CN203570241U - 一种套管取心钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种套管取心钻具,主要由可投捞的内管钻具和与套管连接的外管钻具组成，所述内管钻具由可沿轴向移动的张敛轴总成和不可移动的钻头架总成构成，所述张敛轴总成套装在钻头架总成内部，所述外管钻具由上部内腔装有扶正环和下部内腔装有密封环的上外管和位于上外管下部的定位端管构成。本实用新型设计的钻具具有可靠的自动瞄向到位、悬挂、水力驱动张开和打捞收敛、钻具张开报信、传递钻进载荷、双扶正、自动除沙和双管取心钻具等完善的系统功能机构，具备不提钻换钻头取心钻进的能力，满足套管钻进的工艺要求，为实施套管钻进提供一种孔底钻进装置，旨在解决但不限于复杂地层钻进的技术难题。

Description

一种套管取心钻具

技术领域

本实用新型涉及地质勘探行业领域，具体来说，是指一种套管取心钻具。

背景技术

油气钻井领域的套管钻井主要用于沉积岩，地层比较稳定，其目的是用于一次成井，但普遍不能取岩心，而且仅局限于直径大于Φ114.3mm套管的条件下实现，不能用于地质勘探领域的小直径岩心钻探工程，如国外油气领域广泛使用的德士古公司（Tesco Corp.）的套管钻井(drilling with casing）、中国发明专利申请号200610070359.1公开的套管钻井井底可回收装置；中国发明专利申请号200510068145.6公开的一种套管钻井方法，同时采用钻杆和套管双管钻进，是一种跟管钻进方法，不属于套管取心钻进范畴。已有的金刚石取心跟管钻具采用回次间歇性跟管，也采用钻杆和套管双管钻进，不能实现随钻同步下套管。

目前，地质勘探套管取心钻进技术在国内尚处于空白，国外也未见到相关报道。套管取心钻具是套管钻进的核心技术，目前与之密切相关的技术是不提钻换钻头钻具，至今出现的不提钻换钻头钻具，多数技术方案仅仅是一种初级的设想，由于方案的系统功能和结构不完善，难以实现不提钻换钻头动作，不具备实用性，如中国发明专利申请号87205282整体迭缩式孔底换钻头工具、中国专利申请号87202449.0公开的不提钻换钻头装置和93207805.2公开的一种扩孔翼式不提钻换钻头绳冲钻具；极少数技术方案尽管具有一定实用性，但由于存在系统结构不完善，仅仅局限于在较完整的地层中使用，不适用于复杂地层，如中国发明专利申请号85200563公开的定位张敛式不提钻换钻头钻具，因容易沉沙、钻头收敛不可靠、悬挂容易变形而且不能修复、外钻具底端容易磨损，只能在固相含量小于4%的泥浆环境和较完整的地层使用。

地质勘探岩心钻探经常遇到水敏性、水溶性、断裂破碎带、裂隙发育、松散破碎等复杂地层，其稳定性差，钻孔容易发生垮塌、掉块、缩径、超径等钻进故障，进而容易导致卡钻、埋钻、断钻杆等孔内事故，钻探施工非常困难，普遍存在岩心质量差和钻进效率低的问题，影响地质勘探进度。

套管隔离钻孔保护孔壁是岩心钻探常用的方法。目前，仍然普遍使用传统的“先钻裸孔，再下套管”隔离钻孔的方法保护孔壁。但是，无论使用常规的起下钻取心钻进，还是绳索取心钻进，都需要先钻穿复杂地层，然后提出钻杆，再下入套管。在这一施工环节，钻裸孔就比较困难，钻穿难以准确预测深度和厚度的复杂地层难上加难；即使裸孔达到预定孔深，由于提钻产生的抽吸和下套管对孔壁的擦刮作用，钻孔孔壁坍塌、掉块、缩径等孔内故障难免，所以，也难保套管能下到预定孔深或穿过预定复杂地层，裸孔穿过而套管难以穿过复杂地层的情况仍然非常普遍。采用随钻下套管的套管取心钻进，是人们试图解决复杂地层钻进难的长期愿望，但至今国内未见到这方面的实例。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为实施套管取心钻进提供孔内套管取心钻进装置—一种套管取心钻具，通过采用不提钻换钻头取心钻进工艺，实现随钻下套管，进而实现快速和有效钻穿和隔离复杂地层，解决但不限于复杂地层钻进的技术难题。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种套管取心钻具，主要由可投捞的内管钻具和与套管相连接的外管钻具组成，所述内管钻具由可沿轴向移动的张敛轴总成和不可移动的钻头架总成构成，所述张敛轴总成套装在钻头架总成内部，所述外管钻具由上外管和位于上外管下部的定位端管构成。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述张敛轴总成主要由矛头、环状报信阀、引流杆、张敛轴、收敛爪固定连接组成，所述矛头位于引流杆上方，所述环状报信阀套在引流杆外部，环状报信阀上部外壁有数条开口向上的独头槽。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述钻头架总成主要由悬挂接头、悬挂环、钻头架、副钻头、限位器、主钻头固定连接组成，所述张敛轴总成套装在钻头架内，所述钻头架上部外壁有箭头向下的内管钻具箭形花键，所述钻头架中部纵向有一组矩形窗孔，所述钻头架下部内腔纵向有一组槽，槽下部径向设有排沙孔，所述悬挂接头有一悬挂接头内通孔，内孔上部直径小，下部直径大，矛头从悬挂接头上端的小直径孔伸出，矛头上端供绳索打捞器捕捞连接，所述张敛轴套装在钻头架内，张敛轴上端楔形面与副钻头的上端的楔面组成副钻头张开的张开副，收敛爪的楔形面与副钻头下端的楔面组成副钻头收缩的收敛副，副钻头插装在钻头架的矩形窗孔内，所述限位器位于张敛轴下端。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述的悬挂环与定位端管的箭头构成悬挂副，旋转悬挂环可得到若干悬挂位置。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述限位器上部为圆梳形，上端设置有限位器压盖，所述限位器压盖中部内壁上设置有O形圈，在所述限位器下部外侧设置有柔性调节圈，在所述柔性调节圈下端设置有刚性调节圈，在所述限位器下部设置有垫，在所述限位器外侧设置有限位器接头，所述限位器接头下端连接有普通双管钻具接头，普通双管钻具接头下端连接有主钻头，所述主钻头为普通双管金刚石钻头。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述副钻头为3~6块可张敛的组合异形钻头，所述组合异形钻头的金刚石胎体由保径圆柱面和碎岩锥面组成，所述保径圆柱面下端与碎岩锥面上端相连接，所述副钻头内侧上平面设置有磁性材料，副钻头插装在矩形窗孔内，副钻头尾部插入钻头架的内槽。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述钻头架总成还包括普通双管钻具接头、岩心容纳管、外管、扩孔器、内管短节、卡簧座、卡簧，所述普通双管钻具接头位于限位器接头下方，所述岩心容纳管位于普通双管钻具接头下方，岩心容纳管下端与内管短节上端相连接，所述外管位于岩心容纳管外部，且外管下端与扩孔器上端相连接，所述内管短节下端与卡簧座上端相连接，卡簧座内部设置有卡簧。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述上外管的上部内装扶正环、下部内装密封环，所述定位端管内腔管壁上设置有箭头向上的箭形花键，所述定位端管下端内腔开有供副钻头张开嵌入的梯形槽，所述定位端管底部无出刃镶嵌有一组超硬材料。

进一步地，为更好地实现本实用新型，所述悬挂接头上圆柱面可与外管钻具的扶正环构成扶正副，悬挂接头下圆柱面可与外管钻具的密封环构成密封副，密封副又是扶正副。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本实用新型提供实现套管取心钻进的孔底钻进装置——套管取心钻具，钻具设计具有不提钻换钻头取心钻进能力，是实现套管取心钻进不可缺、不可替代的孔底取心钻进装置；采用不提钻换钻头取心钻进原理，在取心工序环节，采用钢丝绳打捞方法，将装满岩心和带孔底服役主钻头和副钻头的内管钻具打捞到地面，在采取岩心的同时，实现检查或更换孔底服役主钻头和副钻头；钻具具有可靠的内管钻具与外管钻具自动瞄向到位、悬挂、水力驱动张开和打捞收敛、钻具张开报信、传递钻进载荷、双扶正、自动除沙、双管取心钻具的机构，具备完备和可靠的不提钻换钻头取心钻进的系统功能，满足套管钻进的工艺要求，适用于但不限于复杂地层的岩心钻探工程；

（2）本实用新型的悬挂接头上圆柱面与扶正环，下圆柱面与密封环组成的双扶正机构，使内管钻具与外管钻具保持较高的同轴度，在副钻头张开后，使套管取心钻具具有良好的刚性，钻具能采用3米以上长度的岩心容纳管，并且能在300转/分钟以上的转速条件下正常钻进；

（3）本实用新型的钻头架内槽下部开有排沙孔，利用旋转产生的离心力，及时将从钻头架的窗口进入其下部槽内的岩屑（包含岩粉、碎石颗粒、沙、泥质物等混合固相物质）排除，避免其沉淀并滞留在钻头架内部，从而消除岩屑对副钻头收敛的影响因素，使副钻头收敛动作灵活可靠；

（4）本实用新型的副钻头镶嵌的磁性材料，使副钻头常受到一个向心的磁力，避免副钻头在开始收敛时，因其重心偏离收敛支撑点，头部有沿支撑点下垂的趋势而影响收敛，使副钻头收敛灵活可靠；

(5) 本实用新型的悬挂环与定位端管的箭形花键箭头构成的悬挂机构，承担悬挂内管钻具任务，包括内管钻具自重、提断岩心的拉力、有卡钻或埋钻迹象时提升阻力，悬挂环的悬挂点可通过相对悬挂接头旋转来调节，一个悬挂环有若干悬挂点；

(6) 本实用新型的定位端管底部纵向镶嵌圆柱状超硬材料，采取无出刃镶嵌，使定位端管具有足够的耐磨寿命，尽管偶尔内管钻具在不到位情况下发生误操作，定位端管的底端面与孔底岩石一旦接触，可通过泥浆泵的泵压表的蹩泵信号判断纠正错误操作；

（7）本发明的圆梳形限位器的圆梳齿上套装柔性调节圈和刚性调节圈，二者构成组合调节圈，其不同数量或不同厚度的组合，增大限位器阻止张敛轴下端轴颈沿轴向自由移动的阻力的调节范围，进而增大驱动副钻头张开泵压的调节范围，使钻具张开报信更醒目，同时维持钻具张开和收敛两种工作状态的稳定性；

(8) 本实用新型的在套管取心钻具的限位器接头下端连接普通注浆工具，组成可投捞式扫孔注浆工具，实现在不提钻条件下灌注水泥浆、化学浆液和惰性材料等，进行固结注浆护壁和堵漏；可在其限位器接头下端连接孔内事故处理工具，实现不提钻处理烧钻、卡钻和埋钻事故。

附图说明

图1为实施例中套管取心钻进的钻进示意图；

图2为实施例中打捞内管钻具示意图；

图3为图1的套管取心钻具钻进工作状态的结构示意图的上部；

图4为图1的套管取心钻具的结构示意图的下部；

图5为套管取心钻具收敛工作状态的内管钻具上部的结构示意图；  

图6为套管取心钻具的外管钻具结构示意图；

图7为图3的钻头架的轴测图局部；

图8为图6的A-A剖面图。

其中：1—外管钻具；2—内管钻具；3—主钻头；4—副钻头；5—张敛轴总成；6—钻头架总成；7—矛头；8—环状报信阀；9—引流杆；10—张敛轴；11—收敛爪；12—悬挂接头；13—悬挂环；14—钻头架；15—限位器；16—普通双管钻具接头；17—岩心容纳管；18—外管；19—扩孔器；20—内管短节；21—卡簧座；22—卡簧；23—上外管；24—扶正环；25—定位端管；26—密封环；27—外管钻具箭形花键；28—梯形槽；29—超硬材料；30—内管钻具箭形花键；31—矩形窗孔；32—槽；33—排沙孔；34—限位器压盖；35—O形圈；36—柔性调节圈；37—刚性调节圈；38—垫；39—限位器接头；40—保径圆柱面；41—碎岩锥面；42—磁性材料；43—悬挂接头内通孔；44—绳索打捞器；45—独头槽；50—圆柱销；51—岩心钻机；52—泥浆泵；53—孔口夹持器；54—绞车；55—提引器；56—套管；57—套管取心钻具；58—回转器；59—泥浆；60—钻孔；61—岩心；62—机上钻杆；63—钢丝绳；64—钻塔；65—泵压表；66—地面；67—地层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步详细介绍，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种套管取心钻具，岩心钻机51的回转器58带动机上钻杆62旋转，驱动孔内代替钻杆的套管56旋转，带动孔底呈钻进工作状态的套管取心钻具57旋转；岩心钻机51通过其回转器58施加的钻进压力，通过机上钻杆62、套管56传到孔底套管取心钻具57；来自泥浆泵52的泥浆59，通过套管输送到孔底，套管取心钻具57在孔底执行取心钻进，其岩心容纳管17装满岩心61后，停止钻进，用孔口夹持器53夹持住套管56，机上钻杆62卸扣脱离开套管56；将与钢丝绳63连接的绳索打捞器44投入套管内，凭其自重下到孔底捕捞住套管取心钻具的矛头7，通过钢丝绳63提升绳索打捞器44，将套管取心钻具57的内管钻具2提到地面66，采集岩心和检查或更换主钻头3和副钻头4，然后将内管钻具2投入套管内，机上钻杆62与套管56连接，开泥浆泵52用泥浆送内管钻具2到孔底，并驱动副钻头4张开，进行下一回次钻进；如此循环，套管随钻向下延深，直至钻到预定孔深或穿过预定复杂地层67，提出内管钻具2，套管56则留并固定在孔内，完成套管取心钻进作业。套管需要在后期采用其他方法使钻孔60到达设计孔深或靶区后，才能起拔回收套管。

副钻头4处于收敛的内管钻具2通过套管投入钻孔，也可采用绳索打捞器44送，钻具凭自重，或泥浆输送达到孔底，首先通过瞄向机构自动瞄向，使内管钻具2到达与外管钻具1的配合位置；此时，由所述的悬挂环13与外管钻具箭形花键27组成的悬挂机构悬挂内管钻具2，悬挂接头12与密封环26构成密封，环状报信阀8全部处于悬挂接头12上部的小直径孔内，即水路处于关闭位置；在开通泥浆泵52后，环状报信阀8受泥浆的水力压力驱动向下移动，带动张敛轴10向下移动，其使副钻头4从钻头架14的矩形窗孔31伸出，即副钻头4张开，张开的副钻头4外径比套管外径大4-10mm，其头部嵌入定位端管25的梯形槽28，尾部插入钻头架14的内槽32，将内管钻具2与外管钻具1连接，同时与定位端管25和钻头架14组成传递钻进压力和扭矩的通道，此时，钻具呈钻进工作状态，可执行取心钻进。钻进时，主钻头3执行先导取心钻进，副钻头4承担扩孔任务，钻孔直径比套管外径大4-10 mm，岩心则随钻进入岩心容纳管17。岩心容纳管17装满岩心后，将绳索打捞器44通过套管的内腔下到孔底，绳索打捞器44捕捞住内管钻具2的矛头7，采用地面绞车54提拉，在开始提拉时，矛头7带动张敛轴10向上移动，其收敛爪11的楔面插入副钻头4的收敛槽（楔面），使副钻头4沿径向收缩，即副钻头4收敛，解除内管钻具2与外管钻具1的连接，内管钻具2的最大外径比套管内径小3-6 mm，可直接将内管钻具2打捞到地面进行采集岩心和检查或更换钻头（包括主钻头3、扩孔器19、副钻头4），完成一个钻进取心回次，即实现不提钻换钻头取心钻进。如此反复循环，套管随钻向孔底延伸，直至钻孔达到预定孔深或钻穿预定复杂地层，打捞出内管钻具2，套管及其下端连接的外管钻具1则留并固定在孔内，恢复套管隔离钻孔的护壁功能，完成套管钻进作业。留在孔内的套管，待钻孔采用其他方法钻到设计孔深或靶区，采用地面设备起拔回收。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，悬挂接头12上圆柱面与扶正环24，悬挂接头12下圆柱面与密封环26组成的双扶正机构，使内管钻具2与外管钻具1保持较高的同轴度，并在副钻头4张开后，套管取心钻具具有良好的刚性，使钻具能采用3米以上长度的岩心容纳管，并且能在400转/分钟以上的转速条件下正常钻进；钻头架14内槽32下部开有排沙孔33，利用旋转产生的径向离心力，及时将从钻头架14的矩形窗口31进入其下部槽32内的岩屑（岩粉、碎石颗粒、沙、泥质物等混合固相物质）排除，避免其沉淀在钻头架内部，从而消除岩屑沉淀对副钻头4收敛的影响因素；副钻头4镶嵌的磁性材料42，使副钻头4常受到一个向心的磁力，避免副钻头4在开始收敛时，因其重心偏离收敛支撑点，头部有沿支撑点下垂的趋势而影响收敛，使副钻头4收敛灵活可靠；悬挂环13与定位端管25的箭形花键箭头构成的悬挂机构，承担悬挂内管钻具2任务，包括内管钻具2自重、提断岩心的拉力、有卡钻或埋钻迹象时提升阻力，悬挂环13的悬挂点可通过相对悬挂接头12旋转来调节，一个悬挂环13有若干悬挂点；定位端管25底部纵向镶嵌圆柱状超硬材料29，无出刃镶嵌，使定位端管具有足够的耐磨寿命，尽管偶尔内管钻具2在不到位情况下发生误操作，定位端管25的底端面与孔底岩石一旦接触，可通过泥浆泵的泵压表65的蹩泵信号判断纠正错误操作；圆梳形限位器15用于阻止张敛轴10下端轴颈沿轴向自由移动，即阻止其自由拔出或插入，维持钻具张开和收敛两种工作状态的稳定性，限位器的圆梳齿上套装柔性调节圈36和刚性调节圈37，二者构成组合调节圈，其不同数量或不同厚度的组合，增大限位器阻止张敛轴10沿轴向移动的阻力的调节范围，进而增大驱动副钻头4张开泵压的调节范围，使钻具张开报信泵压更醒目；所述套管取心钻具的特征是，可在其限位器接头39下端连接普通注浆工具，组成可投捞式扫孔注浆工具，实现在不提钻条件下灌注水泥浆、化学浆液和惰性材料等，进行固结注浆护壁和或堵漏，可在其限位器接头39下端连接孔内事故处理工具，实现不提钻处理烧钻、卡钻和埋钻事故。本实施例其他部分与实施例1相同，不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种套管取心钻具，其特征在于：主要由可投捞的内管钻具（2）和与套管（56）连接的外管钻具（1）组成，所述内管钻具（2）由可沿轴向移动的张敛轴总成（5）和不可移动的钻头架总成（6）构成，所述张敛轴总成（5）套装在钻头架总成（6）内部，所述外管钻具（1）由上部内腔装有扶正环（24）和下部内腔装有密封环（26）的上外管（23）和位于上外管（23）下部的定位端管（25）构成。

2.根据权利要求1所述的一种套管取心钻具，其特征在于：所述张敛轴总成（5）主要由矛头（7）、环状报信阀（8）、引流杆（9）、张敛轴（10）、收敛爪（11）固定连接组成，所述矛头（7）位于引流杆（9）上方，所述环状报信阀（8）套在引流杆（9）外部，环状报信阀（8）上部外壁有数条开口向上的独头槽（45）。

3.根据权利要求2所述的一种套管取心钻具，特征在于：所述钻头架总成（6）主要由悬挂接头（12）、悬挂环（13）、钻头架（14）、副钻头（4）、限位器（15）、主钻头（3）固定连接组成，所述张敛轴总成（5）套装在钻头架（14）内，所述钻头架（14）上部外壁有箭头向下的内管钻具箭形花键（30），所述钻头架（14）中部纵向有一组矩形窗孔（31），所述钻头架（14）下部内腔纵向有一组槽（32），槽（32）下部径向设有排沙孔（33），所述悬挂接头（12）上端设置有悬挂接头内通孔（43），悬挂接头内通孔（43）上部直径小于下部直径，矛头（7）从悬挂接头内通孔（43）小直径孔伸出，矛头（7）上端供绳索打捞器（44）捕捞，所述张敛轴（10）套装在钻头架（14）内，张敛轴（10）中部两组楔形面与副钻头（4）内侧的两组楔面组成副钻头（4 ）张开的张开副，收敛爪（11）的楔形面与副钻头（4）外侧下部的楔面组成副钻头（4）收缩的收敛副，副钻头（4）插装在钻头架（14）的矩形窗孔（31）内，所述限位器（15）位于张敛轴（10）下端。

4.根据权利要求3所述的一种套管取心钻具，特征在于：所述的悬挂环（13）与定位端管（25）的箭头构成悬挂副，旋转悬挂环可得到多个悬挂位置。

5.根据权利要求4所述的一种套管取心钻具，其特征在于：所述限位器（15）上端设置有限位器压盖（34），所述限位器压盖（34）中部内壁上设置有O形圈（35），在所述限位器（15）下部外侧设置有柔性调节圈（36），在所述柔性调节圈（36）下端设置有刚性调节圈（37），在所述限位器（15）下部设置有垫（38），在所述限位器（15）外侧设置有限位器接头（39），所述限位器接头（39）下端连接有普通双管钻具接头（16），普通双管钻具接头（16）下端连接有主钻头（3），所述主钻头（3）为普通双管金刚石钻头。

6.根据权利要求5所述的一种套管取心钻具，其特征在于：所述副钻头（4）为3~6块可张敛的组合异形钻头，所述组合异形钻头的金刚石胎体由保径圆柱面（40）和碎岩锥面（41）组成，所述保径圆柱面（40）下端与碎岩锥面（41）上端相连接，所述副钻头（4）内侧上平面设置有磁性材料（42），副钻头（4）插装在矩形窗孔（31）内，副钻头（4）尾部插入槽（32）。

7.根据权利要求6所述的一种套管取心钻具，特征在于：所述钻头架总成（6）还包括普通双管钻具接头（16）、岩心容纳管（17）、外管（18）、扩孔器（19）、内管短节（20）、卡簧座（21）、卡簧（22），所述普通双管钻具接（16）头位于限位器接头（39）下方，所述岩心容纳管（17）位于普通双管钻具接头（16）下方，岩心容纳管（17）下端与内管短节（20）上端相连接，所述外管（18）位于岩心容纳管（17）外部，且外管（18）下端与扩孔器（19）上端相连接，所述内管短节（20）下端与卡簧座（21）上端相连接，卡簧座（21）内部设置有卡簧（22）。

8.根据权利要求7所述的一种套管取心钻具，其特征在于：所述悬挂接头（12）上圆柱面外套装有扶正环（24），所述悬挂接头（12）下圆柱面外套装有密封环（26），所述定位端管（25）内腔管壁上设置有箭头向上的箭形花键（27），所述定位端管（25）下端内腔开有供副钻头（3）张开嵌入的梯形槽（28），所述定位端管（25）底部无出刃镶嵌有一组超硬材料（29）。

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