一种绳索取芯工具及方法与流程

本发明涉及一种取芯工具，特别是一种用于掘取井下岩芯的绳索取芯工具及其操作方法，属于机械工程技术领域。

背景技术：

随着全球经济的快速发展，对油气资源的需求量也在不断增加。当前，油气勘探开发已经深入至地表以下数千米的位置，深井超深井的数量巨大。在油田进行钻井作业之前，需要先了解不同位置地层的地质情况。为了实现这一目的，工程中主要采取进行岩石取样的方法，即取芯。通过在地层中钻取岩芯并分析其物理力学特性，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。油气勘探作业范围广且数量大，取芯作业具有较大需求。由于井眼长达数千米而直径仅在10厘米至30厘米范围，因此需要特定的工具进行这一操作。

现有取芯装置普遍以井口转盘为动力，即整根钻柱转动，取芯工具处的能量来源于井口动力装置并通过钻柱传递。这种方式的缺点在于沿程能量损失大，当地层位置较深时能量利用率较低。此外，当井眼不为直井眼时，由于钻柱与井壁间的摩阻易导致钻柱因扭矩过大而扭断。绳索取芯则避免了上述问题。尽管现有众多关于绳索取芯方面的技术，但各有优点和局限性，无法普适性地用于取芯作业中。因此，需要更多创新性的关于取芯工具特别是绳索取芯工具方面的结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了达到上述目标，特提出一种绳索取芯工具及方法。

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：

一种绳索取芯工具，主要由上壳体、吊环、导流头、支撑筒、涡轮轴、扶正轴承、涡轮转子、涡轮定子、转子支撑套、定子支撑套、下壳体、支撑轴承组、内调节套、外调节套、行星轮套、螺栓、防尘圈、轴承挡圈、防掉端盖、圆锥滚子轴承、销轴、止推轴承、行星轮、减速筒、盖板、传动轴、活塞缸、密封圈、活塞杆、锁紧销、岩芯筒、外取芯钻头、内取芯钻头、岩芯爪和泥浆挡圈组成，其特征在于：所述上壳体与下壳体、下壳体与外取芯钻头、吊环与导流头、导流头与支撑筒、支撑筒与行星轮套、涡轮轴与转子支撑套、转子支撑套与传动轴、减速筒与活塞缸、活塞杆与岩芯筒、岩芯筒与内取芯钻头、锁紧销与活塞缸间均采用螺纹连接；所述涡轮轴的上端设有入口流道，减速筒的下端设有泄压流道，转子支撑套的中部及岩芯筒的上部均设有径向流道；所述涡轮轴的上端与支撑筒之间设有扶正轴承用于扶正转动的涡轮轴；所述涡轮轴外部设有台阶用于限制涡轮转子的轴向运动，涡轮转子通过转子支撑套压紧固定于涡轮轴上，支撑筒内壁设有台阶用于限制涡轮定子的轴向运动，涡轮定子通过定子支撑套压紧固定于支撑筒内，定子支撑套放置于支撑轴承组上；所述行星轮套、螺栓、防尘圈、轴承挡圈、防掉端盖、圆锥滚子轴承、销轴、止推轴承、行星轮、减速筒和盖板共同组成取芯工具的减速机构；所述泥浆挡圈呈空心圆筒状。

所述的一种绳索取芯工具，其特征在于：所述上壳体与支撑筒之间通过锥形花键连接，上壳体内壁均布有8条锥形槽，支撑筒外部均布有4条锥形凸筋；所述支撑筒的锥形凸筋与上壳体的锥形槽配合，取芯工具内部零件的重量均通过锥形花键施加于上壳体上，未与锥形凸筋配合的另外4条锥形槽则形成过流通道；所述活塞杆与活塞缸之间通过直花键连接，锁紧销限制活塞杆相对活塞缸的轴向运动。

所述的一种绳索取芯工具的方法，其特征在于：所述吊环上端用于与绳索连接，当取芯工具完成取芯时，可将除上壳体、下壳体和外取芯钻头之外的零件所组成的取芯工具内部装置整体提出；当未进行取芯作业时，取芯工具内部的流体一部分进入上壳体的未与锥形凸筋配合的4条锥形槽并流至井底，另一部分通过入口流道进入支撑筒内部，但由于进入支撑筒内部的流体先后经过入口流道、涡轮轴的径向流道、涡轮机构、转子支撑套的径向流道和泄流通道，其压耗较大，因此流体主要通过锥形槽流至井底；另一方面，由于活塞杆上下两端的压差不大，因此锁紧销无法被剪断；当进行取芯作业时，向工具内部投入泥浆挡圈，泥浆挡圈停留于上壳体内部锥形花键的上端并将上壳体内壁的锥形槽封堵，此时工具内部的流体无法通过锥形槽而只能经过入口流道和涡轮轴的径向流道流入涡轮机构中，流体驱动涡轮转子转动并进一步带动涡轮轴、转子支撑套、传动轴一起高速转动，传动轴的高速转动经过减速机构的作用转化成减速筒的低速转动，并进一步带动活塞缸、活塞杆、岩芯筒、内取芯钻头低速转动；另一方面，由涡轮机构排出的流体经转子支撑套的径向流道和传动轴的内筒，流向活塞杆上端，由于活塞杆上端面被封堵流体只能通过泄流通道排至活塞缸与下壳体形成的环空中，在此过程中，流体作用于活塞杆上端面并给活塞杆向下的推力，在推力作用下锁紧销被剪断，活塞杆向下运动并驱动动内取芯钻头作用于地层，取芯过程中内取芯钻头的转速和钻压分别由减速筒的转速和活塞杆上端面所受推力决定，岩芯进入岩芯筒后压缩岩芯筒内部的流体，流体通过岩芯筒上端的径向流道排出。

本发明具有的有益效果是：(1)本发明工具内部零件可提取出来，在钻取岩芯后无需将整个钻柱提出井眼；(2)外取芯钻头的转速由钻柱转速确定，内取芯钻头的转速由减速机构决定，即取芯钻头转速可调。

附图说明

图1为本发明一种绳索取芯工具的结构示意图；

图2为图1的a-a剖面示意图；

图3为图1的b-b剖面示意图；

图4为图1的c-c剖面示意图；

图5为图1的d-d剖面示意图；

图6为图1的e-e剖面示意图；

图7为图1的f-f剖面示意图；

图8为图1的g向示意图；

图9为上壳体在设有锥形槽处的横截面示意图；

图10为上壳体在设有锥形槽处的轴向剖示图；

图11为减速机构的结构示意图；

图12为行星轮套的结构示意图；

图13为图12中行星轮套的右视图；

图14为内取芯钻头取芯时整个取芯工具的结构示意图；

图中：1.上壳体，2.吊环，3.导流头，4.支撑筒，5.涡轮轴，6.扶正轴承，7.涡轮转子，8.涡轮定子，9.转子支撑套，10.定子支撑套，11.下壳体，12.支撑轴承组，13.内调节套，14.外调节套，15.行星轮套，16.螺栓，17.防尘圈，18.轴承挡圈，19.防掉端盖，20.圆锥滚子轴承，21.销轴，22.止推轴承，23.行星轮，24.减速筒，25.盖板，26.传动轴，27.活塞缸，28.密封圈，29.活塞杆，30.锁紧销，31.岩芯筒，32.外取芯钻头，33.内取芯钻头，34.岩芯爪，35.泥浆挡圈。

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13所示，一种绳索取芯工具，主要由上壳体1、吊环2、导流头3、支撑筒4、涡轮轴5、扶正轴承6、涡轮转子7、涡轮定子8、转子支撑套9、定子支撑套10、下壳体11、支撑轴承组12、内调节套13、外调节套14、行星轮套15、螺栓16、防尘圈17、轴承挡圈18、防掉端盖19、圆锥滚子轴承20、销轴21、止推轴承22、行星轮23、减速筒24、盖板25、传动轴26、活塞缸27、密封圈28、活塞杆29、锁紧销30、岩芯筒31、外取芯钻头32、内取芯钻头33、岩芯爪34和泥浆挡圈35组成，其特征在于：所述上壳体1与下壳体11、下壳体11与外取芯钻头32、吊环2与导流头3、导流头3与支撑筒4、支撑筒4与行星轮套15、涡轮轴5与转子支撑套9、转子支撑套9与传动轴26、减速筒24与活塞缸27、活塞杆29与岩芯筒31、岩芯筒31与内取芯钻头33、锁紧销30与活塞缸27间均采用螺纹连接；所述涡轮轴5的上端设有入口流道p，减速筒24的下端设有泄压流道m，转子支撑套9的中部及岩芯筒31的上部均设有径向流道；所述涡轮轴5的上端与支撑筒4之间设有扶正轴承6用于扶正转动的涡轮轴5；所述涡轮轴5外部设有台阶用于限制涡轮转子7的轴向运动，涡轮转子7通过转子支撑套9压紧固定于涡轮轴5上，支撑筒4内壁设有台阶用于限制涡轮定子8的轴向运动，涡轮定子8通过定子支撑套10压紧固定于支撑筒4内，定子支撑套10放置于支撑轴承组12上；所述行星轮套15、螺栓16、防尘圈17、轴承挡圈18、防掉端盖19、圆锥滚子轴承20、销轴21、止推轴承22、行星轮23、减速筒24和盖板25共同组成取芯工具的减速机构；所述泥浆挡圈35呈空心圆筒状。

如图1、图2、图9和图10所示，所述的一种绳索取芯工具，其特征在于：所述上壳体1与支撑筒4之间通过锥形花键连接，上壳体1内壁均布有8条锥形槽，支撑筒4外部均布有4条锥形凸筋；所述支撑筒4的锥形凸筋与上壳体1的锥形槽配合，取芯工具内部零件的重量均通过锥形花键施加于上壳体1上，未与锥形凸筋配合的另外4条锥形槽则形成过流通道。

如图1、图5和图14所示，所述活塞杆29与活塞缸27之间通过直花键连接，锁紧销30限制活塞杆29相对活塞缸27的轴向运动。

如图1和图14所示，所述的一种绳索取芯工具的方法，其特征在于：所述吊环2上端用于与绳索连接，当取芯工具完成取芯时，可将除上壳体1、下壳体11和外取芯钻头32之外的零件所组成的取芯工具内部装置整体提出；当未进行取芯作业时，取芯工具内部的流体一部分进入上壳体1的未与锥形凸筋配合的4条锥形槽并流至井底，另一部分通过入口流道p进入支撑筒4内部，但由于进入支撑筒4内部的流体先后经过入口流道p、涡轮轴5的径向流道、涡轮机构、转子支撑套9的径向流道和泄流通道m，其压耗较大，因此流体主要通过锥形槽流至井底；另一方面，由于活塞杆29上下两端的压差不大，因此锁紧销30无法被剪断；当进行取芯作业时，向工具内部投入泥浆挡圈35，泥浆挡圈35停留于上壳体1内部锥形花键的上端并将上壳体1内壁的锥形槽封堵，此时工具内部的流体无法通过锥形槽而只能经过入口流道p和涡轮轴5的径向流道流入涡轮机构中，流体驱动涡轮转子7转动并进一步带动涡轮轴5、转子支撑套9、传动轴26一起高速转动，传动轴26的高速转动经过减速机构的作用转化成减速筒24的低速转动，并进一步带动活塞缸27、活塞杆29、岩芯筒31、内取芯钻头33低速转动；另一方面，由涡轮机构排出的流体经转子支撑套9的径向流道和传动轴26的内筒，流向活塞杆29上端，由于活塞杆29上端面被封堵流体只能通过泄流通道m排至活塞缸27与下壳体11形成的环空中，在此过程中，流体作用于活塞杆29上端面并给活塞杆29向下的推力，在推力作用下锁紧销30被剪断，活塞杆29向下运动并驱动动内取芯钻头33作用于地层，取芯过程中内取芯钻头33的转速和钻压分别由减速筒24的转速和活塞杆29上端面所受推力决定，岩芯进入岩芯筒31后压缩岩芯筒31内部的流体，流体通过岩芯筒31上端的径向流道排出。

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。