岩芯从下往上进入取芯筒3中，而岩芯受倒棱330和弹片33整体作用，很难向下滑脱。

本申请在上述可持续钻进式地质取芯钻具组合的基础之上，提出了一种取芯钻进方法，即完成取芯作业后持续钻进的方法，主要按如下步骤进行：

第一步，组装可持续钻进式地质取芯钻具组合，具体而言，主要包括开闭机构4的安装和取芯筒3的安装，其中开闭机构4的安装步骤如下：

先将导向底座41固定到钻头1的内腔底部，注意弧形导向槽410与水眼11的位置对应，然后将封闭块42一一放至弧形导向槽410内，所有封闭块42保持姿态一致后，其扇形圆形与通道40的轴线重合，然后装入驱转件43，使所有封闭块42的轴突部420落入对应的直线导向槽430中，然后在筒部431与钻头1之间的环空间隙中转入扭簧6，并将其两端分别固定到筒部431与钻头1上。

取芯筒3的安装过程如下：先在筒部431中装入缓冲弹簧7，缓冲弹簧7支撑于环形支撑部434上，转动驱转件43，使封闭块42向外滑移转到，保持通道40处于打开状态，再装入取芯筒3，取芯筒3依次穿过缓冲弹簧7、通道40后，端部位于取芯孔10内，此时，因为取芯筒3处于通道40内，可阻止封闭块42向内转动滑移，即抵消了扭簧6的恢复力，注意取芯筒3在装入过程中确保其打捞头31上的销孔与筒部431上的销孔正对，再通过剪切销钉30将二者固定连接。

最后将双母短节2与钻头1连接，上部钻具与双母短节2的上端连接即可，并通过钻杆将钻具组合整体送入井底。

第二步，进行正常钻进开始取芯，此过程中通常采用低钻压(1t-2t)、低转速(20rpm-40rpm)、低排量(10L/s-25L/s)进行，钻头1上的水眼11分布于取芯孔10的周向外侧，并向外倾斜设置，可有效降低机械钻速和高射流对岩样的完整性影响，在低速钻进过程中，岩芯通过取芯孔10进入取芯筒3内，受防脱结构的作用，可有效防止脱出。

第三步，当钻进进尺达到取芯底深时，即完成取芯进尺，此时停止钻进，保持原位循环，并利用钢绳连接与打捞头31匹配的打捞件，然后经钻杆内腔下放，直至打捞件与打捞头31卡合之后，利用液压或地面拉力破坏所述剪切销钉30，打捞件的外径略小于钻杆内径，此时地面增大排量，即可将较大泵压传递到打捞件和打捞头31，从而破坏掉剪切销钉30，也可采用地面钢绳直接硬拉的方式破坏剪切销钉30，剪切销钉30被破坏之后，取芯筒3与筒部431实际分离，则可利用钢绳将取芯筒3拉至地面。

第四步，取芯筒3被取出后，封闭块42的阻力消失，驱转件43在扭簧6的作用下顺时针转动(以图5为参考)，封闭块42筒部向内转动滑移，直至将通道40封闭，即此时开闭机构4在扭簧6作用下处于闭位，钻井液不能通过取芯孔10进入井底，即泵压基本不受取芯孔10的影响，可以采用正常钻压和转速进行钻进。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可持续钻进式地质取芯工具，其特征在于：包括钻头(1)、双母短节(2)和取芯筒(3)，其中所述钻头(1)与双母短节(2)螺纹连接，取芯筒(3)以可拆卸方式设置于钻头(1)和双母短节(2)连通的内腔中，钻头(1)的底部具有内外贯通的取芯孔(10)，钻头(1)内底部设有开闭机构(4)，所述开闭机构(4)具有与取芯孔(10)正对设置的通道(40)；

取芯过程中，所述开闭机构(4)处于开位时，通道(40)打开，所述取芯筒(3)下端穿过所述通道(40)后位于取芯孔(10)内；

钻进过程中，所述开闭机构(4)处于闭位，并将通道(40)和取芯孔(10)封闭。

2.根据权利要求1所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述开闭机构(4)包括导向底座(41)、多个封闭块(42)和驱转件(43)，其中所述导向底座(41)上具有弧形导向槽(410)，所述封闭块(42)与弧形导向槽(410)一一对应设置，并与对应的弧形导向槽(410)滑动配合，所述驱转件(43)上具有与封闭块(42)滑动配合的直线导向槽(430)，所述驱转件(43)与导向底座(41)同轴设置，通道(40)位于导向底座(41)上，且导向底座(41)相对钻头(1)固定设置；

当所述驱转件(43)转动时，能够使封闭块(42)沿弧形导向槽(410)滑动，并相对通道(40)水平转动，以打开或封闭通道(40)。

3.根据权利要求2所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述封闭块(42)呈扇形，其端部具有沿其厚度方向两侧延伸的轴突部(420)，所述轴突部(420)两端与对应的弧形导向槽(410)和直线导向槽(430)配合。

4.根据权利要求2或3所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述导向底座(41)固设于钻头(1)的内底部，且弧形导向槽(410)对应所述钻头(1)的水眼位置。

5.根据权利要求2或3所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述驱转件(43)具有筒部(431)，所述筒部(431)外径与双母短节(2)的内径相适应，内径大于取芯筒(3)，驱转件(43)底部具有与取芯筒(3)相适应的过孔(432)，所述取芯筒(3)位于筒部(431)内侧，其上端通过剪切销钉(30)与筒部(431)连接。

6.根据权利要求5所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述筒部(431)与钻头(1)内侧壁之间设有轴承(5)和扭簧(6)，且所述扭簧(6)位于轴承(5)下方，所述扭簧(6)的两端分别作用于筒部(431)和钻头(1)；

所述双母短节(2)内具有环状限位凸台(20)，所述环状限位凸台(20)的内径小于筒部(431)的外径，并位于筒部(431)上方，且当开闭机构(4)处于开位时，筒部(431)顶端与环状限位凸台(20)之间的垂距小于轴突部(420)伸入直线导向槽(430)内的长度。

7.根据权利要求5所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述直线导向槽(430)内端与筒部(431)贯通，筒部(431)中空底部具有与直线导向槽(430)间隔分布的分流孔(433)。

8.根据权利要求5所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述取芯筒(3)顶部具有打捞头(31)，取芯筒(3)下端设有扶正部(32)，所述扶正部(32)位于筒部(431)内，且所述扶正部(32)与筒部(431)底壁之间设有缓冲弹簧(7)。

9.根据权利要求1至3中任一所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，其特征在于：所述取芯筒(3)的下端靠近端部的位置设有防脱结构。

10.一种取芯钻进方法，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一所述的可持续钻进式地质取芯钻具组合，并按如下步骤进行：

S1，组装可持续钻进式地质取芯钻具组合，开闭机构(4)处于开位，取芯筒(3)下端处于取芯孔(10)内，并通过钻杆将可持续钻进式地质取芯钻具组合送入井底；

S2，进行正常钻进开始取芯，岩芯通过取芯孔(10)进入取芯筒(3)内；

S3，当钻进进尺达到取芯底深时，停止钻进，利用钢绳连接与打捞头(31)匹配的打捞件，然后经钻杆内腔下放，直至打捞件与打捞头(31)卡合之后，利用液压或地面拉力破坏所述剪切销钉(30)，使取芯筒(3)与筒部(431)分离，然后利用钢绳将取芯筒(3)拉至地面；

S4，开闭机构(4)在扭簧(6)作用下处于闭位，采用正常钻压和转速进行钻进。