CN214787274U

CN214787274U - 一种压入式绳索取心钻具

Info

Publication number: CN214787274U
Application number: CN202021942749.5U
Authority: CN
Inventors: 马汉臣; 许本冲; 冯起赠; 王林清; 刘晓林; 王跃伟
Original assignee: Institute of Exploration Technology Chinese Academy of Geological Sciences
Current assignee: Institute of Exploration Technology Chinese Academy of Geological Sciences
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2030-09-08

Abstract

一种压入式绳索取心钻具，包括外总成和内总成，取心作业时，内总成置于外总成中，在内总成和外总成之间形成环空结构；所述外总成中设有座环及密封外管，在密封外管下部设有泄压槽；所述内总成设有固定部件和套装在固定部件外面的活塞式运动部件，取心作业时，通过钻台面上布置的水泵将高压泥浆注入内总成和外总成之间形成的环空结构中，通过泥浆压力推动活塞式运动部件剪断销轴后向下运动，使内钻头冲入软弱地层中并在内管组件中获取岩心。本实用新型通过对绳索取心钻具结构的优化设计，创新了一种活塞压入方式获取软弱地层岩心的工艺方法，达到了提高岩心采取质量和岩心采取率的目的。

Description

一种压入式绳索取心钻具

技术领域

本实用新型涉及一种绳索取心钻具，尤其是一种适于软弱地层的压入式绳索取心钻具。

背景技术

钻探取心是指通过钻探设备和钻具在地层中钻孔并取得岩心的技术，目前常用的钻探取心方法为回转钻进，即钻机顶驱带动钻具转动，通过钻头研磨、刻划孔底地层钻进。钻进过程中，通过钻井液的循环降低钻头温度并将岩屑携带出钻孔，同时岩心柱逐渐进入岩心管内至钻进回次结束。

由于目前采用的钻进方法是针对岩石地层设计的，不适用于在海洋和河湖中浅表含水量较高的淤泥、粉砂等软弱地层中钻进取心作业，在这些软弱地层取心时，因钻头回转的扰动，会使岩心中地层结构发生变化，且容易被循环的钻井液冲刷，接近终点时导致取得的岩心存在扰动较大、取心质量不高、岩芯采取率不达标等问题。尤其是在海洋的浅层区域地质勘探中，往往由于岩心采取率不达标导致缺失地层较多，取心任务无法完成。综上所述，有泥浆循环的回转钻进取心方法对软弱地层岩心破坏较为严重，难以应用于海洋和河湖中浅表层取心钻进过程。

实用新型内容

本实用新型提供一种压入式绳索取心钻具，旨在通过对绳索取心钻具结构的优化设计，匹配活塞压入方式获取软弱地层岩心的工艺方法，达到提高岩心采取质量和岩心采取率的目的。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种压入式绳索取心钻具，包括外总成和内总成，取心作业时，内总成置于外总成中，在内总成和外总成之间形成环空结构；所述外总成中设有座环及密封外管，在密封外管下部设有泄压槽；所述内总成设有固定部件和套装在固定部件外面的活塞式运动部件，所述固定部件包括捞矛头组件、悬挂环、连接轴和芯轴，所述捞矛头组件通过连接轴与芯轴连接，在连接轴上套装悬挂环，内总成通过悬挂环搭载于外总成的座环上，所述活塞式运动部件在取心作业前通过销轴固定在连接轴上，在活塞式运动部件中设有与外总成中密封外管紧密贴合的凸缘活塞，在活塞式运动部件下端设有内钻头，取心作业时，通过钻台面上布置的水泵将高压泥浆注入内总成和外总成之间的环空结构中，通过泥浆压力推动活塞式运动部件剪断销轴后向下运动，使内钻头冲入软弱地层中并在内管组件中获取岩心。

上述压入式绳索取心钻具，所述活塞式运动部件包括活塞组件、内管组件和内钻头；所述活塞组件包括凸缘活塞、活塞座、滑环套、半滑环和剪销套，所述剪销套、半滑环、滑环套和活塞座由上至下依次连接，在滑环套、活塞座内壁上设有密封件，在剪销套上设置销轴孔，所述销轴安装在销轴孔中并贯穿连接轴，所述凸缘活塞嵌装在活塞座和滑环套之间；在活塞组件下面安装内管组件和内钻头。

上述压入式绳索取心钻具，所述芯轴包括上芯轴和下芯轴两部分，在上芯轴与下芯轴连接部位设有卡槽，在下芯轴的下端设置衬管活塞。

上述压入式绳索取心钻具，所述活塞组件还设有防退机构，所述防退机构包括防退键和扭簧，所述防退键左右对称布置两组，以铰接方式与剪销套装配，并在剪销套与防退键铰接轴之间安装扭簧，在取心作业完成后，通过防退键与上芯轴、下芯轴连接部位卡槽的配合对活塞组件进行限位。

上述压入式绳索取心钻具，所述活塞式运动部件还设有快速拆卸机构，所述快速拆卸机构包括相互配合的快拆内套与快拆外套，其中快拆内套上端与活塞组件的活塞座装配，快拆外套下端与内管组件装配。

上述压入式绳索取心钻具，所述内管组件包括泄压接头、内管和透明PC衬管；所述内管上端通过泄压接头与快拆外套连接，下端与内钻头连接，所述透明PC衬管嵌装在内管和内钻头内腔中。

上述压入式绳索取心钻具，在所述泄压接头侧壁上设有大泄压孔，在所述快拆外套侧壁上设有小泄压孔，通过大泄压孔、小泄压孔与安装在下芯轴下端的衬管活塞配合实现对活塞式运动部件接近终点时运动速度的控制。

本实用新型所述的压入式绳索取心钻具将凸缘活塞和密封外管、芯轴之间密封，形成类似油缸的密封腔，因此钻具内总成可在泥浆压力推动下，使内钻头压入地层取得岩心；本实用新型所述压入式绳索取心钻具还在内总成中设置了快速拆卸机构，因此可在孔口完成内总成的快速拆卸和组装，既降低了拆装操作难度、降低了对设备净空高度的要求，也降低了操作者劳动强度。采用本实用新型创新了一种压入式绳索取心工艺方法，与传统的回转钻探和冲击钻探工艺方法比较，由于内管直接压入地层，且以超前压入的方式避免了岩心受泥浆作用的影响，因此对岩心保护作用极佳，特别是针对海底淤泥等软弱地层具有良好的使用效果。由此可见，本实用新型通过对绳索取心钻具结构的优化设计，使其与活塞压入方式获取软弱地层岩心的工艺方法相匹配，达到了提高岩心采取质量和岩心采取率的目的。

附图说明

图1是压入式绳索取心钻具整体结构示意图；

图2是压入式绳索取心钻具的外总成结构示意图；

图3是图2中A处放大图；

图4是压入式绳索取心钻具的内总成结构示意图；

图5是压入式绳索取心钻具内总成中固定部件示意图；

图6是压入式绳索取心钻具内总成中活塞式运动部件示意图；

图7、图8是压入式绳索取心钻具内总成中活塞式运动部件运动过程示意图；

图9是图8中B处结构放大图；

图10是压入式绳索取心钻具取心工艺过程示意图。

图中各标号清单为：

1、外总成，1-1、座环，1-2、密封外管，1-3、泄压槽，1-4、外钻头；

2、内总成

I、固定部件

2-1、捞矛头组件，2-2、悬挂环，2-3、连接轴，2-4、上芯轴，2-5、下芯轴，2-6、衬管活塞，

II、活塞式运动部件

2-7、剪销套，2-7-1、销轴孔，2-8、挡环，2-9、扭簧，2-10、防退键，2-11、半滑环，2-12、滑环套，2-13、凸缘活塞，2-14、活塞座，2-15、快拆内套，2-16、快拆外套，2-16-1、小泄压孔，2-17、液压接头，2-17-1、大泄压孔，2-18、内管，2-19、透明PC衬管，2-20、内钻头，2-21、密封件；

III、销轴

3、环空结构；4、水龙头；5、顶驱；6、钢丝绳；7、钻台面；8、海底基盘夹持器；9、钻孔；10、绳索取心绞车。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参看图1，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具包括外总成1和内总成 2，取心作业时，内总成2置于外总成1中，在内总成2和外总成1之间形成环空结构3。

参看图2、图3，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，在其外总成1中设有座环1-1及密封外管1-2，在密封外管1-2下部设有泄压槽1-3，在外总成 1底部设有外钻头。

参看图4，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，其内总成2设有固定部件I和套装在固定部件I外面的活塞式运动部件II，在取心作业前，所述活塞式运动部件II通过销轴III固定在固定部件I上。

参看图5，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，其固定部件I包括捞矛头组件2-1、悬挂环2-2、连接轴2-3和芯轴，所述捞矛头组件2-1通过连接轴2-3与芯轴连接，在连接轴2-3上套装悬挂环2-2，内总成2通过悬挂环2-2 搭载于外总成1的座环1-1上；所述芯轴包括上芯轴2-4和下芯轴2-5两部分，在上芯轴2-4与下芯轴2-5连接部位设有卡槽，在下芯轴2-5的下端设置衬管活塞2-6。

参看图6，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，其活塞式运动部件II 包括活塞组件、快速拆卸机构、内管组件和内钻头2-20；所述活塞组件包括凸缘活塞2-13、活塞座2-14、滑环套2-12、半滑环2-11、剪销套2-7和防退机构，所述剪销套2-7、半滑环2-11、滑环套2-12和活塞座2-14由上至下依次连接，在滑环套2-12、活塞座2-14内壁上设有密封件2-21，在剪销套2-7上设置销轴孔2-7-1，所述销轴III安装在销轴孔2-7-1中并贯穿连接轴2-3，所述凸缘活塞2-13嵌装在活塞座2-14和滑环套2-12之间，所述防退机构包括防退键2-10和扭簧2-9，所述防退键2-10左右对称布置两组，以铰接方式与剪销套2-7装配，并在剪销套2-7与防退键2-10铰接轴之间安装扭簧2-9；所述快速拆卸机构包括相互配合的快拆内套2-15与快拆外套2-16，其中快拆内套2-15 上端与活塞组件的活塞座2-14装配，快拆外套2-16下端与内管组件装配，在快拆外套2-16侧壁上设有小泄压孔2-16-1；所述内管组件包括泄压接头2-17、内管2-18和透明PC衬管2-19，所述内管2-18上端通过泄压接头2-17与快拆外套2-16连接，下端与内钻头2-20连接，所述泄压接头2-17侧壁上设有大泄压孔2-17-1，所述透明PC衬管2-19嵌装在内管2-18和内钻头2-20内腔中。

参看图7、图8、图9，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，取心作业时，由水泵将高压泥浆注入内总成2和外总成1之间形成的环空结构3中，通过泥浆压力推动活塞式运动部件II剪断销轴III后向下运动，使内钻头2-20冲入软弱地层中并在内管组件中获取岩心；在取心作业完成后，通过防退键2-10与上芯轴2-4、下芯轴2-5连接部位卡槽的配合对活塞组件进行限位。

参看图6，本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，在剪销套2-7的外面设计了挡环2-8，可以防止在钻具下放或上提过程中，销轴III意外窜出或者脱落导致卡阻事故；本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，将半滑环2-11设计为两个卡在剪销套2-11上的半圆环结构，并在半滑环2-11和剪销套2-11之间沿轴向预留有5mm配合间隙，以便在再次装入销轴III时，能将剪销套和连接轴上的销轴孔对正。

参看图10，采用本实用新型所述的压入式绳索取心钻具，进行软弱地层的钻进取心作业时的操作步骤如下：

a、上一回次取心作业结束后，进行扫孔并将钻具提离孔底一定距离，再通过孔口夹持器固定钻杆柱于钻台面7，顶驱5与打捞器配合将已经完成组装的内总成2提升并从孔口放入钻柱内；

b、用绳索取心绞车10下放内总成2至外总成1内，使内总成2的悬挂环 2-2压在外总成1的座环1-1上，并稍释放绳索取心绞车10的钢丝绳6，使其不处于绷紧状态；

c、关闭顶驱水龙头4的中心孔胶塞，使胶塞挤死钢丝绳6，打开顶驱5的升降补偿系统，在绳索取心绞车10配合下，顶驱5下放钻具，钻具下放至外总成1的外钻头1-4接触钻孔9孔底后，继续下放海洋起伏高度，然后操作海底基盘，通过海底基盘夹持器8将钻柱夹持固定；

d、开泵通水，内总成2中凸缘活塞2-13在泥浆压力作用下，产生向下的推力，通过剪销套2-7将销轴III剪断后，带动内管2-18向下冲出，内钻头2-20 进入软弱地层中开始取心，进入芯轴与内管之间的海水通过泄压接头2-17的大泄压孔2-17-1排出，当活塞式运行部件II在泥浆推动下运动到行程即将结束时，衬管活塞2-6将大泄压孔2-17-1覆盖，此时大泄压孔2-17-1失效，快拆外套2-16上小泄压孔2-16继续通水泄压，以控制凸缘活塞2-13上下压力差，避免因活塞式运行部件II速度过快导致衬管活塞2-6与快拆内套2-15的撞击，当凸缘活塞2-13运动到密封外管1-2的泄压槽1-3位置时，泥浆压力降低，本回次取心过程结束；

e、打开海底基盘夹持器8，上提顶驱5及钻具，在外总成1中座环1-1的带动下，冲入地层的内管2-18离开孔底，打开水龙头4的中心孔胶塞，通过绳索取心绞车10上提内总成2；

f、孔口夹持器固定钻杆柱于钻台面7，卸开顶驱5与钻杆柱的连接，将提至孔口的内总成2放置于孔口的垫板上，然后通过内总成快速拆卸机构将其分成上下两部分，分别用打捞器取出，再将内管内的透明PC衬管2-19抽出，完成一次取心作业；

g、重新组装内总成2备用，将顶驱5连接钻柱进行扫孔，将钻孔9中已经取得岩心的部分扫除，然后重复上述步骤，进入下一工作循环。

Claims

1.一种压入式绳索取心钻具，包括外总成（1）和内总成（2），取心作业时，内总成（2）置于外总成（1）中；其特征是，所述外总成（1）中设有座环（1-1）及密封外管（1-2），在密封外管（1-2）下部设有泄压槽（1-3）；所述内总成设有固定部件（Ⅰ）和套装在固定部件（Ⅰ）外面的活塞式运动部件（Ⅱ），所述固定部件（Ⅰ）包括捞矛头组件（2-1）、悬挂环（2-2）、连接轴（2-3）和芯轴，所述捞矛头组件（2-1）通过连接轴（2-3）与芯轴连接，在连接轴（2-3）上套装悬挂环（2-2），内总成（2）通过悬挂环（2-2）搭载于外总成（1）的座环（1-1）上，所述活塞式运动部件（Ⅱ）在取心作业前通过销轴（Ⅲ）固定在连接轴（2-3）上，在活塞式运动部件（Ⅱ）中设有与外总成（1）中密封外管（1-2）紧密贴合的凸缘活塞（2-13），在活塞式运动部件（Ⅱ）下端设有内钻头（2-20），在钻台面（7）上布置水泵，在内总成（2）和外总成（1）之间形成环空结构（3）。

2.根据权利要求1所述的压入式绳索取心钻具，其特征是，所述活塞式运动部件（Ⅱ）包括活塞组件、内管组件和内钻头（2-20）；所述活塞组件包括凸缘活塞（2-13）、活塞座（2-14）、滑环套（2-12）、半滑环（2-11）和剪销套（2-7），所述剪销套（2-7）、半滑环（2-11）、滑环套（2-12）和活塞座（2-14）由上至下依次连接，在滑环套（2-12）、活塞座（2-14）内壁上设有密封件（2-21），在剪销套（2-7）上设置销轴孔（2-7-1），所述销轴（Ⅲ）安装在销轴孔（2-7-1）中并贯穿连接轴（2-3），所述凸缘活塞（2-13）嵌装在活塞座（2-14）和滑环套（2-12）之间；在活塞组件下面安装内管组件和内钻头（2-20）。

3.根据权利要求2所述的压入式绳索取心钻具，其特征是，所述芯轴包括上芯轴（2-4）和下芯轴（2-5）两部分，在上芯轴（2-4）与下芯轴（2-5）连接部位设有卡槽，在下芯轴（2-5）的下端设置衬管活塞（2-6）。

4.根据权利要求3所述的压入式绳索取心钻具，其特征是，所述活塞组件还设有防退机构，所述防退机构包括防退键（2-10）和扭簧（2-9），所述防退键（2-10）左右对称布置两组，以铰接方式与剪销套（2-7）装配，并在剪销套（2-7）与防退键（2-10）铰接轴之间安装扭簧（2-9），在取心作业完成后，通过防退键（2-10）与上芯轴（2-4）、下芯轴（2-5）连接部位卡槽的配合对活塞组件进行限位。

5.根据权利要求4所述的压入式绳索取心钻具，其特征是，所述活塞式运动部件（Ⅱ）还设有快速拆卸机构，所述快速拆卸机构包括相互配合的快拆内套（2-15）与快拆外套（2-16），其中快拆内套（2-15）上端与活塞组件的活塞座（2-14）装配，快拆外套（2-16）下端与内管组件装配。

6.根据权利要求2所述的压入式绳索取心钻具，其特征是，所述内管组件包括泄压接头（2-17）、内管（2-18）和透明PC衬管（2-19）；所述内管（2-18）上端通过泄压接头（2-17）与快拆外套（2-16）连接，下端与内钻头（2-20）连接，所述透明PC衬管（2-19）嵌装在内管（2-18）和内钻头（2-20）内腔中。

7.根据权利要求6所述的压入式绳索取心钻具，其特征是，在所述泄压接头（2-17）侧壁上设有大泄压孔（2-17-1），在所述快拆外套（2-16）侧壁上设有小泄压孔（2-16-1），通过大泄压孔（2-17-1）、小泄压孔（2-16-1）与安装在下芯轴（2-5）下端的衬管活塞（2-6）配合实现对活塞式运动部件（Ⅱ）接近终点时运动速度的控制。