一种钻井取芯一体化装置及钻井取芯系统的制作方法

1.本实用新型涉及石油开采技术领域，尤其涉及的是一种钻井取芯一体化装置及钻井取芯系统。


背景技术：

2.岩心是指根据地质勘查工作或工程的需要，使用环状岩心钻头及其他取芯工具，从孔内取出的圆柱状岩石样品，是研究和了解地下地质和资源情况的重要实地地质资料。在油田范围内必须选择适量的井，对有关油、气层位，钻取一定数量的岩心，通过观察、分析和研究，可以了解：
①
地层的时代、岩性、沉积特征；
②
储层的物理、化学性质和含油、气、水状况；
③
生油层特征和生油指标；
④
地下构造情况(如断层、节理、倾角等)；
⑤
各种测井方法定性、定量解释的基础数据；
⑥
开采过程中油、气、水运动和分布状况，以及地层结构的变化；岩心还可供注水或各种提高采收率方法和增产、增注措施的室内实验分析，是估算石油储量、编制合理开发方案、提高油藏注水开发效果和采收率的必不可少的基础资料。
3.根据gb/ti3908-2002《固体矿产地质勘查规范总则》及dz/t0078-93《固体矿产勘查原始地质编录规定》，参考矿区钻探、坑探、化探、采样、水文地质、工程地质、环境地质、勘查工程测量等有关规范、规定，结合地质勘查单位工作经验编写而成的《岩心钻探技术规范》3.4节对于钻探方法按照获取岩心的方式进行了分类如下：提钻取芯、绳索取芯、反循环连续取芯取样等。
4.关于提钻取芯，申请号为2021221517155的实用新型专利公开了一种新型组合式页岩气勘探用大口径提钻取芯钻具，其结构如图1所示，在使用时，先将钻头本体41通过螺纹孔42与钻具外壳体1外侧的外螺纹3进行螺纹连接，之后将锁紧螺栓44穿过沉头孔43与钻具外壳体1进行螺纹连接，实现钻头本体41的固定，同时钻头可以进行组合式的安装，方便更好的进行更换，在进行使用时，地表内部的泥浆等会流入到钻具内部，这些泥浆等液体会顺着钻具外壳体1与内壳体5进行渗透，此时内壳体5内部有残留的液体和杂质物时，可以被塑料囊袋12收集，同时内壳体5在钻具外壳体1内部进行滑动时，会被调节机构11进行缓冲调节。
5.关于绳索取芯，申请号为2021214691566的实用新型专利公开了一种绳索取芯扩孔钻具，其结构如图2所示，在使用时，通过转动扩孔总成200，扩孔总成200带动所述取芯钻头150转动，实现钻具的向下钻取，并且钻具中心的岩芯进入到绳索取芯内管总成100内，在取芯内管110填充一定量的岩芯后，经由后端的绳索拉出。
6.关于反循环连续取芯，申请号为2021106348530的发明专利申请公开了一种定向连续反循环取芯组合钻具及方法，其结构如图3所示，取芯方法包括步骤如下：
7.定向钻进步骤：计算机发送控制指令，控制指令以载波形式通过埋线双壁送水器内部导线iv、埋线双壁钻杆导线ii、取芯导向装置导线i传输至测斜元件及导向机构中的控制模块，测斜元件测量当前孔内组合钻具姿态数据并以载波形式返回至计算机，导向机构中的控制模块根据控制指令调节活塞伸缩行程，从而控制推靠巴掌以不同的推力推靠井
壁，实现钻孔的轨迹控制。
8.反循环连续取芯步骤：泥浆泵车将冲洗液从埋线双壁送水器侧面进水接头注入组合钻具环空通道直至取芯钻头内，冲洗液从取芯钻头底部水眼喷出，一部分冲洗液进入钻孔与钻具的环形通道携带钻屑上返至孔外，另一部分冲洗液进入组合钻具中心通道，携带岩芯连续上返，岩芯沿着排芯接头返出孔外。
9.从上述描述不难发现，提钻取芯中的取芯钻具需要在取芯时替换掉钻头，在取芯后重新更换回钻头，该过程极为麻烦且耗时；绳索取芯一方面需要不定时拉出绳索完成取芯而后重新布置绳索，亦较为麻烦且耗时；另一方面其只取岩心而对于取芯过程中液体并不进行获取及分析，可能会导致最终的分析结果不够精确；反循环连续取芯利用冲洗液的循环携带岩心连续上返，会导致取芯过程中地层中的液体成分被冲淡，亦会导致最终的分析结果不够精确。
10.可见，现有技术还有待改进和发展。


技术实现要素：

11.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种钻井取芯一体化装置及钻井取芯系统，旨在改善现有技术中提钻取芯中的取芯钻具需要在取芯时替换掉钻头，在取芯后重新更换回钻头，该过程极为麻烦且耗时；绳索取芯一方面需要不定时拉出绳索完成取芯而后重新布置绳索，亦较为麻烦且耗时；另一方面其只取岩心而对于取芯过程中液体并不进行获取及分析，可能会导致最终的分析结果不够精确；反循环连续取芯利用冲洗液的循环携带岩心连续上返，会导致取芯过程中地层中的液体成分被冲淡，亦会导致最终的分析结果不够精确的问题。
12.本实用新型技术方案如下：
13.一种钻井取芯一体化装置，包括：钻杆及钻头，其中，所述钻头的中部开设有第一穿透孔，所述钻杆开设有第二穿透孔及固化剂收容槽，所述固化剂收容槽用于收纳样品固化剂，所述第一穿透孔与所述第二穿透孔相连通；所述钻井取芯一体化装置还包括：第一封堵机构及第二封堵机构，所述第一封堵机构用于封堵或打开第一穿透孔以使钻井取芯一体化装置在钻井模式及取芯模式之间切换，所述第二封堵机构用于在取芯时受压向着背离第一穿透孔的方向移动以逐渐开启固化剂收容槽，使固化剂收容槽内的样品固化剂流入第二穿透孔。
14.上述方案的效果在于：在钻井模式下，第一穿透孔被第一封堵机构堵死，以防止井液及被打碎的岩心进入钻杆及钻头内部；而在取芯模式下，第一穿透孔开启，井液、破碎的岩心及呈圆柱形的完整岩心混合穿过第一穿透孔进入第二穿透孔，并随着钻井取芯一体化装置的持续前进，进入第二穿透孔的混合物不断推动第二封堵机构向着背离钻头的方向移动，在这个过程中，固化剂收容槽被打开并与第二穿透孔连通，其中收容的样品固化剂不断进入第二穿透孔与混合物相融，与井液中的水分反应使混合物逐渐固化，并在重新进入钻井模式后使上述动态过程终止并将固化后的取芯样品暂时留存在第二穿透孔内；一方面尽可能的保留了取芯过程中的所有地层物质，提高了根据样品得到分析结果的准确性；另一方面整个过程无需进行钻头及取芯钻具更换，且取芯模式下亦不影响钻井工作，无需利用绳索取出样品。
15.在进一步的优选方案中，所述第二封堵机构包括：导向杆、压缩弹簧及密封盖，所述密封盖通过转动轴承设置在所述第二穿透孔背离第一穿透孔一端内侧，所述导向杆第一端贯穿密封盖设置，且第二端设置有外径与第二穿透孔内径相适配的端盖，所述压缩弹簧套设在导向杆的中部外缘，一端与所述端盖相抵接，另一端与密封盖相抵接。
16.上述方案的效果在于：本实用新型通过压缩弹簧的设置，一方面使得进入第二穿透孔的混合物受阻能够在压缩弹簧的阻力与钻进取芯一体化装置前进带来的外部推进力之间压缩，能够更快的固化，并使固化后的混合物较为紧实，以利于圆柱形岩心样品的形成；另一方面使得钻井取芯工作完成后，取出样品时，在第一封堵机构不再封堵第一穿透孔的情况下，能够借助压缩弹簧复位产生的推动力，更易取出。
17.在进一步优选方案中，所述固化剂收容槽设置有多个，所述密封盖开设有多个第三穿透孔，所述第二封堵机构还包括：多个槽体封堵条，所述槽体封堵条一一对应封堵于所述固化剂收容槽，且一一对应贯穿所述第三穿透孔设置。
18.上述方案的效果在于：多个固化剂收容槽、第三穿透孔及槽体封堵条的设置，一方面通过多个固化剂收容槽增加样品固化剂的排出位置增加样品固化剂与样品混合物的融合位置，提高样品混合物的固化效率及效果；另一方面通过多个第三穿透孔及槽体封堵条的设置，提高导向杆移动的方向精确度。
19.在进一步优选方案中，所述固化剂收容槽、第三穿透孔及槽体封堵条皆设置有四个，且四个固化剂收容槽、第三穿透孔及槽体封堵条皆沿第二穿透孔的周缘方向间隔排布。
20.上述方案的效果在于：即四个固化剂收容槽在第二穿透孔周缘方向360度上每隔90度设置其中一个，而样品固化剂分别从这四个固化剂收容槽中在排出，而后与其附近的样品混合物相融合，此处需要注意的是，钻杆在驱动源的驱动下是不断旋转前进的，而第二封堵机构则由于转动轴承的存在不会随着钻杆转动，故样品混合物在第二穿透孔内将不断被搅动，在这种情况下，样品固化剂将与样品混合物充分融合，直至样品固化剂的效果充分发挥。
21.在进一步优选方案中，所述钻井取芯一体化装置还包括：伽马探测器，所述伽马探测器设置于所述钻杆内，用于将探测到的伽马射线转换成电脉冲信号。
22.上述方案的效果在于：在取芯过程中测量样品混合物散发的辐射，并将探测到的伽马射线转换成电脉冲信号，配合电缆可以有效进行地层部分信息的实时测量。
23.在进一步优选方案中，所述伽马探测器与钻杆第二端之间的距离大于伽马探测器与钻杆第一端之间的距离。
24.上述方案的效果在于：将伽马探测器设置在距离钻头较近的位置，可以在样品混合物尚未发生变化(与样品固化剂产生反应)或者尚未彻底发生变化之间，探测到更为准确的伽马射线。
25.在进一步优选方案中，所述钻井取芯一体化装置还包括：电阻率测量仪，所述电阻率测量仪设置于所述钻杆内，用于测量样品混合物的电阻率。
26.上述方案的效果在于：在取芯过程中测量样品混合物的电阻率，配合电缆可以有效进行地层部分信息的实时测量。
27.在进一步优选方案中，所述电阻率测量仪与钻杆第二端之间的距离大于电阻率测量仪与钻杆第一端之间的距离。
28.上述方案的效果在于：将电阻率测量仪设置在距离钻头较近的位置，可以在样品混合物尚未发生变化(与样品固化剂产生反应)或者尚未彻底发生变化之间，探测到更为准确的电阻率数据。
29.在进一步优选方案中，所述钻井取芯一体化装置还包括：伽马探测器，所述伽马探测器设置于所述钻杆内，用于将探测到的伽马射线转换成电脉冲信号；所述钻井取芯一体化装置还包括：电阻率测量仪，所述电阻率测量仪设置于所述钻杆内，用于测量样品混合物的电阻率；所述电阻率测量仪与钻头之间的距离小于所述伽马探测器与钻头之间的距离。
30.上述方案的效果在于：与伽马探测器相比，电阻率测量仪对于样品混合物是否含有液体更为敏感，故本实用新型采用上述设置，可以尽可能提高电阻率的测量结果准确性。
31.一种钻井取芯系统，其包括如上所述的钻井取芯一体化装置。由于所述钻井取芯系统包括上述钻井取芯一体化装置的所有技术特征，故所述钻井取芯系统亦包括上述钻井取芯一体化装置的所有技术效果，不再赘述。
32.与现有技术相比，本实用新型提供的钻井取芯一体化装置，包括：钻杆、钻头、第一封堵机构及第二封堵机构，所述钻头开设有第一穿透孔，所述钻杆开设有第二穿透孔及固化剂收容槽。在钻井模式下，第一穿透孔被第一封堵机构堵死，以防止井液及被打碎的岩心进入钻杆及钻头内部；而在取芯模式下，第一穿透孔开启，井液、破碎的岩心及呈圆柱形的完整岩心混合穿过第一穿透孔进入第二穿透孔，并随着钻井取芯一体化装置的持续前进，进入第二穿透孔的混合物不断推动第二封堵机构向着背离钻头的方向移动，在这个过程中，固化剂收容槽被打开并与第二穿透孔连通，其中收容的样品固化剂不断进入第二穿透孔与混合物相融，与井液中的水分反应使混合物逐渐固化，并在重新进入钻井模式后使上述动态过程终止并将固化后的取芯样品暂时留存在第二穿透孔内；一方面尽可能的保留了取芯过程中的所有地层物质，提高了根据样品得到分析结果的准确性；另一方面整个过程无需进行钻头及取芯钻具更换，且取芯模式下亦不影响钻井工作，无需利用绳索取出样品。
附图说明
33.图1是2021221517155所公开新型组合式页岩气勘探用大口径提钻取芯钻具的结构示意图。
34.图2是2021214691566所公开绳索取芯扩孔钻具的结构示意图。
35.图3是2021106348530所公开定向连续反循环取芯组合钻具的结构示意图。
36.图4是本实用新型中钻井取芯一体化装置第一视角的结构示意图。
37.图5是本实用新型中钻井取芯一体化装置第二视角的结构示意图。
38.图6是本实用新型钻井取芯一体化装置中第二封堵机构的结构示意图。
39.图7是本实用新型钻井取芯一体化装置中固化剂收容槽与槽体封堵条的位置关系示意图。
40.图8是本实用新型钻井取芯一体化装置中内套筒的结构示意图。
41.图9是本实用新型钻井取芯一体化装置中钻杆与伽马探测器及电阻率测量仪的位置关系示意图。
具体实施方式
42.本实用新型提供了一种钻井取芯一体化装置及钻井取芯系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。
43.本实用新型提供了一种钻井取芯一体化装置，其包括：包括：钻头100及钻杆200，如图4及图5所示；钻头100即钻井过程中破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头100破碎岩石而形成的；钻杆200则是指钻井过程中连接钻头100，用以传递动力的杆件；钻头100和钻杆200原本的结构、驱动方式、选型等等属于现有技术，本实用新型对此不做过多介绍。需要注意的是，本实用新型所采用的钻头100及钻杆200皆在中部开设有穿透孔，这是本实用新型的主要改进点之一，亦是本实用新型技术方案实现最基础的改进点，两个穿透孔分别为第一穿透孔110(如图4所示)及第二穿透孔210(如图5所示，因端盖位于第二穿透孔210的中部，故图5所示结构中第二穿透孔210并未被完全封死)，其中第一穿透孔110是钻井取芯一体化装置模式切换的核心结构，第二穿透孔210则是取芯后样品存储的主要位置。
44.具体地，本实用新型中的钻井取芯一体化装置提供了两种模式，分别为钻井模式及取芯模式，其中钻井模式下，第一穿透孔110被封堵，任何物质都不会进入第二穿透孔210；取芯模式下，第一穿透孔110被打开，钻井取芯一体化装置前进过程中所有能够穿过第一穿透孔110的物质皆会被收容在第二穿透孔210内，主要物质按照形态有气体、液体及固体三类，这三类物质对于分析地层成分、状况皆有十分重要的作用，但传统模式下的取芯方法，气体会散逸、液体会流走或被冲淡，仅有固体留存，故最终的分析结果往往会出现偏差，导致在采油过程中突发状况不断，在本实用新型中则不同，气体进入第二穿透孔210无法散逸，将会在混合物固化过程中被留存在固化后的样品内；液体中的部分(主要是水)与样品固化剂(可以选择使用水泥固化剂等现有固化剂，本实用新型对此不作具体限定)反应，其具体成分一部分可以根据样品逆推另一部分可以直接测量；固体则得到完整的有效保留(即使是固体，传统的采样方式亦无法完全留存，只有保存相对完整或不够完整的程序差别)；对于分析结果准确性的提升影响极大。
45.所述钻头100的中部开设有第一穿透孔110，所述钻杆200开设有第二穿透孔210及固化剂收容槽221(如图7及图8所示)，所述固化剂收容槽221用于收纳样品固化剂，所述第一穿透孔110与所述第二穿透孔210相连通；所述钻井取芯一体化装置还包括：第一封堵机构(采用现有取芯钻具封堵机构即可，本实用新型未进行赘述及图示)及第二封堵机构300(如图4及图5所示)，所述第一封堵机构用于封堵或打开第一穿透孔110以使钻井取芯一体化装置在钻井模式及取芯模式之间切换，所述第二封堵机构300用于在取芯时受压向着背离第一穿透孔110的方向移动以逐渐开启固化剂收容槽221，使固化剂收容槽221内的样品固化剂流入第二穿透孔210。
46.可以理解的是，在钻井模式下，第一穿透孔110被第一封堵机构堵死，以防止井液及被打碎的岩心进入钻杆200及钻头100内部；而在取芯模式下，第一穿透孔110开启，井液、破碎的岩心及呈圆柱形的完整岩心混合穿过第一穿透孔110进入第二穿透孔210，并随着钻井取芯一体化装置的持续前进，进入第二穿透孔210的混合物不断推动第二封堵机构300向着背离钻头100的方向移动，在这个过程中，固化剂收容槽221被打开并与第二穿透孔210连通，其中收容的样品固化剂不断进入第二穿透孔210与混合物相融，与井液中的水分反应使
混合物逐渐固化，并在重新进入钻井模式后使上述动态过程终止并将固化后的取芯样品暂时留存在第二穿透孔210内；一方面尽可能的保留了取芯过程中的所有地层物质，提高了根据样品得到分析结果的准确性；另一方面整个过程无需进行钻头100及取芯钻具更换，且取芯模式下亦不影响钻井工作，无需利用绳索取出样品。
47.具体地，所述第一封堵机构可以使用现有的取芯钻具封堵机构即可，对于具体结构，本实用新型不作具体限定。而第二封堵机构300包括：导向杆310、压缩弹簧320及密封盖330，如图6所示；所述密封盖330通过转动轴承设置在所述第二穿透孔210背离第一穿透孔110一端内侧，所述导向杆310第一端贯穿密封盖330设置，且第二端设置有外径与第二穿透孔210内径相适配的端盖，所述压缩弹簧320套设在导向杆310的中部外缘，一端与所述端盖相抵接，另一端与密封盖330相抵接。本实用新型通过压缩弹簧320的设置，一方面使得进入第二穿透孔210的混合物受阻能够在压缩弹簧320的阻力与钻进取芯一体化装置前进带来的外部推进力之间压缩，能够更快的固化，并使固化后的混合物较为紧实，以利于圆柱形岩心样品的形成；另一方面使得钻井取芯工作完成后，取出样品时，在第一封堵机构不再封堵第一穿透孔110的情况下，能够借助压缩弹簧320复位产生的推动力，更易取出。
48.进一步地，所述固化剂收容槽221设置有多个，所述密封盖330开设有多个第三穿透孔，所述第二封堵机构300还包括：多个槽体封堵条340(如图6及图7所示)，所述槽体封堵条340一一对应封堵于所述固化剂收容槽221，且一一对应贯穿所述第三穿透孔设置。多个固化剂收容槽221、第三穿透孔及槽体封堵条340的设置，一方面通过多个固化剂收容槽221增加样品固化剂的排出位置增加样品固化剂与样品混合物的融合位置，提高样品混合物的固化效率及效果；另一方面通过多个第三穿透孔及槽体封堵条340的设置，提高导向杆310移动的方向精确度。
49.具体地，所述钻杆包括内套筒220(如图7及图8)，所述固化剂收容槽221开设于所述内套筒220内壁，如图7所示。可以理解的是，图7只为示出固化剂收容槽221与槽体封堵条340的位置关系，并不代表二者比例必须依图设置，具体的尺寸本领域技术人员可进行适应性调整及选择。
50.在具体实施时，所述固化剂收容槽221、第三穿透孔及槽体封堵条340皆设置有四个，且四个固化剂收容槽221、第三穿透孔及槽体封堵条340沿第二穿透孔210的周缘方向间隔排布，以进一步提高上段所述的两个效果。即四个固化剂收容槽221在第二穿透孔210周缘方向360度上每隔90度设置其中一个，而样品固化剂分别从这四个固化剂收容槽221中在排出，而后与其附近的样品混合物相融合，此处需要注意的是，钻杆200在驱动源的驱动下是不断旋转前进的，而第二封堵机构300则由于转动轴承的存在不会随着钻杆200转动，故样品混合物在第二穿透孔210内将不断被搅动，在这种情况下，样品固化剂将与样品混合物充分融合，直至样品固化剂的效果充分发挥。需要注意的是，本实用新型并不需要将样品混合物完全固化，故此并不需要确定精确地样品固化剂剂量，只要能够将一部分液体固化即可改善现有技术的情况，提高分析结果准确度，而且本实用新型宣称的是改善现有技术的问题，并非完全解决。当然，只要将样品固化剂的排出量及速度最大化，可以做到液体完全固化的效果，但具体如何实施，本实用新型不做具体限定。
51.根据本实用新型地另一方面，所述钻井取芯一体化装置还包括：伽马探测器400(如图5及图9所示)，所述伽马探测器400设置于所述钻杆200内，用于将探测到的伽马射线
转换成电脉冲信号。在取芯过程中测量样品混合物散发的辐射，并将探测到的伽马射线转换成电脉冲信号，配合电缆可以有效进行地层部分信息的实时测量。
52.较佳地是，所述伽马探测器400与钻杆200第二端之间的距离大于伽马探测器400与钻杆200第一端之间的距离。将伽马探测器400设置在距离钻头100较近的位置，可以在样品混合物尚未发生变化(与样品固化剂产生反应)或者尚未彻底发生变化之间，探测到更为准确的伽马射线。
53.根据本实用新型地另一方面，所述钻井取芯一体化装置还包括：电阻率测量仪500(如图5及图9所示)，所述电阻率测量仪500设置于所述钻杆200内，用于测量样品混合物的电阻率。在取芯过程中测量样品混合物的电阻率，配合电缆可以有效进行地层部分信息的实时测量。
54.优选所述电阻率测量仪500与钻杆200第二端之间的距离大于电阻率测量仪500与钻杆200第一端之间的距离。基于和伽马探测器400相同的理由，本实用新型将电阻率测量仪500设置在距离钻头100较近的位置，可以在样品混合物尚未发生变化(与样品固化剂产生反应)或者尚未彻底发生变化之间，探测到更为准确的电阻率数据。
55.更为具体的是，所述电阻率测量仪500与钻头100之间的距离小于所述伽马探测器400与钻头100之间的距离，与伽马探测器400相比，电阻率测量仪500对于样品混合物是否含有液体更为敏感，故本实用新型为尽可能提高电阻率的测量结果准确性，将所述电阻率测量仪500设置在所述钻杆200的端部，尽可能靠近钻头100。
56.本实用新型还提供了一种钻井取芯系统，其包括如上所述的钻井取芯一体化装置。由于所述钻井取芯系统包括上述钻井取芯一体化装置的所有技术特征，故所述钻井取芯系统亦包括上述钻井取芯一体化装置的所有技术效果，不再赘述。
57.应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。