一种深井取芯装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种适用于深井的取芯装置及其操作方法，属于石油天然气开采行业的钻井工程技术领域。

背景技术：

随着我国对油气资源的需求不断增加以及油气产业的快速发展，浅部地层的油气资源不断减少，当前油气钻采不断向深部地层发展，深井超深井的数量也在不断增加。在油气田勘探开发过程中，通常需要首先了解勘探区域的地层地质特性，从而掌握第一手资料。通过在地层中钻取岩芯并分析岩芯的物理力学特性，可预测相关地层和油气层的性质，为制定合理的开发方案、准确计算油田储量、制定增产措施提供可靠依据。由于油气勘探作业范围广且数量大，因此取芯作业也具有较大的需求。

目前，油田在进行取芯作业时，大多采用以井口转盘为动力源的常规驱动方式，即井口电机驱动转盘转动并进一步带动整个钻柱转动，将进口能量通过钻柱传至井底钻头并用于钻取岩芯。这种方式在中、浅地层的作业中能够满足相关的取芯作业要求，但对于深井的取芯却受到限制。一方面，当井深较大时，从钻柱传递的能量需要经过较远的距离才到达钻头处，使得整个系统对能量的需求较大而钻头处的能量利用率较低；另一方面，转盘在将井口扭矩传至井下的过程中，钻柱与井壁之间往往存在摩阻，钻柱越长摩阻越大，当钻柱所承受的扭矩达到一定数值时将会造成钻柱扭断的现象。此外，由于钻柱具有大长径比的特性，因而其刚度较小，钻柱在扭矩作用下容易产生扭转振动，从而造成岩芯样品破坏等现象。为了解决上述深井超深井取芯困难的问题，通常需要在取芯工具中配备其它增加能量的装置，但这种方式的能量利用率同样不高。由于转动的钻柱系统的能量很大一部分未直接用于钻头处，而是被钻柱的运动所消耗，因此如何设计一种无需钻柱转动便可实现取芯的装置便成为一种新思路，也是进行深井取芯作业的难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种深井取芯装置及其操作方法置，从而实现对深部地层岩芯取样。

为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：

一种深井取芯装置，主要由上壳体、涡轮轴、扶正轴承、涡轮定子、涡轮转子、导流接头、定子支撑套、传动轴、上支承轴承组、内调节套、外调节套、过渡接头、防掉端盖、螺栓、中壳体、下支承轴承组、锁紧帽、轴承挡圈、圆锥滚子轴承、行星轮套、销轴、行星轮、盖板、止推轴承、芯轴接头、下壳体、钢球、取芯筒、岩芯爪、芯筒扶正器、取芯钻头组成，其特征在于：所述上壳体的上端与上部钻杆连接，其下端通过螺纹与过渡接头连接；所述涡轮轴设有径向流道，涡轮轴与上壳体的内壁间设有扶正轴承，涡轮轴通过螺纹与导流接头连接；所述定子支撑套将涡轮定子压紧固定于上壳体的内壁，导流接头将涡轮转子压紧固定于涡轮轴上，导流接头设有径向流道，导流接头通过螺纹与传动轴连接；所述上支承轴承组的内圈与外圈分别压紧固定于传动轴的外壁与上壳体的内壁，内调节套与外调节套分别用于调节上支承轴承组的内圈与外圈的松紧程度，内调节套与外调节套分别由传动轴的台阶和过渡接头的端面支撑；所述防掉端盖通过螺栓固定于中壳体的上端，防掉端盖为半圆环状且其内圈嵌入过渡接头的凹槽处；所述过渡接头与中壳体间设有下支承轴承组，下支承轴承组的内圈与外圈分别压紧固定于过渡接头的外壁与中壳体的内壁，防掉端盖与锁紧帽分别用于压紧下支承轴承组的内圈与外圈；所述轴承挡圈通过螺栓固定于行星轮套上，轴承挡圈用于限制圆锥滚子轴承的轴向位移，所述盖板通过螺栓固定于行星轮套上，行星轮套与行星轮间设有销轴；所述中壳体与下壳体通过螺纹连接，芯轴接头与下壳体上端的台阶间设有止推轴承，芯轴接头的中段设有径向流道，芯轴接头与取芯筒通过螺纹连接，在取芯筒的上端设有钢球；所述岩芯爪与取芯筒的下端通过螺纹连接；所述芯筒扶正器与取芯筒的下端通过螺纹连接，在芯筒扶正器的外部设有轴向流道；所述取芯钻头通过螺纹与下壳体连接。

所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述钢球的外径大于取芯筒的内径。

所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述岩芯爪上设有倒锥齿使得岩芯只能向上移动。

所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述扶正轴承可为深沟球轴承。

所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述下壳体的外部可以设有起扶正作用的螺旋带，螺旋带的外径与取芯钻头的外径相同。

所述的一种深井取芯装置的操作方法，其特征在于：所述上壳体与上部钻杆连接，当由上部钻杆向下的流体进入所述装置后，通过涡轮轴的径向流道进入由涡轮定子和涡轮转子组成的涡轮级；由于涡轮定子与涡轮转子分别固定于上壳体和涡轮轴上，在流体的作用下，涡轮转子高速转动，并进一步带动涡轮轴、导流接头、传动轴高速转动；所述涡轮定子、定子支撑套、支承轴承组的外圈、外调节套均由过渡接头端部压紧；所述涡轮轴、扶正轴承、涡轮转子、导流接头、传动轴、支承轴承组内圈的重量以及作用于涡轮轴和涡轮转子上的水推力均通过支承轴承组并最终作用于过渡接头的端部；所述防掉端盖的数量为2片，其作用在于防止中壳体及其下部零件从过渡接头脱落；所述轴承挡圈、圆锥滚子轴承、行星轮套、销轴、行星轮、盖板共同组成减速单元，高速转动的传动轴在经减速单元作用后驱动中壳体低速转动，中壳体进一步带动下壳体及取芯钻头低速转动；当未进行取芯作业时，由于钢球的作用，进入芯轴接头的流体无法由取芯筒的中心通过，流体由芯轴接头的径向流道进入取芯筒与下壳体间的环空并流向井底；当进行取芯作业时，进入芯轴接头的流体仍然由其径向流道进入取芯筒与下壳体间的环空并流向井底，由取芯钻头钻取的岩芯随后进入岩芯爪，岩芯爪上设有的倒锥齿使得岩芯只能上移而无法下移，在岩芯向上移动的过程中，取芯筒内的流体在岩芯的作用下将钢球顶开并由取芯筒逐渐外排，使得由流体占据的取芯筒内部的空间逐渐被岩芯替代；根据取芯钻头的进尺可计算所取岩芯的长度，在取得所需长度的岩芯后，便可将所述取芯装置提出井口，然后依次将取芯钻头、芯筒扶正器和岩芯爪拆卸并取出岩芯；所述的取芯装置，可以直接由装置内部的传动轴将动力传至中壳体并传至取芯钻头，无需像常规钻井一样转动整根钻柱，可避免深井扭矩过大而使钻柱断裂，因此所述的装置与方法适用于深井的取芯作业。

所述的一种深井取芯装置的操作方法，其特征在于：当使用所述装置进行取芯作业时，将装置直接与上部钻柱连接或通过转换接头与上部钻柱连接，并由井口通过钻柱内腔向下输送钻井液用于清除岩屑和冷却取芯钻头。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)本发明装置在作业时无需通过转动上部钻柱来将扭矩传至钻头，从而避免常规深井作业时容易出现钻柱扭断的现象，因此适用于深井作业；(2)本发明装置可通过选用不同涡轮级的规格和减速器的规格，并配以不同的流体流量和泵压实现取芯钻头的转速控制，从而控制取芯速度；(3)本发明装置及其方法由于无需转动钻柱，从而可以减少系统的能量消耗。

附图说明

图1为本发明一种深井取芯装置的结构示意图；

图2为图1中行星轮处结构的局部放大示意图；

图3为图1中的A-A截面的剖视图；

图4为图1中的B-B截面的剖视图；

图5为图1中的C-C截面的剖视图；

图6为图1中的D-D截面的剖视图；

图7为图1中的E-E截面的剖视图；

图8为图1中的F-F截面的剖视图；

图9为图1中的G-G截面的剖视图；

图10为本发明一种深井取芯装置的行星轮套的结构示意图；

图11为图10的侧视图；

图12为本发明一种深井取芯装置当钢球紧贴取芯筒上端时的工作状态示意图；

图13为本发明一种深井取芯装置当岩芯进入取芯筒并由于取芯筒内流体外排而将钢球向上推时的工作状态示意图；

图中：1.上壳体，2.涡轮轴，3.扶正轴承，4.涡轮定子，5.涡轮转子，6.导流接头，7.定子支撑套，8.传动轴，9.上支承轴承组，10.内调节套，11.外调节套，12.过渡接头，13.防掉端盖，14.螺栓，15.中壳体，16.下支承轴承组，17.锁紧帽，18.轴承挡圈，19.圆锥滚子轴承，20.行星轮套，21.销轴，22.行星轮，23.盖板，24.止推轴承，25.芯轴接头，26.下壳体，27.钢盖，28.取芯筒，29.岩芯爪，30.芯筒扶正器，31.取芯钻头，32.岩芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1至图11所示，一种深井取芯装置，主要由上壳体1、涡轮轴2、扶正轴承3、涡轮定子4、涡轮转子5、导流接头6、定子支撑套7、传动轴8、上支承轴承组9、内调节套10、外调节套11、过渡接头12、防掉端盖13、螺栓14、中壳体15、下支承轴承组16、锁紧帽17、轴承挡圈18、圆锥滚子轴承19、行星轮套20、销轴21、行星轮22、盖板23、止推轴承24、芯轴接头25、下壳体26、钢球27、取芯筒28、岩芯爪29、芯筒扶正器30、取芯钻头31组成，其特征在于：所述上壳体1的上端与上部钻杆连接，其下端通过螺纹与过渡接头12连接；所述涡轮轴2设有径向流道，涡轮轴2与上壳体1的内壁间设有扶正轴承3，涡轮轴2通过螺纹与导流接头6连接；所述定子支撑套7将涡轮定子4压紧固定于上壳体1的内壁，导流接头6将涡轮转子5压紧固定于涡轮轴2上，导流接头6设有径向流道，导流接头6通过螺纹与传动轴8连接；所述上支承轴承组9的内圈与外圈分别压紧固定于传动轴8的外壁与上壳体1的内壁，内调节套10与外调节套11分别用于调节上支承轴承组9的内圈与外圈的松紧程度，内调节套10与外调节套11分别由传动轴8的台阶和过渡接头12的端面支撑；所述防掉端盖13通过螺栓14固定于中壳体15的上端，防掉端盖13为半圆环状且其内圈嵌入过渡接头12的凹槽处；所述过渡接头12与中壳体12间设有下支承轴承组16，下支承轴承组16的内圈与外圈分别压紧固定于过渡接头12的外壁与中壳体15的内壁，防掉端盖13与锁紧帽17分别用于压紧下支承轴承组16的内圈与外圈；所述轴承挡圈18通过螺栓14固定于行星轮套20上，轴承挡圈18用于限制圆锥滚子轴承19的轴向位移，所述盖板23通过螺栓14固定于行星轮套20上，行星轮套20与行星轮22间设有销轴21；所述中壳体15与下壳体26通过螺纹连接，芯轴接头25与下壳体26上端的台阶间设有止推轴承24，芯轴接头25的中段设有径向流道，芯轴接头25与取芯筒28通过螺纹连接，在取芯筒28的上端设有钢球27；所述岩芯爪29与取芯筒28的下端通过螺纹连接；所述芯筒扶正器30与取芯筒28的下端通过螺纹连接，在芯筒扶正器30的外部设有轴向流道；所述取芯钻头31通过螺纹与下壳体26连接。

如图1和图12所示，所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述钢球27的外径大于取芯筒28的内径。

如图1所示，所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述岩芯爪29上设有倒锥齿使得岩芯32只能向上移动。

所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述扶正轴承3可为深沟球轴承。

所述的一种深井取芯装置，其特征在于：所述下壳体26的外部可以设有起扶正作用的螺旋带，螺旋带的外径与取芯钻头31的外径相同。

如图1至图13所示，所述的一种深井取芯装置的操作方法，其特征在于：所述上壳体1与上部钻杆连接，当由上部钻杆向下的流体进入所述装置后，通过涡轮轴2的径向流道进入由涡轮定子4和涡轮转子5组成的涡轮级；由于涡轮定子4与涡轮转子5分别固定于上壳体1和涡轮轴2上，在流体的作用下，涡轮转子5高速转动，并进一步带动涡轮轴2、导流接头6、传动轴8高速转动；所述涡轮定子4、定子支撑套7、支承轴承组9的外圈、外调节套11均由过渡接头12端部压紧；所述涡轮轴2、扶正轴承3、涡轮转子5、导流接头6、传动轴8、支承轴承组9内圈的重量以及作用于涡轮轴2和涡轮转子5上的水推力均通过支承轴承组9并最终作用于过渡接头12的端部；所述防掉端盖13的数量为2片，其作用在于防止中壳体15及其下部零件从过渡接头12脱落；所述轴承挡圈18、圆锥滚子轴承19、行星轮套20、销轴21、行星轮22、盖板23共同组成减速单元，高速转动的传动轴8在经减速单元作用后驱动中壳体15低速转动，中壳体15进一步带动下壳体26及取芯钻头31低速转动；当未进行取芯作业时，由于钢球27的作用，进入芯轴接头25的流体无法由取芯筒28的中心通过，流体由芯轴接头25的径向流道进入取芯筒28与下壳体26间的环空并流向井底；当进行取芯作业时，进入芯轴接头25的流体仍然由其径向流道进入取芯筒28与下壳体26间的环空并流向井底，由取芯钻头31钻取的岩芯32随后进入岩芯爪29，岩芯爪29上设有的倒锥齿使得岩芯32只能上移而无法下移，在岩芯32向上移动的过程中，取芯筒28内的流体在岩芯32的作用下将钢球27顶开并由取芯筒28逐渐外排，使得由流体占据的取芯筒28内部的空间逐渐被岩芯32替代；根据取芯钻头31的进尺可计算所取岩芯32的长度，在取得所需长度的岩芯32后，便可将所述取芯装置提出井口，然后依次将取芯钻头31、芯筒扶正器30和岩芯爪29拆卸并取出岩芯；所述的取芯装置，可以直接由装置内部的传动轴8将动力传至中壳体15并传至取芯钻头31，无需像常规钻井一样转动整根钻柱，可避免深井扭矩过大而使钻柱断裂，因此所述的装置与方法适用于深井的取芯作业。

所述的一种深井取芯装置的操作方法，其特征在于：当使用所述装置进行取芯作业时，将装置直接与上部钻柱连接或通过转换接头与上部钻柱连接，并由井口通过钻柱内腔向下输送钻井液用于清除岩屑和冷却取芯钻头31；所述取芯钻头31与地层间的作用力(钻压)则通过控制地面大钩载荷实现。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明的保护范围。