一种岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具的制作方法

1.本实用新型涉及钻井工程水平井钻进取心技术领域技术领域，特别是涉及一种岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具。


背景技术：

2.取心钻进是以获取岩矿心为目的的钻进方法与过程，是钻井工程的重要组成部分。在油气勘探钻井(包括常规石油天然气、页岩气、天然气水合物等)、地热钻井、干热岩钻井等，水平井取心钻进都是一种至关重要的工艺方法，通过水平井取心可以显著提高地层评价及相关地质信息采集的准确度，为直接调查矿藏岩相和储层非均质性的横向变化提供原始地层资料，对矿物及油气藏勘探和开发具有重大意义。取心钻具是水平井取心钻进过程中最重要的一环，其性能的优劣直接影响取心钻进的效果。
3.水平井取心相较常规取心技术难度大，目前应用比较广泛的双管单动取心钻具，在水平井取心钻进过程中钻具在重力作用下弯曲贴向井壁，同时岩心管也会因重力弯曲在高速回转中难以保持良好的同轴度，岩心进入岩心管后增加岩心管总重量，岩心管弯曲度增大贴向钻具外管内壁，由于接触摩擦力作用，岩心管连带岩心会在外管的高速转动下连带转动，双管单动钻具外管单动作用失效。岩心管弯曲后的非同轴转动会使入管的岩心产生径向摆动、错位，进而沿着裂隙碎裂成块，取心钻进中大大增加了堵心和磨耗岩心的风险，影响岩心采取率和岩心实物资料的原状性。如果钻具设计中增加钻具岩心管的内扶正机构，则会增加钻具的整体结构强度和刚性，影响钻具在入井时井眼内的通过性，尤其钻具在通过水平井大曲率半径造斜井段时阻卡风险增大。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具，以解决上述现有技术存在的问题，提高水平井取心钻进效率、岩心采取率和岩心原状性，并能够保证钻具在造斜段拐点的通过性。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
6.本实用新型提供一种岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具，包括钻具外总成和钻具内总成，所述钻具内总成转动连接于所述钻具外总成内，所述钻具内总成包括压差驱动装置、岩心管和岩心管扶正器，所述岩心管扶正器转动连接在所述岩心管外侧壁上，
7.所述压差驱动装置包括转动支撑于所述钻具外总成内的支撑部、与所述支撑部活动连接且能够轴向移动的活动部和弹性复位装置，所述支撑部下端与所述岩心管上端固定连接，所述活动部通过所述弹性复位装置悬挂于所述支撑部上，在钻井液压力推动作用下，所述活动部能够沿所述岩心管轴向下行驱动所述岩心管扶正器旋转打开支撑于所述钻具外总成内壁上并限定所述岩心管与所述钻具外总成的径向相对位置，且所述岩心管扶正器能够绕所述岩心管的轴线相对转动于所述钻具外总成内腔中；钻井液压力去除后，所述活
动部能够在所述弹性复位装置的作用下沿所述岩心管轴向上行并驱动所述岩心管扶正器旋转收紧于所述岩心管外侧壁上。
8.优选的，所述支撑部包括心轴和悬挂套，所述活动部包括悬挂轴、压套和伸缩板，所述弹性复位装置包括第一弹性元件和第二弹性元件，
9.所述悬挂套上端与所述心轴下端周向相对固定连接，所述悬挂套下端与所述岩心管上端固定连接，所述悬挂套内腔上下两端分别连通所述心轴内腔和所述岩心管内腔；
10.所述悬挂轴上端通过所述第一弹性元件滑动支撑于所述心轴内腔下端的内腔台阶上，所述第一弹性元件能够为所述悬挂轴提供轴向向上的弹力，所述悬挂轴下端滑动延伸至所述悬挂套内腔，所述悬挂轴的内腔上下两端分别连通所述心轴内腔和所述悬挂套内腔，所述心轴内腔的直径大于所述悬挂轴内腔的直径，钻井液从所述心轴内腔流入所述悬挂轴内腔会产生压差推动所述悬挂轴下行；
11.所述压套上端通过所述第二弹性元件滑动套设并支撑于所述悬挂套下端，所述第二弹性元件能够为所述压套提供轴向向上的弹力，所述压套下端滑动套设于所述岩心管上端；所述悬挂轴外侧壁上固定设有推块，所述悬挂套侧壁上设有轴向延伸的悬挂套水口槽，所述推块滑动设置于所述悬挂套水口槽内，所述悬挂轴下行压缩所述第一弹性元件时，所述推块能够推动所述压套下行并压缩所述第二弹性元件；
12.所述岩心管外侧壁上设有至少三个轴向延伸的导向槽，各所述导向槽内均滑动连接有一个所述伸缩板，各所述伸缩板上端均与所述压套下端轴向相对固定连接，所述压套下行能够推动各所述伸缩板下行，各所述导向槽内均转动连接有至少一个与所述伸缩板传动连接的所述岩心管扶正器，各所述岩心管扶正器沿所述岩心管轴向间隔分布，所述伸缩板下行能够驱动各所述岩心管扶正器旋转打开支撑于所述钻具外总成内壁上；钻井液压力去除后，在所述第一弹性元件和所述第二弹性元件的弹力作用下，所述压套能够上行并带动所述伸缩板上行，所述伸缩板上行能够驱动所述岩心管扶正器旋转收紧于所述导向槽内。
13.优选的，所述悬挂轴侧壁上设有悬挂轴水眼，所述悬挂轴下行时，所述悬挂轴水眼能够与所述悬挂套水口槽连通并通过所述悬挂套水口槽连通所述钻具外总成和所述钻具内总成之间的环空间隙。
14.优选的，所述钻具外总成包括依次螺纹固定连接的上接头、心轴外壳、悬挂套外壳、外管、外管扶正器和钻头，所述心轴转动连接在所述心轴外壳内，所述悬挂套转动连接在所述悬挂套外壳内，所述岩心管设置于所述外管内并能够相对于所述外管转动，所述岩心管下端与岩心管短接管上端螺纹固定连接，所述岩心管短接管下端与岩心卡簧座上端螺纹固定连接，所述岩心卡簧座外周套设有钻头内置扶正环，所述钻头内置扶正环固定设置于所述钻头内腔内，所述岩心卡簧座内腔设有岩心卡簧。
15.优选的，所述心轴侧壁上设有心轴水眼，所述悬挂轴下行时，所述心轴水眼能够连通所述心轴内腔与所述钻具外总成和所述钻具内总成之间的环空间隙。
16.优选的，所述心轴下端与所述悬挂套上端通过花键连接，所述悬挂套下端通过岩心管接头与所述岩心管上端固定连接。
17.优选的，所述第一弹性元件和所述第二弹性元件均为弹簧。
18.优选的，所述导向槽上下两端均转动连接有一个所述岩心管扶正器，所述岩心管
扶正器上设有从动齿牙，所述伸缩板上设有与所述从动齿牙传动连接的主动齿牙。
19.优选的，所述岩心管扶正器上转动连接有滚柱，所述岩心管扶正器旋转打开后通过所述滚柱支撑于所述钻具外总成内壁上，所述钻具外总成旋转能够带动所述滚柱自转。
20.优选的，各所述导向槽沿所述岩心管周向均匀分布。
21.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
22.本实用新型提供的岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具，在取心钻进时，钻井液开始循环，钻井液从钻具的中心通道流入，能够推动活动部沿岩心管轴向下行，活动部下行能够驱动岩心管扶正器旋转打开支撑于钻具外总成内壁，并通过岩心管扶正器限定岩心管与钻具外总成的径向相对位置，且岩心管扶正器能够绕岩心管的轴线相对转动于钻具外总成内腔中，岩心管与钻具外总成周向能够相对转动，钻具外总成回转不会连带带动岩心管转动，从而实现了钻具外总成回转钻具内总成不动的目的，避免了因岩心管弯曲接触钻具外总成内壁发生非同轴转动而导致岩心产生径向摆动、错位，进而沿裂隙碎裂成块的发生，从而消除了堵心和磨耗岩心的风险，提高了取心钻进效率、岩心采取率和岩心原状性；下钻及提钻过程中钻井液未循环时，活动部能够在弹性复位装置的作用下沿岩心管轴向上行并驱动岩心管扶正器旋转收紧于岩心管外侧壁上，岩心管扶正器对岩心管和钻具外总成未形成支撑作用，钻具刚性减小，钻具外总成壁管和岩心管可发生一定的弯曲变形，从而在取芯钻具通过水平井造斜段时具有良好的通过性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本实用新型实施例中的岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具的结构示意图；
25.图2为图1中岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具中的ⅰ部分的局部放大图；
26.图3为图1中岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具中的ⅱ部分的局部放大图；
27.图4为本实用新型实施例中的心轴的结构示意图；
28.图5为图4中心轴的a-a剖视图；
29.图6为图4中心轴的b-b剖视图；
30.图7为本实用新型实施例中的悬挂轴的结构示意图；
31.图8为图7中悬挂轴的c-c剖视图；
32.图9为图7中悬挂轴的d-d剖视图；
33.图10为本实用新型实施例中的悬挂套的结构示意图；
34.图11为图10中悬挂套的e-e剖视图；
35.图12为图10中悬挂套的f-f剖视图；
36.图13为本实用新型实施例中的压套的结构示意图；
37.图14为本实用新型实施例中的岩心管的剖面示意图；
38.图15为图14中岩心管的g-g剖视图；
39.图16为图14中岩心管的h-h剖视图；
40.图17为本实用新型实施例中的伸缩板的结构示意图；
41.图18为图17中伸缩板的k-k剖视图；
42.图19为本实用新型实施例中的岩心管扶正器的剖面示意图；
43.图20为本实用新型实施例中的压套与伸缩板的连接结构示意图；
44.图中：100-岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具、1-钻具外总成、2-钻具内总成、3-心轴、4-悬挂轴、5-悬挂套、6-压套、7-岩心管、8-伸缩板、9-岩心管扶正器、10-第一弹性元件、11-内腔台阶、12-导向槽、13-第二弹性元件、14-推块、15-悬挂套水口槽、16-悬挂轴水眼、17-上接头、18-心轴外壳、19-悬挂套外壳、20-外管、21-外管扶正器、22-钻头、23-岩心管短接管、24-岩心卡簧座、25-钻头内置扶正环、26-岩心卡簧、27-心轴水眼、28-岩心管接头、29-从动齿牙、30-主动齿牙、31-滚柱、32-限位块、33-旋转轴、34-卡凸、35-卡槽。
具体实施方式
45.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
46.本实用新型的目的是提供一种岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具，以解决现有技术存在的问题，提高水平井取心钻进效率、岩心采取率和岩心原状性，并能够保证钻具在造斜段拐点的通过性，而且，不需要投球，能够对岩心管进行润滑和清渣，避免岩心损耗。
47.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
48.如图1所示，本实施例提供一种岩心管扶正机构可自动收放的水平井取心钻具100，包括钻具外总成1和钻具内总成2，钻具内总成2转动连接于钻具外总成1内，钻具内总成2包括压差驱动装置、岩心管7和岩心管扶正器9，岩心管扶正器9转动连接在岩心管7外侧壁上，
49.压差驱动装置包括转动支撑于钻具外总成2内的支撑部、与支撑部活动连接且能够轴向移动的活动部和弹性复位装置，支撑部下端与岩心管7上端固定连接，活动部通过弹性复位装置悬挂于支撑部上，在钻井液压力推动作用下，活动部能够沿岩心管7轴向下行驱动岩心管扶正器9旋转打开支撑于钻具外总成1内壁上并限定岩心管7与钻具外总成1的径向相对位置，且岩心管扶正器9能够绕岩心管7的轴线相对转动于钻具外总成1内腔中；钻井液压力去除后，活动部能够在弹性复位装置的作用下沿岩心管7轴向上行并驱动岩心管扶正器9旋转收紧于岩心管7外侧壁上。
50.在取心钻进时，钻井液开始循环，钻井液从钻具的中心通道流入，能够推动活动部沿岩心管7轴向下行，活动部下行能够驱动岩心管扶正器9旋转打开支撑于钻具外总成1内壁，并通过岩心管扶正器9限定岩心管7与钻具外总成1的径向相对位置，且岩心管扶正器9
能够绕岩心管7的轴线相对转动于钻具外总成1内腔中，岩心管7与钻具外总成1周向能够相对转动，钻具外总成1回转不会连带带动岩心管7转动，从而实现了钻具外总成1回转钻具内总成2不动的目的，避免了因岩心管弯曲接触钻具外总成内壁发生非同轴转动而导致岩心产生径向摆动、错位，进而沿裂隙碎裂成块的发生，从而消除了堵心和磨耗岩心的风险，提高了取心钻进效率、岩心采取率和岩心原状性；下钻及提钻过程中钻井液未循环时，活动部能够在弹性复位装置的作用下沿岩心管7轴向上行并驱动岩心管扶正器9旋转收紧于岩心管7外侧壁上，岩心管扶正器9对岩心管7和钻具外总成1未形成支撑作用，钻具刚性减小，钻具外总成1壁管和岩心管7可发生一定的弯曲变形，从而在取芯钻具通过水平井造斜段时具有良好的通过性。
51.如图1～19所示，支撑部包括心轴3和悬挂套5，活动部包括悬挂轴4、压套6和伸缩板8，弹性复位装置包括第一弹性元件10和第二弹性元件13，
52.悬挂套5上端与心轴3下端周向相对固定连接，悬挂套5下端与岩心管7上端固定连接，悬挂套5内腔上下两端分别连通心轴3内腔和岩心管7内腔；
53.悬挂轴4上端通过第一弹性元件10滑动支撑于心轴3内腔下端的内腔台阶11上，第一弹性元件10能够为悬挂轴4提供轴向向上的弹力，悬挂轴4下端滑动延伸至悬挂套5内腔，悬挂轴4的内腔上下两端分别连通心轴3内腔和悬挂套5内腔，心轴3内腔的直径大于悬挂轴4内腔的直径，钻井液从心轴3内腔流入悬挂轴4内腔会产生压差推动悬挂轴4下行；
54.压套6上端通过第二弹性元件13滑动套设并支撑于悬挂套5下端，第二弹性元件13能够为压套6提供轴向向上的弹力，压套6下端滑动套设于岩心管7上端；悬挂轴4外侧壁上固定设有推块14，悬挂套5侧壁上设有轴向延伸的悬挂套水口槽15，推块14滑动设置于悬挂套水口槽15内，悬挂轴4下行压缩第一弹性元件10时，推块14能够推动压套6下行并压缩第二弹性元件13；
55.岩心管7外侧壁上设有至少三个轴向延伸的导向槽12，各导向槽12内均滑动连接有一个伸缩板8，各伸缩板8上端均与压套6下端轴向相对固定连接，压套6下行能够推动各伸缩板8下行，各导向槽12内均转动连接有至少一个与伸缩板8传动连接的岩心管扶正器9，各岩心管扶正器9沿岩心管7轴向间隔分布，伸缩板8下行能够驱动各岩心管扶正器9旋转打开支撑于钻具外总成1内壁上；钻井液压力去除后，在第一弹性元件10和第二弹性元件13的弹力作用下，压套6能够上行并带动伸缩板8上行，伸缩板8上行能够驱动岩心管扶正器9旋转收紧于导向槽12内。
56.在取心钻进时，钻井液开始循环，钻井液从钻具的中心通道流入，在从心轴3内腔流经至悬挂轴4上端面时，由于心轴3内腔的直径大于悬挂轴4内腔的直径，流道变径处产生一定压差，在压差作用下，推动悬挂轴4下行并压缩第一弹性元件10，悬挂轴4下行时，推块14推动压套6下行并压缩第二弹性元件13，压套6下行推动各伸缩板8下行，从而驱动各岩心管扶正器9旋转打开支撑于钻具外总成1内壁上，将岩心管7限定于钻具外总成1内腔中心，由于各岩心管扶正器9能够绕岩心管7的轴线转动于钻具外总成1内腔中，岩心管7与钻具外总成1周向能够相对转动，钻具外总成1回转不会连带带动岩心管7转动，从而实现了钻具外总成1回转钻具内总成2不动的目的，避免了因岩心管7弯曲接触钻具外总成1内壁发生非同轴转动而导致岩心产生径向摆动、错位，进而沿裂隙碎裂成块的发生，从而消除了堵心和磨耗岩心的风险，提高了取心钻进效率、岩心采取率和岩心原状性；下钻及提钻过程中钻井液
未循环时，悬挂轴4上端面不存在压差，在第一弹性元件10和第二弹性元件13的弹力作用下，压套6能够上行并带动伸缩板8上行，伸缩板8上行驱动岩心管扶正器9收紧于导向槽12内，对岩心管7和钻具外总成1未形成支撑作用，钻具刚度减小，钻具外总成1壁管和岩心管7可发生一定的弯曲变形，从而在取芯钻具通过水平井造斜段时具有良好的通过性。其中，导向槽12两侧壁上端均间隔设有多个限位块32，各限位块32沿岩心管7轴向延伸设置，各限位块32能够对伸缩板8径向限位，使伸缩板8不会从导向槽12向外脱出；如图20所示，各伸缩板8上端均设有卡凸34，压套6下端设有与各卡凸34相配合的多个卡槽35，通过卡凸34和卡槽35配合连接将压套6与伸缩板8进行轴向相对固定。
57.如图7～11所示，本实施例中，悬挂轴4侧壁上设有悬挂轴水眼16，悬挂轴4下行时，悬挂轴水眼16能够与悬挂套水口槽15连通并通过悬挂套水口槽15连通钻具外总成1和钻具内总成2之间的环空间隙。其中，悬挂轴4侧壁上设有多个悬挂轴水眼16，多个悬挂轴水眼16沿悬挂轴4周向均匀分布，在悬挂套5侧壁上设有与各悬挂轴水眼16相对应的多个悬挂套水口槽15，钻井液在通过心轴3内腔流入至悬挂轴4内腔后，通过对悬挂轴水眼16的直径控制(水眼直径小过流量小，水眼直径大过流量大)，使大部分钻井液通过悬挂轴水眼16和悬挂套水口槽15流入至钻具外总成1和钻具内总成2之间的环空间隙，只有少量钻井液通过悬挂轴4的中心通道流入岩心管7内，起到润滑岩心管7内壁并冲洗岩心管7内壁间隙部分岩渣的作用，有利于岩心顺利入管，同时，避免了大量钻井液流入流入岩心管7冲刷损耗岩心。
58.如图1所示，本实施例中，钻具外总成1包括依次螺纹固定连接的上接头17、心轴外壳18、悬挂套外壳19、外管20、外管扶正器21和钻头22，心轴3转动连接在心轴外壳18内，悬挂套5转动连接在悬挂套外壳19内，岩心管7设置于外管20内并能够相对于外管20转动，岩心管7下端与岩心管短接管23上端螺纹固定连接，岩心管短接管23下端与岩心卡簧座24上端螺纹固定连接，岩心卡簧座24外周套设有钻头内置扶正环25，钻头内置扶正环25固定设置于钻头22内腔内，岩心卡簧座24内腔设有岩心卡簧26。其中，心轴3通过推力轴承转动连接在心轴外壳18内，悬挂套5通过推力轴承转动连接在悬挂套外壳19内，通过钻头内置扶正环25将岩心卡簧座24扶正于钻头22内，岩心卡簧26外表面与岩心卡簧座24内表面为锥面配合，取心钻进时，岩心卡簧26被岩心顶到岩心卡簧座24上部，岩心不断进入岩心管；提钻时，岩心卡簧座24随钻具上移，当其锥面与岩心卡簧26接触时，迫使岩心卡簧26抱紧岩心，在提拉时可在根部卡断岩心。
59.如图4～5所示，本实施例中，心轴3侧壁上设有心轴水眼27，悬挂轴4下行时，心轴水眼27能够连通心轴3内腔与钻具外总成1和钻具内总成2之间的环空间隙。通过对心轴水眼27的直径控制，使少量钻井液可通过心轴水眼27流入心轴3与心轴外壳18之间间隙中，能够对设置于心轴外壳18内的推力轴承进行润滑，之后，钻井液通过心轴外壳18下端设置的水眼流入至悬挂套5和悬挂套外壳19之间的间隙中，对设置于悬挂套外壳19内的推力轴承进行润滑，之后，钻井液流入至钻具外总成1和钻具内总成2之间的环空间隙。
60.如图1、图6和图12所示，本实施例中，心轴3下端与悬挂套5上端通过花键连接，悬挂套5下端通过岩心管接头28与岩心管7上端固定连接，通过花键连接实现心轴3与悬挂套5的周向相对固定，周向连接更加稳定，其中，悬挂套5下端与岩心管接头28上端螺纹连接，并通过锁紧螺母和弹性垫圈锁紧悬挂套5和岩心管接头28，岩心管接头28下端与岩心管7上端螺纹固定连接，安装方便，连接紧固。
61.本实施例中，第一弹性元件10和第二弹性元件13均为弹簧，结构简单，安装方便。
62.如图1、图3和图19所示，本实施例中，导向槽12上下两端均转动连接有一个岩心管扶正器9，岩心管扶正器9上设有从动齿牙29，伸缩板8上设有与从动齿牙29传动连接的主动齿牙30。伸缩板8下行能够带动岩心管扶正器9绕旋转轴33逆时针转动与外管20内壁接触，导向槽12上下两端均设置岩心管扶正器9，使得岩心管扶正器9对岩心管7的扶正效果更好，使岩心管7整体均处于外管20中心位置。
63.如图3和图19所示，本实施例中，岩心管扶正器9上转动连接有滚柱31，岩心管扶正器9旋转打开后通过滚柱31支撑于钻具外总成1内壁上，钻具外总成1旋转能够带动滚柱31自转，消除钻具内总成2和钻具外总成1接触后的连带转动。
64.本实施例中，各导向槽12沿岩心管7周向均匀分布，导向槽12优选为三个，通过各导向槽12内的岩心管扶正器9对岩心管7进行扶正，效果更好，岩心管7扶正后更加稳定。
65.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。