一种大口径长钻程取心钻具及取心钻进方法与流程

本发明涉及一种取心钻具和取心钻进方法，尤其是一种适用于科学钻探的大口径长钻程取心钻具和取心钻进方法，属于钻井技术领域。

背景技术：

科学钻探是以获取地层岩心和井中物探资料为主要目的的科学工程，它要求获得具代表性的、连续的、高采取率的地层原位、原状岩心。由于常规的取心钻具适用于口径在以下钻孔，获取的岩心直径在以下，岩心容纳量不大于10m，因此在大口径井段，科学钻探不得不采用“小径取心(一般为)、大径扩孔”的完钻模式。

上述“小径取心、大径扩孔”完钻模式，在施工过程中必须配备小径取心和大径扩孔两套管材、钻具及泥浆体系，不仅钻探设备零部件数量多，操作步骤繁琐，而且面临扩孔安全风险，增加了工程成本。另外，常规取心钻具不足10m的岩心容纳量决定了其回次取心进尺不超过10m，由此大大增加了工程提下钻次数，降低了施工效率，延长了工期；同时提下钻次数的增多又加重了对井壁的伤害，增大了孔内事故风险。由此可见，在大口径井段中，目前采用的常规取心钻具及“小径取心、大径扩孔”的完钻模式是科学钻探的无奈之举，具有较低的经济性和安全性。

技术实现要素：

本发明提供一种大口径长钻程取心钻具和取心钻进方法，旨在解决“小径取心、大径扩孔”完钻模式存在的钻探设备零部件数量多、操作步骤繁琐、工期长、工程成本高和孔内事故风险大等问题，达到改善科学钻探经济性和安全性的目的。

本发明上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种大口径长钻程取心钻具，由单动机构、外管总成和内管总成组成；其特别之处在于，所述外管总成设有一组由上至下依次串联连接的外管组件，其中每一组外管组件均包括外管和扩孔器，所述外管与扩孔器螺纹连接，位于最上端的外管组件中外管与单动机构装配，位于最下端外管组件中的扩孔器与钻头装配；所述内管总成设有一组由上至下依次串联连接的内管组件，其中每一组内管组件均包括标准内管和内管接箍，位于最上端内管组件中的标准内管与单动机构装配，位于最下端内管组件中的内管接箍下端连接调节内管，在所述调节内管下端依次设置上卡簧座和下卡簧座，所述上卡簧座中安装上卡簧，所述下卡簧座中安装下卡簧。

上述大口径长钻程取心钻具，所述外管与扩孔器的长度之和与标准内管和内管接箍的长度之和相等，其正负误差不大于5mm。

上述大口径长钻程取心钻具，所述外管的直径优选所述标准内管和调节内管直径优选所述钻头外径优选

上述大口径长钻程取心钻具，所述外管的直径优选所述标准内管和调节内管直径优选所述钻头外径优选

上述大口径长钻程取心钻具，所述外管的直径优选所述标准内管和调节内管直径优选所述钻头外径优选

上述大口径长钻程取心钻具，所述外管的直径优选所述标准内管和调节内管直径优选所述钻头外径优选

一种大口径长钻程取心钻进方法，采用上述取心钻具完成科学钻探取心过程，该方法包括以下步骤：

a、地面组装：在地表分别组装外管总成、单动机构和内管总成，在外管总成装配时，外管组件分为若干节，在每节外管组件的上端安装外管提丝，并在其中一节外管组件下端安装钻头，在内管总成装配时，内管组件分为若干节，单动机构组装好后与其中一节内管组件装配，并在单动机构的上端安装上接头提丝，其余内管组件的上端均安装内管提丝；

b、井口组装：通过外管提丝把外管总成中各节外管组件依次吊装到井口，并按规定的顺序组装完成后固定于井口处，通过内管提丝、上接头提丝把内管总成和单动机构吊装到井口，并按工艺要求组装在一起，然后下钻到孔底；

c、取心钻进：取心钻具接近孔底部时，开泵，大排量冲洗孔底，缓慢下放钻具到孔底，小钻压钻进一定距离后正常取心钻进；

d、接单根：当方钻杆方入打完，需要加接单根时，首先关闭泥浆泵，缓慢上提取心钻具隔断岩心，岩心割断后按工艺要求的步骤加接单根；

e、继续取心钻进：完成加接单根作业后，打开泥浆泵，缓慢划眼到底，继续取心钻进；

f、割心起钻：当满管或不进尺需要起钻时，先关闭泥浆泵，缓慢上提钻具割断岩心，然后正常起钻；

g、井口甩钻具：将内管总成在内管接箍螺纹处拧卸开，把内管总成分成若干节，用内管提丝分别吊装到地面；

h、地面出心：利用液压油缸和加长杆辅助出心，通过液压油缸活塞杆的伸缩动作将标准内管或调节内管中的岩心推出。

上述大口径长钻程取心钻进方法，当所述取心钻具岩心容纳量超过30m，需要多次加接单根时，重复步骤d和步骤e，完成多次接单根和取心钻进作业。

上述大口径长钻程取心钻进方法，在步骤c中，当取心钻具下钻到离孔底3-5m处时，开泵，大排量冲洗孔底10-20分钟，缓慢下放钻具到孔底，小钻压钻进0.5m-1m后正常取心钻进。

本发明所述的大口径长钻程取心钻具，在外管总成中由上至下依次串联连接一组外管组件，并在内管总成中由上至下依次串联连接一组内管组件，通过外管总成与内管总成的配合，大大增加了取心钻具的岩心容纳长度，提高了回次进尺，减少了起下钻次数，同时，在每一组外管组件中将外管和扩孔器组合使用，使取心钻具能适应更大口径井眼，扩大了取心钻具的应用范围；本发明所述的大口径长钻程取心钻进方法，在进行外管总成和内管总成的地面装配时，将外管组件和内管组件均分为若干节，井口组装作业时，可以直接在三筒联装钻具的基础上组装为四筒或更多筒联装的取心钻具。总之，本发明所述的大口径长钻程取心钻具及取心钻进方法解决了“小径取心、大径扩孔”完钻模式存在的钻探设备零部件数量多、操作步骤繁琐、工期长、工程成本高和孔内事故风险大等问题，达到改善科学钻探经济性和安全性的目的。

附图说明

图1是本发明所述大口径长钻程取心钻具的剖面结构示意图；

图2是单动机构剖面结构示意图；

图3是外管总成剖面结构示意图；

图4是内管总成剖面结构示意图；

图5是图4中I处结构放大图；

图6是外管总成地面组装方式示意图；

图7是内管总成地面组装方式示意图；

图8是地面出心过程示意图。

图中各标号清单为：

1、单动机构，1-1、上接头，1-2、轴承，1-3、轴承腔，1-4、心轴，1-5、钢球，1-6、锁紧螺母，1-7、内管接头；2、外管总成，2-1、外管，2-2、扩孔器，2-3、钻头；3、内管总成，3-1、标准内管，3-2、内管接箍，3-3、调节内管，3-4、上卡簧座，3-5、上卡簧，3-6、下卡簧座，3-7、下卡簧；4、外管提丝，5、上接头提丝，6、内管提丝，7、岩心、8、加长杆，9、液压油缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参看图1、图2，本发明所述大口径长钻程取心钻具由单动机构1、外管总成2和内管总成3组成。所述单动机构包括上接头1-1、轴承1-2、轴承腔1-3、心轴1-4、钢球1-5、锁紧螺母1-6、内管接头1-7，所述上接头1-1下端与轴承腔1-3上端螺纹连接，所述轴承腔1-3下端与外管总成螺纹连接，所述心轴1-4为空腔结构，心轴1-4上端通过轴承1-2装配在轴承腔1-3内，心轴1-4下端与内管接头1-7螺纹连接，并通过锁紧螺母1-6锁紧固定，所述内管接头1-7与内管总成3装配，该取心钻具通过轴承1-2形成外管总成相对于心轴及其连接部件的单动性，所述钢球1-5放置在心轴空腔中，形成单向阀结构，以防止泥浆冲刷岩心7。

参看图1、图3，在本发明所述大口径长钻程取心钻具中，所述外管总成2设有一组由上至下依次串联连接的外管组件，其中每一组外管组件均包括外管2-1和扩孔器2-2，所述外管2-1与扩孔器2-2螺纹连接，位于最上端的外管组件中外管与单动机构1中上接头1-1装配，位于最下端外管组件中的扩孔器与钻头2-3装配。

参看图1、图4、图5，在本发明所述大口径长钻程取心钻具中，所述内管总成3设有一组由上至下依次串联连接的内管组件，其中每一组内管组件均包括标准内管3-1和内管接箍3-2，位于最上端内管组件中的标准内管与单动机构1中内管接头1-7装配，位于最下端内管组件中的内管接箍下端连接调节内管3-3，在所述调节内管3-3下端依次设置上卡簧座3-4和下卡簧座3-6，所述上卡簧座3-4中安装上卡簧3-5，所述下卡簧座3-6中安装下卡簧3-7。

参看图1至图5，本发明所述大口径长钻程取心钻具，其钻头2-3、外管2-1、标准内管3-1和调节内管3-3可以有多个产品系列，每个系列推荐规格如表1所示，其中每一个尺寸数值因加工和设计因素标准给出的尺寸允许上下偏差5mm。

表1长钻程钻具系列规格尺寸

参看图1至图8，利用本发明所述大口径长钻程取心钻具完成的取心钻进方法包括以下步骤：

a、地面组装：在地表分别组装外管总成2、单动机构1和内管总成3，在外管总成2装配时，外管组件分为若干节，在每节外管组件的上端安装外管提丝4，并在其中一节外管组件下端安装钻头2-3，在内管总成3装配时，内管组件分为若干节，单动机构1组装好后与其中一节内管组件装配，并在单动机构1的上端安装上接头提丝5，其余内管组件的上端均安装内管提丝6；

b、井口组装：通过外管提丝4把外管总成2各节外管组件依次吊装到井口，并按图3所示的顺序组装完成后固定于井口处，通过内管提丝6、上接头提丝5把内管总成3和单动机构1吊装到井口，并按图1所示装配结构与外管总成2组装在一起，然后下钻到孔底；

c、取心钻进：当取心钻具下钻到离孔底3-5m处时，开泵，大排量冲洗孔底10-20分钟，缓慢下放钻具到孔底，小钻压钻进0.5m-1m后正常取心钻进；

d、接单根：当方钻杆方入打完，需要加接单根时，首先关闭泥浆泵，缓慢上提取心钻具隔断岩心7，岩心7割断后按工艺要求的步骤加接单根；

e、继续取心钻进：完成加接单根作业后，打开泥浆泵，缓慢划眼到底，继续取心钻进；

f、割心起钻：当所述取心钻具岩心容纳量超过30m，需要多次加接单根时，重复步骤d和步骤e，完成多次接单根和取心钻进作业，当满管或不进尺需要起钻时，先关闭泥浆泵，缓慢上提钻具割断岩心7，然后正常起钻；

g、井口甩钻具：将内管总成3在内管接箍3-2螺纹处拧卸开，把内管总成3分成若干节，用内管提丝6分别吊装到地面；

h、地面出心：利用液压油缸9和加长杆8辅助出心，通过液压油缸活塞杆的伸缩动作将标准内管3-1或调节内管3-3中的岩心推出。