一种用于复杂井的液压驱动取芯工具的制作方法

本发明涉及一种用于复杂井的液压驱动取芯工具，属石油钻采井下工具技术领域。

背景技术

如今油气勘探开发作业已逐渐从浅井、低压井、小斜度井转向高压井、大斜度井和地质条件软硬交错的复杂井，常规的取芯工具在高压井、大斜度井和软硬交错等复杂地层中取芯的效果差强人意，已不能满足获取高质量、大尺寸、多数量岩芯的要求。常用的自锁式和加压式取芯工具，不仅适应范围小，而且在小范围内应用也不够精进；目前各大油田广泛使用的机械加压式取芯工具存在如下一些缺陷，其一是当井斜较大时，投入的四个钢球在重力作用下会堆积在加压杆顶部内壁一侧，造成钻具下行加压时，不能剪断取芯工具的销钉，发生卡芯事故，使得卡板式岩芯爪无法收缩切断岩芯；其二是一些机械式加压取芯工具的内筒无法自清洗，易造成堵芯；其三是投球时需要停钻，导致取芯时间长，严重影响取芯进度，工作效率低下。因此，十分有必要研制一款采用液压驱动，适用于高压井、大斜度井、地层软硬交错复杂井取芯操作，可大排量循环自清洗钻具内筒和井底，有效避免卡芯事故发生，投钢球无需停钻，割芯利落，大幅提升取芯效率，保证高质量、大尺寸取芯，操作方便，使用安全可靠的用于复杂井的液压驱动取芯工具。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种采用液压驱动，适用于高压井、大斜度井、地层软硬交错复杂井取芯操作，可大排量循环自清洗钻具内筒和井底，有效避免卡芯事故发生，投钢球无需停钻，割芯利落，大幅提升取芯效率，保证高质量、大尺寸取芯，操作方便，使用安全可靠的用于复杂井的液压驱动取芯工具；解决现有技术遭遇大斜度井、地层软硬交错复杂井，无法剪断销钉，致使卡板式岩芯爪无法收缩切断岩芯；且不能自清洗内筒和井底，易造成堵芯，及投球时需停钻，导致取芯时间长，影响取芯进度，工作效率低，不能满足高质量、大尺寸、多数量获取岩芯要求的问题。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

一种用于复杂井的液压驱动取芯工具，它由承挂轴、回压凡尔球、回压凡尔座、轴承座、双向推力球轴承、剪切销钉、缩颈套、外岩芯筒组件、内岩芯筒组件、悬挂总成、内筒扶正机构、岩芯爪总成和取芯钻头构成；其特征在于：外岩芯筒组件依次由上接头、安全接头、上螺旋扶正器、第一节外岩芯筒、中螺旋扶正器、第二节外岩芯筒和下螺旋扶正器公母丝扣相连接组成；内岩芯筒组件由内筒上轴、第一节内岩芯筒、第二节内岩芯筒、双层铝合金衬筒组成；内筒上轴、第一节内岩芯筒和第二节内岩芯筒依次公母丝扣相连接，双层铝合金衬筒安装在下端内筒的内壁上；悬挂总成由承挂钢球和球挂跑道组成，承挂钢球通过球挂跑道悬挂在安全接头的内置台肩上，悬挂总成上端内部安装有卡套球座；内筒扶正机构由内筒上扶正体和内筒下扶正体组成，内筒上扶正体安装在内筒上端，内筒下扶正体安装在内筒下端，保证内筒的居中，适合大斜井取芯操作；岩芯爪总成由缩颈套、卡箍式岩芯爪和卡板式岩芯爪组成，缩颈套装接在内筒最下端，缩颈套内安装有卡箍式岩芯爪，缩颈套外通过公母丝扣装接有卡板式岩芯爪；取芯钻头通过公母丝扣装接在外筒最下端；卡套球座的上端外沿均布安装有多片斜度为45°的斜坡弹簧片，卡套球座通过斜坡弹簧片与承挂轴装接，卡套球座上开制有球孔，卡套球座在球孔下方的外表面沿径向开制有轨道槽，轨道槽构成卡套球座下行时承挂钢球上移相对位置的运行轨道，直到承挂钢球的相对位置移动到承挂轴与卡套球座上的球孔对正，承挂钢球滑入卡套球座的球孔为止。

所述的缩颈套上端内孔攻制有锥螺纹，缩颈套通过锥螺纹与内筒下扶正体装接；缩颈套下端制作有锥体，锥体外表面制作有锥螺纹，缩颈套的中部制作有内台肩，卡箍式岩芯爪放置在缩颈套的锥体中，上提钻具时缩颈套的内台肩保证卡箍式岩芯爪不随钻具上移；所述卡板式岩芯爪的内孔攻制有锥螺纹，卡板式岩芯爪通过锥螺纹与缩颈套的锥体外表面的锥螺纹装接；松软地层割芯时，悬挂钢球与卡套球座的球孔对正，滑入卡套球座内，悬挂总成解锁，卡板式岩芯爪插入取芯钻头斜坡里包卡住岩芯，完全收缩切断岩芯；硬地层及破碎地层割芯时，内筒因压力升高憋泵，当压力升高到16mpa时开始上提钻具，此时卡箍式岩芯爪、缩颈套随钻具一起上行，卡箍式岩芯爪收缩变形，卡紧并拔断岩芯。

所述的安全接头的内置台肩的下端攻制有锥度扣，安全接头通过锥度扣与上螺旋扶正器丝扣装接，当外筒遇卡时可旋转倒开，使安全接头与上螺旋扶正器和外岩芯筒组件脱开，上提钻具将内筒和岩芯取出。

所述的承挂轴上开制有略大于承挂钢球直径的孔，当卡套球座上的球孔与承挂轴对正时，承挂钢球便滑入卡套球座，悬挂总成解锁，不再具备悬挂内岩芯筒组件的功能。

所述的回压凡尔座外侧攻制有螺纹，承挂轴下端内壁上也攻有螺纹，回压凡尔座通过螺纹安装在承挂轴内部下端。

所述的内筒上轴分为上粗下细两段，上粗的一段直接安装在轴承轴瓦上，下细的一段与轴承轴瓦过盈配合安装，下细的一段的下端外表面攻制有螺纹，下细的一段通过螺纹与内筒上扶正体装接。

所述的内筒上扶正体的外圆周上等距安装有个内筒上扶正滚柱，内筒上扶正滚柱可在安装处灵活滚动，内筒上扶正体的外圆周上未安装内筒上扶正滚柱处沿轴向开制有上扶正体贯通槽，保证钻井液顺畅流通不阻塞。

所述的内筒下扶正体的外圆周上等距安装有个内筒下扶正滚柱，内筒下扶正滚柱可在安装处灵活滚动，内筒下扶正体的外圆周上未安装内筒下扶正滚柱处沿轴向开制有下扶正体贯通槽，保证钻井液顺畅流通不阻塞。

所述的双层铝合金衬筒分两层，其第一层用一个剪切销钉固定、第二层用两个剪切销钉固定在下端内筒的内壁上，双层铝合金衬筒的内外壁光滑，岩芯遇卡时，卡住的岩芯随双层铝合金衬筒一起向上移动，双层铝合金衬筒的两层结构可避免两次岩芯卡芯事故发生。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该用于复杂井的液压驱动取芯工具，采用液力加压驱动方式，摒弃笨重的机械加压机构，通过憋压使内筒下行，在压力作用下使岩芯爪总成收缩，利落割芯，适用于高压井、大斜度井、地层软硬交错复杂井取芯操作；取芯工具入井时不装入回压凡尔球，下钻完后可通过内筒大排量循环洗井，将内筒和井底清洗干净，有效避免卡芯事故发生；割芯时投入液压球，借助循环的钻井液，经过钻具的内孔通道进入卡套球座，无需停钻投球，井下松软地层通过卡板式岩心爪完全收缩即可切断岩芯完成割芯过程；遭遇井下硬地层、破碎地层，内筒因压力升高而憋泵，使卡箍式岩芯爪收缩变形卡紧并拔断岩芯；大幅提升取芯效率，保证高质量、大尺寸取芯，操作方便；采用球悬挂方式取代销钉悬挂方式悬挂装接取芯工具，有效避免了因下钻、顿钻、停钻时剪切力过大造成的断裂事故发生，结构简单，使用安全可靠。完善解决了现有技术遭遇大斜度井、地层软硬交错复杂井不能剪断销钉，致使卡板式岩芯爪无法收缩切断岩芯；且内筒无法自洗，易造成堵芯，及投球时需停钻，导致取芯时间长，影响取芯进度，工作效率低，不能满足高质量、大尺寸、多数量获取岩芯要求的问题。极大提高取芯效率和质量，为石油钻采行业带来新的生机。

附图说明

图1为一种用于复杂井的液压驱动取芯工具的剖视结构示意图；

图2为内筒的轴测结构示意图；

图3为卡套球座的结构示意图；

图4为悬挂总成的结构示意图；

图5为内筒上扶正体的结构示意图；

图6为内筒下扶正体的结构示意图；

图7为岩心爪总成的结构示意图。

图中：1、上接头，2、安全接头，3、液压球，4、承挂钢球，5、球挂跑道，6、卡套球座，7、上螺旋扶正器，8、承挂轴，9、回压凡尔球，10、回压凡尔座，11、轴承座，12、双向推力球轴承，13、轴承轴瓦，14、内筒上扶正滚柱，15、内筒上扶正体，16、内筒上轴，17、第一节内岩芯筒，18、第一节外岩芯筒，19、中螺旋扶正器，20、第二节内岩芯筒，21、第二节外岩芯筒，22、双层铝合金衬筒，23、剪切销钉，24、内筒下扶正体，25、内筒下扶正滚柱，26、下螺旋扶正器，27、缩颈套，28、卡箍式岩芯爪，29、卡板式岩芯爪，30、取芯钻头；

6-1、斜坡弹簧片，6-2、球孔，6-3、轨道槽；

15-1、上扶正体贯通槽，24-1、下扶正体贯通槽。

具体实施方式

下面结合附图对该用于复杂井的液压驱动取芯工具的实施方式作进一步详细说明（参见图1～7）：

一种用于复杂井的液压驱动取芯工具，它由承挂轴8、回压凡尔球9、回压凡尔座10、轴承座11、双向推力球轴承12、剪切销钉23、缩颈套27、外岩芯筒组件、内岩芯筒组件、悬挂总成、内筒扶正机构、岩芯爪总成和取芯钻头30构成；外岩芯筒组件依次由上接头1、安全接头2、上螺旋扶正器7、第一节外岩芯筒18、中螺旋扶正器19、第二节外岩芯筒21和下螺旋扶正器26公母丝扣相连接组成；内岩芯筒组件由内筒上轴16、第一节内岩芯筒17、第二节内岩芯筒20、双层铝合金衬筒22组成；内筒上轴16、第一节内岩芯筒17和第二节内岩芯筒20依次公母丝扣相连接，双层铝合金衬筒22安装在下端内筒的内壁上；悬挂总成由承挂钢球4和球挂跑道5组成，承挂钢球4通过球挂跑道5悬挂在安全接头2的内置台肩上，悬挂总成上端内部安装有卡套球座6；内筒扶正机构由内筒上扶正体15和内筒下扶正体24组成，内筒上扶正体15安装在内筒上端，内筒下扶正体24安装在内筒下端，保证内筒的居中，适合大斜井取芯操作；岩芯爪总成由缩颈套27、卡箍式岩芯爪28和卡板式岩芯爪29组成，缩颈套27装接在内筒最下端，缩颈套27内安装有卡箍式岩芯爪28，缩颈套27外通过公母扣装接有卡板式岩芯爪29；取芯钻头30通过公母扣装接在外筒最下端；所述的卡套球座6的上端外沿均布安装有多片斜度为45°的斜坡弹簧片6-1，卡套球座6通过斜坡弹簧片6-1与承挂轴8装接，卡套球座6上开制有球孔6-2，卡套球座6在球孔6-2下方的外表面沿径向开制有轨道槽6-3，轨道槽6-3构成卡套球座6下行时承挂钢球4上移相对位置的运行轨道，直到承挂钢球4的相对位置移动到承挂轴8与卡套球座6上的球孔6-2对正，承挂钢球4滑入卡套球座6的球孔6-2为止。

所述的缩颈套27上端内孔攻制有锥螺纹，缩颈套27通过锥螺纹与内筒下扶正体24装接；缩颈套27下端制作有锥体，锥体外表面制作有锥螺纹，缩颈套27的中部制作有内台肩，卡箍式岩芯爪28放置在缩颈套27的锥体中，上提钻具时缩颈套27的内台肩保证卡箍式岩芯爪28不随钻具上移；所述卡板式岩芯爪29的内孔攻制有锥螺纹，卡板式岩芯爪29通过锥螺纹与缩颈套27的锥体外表面的锥螺纹装接；松软地层割芯时，悬挂钢球4与卡套球座6的孔对正，滑入卡套球座6内，悬挂总成解锁，卡板式岩芯爪29插入取芯钻头30斜坡里包卡住岩芯，完全收缩切断岩芯；硬地层及破碎地层割芯时，内筒因压力升高憋泵，当压力升高到16mpa时开始上提钻具，此时卡箍式岩心爪28、缩颈套27随钻具一起上行，卡箍式岩心爪28收缩变形，卡紧并拔断岩芯。

所述的安全接头2的内置台肩的下端攻制有锥度扣，安全接头2通过锥度扣与上螺旋扶正器7丝扣装接，当外筒遇卡时可旋转倒开，使安全接头2与上螺旋扶正器7和外岩芯筒组件脱开，上提钻具将内筒和岩芯取出。

所述的承挂轴8上开制有略大于承挂钢球4直径的孔，当卡套球座6上的球孔6-2与承挂轴8的孔对正时，承挂钢球4便滑入卡套球座6的球孔6-2，悬挂总成解锁，不再具备悬挂内岩芯筒组件的功能。

所述的回压凡尔座10外侧攻制有螺纹，承挂轴8下端内壁上也攻有螺纹，回压凡尔座10通过螺纹安装在承挂轴8内部下端。

所述的内筒上轴16分为上粗下细两段，上粗的一段直接安装在轴承轴瓦13上，下细的一段与轴承轴瓦13过盈配合安装，下细的一段的下端外表面攻制有螺纹，下细的一段通过螺纹与内筒上扶正体15装接。

所述的内筒上扶正体15的外圆周上等距安装有6个内筒上扶正滚柱14，内筒上扶正滚柱14可在安装处灵活滚动，内筒上扶正体15的外圆周上未安装内筒上扶正滚柱14处沿轴向开制有上扶正体贯通槽15-1，保证钻井液顺畅流通不阻塞。

所述的内筒下扶正体24的外圆周上等距安装有6个内筒下扶正滚柱25，内筒下扶正滚柱25可在安装处灵活滚动，内筒下扶正体24的外圆周上未安装内筒下扶正滚柱25处沿轴向开制有下扶正体贯通槽24-1，保证钻井液顺畅流通不阻塞。

所述的双层铝合金衬筒22分两层，其第一层用一个剪切销钉23固定、第二层用两个剪切销钉23固定在下端内筒的内壁上，双层铝合金衬筒22的内外壁光滑，岩芯遇卡时，卡住的岩芯随双层铝合金衬筒22一起向上移动，双层铝合金衬筒22的两层结构可避免两次岩芯卡芯事故发生（参见图1～7）。

该用于复杂井的液压驱动取芯工具的工作原理如下所示：

取芯钻进前：在本发明取芯工具入井时不装入回压凡尔球9，下钻完后可通过内筒大排量循环水将内筒和井底清洗干净，然后再投入回压凡尔球9，回压凡尔球9最终坐落在回压凡尔座10上，封堵住钻井液进入内筒的通道，随后，钻井液通过承挂轴8上的分水孔进入内筒和外筒的环形空间；

取芯钻进时：本发明取芯工具的外岩芯筒组件：上接头1、安全接头2、上螺旋扶正器7、第一节外岩芯筒18、中螺旋扶正器19、第二节外岩芯筒21和下螺旋扶正器26随着钻具旋转，带动取芯钻头30破碎岩层；内岩芯筒组件：内筒上轴16、第一节内岩芯筒17、第二节内岩芯筒20和双层铝合金衬筒22通过双向推力球轴承12保持不动，这样，所钻的岩芯便克服卡箍式岩心爪28的摩擦阻力经双层铝合金衬筒22进入第二节内岩芯筒20和第一节内岩芯筒17中；

割芯时：投入液压球3，液压球3借助循环的钻井液，经钻具的内孔通道进入卡套球座6内，液压球3到达卡套球座6后堵死循环通道，钻井泵压随机升高，在液压的作用下，迫使卡套球座6的斜坡弹簧片6-1收缩，使卡套球座6下移；当卡套球座6下移至一定距离，卡套球座6上的球孔6-2与悬挂钢球4对正，承挂钢球4便滑入卡套球座6内，（承挂钢球4实际上是静止的），悬挂总成解锁，不再具备悬挂内筒组件的功能，内筒失去支撑，在自重作用下迅速下落，驱动与之相连的卡板式岩芯爪29插入到取芯钻头30的斜坡里，卡板式岩芯爪29一定程度上包卡住岩芯；当卡套球座6触碰到回压凡尔座10时无法继续下移，钻井泵继续加压，在高压的作用下，整个内筒继续下移；

对于松软地层，卡板式岩芯爪29可完全收缩切断岩芯，完成割芯过程；而对于硬地层、破碎地层，卡板式岩芯爪29则不能完全收缩切断岩芯，此时内筒无法继续下移，造成内筒压力升高而憋泵，当内筒压力升高到16mpa时不再继续加压，开始上提取芯工具，卡箍式岩芯爪28因与岩芯之间存在摩擦力相对静止，缩颈套27则随钻具一起上行，在缩颈套27的内锥面的作用下，迫使卡箍式岩心爪28收缩变形，进而卡紧并拔断岩芯。

该用于复杂井的液压驱动取芯工具，适用于硬地层、软地层、破碎地层及大斜井取芯；割芯时采用液压加压，摒弃传统机械加压繁琐、笨重的结构，简化了取芯工具的结构和取芯工艺。内筒的内径为127mm，最大可割取直径为120mm的岩芯，取芯尺寸大，更有助于岩芯的分析研究。

岩芯爪总成由卡箍式岩芯爪28和卡板式岩芯爪29复合制成，可同时适应松软和硬地层割芯、取芯。内筒上下分别安装由内筒上扶正体15和内筒下扶正体24组成的内筒扶正机构，有力保证了内筒的居中，使内筒完全适应大斜井的取芯操作。外筒上安装有上螺旋扶正器7、中螺旋扶正器19和下螺旋扶正器26，这三个扶正器可切实保证外筒的刚度及井下取芯工具平稳工作。下螺旋扶正器26还能提高井身质量和取芯钻头30的使用寿命。内筒下端内壁中安装的双层铝合金衬筒22，可以解决两次卡芯问题。卡套球座6是实现液力加压功能的核心零件；岩芯爪总成装接在内筒的最下端，实现在不同地质条件下的割芯操作。

该用于复杂井的液压驱动取芯工具安装时的技术要求：1）、将内筒和外筒的各个连接丝扣清洗干净，涂好优质丝扣油；

2）、卡板式岩芯爪29装配时与取芯钻头30的轴向间隙为8-13mm；

3）、轴承应光洁无污渍，轴承钢珠和钢珠跑道总磨损量限定在3-5mm，且转动灵活；

4）、装配内筒和外筒时先探伤，无裂纹、无毛刺、无异物、无超过3mm的麻坑，保证内筒和外筒光滑；

5）、安装完毕，应在本发明取芯工具外表面涂抹上防锈漆。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。