侧壁取芯工具系统和方法与流程

侧壁取芯工具系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年5月22日提交的名称为“用于切屑移除的优化侧壁取芯钻头”的美国临时专利申请序列号63/028,623和2020年12月11日提交的名称为“用于机械侧壁取芯工具的取芯轴”的美国临时专利申请序列号63/124,703的优先权和权益，这两个专利申请的全部内容通过引用结合于此。


背景技术：

3.本公开总体上涉及用于在井筒内执行侧壁取芯的系统和方法。
4.该部分意图为读者介绍本领域中可能与下文描述和/或要求保护的本技术的各个方面相关的各个方面。该论述被认为有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些说明应从此角度进行阅读，并且不应被视为任何形式的承认。
5.石油和天然气行业包括许多子行业，诸如勘探、钻井、测井、开采、运输、提炼、零售等。在勘探和钻井过程中，由于可能包括资源的发现、观察和/或开采的原因，井筒可能被钻入地下。这些资源可能包括石油、天然气、水或地下元素的任何其他组合。
6.可以钻出井筒或井眼以例如定位和生产碳氢化合物。在井开发作业期间，可能期望评估和/或测量遇到的地层、地层流体和/或地层气体的特性。一些地层评估可以包括从井筒的侧壁提取岩心样品(例如，岩石样品)。可以使用联接到井下工具的取芯工具提取岩心样品，所述井下工具被降低到井筒中并且邻近地层定位。取芯工具的中空取芯轴或钻头可以从井下工具中延伸出来并被推靠在地层上以穿透地层。地层或岩心样品填充取芯轴的中空部分或腔，并且从地层中取出取芯轴，将样品保持在腔内。
7.使用空心取芯钻头获得的样品通常称为“岩心样品”或“岩心塞”。一旦岩芯样品被输送到地面，就可以对其进行分析，以评估构成地层的材料的储层储存容量(例如孔隙度)和流动潜力(例如渗透率)等；地层孔隙中所含流体和矿床的化学和矿物成分；以及地层材料的束缚水含量。从样品分析中获得的信息用于设计和实施完井和生产设施。


技术实现要素：

8.下文阐述了本文所述的某些实施方案的发明内容。应当理解，提出这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施方案的简要概述，并且这些方面并非旨在限制本公开的范围。
9.本文提出的系统和方法包括一种侧壁取芯工具组件，其包括取芯轴，所述取芯轴具有内腔并且被配置为在所述取芯轴的第一轴向端处联接到取芯马达轴。所述取芯轴包括在所述取芯轴的所述第一轴向端处沿周向设置在所述取芯轴的第一外表面上的多个铲斗。所述多个铲斗中的每个铲斗形成从所述取芯轴的外部到所述取芯轴的内部的导管。所述侧壁取芯工具组件还包括在所述取芯轴的第二轴向端处联接到所述取芯轴的取芯钻头。
10.本文提出的系统和方法还包括一种侧壁取芯工具组件，其包括取芯轴，所述取芯
轴具有内腔并且被配置为在所述取芯轴的第一轴向端处联接到取芯马达轴。所述取芯轴包括在所述取芯轴的所述第一轴向端处沿周向设置在所述取芯轴的第一外表面上的多个铲斗。所述多个铲斗中的每个铲斗形成从所述取芯轴的外部到所述取芯轴的内部的导管。所述取芯轴还包括设置在所述取芯轴的内表面上的多个内部凹槽。所述侧壁取芯工具组件还包括在所述取芯轴的第二轴向端处联接到所述取芯轴的取芯钻头。所述侧壁取芯工具组件还包括设置在所述取芯钻头的第二外表面和所述取芯轴的第一外表面中的至少一者上的多个翅片。
11.本文提出的系统和方法还包括一种侧壁取芯工具组件，其包括取芯轴，所述取芯轴具有内腔并且被配置为在所述取芯轴的第一轴向端处联接到取芯马达轴。所述侧壁取芯工具组件还包括在所述取芯轴的第二轴向端处联接到所述取芯轴的取芯钻头。所述取芯钻头包括至少两个切削垫，所述至少两个切削垫被配置为在所述至少两个切削垫之间周向地并且在所述取芯钻头的径向外部产生至少两个外通道区域，以及在所述至少两个切削垫之间周向地并且在所述取芯钻头的径向内部产生至少两个内通道区域。
12.可相对于本公开的各个方面对上文提及的特征进行各种改进。另外的特征同样也可并入这些各个方面中。这些改进和另外的特征可单独地或以任何组合存在。例如，下文关于所示的实施方案中的一个或多个实施方案讨论的各种特征可单独地或以任何组合并入到本公开的上文描述的各方面中的任何方面中。上文提出的简要概述旨在使读者熟悉本公开的实施方案的某些方面和背景，而不限制要求保护的主题。
附图说明
13.以下将参考附图描述本公开的某些实施方案，其中相同的附图标记表示相同的元件。然而，应当理解，附图示出了本文所述的多种实施方式，并且不意味着限制本文所述的各种技术的范围。
14.图1是根据本公开的一个或多个实施方案的取芯系统的实施方案的示意图；
15.图2a至图2c是根据本公开的一个或多个实施方案的侧壁取芯工具组件的示意图，包括取芯轴和取芯钻头的特写视图；
16.图3a和图3b分别以透视图和前视图示出了根据本公开的一个或多个实施方案的示例性取芯钻头；
17.图4a和图4b分别以透视图和前视图示出了根据本公开的一个或多个实施方案的另一个示例性取芯钻头；
18.图5a至图5c分别以局部横截面侧视图、前视图和横截面视图示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有切口槽的示例性取芯轴和钻头面；
19.图6a至图6c分别以局部横截面侧视图、前视图和横截面视图示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有切口槽的另一个示例性取芯轴和钻头面；
20.图7a至图7c示出了根据本公开的一个或多个实施方案的取芯轴上的入口特征的侧视图以及特写外部视图和内部视图；
21.图8a至图8c示出了根据本公开的一个或多个实施方案的取芯轴的俯视横截面视图；
22.图9a至图9c是根据本公开的一个或多个实施方案的取芯轴和取芯钻头的横截面
视图；
23.图10a和图10b是根据本公开的一个或多个实施方案的取芯轴和取芯钻头的透视图；
24.图11a和图11b分别是根据本公开的一个或多个实施方案的取芯轴和取芯钻头的横截面视图和侧视图，示出了产生限定或定向的流动的各种流动路径；以及
25.图12是根据本公开的一个或多个实施方案的图11a和图11b的取芯轴和取芯钻头的透视图。
具体实施方式
26.下文将描述本公开的一个或多个具体实施方案。这些描述的实施方案仅是当前公开的技术的示例。另外，为了提供对这些实施方案的简要描述，说明书中可能不会描述实际实施方式的所有特征。应当理解，如同在任何工程或设计项目中一样，在开发任何此类实际实施方式时，都必须作出与实施方式特定相关的众多决定，以实现开发人员的特定目标，诸如遵守与系统相关以及与业务相关的约束，这些约束可能会随实施方式而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计、制作和生产中的常规任务。
27.当介绍本公开的各个实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”和“所述”旨在表示存在一个或多个要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在具有包容性，并表示可能存在除所列要素之外的其他要素；换言之，这些术语以开放式的方式使用，因此应解释为“包括但不限于
……”
。另外，应当理解，对本公开的“一个实施方案”或“实施方案”的提及并不意图被解释为排除也结合了所述特征的另外的实施方案的存在。此外，短语“a基于b”旨在表示a至少部分基于b。此外，除非另有明确说明，否则术语“或”旨在具有包容性(例如，逻辑“或”)而不是排他的(例如，逻辑“异或”)。换言之，短语“a或b”旨在表示a、b或a和b。
28.如本文所用，术语“连接”、“连接的”和“与...连接”用于表示“与...直接连接”或“经由一个或多个元件与...连接”；并且术语“集合”用于表示“一个元件”或“多于一个元件”。此外，术语“联接”、“联接的”、“联接在一起”和“与
……
联接”用于表示“直接联接在一起”或“经由一个或多个元件联接在一起”。如本文所用，在本说明书中使用术语“上”和“下”、“上部”和“下部”、“向上”和“向下”、“上游”和“下游”、“井上”和“井下”、“上方”和“下方”以及指示在给定点或元件上方或下方的相对位置的其他相似术语来更清楚地描述本公开的一些实施方案。通常，这些术语涉及作为开始钻井作业的地面的参考点，所述参考点作为顶部(例如，井上或上部)点，并且沿着钻井轴线的总深度是最低(例如，井下或下部)点，无论井(例如，井筒、井眼)是竖直的、水平的还是相对于地面是倾斜的。
29.如本文所用，“限定的流动”或“定向的流动”或“主动流动”通常指的是通过引入某些设计特征(例如，本文所述的铲斗、内部凹槽、翅片等)而产生的流体(例如，泥浆)的有目的的移动，这些设计特征的作用例如是将井眼中的泥浆从取芯轴的一个轴向端抽入取芯轴的内部空间，并促使泥浆朝向与取芯轴相关联的取芯钻头轴向移动。当泥浆在取芯钻头上及其周围流动时，它会携带切屑和热量。然后，随着泥浆沿着取芯钻头和取芯轴的外径移动，可以使用外部翅片进一步辅助或引导泥浆，如本文更详细描述的。
30.如上所述，机械侧壁取芯工具使用取芯钻头切入井筒中的环形空间，以产生可提
取到地面的圆柱形岩心样品或岩心塞。可以切削和储存多个岩心样品或岩心塞(通常是按顺序)并返回到地面进行分析。通常，岩芯塞是通过旋转环形取芯钻头并向其施加钻压而产生的，所述钻头的冠部具有切削元件。这种活动打碎岩石并产生切屑。岩石钻头界面处的岩石切削过程会产生热量。这种热量如果不去除，已被证明会导致刀具性能下降、切削性能相对较差以及刀具寿命缩短。此外，在实验室测试和井下取芯作业中观察到钻头体变色，表明散热不良和热量积聚。在一些实验室实验中，观察到这种热量积聚可能会使泥浆脱水并烧毁切削面处的岩石。在某些情况下，这可能会导致钻头失速。在某些实施方案中，流体流(通常是钻井泥浆)用于冷却工具并使切屑远离钻头面以使切削操作更有效。
31.典型的机械侧壁取芯工具不能产生流向钻头面的主动流动。因此，取芯作业在静态泥浆环境中进行，使用取芯轴和取芯钻头的旋转来促进流体和碎屑的被动流动。在大多数情况下，井筒压力高于地层压力。当取芯钻头暴露新岩石时，井筒流体倾向于朝向新鲜岩石移动，导致泥浆固体积聚形成称为泥饼的密封。此外，随着新岩石的暴露，流体和固体也倾向于进入新暴露岩石的孔隙中，并且与泥饼结合会使碎屑难以从钻头面移走。
32.此外，缺乏用于冲洗切屑的流体流与用于使切屑远离钻头面移动的相对较小的横截面积相结合会导致钻头失速和卡住。对于确实离开钻头面并进入钻头轴周围空间的切屑，体积不足会导致切屑积聚，从而对钻头产生阻力，这减少传递到钻头面的扭矩并增加卡住的机会。因此，需要提供一种取芯钻头，所述取芯钻头允许切屑穿过并远离钻头面移动。本文所述的实施方案减少了来自在钻头面以及钻头轴外径和内径上积聚的切屑的寄生扭矩。
33.此外，侧壁取芯工具通常具有机械原动机(例如，液压取芯马达)以产生旋转动力。该旋转动力通过侧壁取芯工具的取芯轴传递给取芯钻头或岩石切削钻头。取芯钻头用由相对较硬的材料(如金刚石)制成的切削元件钻入地层。在其行程结束时，取芯钻头打碎岩心样品使其从地层中分离出来。在将岩心样品放入岩心储存管之前，岩心样品可以暂时沉积在钻头和轴组件内部。在某些实施方案中，液压回路可以激活和停用液压活塞以操纵取芯马达、取芯轴和取芯钻头的组合组件来切削、打碎、取回和储存岩芯样品或岩心塞。
34.本文所述的实施方案涉及具有取芯钻头和取芯轴的侧壁取芯工具，所述取芯钻头和取芯轴可用于从邻近井眼或井筒的地下地层收集样品(例如，岩石样品、焦油砂样品等)。示例性取芯轴通常包括联接到取芯钻头的圆柱形主体，所述取芯钻头具有前缘(例如，钻头面)以接触和穿透待采样的地下地层。圆柱形主体具有至少部分地由圆柱形主体的内表面限定的内腔以收集样品。
35.现在参考附图，图1是使用如本文更详细描述的侧壁取芯工具组件12的取芯系统10的实施方案的示意图。如图所示，侧壁取芯工具组件12可用于钻取的井中以从井下或地下地质地层14获得岩心样品。在作业中，侧壁取芯工具组件12可以下降到由通常称为侧壁18的钻孔壁18限定的井眼16中。如图所示，在某些实施方案中，侧壁取芯工具组件12可以通过一根或多根导电电缆20(例如，有线电缆)连接到地面单元22，所述地面单元可以包括(或以其他方式可操作地联接到)控制面板24和监测器26。通常，地面单元22被配置为向侧壁取芯工具组件12提供电力，监测井下取芯的状态和其他井下设备的活动，以及控制侧壁取芯工具组件12和其他井下设备的活动。虽然图1示出了部署在有线电缆20的端部处的侧壁取芯工具组件12，但在其他实施方案中，侧壁取芯工具组件12可以使用任何已知的或未来开
发的输送装置(包括钻杆、连续油管等)部署在井中。
36.在某些实施方案中，侧壁取芯工具组件12可包含在细长外壳内，所述外壳适合于下放到井眼16中和从井眼16中取回。在某些实施方案中，侧壁取芯工具组件12可包括电子探测器28、机械探测器30和岩芯仓32。通常，电子探测器28包括使侧壁取芯工具组件12能够与地面单元22通信(例如，通过电缆20)并根据这种通信控制侧壁取芯工具组件12的取芯作业的电子设备。此外，机械探测器30包括使侧壁取芯工具组件12能够通过井筒16的侧壁18取回岩心样品(如更详细描述的)并且将取回的岩心样品(例如，按顺序取回的)存储在岩芯仓32中的机械部件。
37.特别地，如本文更详细描述的，机械探测器30包含取芯组件，所述取芯组件包括：通过电缆20供电的至少一个取芯马达34；(通常为圆柱形的)取芯轴36，其具有用于切削地层14并将来自所述地层的岩心样品接收到径向形成在圆柱形取芯轴36内的内腔中的远侧开口端38；以及机械联动装置(未示出)，其用于相对于侧壁取芯工具组件12展开和缩回取芯轴36以及用于抵靠侧壁18旋转取芯轴36。图1示出了处于活动切削构造的侧壁取芯工具组件12。例如，侧壁取芯工具组件12邻近地层14定位并且通过从侧壁取芯工具组件12的与取芯轴36相对的一侧延伸的上锚定鞋40和下锚定鞋42牢固地推靠在井筒16的侧壁18上。如本文更详细描述的，取芯轴36的远侧开口端38可经由取芯马达34抵靠地层14旋转以从地层14切削岩心样品。
38.图2a至图2c是侧壁取芯工具组件12的示意图，包括侧壁取芯工具组件12的取芯轴36和取芯钻头46的特写视图。在切削操作期间，经由取芯马达34的(通常为圆柱形的)取芯马达轴44联接的取芯轴36传递旋转动力和钻压(wob)。取芯轴36在第一轴向端处附接到取芯马达轴44并且在第二轴向端处附接到取芯钻头46。通常，取芯钻头46包括接触地层14的钻头面48(例如，岩石和钻头界面)。在某些实施方案中，取芯轴36的内径和岩芯塞50的外径之间的空隙形成内部环空52，其为泥浆和切削碎屑提供环形路径。类似地，取芯轴36的外径和地层14的内径之间的空隙形成外部环空54，其为泥浆和切削碎屑提供另一环形路径。
39.在没有限定或定向的流动的情况下，切屑可以在内部环空和外部环空中沿任何方向自由移动，从而允许切屑和碎屑在内部环空52和/或外部环空54中保持循环。根据钻井泥浆和地层14的性质，切削碎屑可能会在取芯钻头46和/或取芯轴36周围凝结成块，通常称为钻头泥包。钻头泥包可能会导致钻井问题，如钻进速率降低或取芯马达34失速。太多的钻头泥包也可能导致取芯钻头46卡在地层14中。
40.因此，为了使取芯钻头46前进到地层14中，取芯钻头46产生的切屑需要远离取芯钻头46的钻头面48移动。在典型的取芯作业中，切削作用发生在静态井筒流体中，这与使用流体流来冷却工具并使切屑远离钻头表面移动的其他工业切削操作形成对比。同样，在没有主动流体流的情况下进行切削时，切屑倾向于聚集在取芯钻头和取芯轴周围，这会阻止流体到达钻头面，降低钻进速率，并导致取芯钻头卡住或失速。传统的取芯钻头可能提供了将切屑远离钻头面移动的受限路径，这可能不允许碎屑远离钻头面自由流动，并导致切屑停留在钻头面处，在那里它们的尺寸进一步减小，这被称为“切屑的再研磨”或“切屑的切削”这种情况降低了钻井作业的整体效率。取芯工具可以在取芯井中使用穿孔，以允许钻井泥浆和切削碎屑进入和离开内部环空和外部环空之间。在取芯轴旋转期间，穿孔产生湍流，所述湍流导致钻井泥浆和切削碎屑移动；然而，没有限定或定向的泥浆或碎屑流动。
41.因此，本文中图3a至图6c所示的实施方案通常包括可以在没有产生限定或定向的泥浆流动的情况下将切屑从取芯钻头46带走的特征件。例如，图3a示出了根据本公开的具有钻头面48的示例性取芯钻头46。如图所示，在某些实施方案中，取芯钻头46可以包括多个切削元件或垫56，所述多个切削元件或垫围绕取芯钻头46的圆周设置在钻头面48处。在图3a所示的实施方案中，取芯钻头46包括三个切削垫56。然而，取芯钻头46可包括任何数量的切削垫56，包括但不限于两个切削垫、四个切削垫、五个切削垫或六个或更多切削垫。
42.图3b示出了图3a所示的取芯钻头46的取芯钻头面48，当取芯钻头46切入地层14时由所述取芯钻头产生通道区域58。特别地，本公开的取芯钻头46和取芯轴36在没有主动流体流动的情况下钻入地层14时提供了钻屑移动远离钻头面48(例如，进入井筒16中)的空间。如图5b所示，在某些实施方案中，通道区域58包括设置在取芯轴36的外表面和地层14之间的外部通道区域58a(例如，由取芯钻头46的切削垫56在取芯钻头46的径向外部周向地形成在切削垫56之间)以及设置在取芯轴36的内表面和从地层14钻出的岩芯塞50的外表面之间的内部通道区域58b(例如，由取芯钻头46的切削垫56在取芯钻头46的径向内部周向地形成在切削垫56之间)。在图3b所示的实施方案中，外部通道区域58a和内部通道区域58b包括跨越三个切削垫56中的每一个之间的三个部分。然而，取芯钻头46可以包括任何数量的切削垫56，因此包括任何数量的相应组的外部通道区域58a和内部通道区域58b，包括但不限于两组外部通道区域58a和内部通道区域58b，四组外部通道区域58a和内部通道区域58b，五组外部通道区域58a和内部通道区域58b，或者六组或更多组外部通道区域58a和内部通道区域58b。
43.图4a示出了根据本公开的具有钻头面48的另一个示例性取芯钻头46。如图所示，在某些实施方案中，取芯钻头46也可以包括多个切削元件或垫56，所述多个切削元件或垫围绕取芯钻头46的圆周设置在钻头面48处。在图4a所示的实施方案中，取芯钻头46包括两个切削垫56。然而，取芯钻头46可包括任何数量的切削垫56，包括但不限于三个切削垫、四个切削垫、五个切削垫或六个或更多切削垫。
44.图4b示出了图4a所示的取芯钻头46的取芯钻头面48，当取芯钻头46切入地层14时由所述取芯钻头产生通道区域58。特别地，本公开的取芯钻头46和取芯轴36在没有主动流体流动的情况下钻入地层14时提供了钻屑移动远离钻头面48(例如，进入井筒16中)的空间。如图5b所示，在某些实施方案中，通道区域58包括设置在取芯轴36的外表面和地层14之间的外部通道区域58a(例如，由取芯钻头46的切削垫56在取芯钻头46的径向外部周向地形成在切削垫56之间)以及设置在取芯轴36的内表面和从地层14钻出的岩芯塞50的外表面之间的内部通道区域58b(例如，由取芯钻头46的切削垫56在取芯钻头46的径向内部周向地形成在切削垫56之间)。在图4b所示的实施方案中，外部通道区域58a和内部通道区域58b包括跨越两个切削垫56中的每一个之间的两个部分。然而，取芯钻头46可以包括任何数量的切削垫56，因此包括任何数量的相应组的外部通道区域58a和内部通道区域58b，包括但不限于三组外部通道区域58a和内部通道区域58b，四组外部通道区域58a和内部通道区域58b，五组外部通道区域58a和内部通道区域58b，或者六组或更多组外部通道区域58a和内部通道区域58b。
45.可以计算图3a、图3b、图4a和图4b的取芯钻头46或具有不同数量的切削垫56的其他替代实施方案的碎屑逸出面积百分比。不管使用的切削垫56的数量如何，切削垫56的几
何形状都可以被调整以保持一定的钻头齿面积，其可以被测量。碎屑逸出面积百分比可以计算为开放通道面积58(外部通道面积58a和内部通道面积58b)除以在钻头面48进行所有测量(即在钻头面48处正交于取芯钻头46和取芯轴36的中心轴线的横截面平面)的总环空面积。总环空面积包括钻头齿面积加上组合的开放通道面积58，并且可以通过下式计算：
[0046][0047]
其中od是取芯钻头46的切削垫56的最大外径，并且id是取芯钻头46的切削垫56的最小内径。总开放通道面积58可以通过从环空面积(计算的，见上文)中减去钻头齿面积(测量的)来计算。例如，图3a和图3b的取芯钻头46可具有30％或更大的碎屑逸出面积百分比，并且图4a和图4b的取芯钻头46可具有35％或更大的碎屑逸出面积百分比。在具有不同数量的切削垫56的其他实施方案中，碎屑逸出面积百分比可以是15％或更大、20％或更大、25％或更大、37％或更大，以及高达50％或60％。
[0048]
图5a至图5c示出了示例性取芯轴36，其可以包括切口槽60，所述切口槽穿过取芯轴36并且至少部分地沿着取芯轴36轴向延伸以进一步使固体或切屑能够远离取芯钻头46的钻头面48移动(例如，进入井筒16中)。在某些实施方案中，切口槽60可以是直的或纵向的(例如，沿着取芯轴36大致纵向地延伸)，或者切口槽60可以具有螺旋形状。在所示的实施方案中，取芯轴36包括三个切口槽60，所述三个切口槽与取芯钻头46的钻头面48相交并提供切屑进入每个切口槽60的直接路径。然而，取芯轴36可包括任何数量的切口槽60，包括但不限于两个切口槽、四个切口槽或五个或更多个切口槽，只要保持取芯轴36的结构完整性即可。此外，在某些实施方案中，切口槽60可以在达不到取芯钻头46的钻头面48时停止，而不是与钻头面48相交。
[0049]
通常，切口槽60的添加为切屑提供了更多空间并减少了取芯轴36和地层14之间的摩擦，从而允许增加在取芯钻头46的钻头面48处可用的扭矩。切口槽60还允许在取芯轴36的内径上(即，围绕岩芯塞50，参见图3b)积聚的切屑容易地移动到取芯轴36的外侧，从而进一步增加可用于取芯钻头46的钻头面48的扭矩。因此，本公开的实施方案增加了用于切屑的可用通路，同时保持钻头在取芯钻头46上传递扭矩和钻压并完成倾斜打碎操作以将岩芯50从母地层14分离(参见例如图2的剖切部分)的能力。
[0050]
图6a至图6c示出了另一个示例性取芯轴36，其还可以包括穿过取芯轴36的切口槽60，以进一步使固体或切屑能够远离取芯钻头46的钻头面48移动(例如，进入井筒16中)。在某些实施方案中，切口槽60可以是直的或纵向的，或者切口槽60可以具有螺旋形状。在所示的实施方案中，取芯轴36包括两个切口槽60，所述两个切口槽与取芯钻头46的钻头面48相交并提供切削进入每个切口槽60的直接路径。然而，取芯轴36可包括任何数量的切口槽60，包括但不限于三个切口槽、四个切口槽或五个或更多个切口槽，只要保持取芯轴36的结构完整性即可。此外，在某些实施方案中，切口槽60可以在达不到取芯钻头46的钻头面48时停止，而不是与钻头面48相交。通常，切口槽60的添加为切屑提供了更多空间并减少了取芯轴36和地层14之间的摩擦，从而允许增加在取芯钻头46的钻头面48处可用的扭矩。切口槽60还允许在取芯轴36的内径上(即，围绕岩芯塞50，参见图4b)积聚的切屑容易地移动到取芯轴36的外侧，从而进一步增加可用于取芯钻头46的钻头面48的扭矩。
[0051]
因此，本公开的实施方案增加了用于切屑的可用通路，同时保持钻头在取芯钻头46上传递扭矩和钻压并完成倾斜打碎操作以将岩芯50从母地层14分离(参见例如图2的剖切部分)的能力。此外，除了为切屑远离取芯钻头46移动提供更多空间之外，随着取芯钻头46接触或接合地层14的表面积减小，驱动取芯钻头46所需的扭矩也减小。用于切屑远离取芯钻头46移动(例如，进入井筒16中)的空间增加可能是由于切削垫56、240的数量减少、每个切削垫56的几何形状的调整和减小、在取芯轴36中的切口槽60及其任意组合。
[0052]
与图3a至图6c中所示的实施方案相反，图7a至图12的实施方案包括各种特征件，这些特征件产生进入和围绕取芯轴36和取芯钻头46的限定或定向的泥浆流动。例如，图7a至图7c示出示例性取芯轴36的侧视图(图7a)和特写外部视图(图7b)和内部视图(图7c)。如图所示，在某些实施方案中，取芯轴36可包括位于取芯轴36的后端处的入口或铲斗62，所述入口或铲斗引导钻井泥浆流以从取芯钻头46的钻头面48去除切削碎屑。在某些实施方案中，铲斗62可以位于取芯轴36的后端(例如，比取芯钻头46更靠近取芯马达轴44，例如，在较大取芯轴36和较小马达轴44之间的取芯轴36的轴向端处的成角度的中间轴部分64上)，以形成将取芯轴36内的钻井泥浆连接到取芯轴36外面的钻井泥浆和靠近取芯马达34的井筒16中的泥浆的短导管。尽管在本文中主要示出和描述为设置在大致圆锥形的中间轴部分64上(例如，在从联接到取芯马达轴44的取芯轴36的第一轴向端延伸的取芯轴36的外表面上)，但在其他实施方案中，铲斗62可以设置在取芯轴36的大致圆柱形的主要部分上(例如，在从联接到取芯钻头46的取芯轴36的第二轴向端延伸的取芯轴36的外表面上)。
[0053]
在某些实施方案中，取芯轴36可具有一个或多个入口或铲斗62。如图8a至图8c所示，入口或铲斗62的数量可以包括但不限于两个、三个或四个入口或铲斗62。在替代实施方案中，取芯轴36可包括五个或更多入口或铲斗62。每个铲斗62包括以不正交于取芯轴36的纵向轴线的角度面向取芯轴36(参见图7a)的旋转方向的开口66，并且每个铲斗62的开口66形成从取芯轴36的外部到取芯轴36的内部的短导管的开始。
[0054]
每个铲斗62便于从井眼16中吸入钻井泥浆并沿着取芯轴36的内壁引导该吸入的钻井泥浆。每个铲斗62还可以将钻井泥浆引向取芯钻头46并远离取芯马达34。在某些实施方案中，钻井泥浆流可被引向取芯钻头46的钻头面48以及在取芯轴36的内部和岩芯塞50的外部之间形成的内部环空52之间(参见图2)。钻井泥浆流可以通过平衡内部环空52和外部环空54的设计构造来控制。在替代实施方案中，每个铲斗62可以将钻井泥浆引向取芯马达34并远离取芯钻头46，以将所述流从外部环空54引导到内部环空52(参见例如图7c)。
[0055]
此外，多个铲斗62可以沿着取芯轴36的外径沿周向紧密间隔或稀疏分布。在某些实施方案中，多个铲斗62可以围绕取芯轴36的外径(例如，外表面)沿周向对称地或均匀地间隔(例如，分布)。在其他实施方案中，多个铲斗62可以围绕取芯轴36的外径(例如，外表面)沿周向不对称地或不均匀地间隔(例如，分布)。
[0056]
现在参考图9a，在某些实施方案中，可以利用设置在取芯轴36的内表面70上的多个内部凹槽68将钻井泥浆引导通过内部环空52。在某些实施方案中，内部凹槽68可以以任何合适的捻角螺旋地定向，包括但不限于在顺时针或逆时针方向上大于0度和小于90度之间。此外，在某些实施方案中，内部凹槽68可以相对较宽(图9a)或相对较窄(图9b)或是它们之间的任何宽度。此外，在某些实施方案中，取芯轴36的内表面70可以不包括任何内部凹槽68(图9c)。
[0057]
此外，在某些实施方案中，多个内部凹槽68可以沿着取芯轴36的内径沿周向紧密间隔或稀疏分布。在某些实施方案中，多个内部凹槽68可以围绕取芯轴36的内径(例如，内表面)沿周向对称地或均匀地间隔(例如，分布)。在其他实施方案中，多个内部凹槽68可以围绕取芯轴36的内径(例如，内表面)沿周向不对称地或不均匀地间隔(例如，分布)。在某些实施方案中，铲斗62的数量可以与内部凹槽68的数量相同或不同。
[0058]
尽管在本文中主要示出和描述为沿着取芯轴36的内表面的轴向长度螺旋地延伸，但是在其他实施方案中，内部凹槽68可以替代地沿着取芯轴36的内表面的轴向长度大致纵向地(例如，在真正纵向的几度内)延伸。此外，尽管本文主要示出和描述为延伸取芯轴36的内表面的整个轴向长度，但在其他实施方案中，内部凹槽68可替代地延伸小于取芯轴36的内表面的整个轴向长度。例如，在某些实施方案中，内部凹槽68可以仅延伸取芯轴36的内表面的整个轴向长度的90％、80％、70％、60％、50％或者甚至更少。
[0059]
此外，如图9a所示，在某些实施方案中，取芯轴36和/或取芯钻头46还可包括位于取芯轴36(图9a)的轴向前端(例如，靠近取芯钻头46)处的排屑槽72。排屑槽72可以允许钻井泥浆和/或碎片从中穿过。此外，也如图9a所示，在某些实施方案中，取芯钻头46可包括有助于捕获本文所述的岩芯塞50的内部岩芯捕获环74。
[0060]
此外，如本文更详细描述的，在作业中，取芯马达34旋转并且铲斗62将钻井泥浆从井筒16抽吸到取芯轴36中。内部环空几何形状(有或没有内部凹槽68)将钻井泥浆流引向取芯钻头46的钻头面48。当钻井泥浆从内部环空52行进到外部环空54时，钻井泥浆从取芯钻头46的排屑槽72和取芯钻头46的钻头面48清除切削碎屑。一部分钻井泥浆也可以从排屑槽72流出以清除沉积在取芯钻头46上的切削碎屑。此外，钻井泥浆连同切削碎屑可在外部环空54中远离取芯钻头46并朝向井筒16流动。
[0061]
现在参考图10a和图10b，它们是取芯轴36的透视图，在取芯轴36和/或取芯钻头46(图10b)的外表面80上具有多个翅片76、78。例如，在一个实施方案中，侧壁取芯工具组件12可以包括位于取芯钻头46的外径上的多个翅片76，以促进钻井泥浆和切削碎屑远离取芯钻头46的钻头面48的移动(图10a)。在另外的实施方案中，侧壁取芯工具组件12还可包括位于取芯轴36的外径上的多个翅片78，以促进钻井泥浆和切削碎屑远离取芯钻头46的钻头面48的移动(图10b)。在又一个实施方案中，多个翅片76、78可以设置在取芯钻头46和取芯轴36上。应当理解，设置在取芯钻头46和/或取芯轴36上的翅片76、78引导钻井泥浆和/或碎屑在取芯轴36的外部环空54中的流动。
[0062]
多个翅片76、78，无论是设置在取芯钻头46还是取芯轴36上，都可以以任何适当的捻角螺旋地定向，包括但不限于在顺时针或逆时针方向上大于0度和小于90度之间。此外，翅片76、78可以相对较宽或相对较窄或是它们之间的任何宽度。此外，多个翅片76、78，无论是设置在取芯钻头46上还是设置在取芯轴36上，都可以沿着取芯钻头46和/或取芯轴36的外径沿周向紧密间隔或稀疏分布。在某些实施方案中，多个翅片76、78可以围绕取芯钻头46和/或取芯轴36的外径(例如，外表面)沿周向对称地或均匀地间隔(例如，分布)。在其他实施方案中，多个翅片76、78可以围绕取芯钻头46和/或取芯轴36的外径(例如，外表面)沿周向不对称地或不均匀地间隔(例如，分布)。如果取芯钻头46和取芯轴36都包括多个翅片76、78，则取芯钻头46上的翅片76的数量可以与取芯轴36上的翅片78的数量相同或不同。
[0063]
尽管在本文中主要示出和描述为沿着取芯轴36和/或取芯钻头46的外表面80的轴
向长度螺旋地延伸，但是在其他实施方案中，翅片76、78可以替代地沿着取芯轴36和/或取芯钻头46的外表面80的轴向长度大致纵向地(例如，在真正纵向的几度内)延伸。此外，尽管本文主要示出和描述为延伸取芯轴36和/或取芯钻头46的相应外表面部分(例如，针对取芯钻头翅片76的取芯钻头46的外表面部分或针对取芯轴翅片78的取芯轴36的外表面部分)的整个轴向长度，但是在其他实施方案中，翅片76、78可替代地延伸小于取芯轴36和/或取芯钻头46的相应外表面部分的整个轴向长度。例如，在某些实施方案中，翅片76、78可以仅延伸取芯轴36和/或取芯钻头46的相应外表面部分的整个轴向长度的90％、80％、70％、60％、50％或者甚至更少。
[0064]
通常，取芯轴36和/或取芯钻头46的外表面80上的翅片76、78用于外表面80的作用与内部凹槽68用于取芯轴36的内表面的作用相似。通过翅片76、78的限定的或定向的泥浆流动从钻头面48(例如，岩石和钻头界面)去除切削碎屑，并将这些碎屑推到取芯钻头46的切削结构后面。切削碎屑仍需要从取芯钻头46附近移动到其中锚定侧壁取芯工具组件12的井眼。取芯钻头46和/或取芯轴36上的外部翅片76、78为取芯轴36的外部环空54中的限定或定向的流动产生路径。这有助于切削碎屑远离取芯钻头46移动到井眼。
[0065]
图11a和图11b分别是取芯轴36和取芯钻头46的截面图和侧视图，示出了产生限定或定向的流动的各种流动路径。在某些实施方案中，随着取芯马达34旋转取芯马达轴44(以及，通过扩展，旋转取芯轴36)，如箭头82所示，铲斗62的旋转运动导致铲斗62将井眼内的泥浆从取芯轴36的一个轴向端抽吸到取芯轴36的内部空间中，如箭头84所示。然后，取芯轴36内的内部凹槽68将泥浆至少部分轴向地推向取芯钻头46，如箭头86所示。然后，泥浆轴向和径向向外流动通过在取芯钻头46的切削垫56之间形成的通道区域58并通过排屑槽72，分别如箭头88和箭头90所示。当泥浆在取芯钻头46上及其周围流动时，它会携带切屑。然后，随着泥浆沿取芯钻头46和取芯轴36的外径移动，可以使用外部翅片76、78进一步辅助或引导泥浆沿着外表面80(其沿着取芯钻头46和取芯轴36形成)轴向远离取芯钻头46移动，分别如箭头92和94所示。除了移动切屑之外，通过以及围绕取芯轴36和取芯钻头46的泥浆流动还有助于冷却岩石-钻头界面附近的岩石、钻头体以及钻头面48(例如，岩石和钻头界面)。热量的去除可防止热量积聚，并有助于减轻刀具性能下降、延长刀具寿命并提高切削性能。
[0066]
此外，在某些实施方案中，铲斗62可以如此定向，即，并非将泥浆从井眼抽吸到取芯轴36的内部，而是可以将泥浆从取芯轴36的内部通过铲斗62向外抽出，使得图11a和图11b中所示的所有流动路径都颠倒过来。在这样的实施方案中，铲斗62将通过产生从外部环空54到内部环空52的限定或定向的泥浆流动将泥浆引向取芯马达34并远离取芯钻头46。
[0067]
根据本文所描述的实施方案，以任一方式引导钻井泥浆和碎屑的流动产生围绕取芯轴36的流率，其与传统取芯工具中的流速相比快四到七倍。在实验室测试中，在本文描述的实施方案的取芯钻头46和取芯轴36的外径上观察到最少或没有切削碎屑的沉积。此外，还观察到，与传统的取芯工具相比切削时间也减少了16％至55％(和/或钻进速率提高19％至81％)。
[0068]
图12是图11a和图11b的取芯轴36和取芯钻头46的透视图，以进一步说明取芯轴36和取芯钻头46的特征的某些组合。特别地，图12示出了取芯轴36和取芯钻头46，其尤其包括便于产生图11a和图11b所示的限定或定向的泥浆流动的多个铲斗62、多个内部凹槽68、多个翅片76和78、多个切削垫56和多个排屑槽72。如图所示，在某些实施方案中，翅片76、78可
以是锥形的(例如，在更靠近侧壁取芯工具组件12的取芯马达34的第一轴向端处比在更远离取芯马达34的第二轴向端处具有更小的外径或高度)，使得翅片76、78在用于从地层14打碎岩芯塞50的“打碎循环”期间不限制取芯轴36的角运动(例如，参见图2c)。
[0069]
如本文更详细描述的，图12所示的实施方案可以包括各种修改。例如，在某些实施方案中，可以在外表面80上使用任何数量的翅片76、78(例如，零个或更多)。此外，在某些实施方案中，翅片76、78可以是对称的或不对称的。此外，在某些实施方案中，翅片76、78可在翅片螺旋角、翅片宽度(例如翅片76、78的周向变化)、翅片高度(例如，翅片76、78的径向变化)等方面变化。此外，在某些实施方案中，翅片76、78可以分别遍历取芯钻头46或取芯轴36的全部轴向长度或部分轴向长度。
[0070]
此外，在某些实施方案中，可以在取芯轴36的内表面上使用任意数量的内部凹槽68(例如，零个或更多)。另外，在某些实施方案中，内部凹槽68可以是对称的或不对称的。另外，在某些实施方案中，内部凹槽68可以在凹槽螺旋角、凹槽宽度(例如，内部凹槽68中的周向变化)等方面变化。此外，在某些实施方案中，内部凹槽68可以遍历取芯轴36的全部轴向长度或部分轴向长度。
[0071]
此外，在某些实施方案中，可以在取芯轴36上使用任何非零数量的铲斗62(例如，一个或多个)。此外，在某些实施方案中，铲斗62可以是对称的或不对称的。此外，在某些实施方案中，铲斗进入角(例如，在取芯轴36的外表面80处的进入窗口处)和/或铲斗离开角(例如，在取芯轴36的内表面处的离开窗口处)(其可以定义为相对于取芯轴的旋转方向(参见图11a和11b的箭头82)的角度36)可能会有所不同。类似地，在某些实施方案中，每个铲斗62的进入部和离开部(例如，分别在铲斗62的进入窗口和离开窗口处)的几何形状和/或尺寸可以彼此不同。此外，在某些实施方案中，每个铲斗62的几何形状和/或尺寸可以不同于其他铲斗62的几何形状和/或尺寸。
[0072]
虽然本公开可以容易产生各种修改和替代形式，但是具体实施方案已经在附图中通过示例的方式来示出并且已经在本文中详细描述。然而，应当理解，本公开不旨在限于所公开的具体形式。例如，虽然本文描述的一些实施方案包含取芯系统的特定组合，但其他组合也是可能的。实际上，本公开旨在涵盖属于如所附权利要求所限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。特别地，应当理解，可在任何特定实施方案中包括或省略本文描述的各种特征的任何和所有组合和子组合。
[0073]
本文提出和要求保护的技术被引用并应用于实际性质的明显地改进了本技术领域的实物和具体示例，因此不是抽象的、无形的或纯理论的。此外，如果本说明书末尾所附的任何权利要求包含被指定为“用于[执行][一定功能]的装置...”或“用于[执行][一定功能]的步骤...”的一个或多个要素，则此类要素旨在应根据35u.s.c.
§
112(f)进行解释。然而，对于包含以任何其他方式指定的要素的任何权利要求，旨在不根据35u.s.c.
§
112(f)解释此类要素。
[0074]
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构要素，则它们旨在处于权利要求的范围内。