CN102296950A - 一种液压剪切式取样钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压剪切式取样钻具，由取样外管总成及设置在所述取样外管总成内的取样内管总成构成，取样外管总成包括由上至下依次排列的上接头、上扶正器、外管接头、取样外管、下扶正器和钻头，取样内管总成包括悬挂系统、导向系统及压入取样管总成，该导向系统和该压入取样管总成位于该悬挂系统的下方，该压入取样管总成可沿取样外管（30）内壁和该导向系统上下密封滑动。本发明提供了一种能有效解决海洋和陆地水域等松软地层条件下的取样难题并大幅提高样品的质量和取样效率的液压剪切式取样钻具。

Description

一种液压剪切式取样钻具

技术领域

本发明涉及一种液压剪切式取样钻具，用于海洋和陆地水域等松软地层条件下勘探取样钻探。属于地质、石油、海洋勘探技术领域。 

背景技术

目前，随着资源勘探和科学研究的需要，在海洋和陆地水域等松软地层条件下的取样工作量也日益上升，样品的质量决定了地层及其成分分析研究的准确性和科学性。

常规的取样方式主要采用回转式取样，即钻探设备带动钻杆及取样钻具回转，从而切削地层并提取样品，取样管可以是单筒也可以是双筒，这种方法主要适用于硬地层，用于松软地层条件下易造成样品的扰动、破损和脱落，甚至出现空管现象。

还有一种方法是采用机械加压方式的钻具，其工作原理是通过钻探设备对钻杆施加压力，钻杆再向取样钻具传递压力使取样钻具压入松软地层，但是这种方法容易造成钻杆的弯曲甚至折断等现象，同时其仅能应用在浅地层，在应用中受到很大限制。

现有的各种取样工具在海洋和陆地水域等松软地层条件下普遍存在取样困难、效率低等问题，同时样品常在取样的过程中受到扰动，难以获取高质量的样品。传统的取样钻具存在的另一问题就是取样钻具拆装取样机构的时间长、效率低。因此有必要发明一种新型的取样钻具，解决现有技术中存在的不足，满足取样要求。 

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种能有效解决海洋和陆地水域等松软地层条件下的取样难题并大幅提高样品的质量和取样效率的液压剪切式取样钻具。为实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种液压剪切式取样钻具，由取样外管总成及设置在所述取样外管总成内的取样内管总成构成，所述取样外管总成包括：上接头、上扶正器、外管接头、取样外管、下扶正器和钻头，其中，所述上接头、所述上扶正器、所述外管接头、所述取样外管、所述下扶正器和所述钻头由上至下依次排列且相邻各件通过螺纹相连，所述上扶正器内设有座环，所述下扶正器内设有扶正环，所述上接头的上端与所述钻杆螺纹连接；所述取样内管总成包括：具有打捞矛头、进水接头，悬挂环、出水接头的悬挂系统，其中，所述打捞矛头的下部与所述进水接头的上部相连，所述进水接头的下部与所述出水接头的上部螺纹连接且将所述悬挂环夹置地固定在所述出水接头的上端部，所述悬挂环与座环配合；具有导向活塞杆和导向缓冲活塞的导向系统，所述导向活塞杆与所述导向缓冲活塞连接，所述导向活塞杆上有导向槽；以及压入取样管总成，所述压入取样管总成包括悬挂剪切接头、下端有一可形成悬挂支撑面的内凸台的筒状悬挂接头、上端有一凸缘的T形连接套、锁环一、锁环二、密封接头、快速拆装机构、取样内管、取样管靴，其中，所述剪切接头下部与所述悬挂接头螺纹连接，所述连接套的凸缘悬挂在所述悬挂接头的内凸台上，所述锁环一与所述锁环二螺旋锁紧地压在所述悬挂接头的下端部，所述连接套的下部与所述密封接头的上端螺纹连接，所述密封接头的下端与所述快速拆装机构上部相连，所述取样内管的上部通过内管接头连在所述快速拆装机构的下方、下部与所述取样管靴的上部相连，在所述取样内管总成中，所述导向系统和所述压入取样管总成位于所述悬挂系统的下方，所述压入取样管总成可沿取样外管内壁和所述导向系统上下密封滑动，所述取样内管总成通过所述悬挂系统、所述导向缓冲接头、所述座环和所述扶正环与所述取样外管总成进行配合和定位。所述快速拆装机构包括：导向缓冲接头，所述导向缓冲接头上部设有沿其轴向延伸的定位外键槽，下部设有定位键；定位锁母；定位锁键；以及内管接头，所述内管接头上部内侧设有沿其轴向延伸的定位内健槽及与所述定位内健槽贯通环状的悬挂槽，所述定位锁键与所述导向缓冲接头上的所述定位外键槽及所述内管接头上的所述定位内键槽接合，所述导向缓冲接头上的所述定位块与所述内管接头上的所述悬挂槽接合，所述定位锁母与所述定位锁键连接，并与所述导向缓冲接头螺纹连接。所述导向缓冲接头内有凹孔，在压入取样管总成压入取样时与所述导向缓冲活塞配合。在所述取样内管上设置有卸压孔。所述导向缓冲接头上设置有导向键，与所述导向活塞杆上的导向槽相配合。一个或多个剪切销将压入取样管总成与悬挂系统连接。所述剪切销的数量和结构根据地层特性进行调整，优选地，所述剪切销数量为1至3件。

本发明的有益效果是变机械加压为液压加压，压入取样管总成以高速压入地层，提高样品采取率，取样内管总成与取样外管总成实现单动，防止在取样过程中样品收到扰动，提高了样品的质量。压入取样管总成与导向系统和取样外管总成定位及配合准确。通过调整剪切销的数量和结构参数，可适用不同地层特性。同时利用绳索打捞器直接回收取样内管总成，缩短了样品到地面的时间，采用快速拆装机构可有效提高取样机构拆装的速度，大幅提高了取样钻探的效率。 

附图说明

图1为液压剪切式取样钻具的结构示意图。

图2为快速拆装机构组装前的透视图。

图3为快速拆装机构组装后的透视图。

其中1、上接头；2、打捞矛头；3、弹性圆柱销；4、进水接头；5、悬挂环；6、出水接头；7、座环；8、上扶正器；9、剪切接头；10、剪切销；11、悬挂接头；12、导向活塞杆；13、弹性圆柱销；14、外管接头；15、连接套；16、锁环一；17、锁环二；18、密封接头；19、密封圈；20、导向键；21、导向缓冲接头；22、定位外键槽；23、定位锁母；24、定位锁键；25、定位块；26、内管接头；27、卸压孔；28、取样内管；29、导向槽；30、取样外管； 31、扶正环；32、下扶正器；33、密封圈；34、导向缓冲活塞；35、卡簧；36、取样管靴；37、钻头；38、定位内键槽；39、悬挂槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1所示的本发明的液压剪切式取样钻具，由取样外管总成及设置在所述取样外管总成内的取样内管总成构成。

如图1所示，本发明的取样外管总成包括由上至下依次排列的上接头1、上扶正器8、外管接头14、取样外管30、下扶正器32和钻头37，上述各组成件均为管状，且相邻各件通过螺纹相互连接。上扶正器8和下扶正器32内壁各有一台阶支撑面，上扶正器8内的台阶支撑面上设置座环7，下扶正器32内的台阶支撑面上设置扶正环31，用于定位下文将详细描述的取样内管总成，上接头1的上端与钻杆螺纹连接。

本发明的取样内管总成包括悬挂系统、导向系统及压入取样管总成。该悬挂系统具有打捞矛头（2）、进水接头（4），悬挂环（5）、出水接头（6）。该导向系统由导向活塞杆12和导向缓冲活塞34构成。该压入取样管总成包括悬挂剪切接头9、下端有一可形成悬挂支撑面的内凸台的筒状悬挂接头11、上端有一凸缘的T形连接套15、锁环一16、锁环二17、密封接头18、快速拆装机构、取样内管28和取样管靴36。在该取样内管总成中，该导向系统和压入取样管总成位于该悬挂系统下方，该压入取样管总成可沿取样外管30内壁和该导向系统上下密封地滑动。

打捞矛头2的下部通过弹性圆柱销3与进水接头4的上部连接，进水接头4的下部与出水接头6的上部螺纹连接，并将悬挂环5夹置地固定在出水接头6的上端部。进水接头4与出水接头6内设置有进水口及出水口，进水接头4和出水接头6内部连通。悬挂环5与座环7配合，实现与取样外管总成的定位，并形成封闭密封腔。出水接头6通过弹性圆柱销13与导向活塞杆12连接为一体，并通过剪切销10与剪切接头9连接。导向活塞杆12上设置有导向槽29，导向活塞杆12下方通过螺纹与导向缓冲活塞34连接，在导向缓冲活塞34上设置有密封圈33，实现与取样内管28之间的密封以及配合导向。

剪切接头9下部与悬挂接头11螺纹连接，连接套15的凸缘悬挂在悬挂接头11的内凸台上以实现悬挂连接，并通过锁环一16与锁环二17的螺扣锁紧，连接套15的下部与密封接头18的上端螺纹连接，密封接头18上安装有密封圈19，外部与外管接头14形成配合导向与密封，内部与导向活塞杆12形成配合导向与密封。密封接头18的下端与导向缓冲接头21通过螺纹相互连接，导向缓冲接头21上安装有导向键20，导向键20与导向活塞杆12上的导向槽28相配合，实现定位与导向功能，压入取样管总成可延导向活塞杆12向下滑动。

如图2及图3所示，导向缓冲接头21与定位锁母23、定位锁键24、内管接头26组成快速拆装机构。导向缓冲接头21上部设有沿其轴向延伸的定位外键槽22，下部设有定位块25。内管接头26上部设有沿其轴向延伸的定位内健槽38及与定位内健槽38贯通的环状悬挂槽39。定位锁键24上的凸台与定位锁母23内的凹槽相配合，导向缓冲接头21与定位锁母23螺纹连接。内管接头26通过其内部的定位内键槽38与导向缓冲接头21上的定位块25连接，定位锁键24与导向缓冲接头21上的定位外键槽22以及内管接头26上的定位内键槽38相配合，实现导向缓冲接头21与内管接头26的连接。安装时导向缓冲接头21的定位块25进入内管接头26内部的定位内键槽38，到达定位内键槽38底部后旋转内管接头26使定位块25进入与定位内键槽38贯通的悬挂槽39中，同时内管接头26的定位内键槽38与导向缓冲接头21上的定位外键槽22对齐，定位锁母23带动定位锁键24进入定位内键槽38，直至定位锁母23与导向缓冲接头21锁紧，使内管接头26与导向缓冲接头21连接为一体。

内管接头26下方通过螺纹连接取样内管28，取样内管28上开有卸压孔27，在压入取样管总成高速压入时实现卸压。取样内管28与取样管靴36通过螺纹连接，在取样管靴36内可安装有卡簧35，取样管靴36经过强化处理，其材料和结构可根据地层强度进行相应调整。

开始钻进前，可将取样内管总成在地表或甲板上装到取样外管总成中，并配合到位，也可在取样外管总成下到孔底后，再从地表或甲板上由钻杆中心孔投放到孔底，通过悬挂环5与取样外管总成实现定位，并形成密封腔。

当开始取样工作时，增加钻井液的压力，钻井液由钻杆中心孔进入到取样钻具内，通过进水接头4上的进水口进入，通过进水接头4上的内部中空部分流通到出水接头6，并由出水口进入到取样内管总成与取样外管总成之间的密封腔内，由于密封接头18上的密封圈19、内管总成上的悬挂环5与外管总成上的座环7形成了密封腔，因此压力不断升高，对密封接头18施加向下的压力，随着压力升高到剪断剪切销10，此时压入取样管总成沿着导向活塞杆12滑动，压入取样管总成以高速压入地层，导向键20与导向槽24之间的配合防止压入取样管总成在取样过程中发生回转，避免样品受到扰动。压入取样管总成滑动到导向活塞杆12的最下方时，导向缓冲活塞34上的凸台进入导向缓冲接头21的内部凹孔，造成内部流体压缩，产生向上的推力，起到缓冲与定位的作用，避免钻具受到过大冲击，原封闭在内管内部的钻井液等流体可通过卸压孔27流到取样内管28外，防止压入取样管总成与导向系统之间的压力急剧上升，损坏钻具。

压入取样管总成完成压入取样工作后，钻机等动力设备带动取样外管总成及其上的钻头37回转钻进，此时取样内管总成不回转，避免内管中的样品受到扰动。当取样外管总成回转钻进到孔底时，停止钻进。利用绳索取芯绞车从孔口将绳索打捞器经钻杆内投放到孔底，自动抓住打捞矛头2，将悬挂在导向缓冲活塞34上压入取样管总成并其内部的样品一并提出到地表或甲板上。此时通过快速拆装机构，松开定位锁母23，带动定位锁键24滑出内管接头26上的定位内键槽38，此时旋转内管接头26直至导向缓冲接头21上的定位块25滑出内管接头26上的悬挂槽39至定位内键槽38，定位块25可退出定位内键槽38，可更换取样内管28等部件。

本发明解决了在海洋、陆地水域等松软地层条件下普通钻具取样困难、采取率低及样品质量差的难题，其优点在于采用液压加压，改变了使用机械加压容易造成钻杆弯曲甚至折断的问题，压入取样管总成以高速压入地层，避免样品扰动，提高了取样效率和样品质量，同时提高了钻具使用的安全性。通过调整剪切销的数量与结构参数，可适应不同地层特性。而绳索取芯结构与快速拆装机构的应用，提高了取样机构的更换效率，大幅提高了取样钻探的效率。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种液压剪切式取样钻具，其特征在于，由取样外管总成及设置在所述取样外管总成内的取样内管总成构成，

所述取样外管总成包括：上接头（1）、上扶正器（8）、外管接头（14）、取样外管（30）、下扶正器（32）和钻头（37），其中，所述上接头（1）、所述上扶正器（8）、所述外管接头（14）、所述取样外管（30）、所述下扶正器（32）和所述钻头（37）由上至下依次排列且相邻各件通过螺纹相连，所述上扶正器（8）内设有座环（7），所述下扶正器（32）内设有扶正环（31），所述上接头（1）的上端与所述钻杆螺纹连接；

所述取样内管总成包括：具有打捞矛头（2）、进水接头（4），悬挂环（5）、出水接头（6）的悬挂系统，其中，所述打捞矛头（2）的下部与所述进水接头（4）的上部相连，所述进水接头（4）的下部与所述出水接头（6）的上部螺纹连接且将所述悬挂环（5）夹置地固定在所述出水接头（6）的上端部，所述悬挂环（5）与座环（7）配合；具有导向活塞杆（12）和导向缓冲活塞（34）的导向系统，所述导向活塞杆（12）与所述导向缓冲活塞（34）连接，所述导向活塞杆（12）上有导向槽；以及压入取样管总成，所述压入取样管总成包括悬挂剪切接头（9）、下端有一可形成悬挂支撑面的内凸台的筒状悬挂接头（11）、上端有一凸缘的T形连接套（15）、锁环一（16）、锁环二（17）、密封接头（18）、快速拆装机构、取样内管（28）、取样管靴（36），其中，所述剪切接头（9）下部与所述悬挂接头（11）螺纹连接，所述连接套（15）的凸缘悬挂在所述悬挂接头（11）的内凸台上，所述锁环一（16）与所述锁环二（17）螺旋锁紧地压在所述悬挂接头（11）的下端部，所述连接套（15）的下部与所述密封接头（18）的上端螺纹连接，所述密封接头（18）的下端与所述快速拆装机构上部相连，所述取样内管（28）的上部通过内管接头（26）连在所述快速拆装机构的下方、下部与所述取样管靴（36）的上部相连，在所述取样内管总成中，所述导向系统和所述压入取样管总成位于所述悬挂系统的下方，所述压入取样管总成可沿取样外管（30）内壁和所述导向系统上下密封滑动，

所述取样内管总成通过所述悬挂系统、所述导向缓冲接头（21）、所述座环（7）和所述扶正环（31）与所述取样外管总成进行配合和定位。

2.根据权利要求1所述的液压剪切式取样钻具，其特征在于，所述快速拆装机构包括：导向缓冲接头（21），所述导向缓冲接头（21）上部设有沿其轴向延伸的定位外键槽（22），下部设有定位键（25）；定位锁母（23）；定位锁键（24）；以及内管接头（26），所述内管接头（26）上部内侧设有沿其轴向延伸的定位内健槽（38）及与所述定位内健槽（38）贯通环状的悬挂槽（39），所述定位锁键（24）与所述导向缓冲接头（21）上的所述定位外键槽（22）及所述内管接头（26）上的所述定位内键槽38接合，所述导向缓冲接头（21）上的所述定位块（25）与所述内管接头（26）上的所述悬挂槽（39）接合，所述定位锁母（23）与所述定位锁键（24）连接，并与所述导向缓冲接头（21）螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的液压剪切式取样钻具，其特征在于，所述导向缓冲接头（21）内有凹孔，在压入取样管总成压入取样时与所述导向缓冲活塞（34）配合。

4.根据权利要求3所述的液压剪切式取样钻具，其特征在于，在所述取样内管（28）上设置有卸压孔。

5.根据权利要求4所述的液压剪切式取样钻具，其特征在于，所述导向缓冲接头（21）上设置有导向键（20），与所述导向活塞杆（12）上的导向槽相配合。

6.根据权利要求5所述的液压剪切式取样钻具，其特征在于，一个或多个剪切销（10）将压入取样管总成与悬挂系统连接。

7.根据权利要求6所述的液压剪切式取样钻具，其特征在于，所述剪切销数量为1至3件。

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