一种地面井煤岩层保压快速取心装置的制作方法

1.本发明属于煤层气、岩层气等非常规天然气勘探开发及煤矿安全技术领域，具体涉及一种地面井煤岩层保压快速取心装置及方法。


背景技术：

2.煤岩层含气性考察是煤层气、岩层气等非常规天然气勘探开发的前提，也是非常规天然气开发后评价的主要工作；煤岩层含气量不仅是非常规天然气资源估算、产能预测和井网布置设计的重要依据，还表征矿井瓦斯灾害的危险程度。生产实践表明，采用常规取心及解吸法进行含气量测试，测试含气量由损失气量、解吸气量和残余气量三部分组成，其测试结果明显低于煤岩层中实际含气量。
3.采用常规方法取心时，使用敞开式煤岩取心管，煤岩心钻取后从井底上提至地面，以及在地面拆卸取心管并将煤岩心装入解吸罐的过程中，煤岩心长时间暴露，造成煤岩心所含气体大量逸散，而且后期通过拟合补偿的损失气量估算不准，从而导致煤岩层含气量测定结果偏差。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，本发明提供一种地面井煤岩层保压快速取心装置，解决现有技术存在的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种地面井煤岩层保压快速取心装置，包括取心外筒与取心内筒，所述取心外筒沿其轴向设置第一通孔，取心内筒套设于所述第一通孔内，所述取心外筒的轴向长度大于所述取心内筒，所述取心外筒一端连接钻头，其特征在于，所述地面井煤岩层保压快速取心装置还包括：
7.均设于取心外筒内部远离钻头一侧的活塞机构、第一密封阀与第二密封阀，所述活塞机构包括加压部与第一推动部，所述加压部包括连接筒、连接座与密封部，所述连接筒与所述取心外筒保持预设间隙设于所述取心外筒内部；
8.所述连接筒一端设置连接部，所述连接部沿其轴向设有第二通孔，所述连接座设于所述连接筒内，且连接座上设置一凸槽，所述凸槽突出连接座，且所述连接座通过凸槽与所述连接部连接，所述凸槽与所述第二通孔连通，所述凸槽上沿其径向设置第三通孔，所述第三通孔与所述预设间隙相通，所述连接座靠近凸槽的一侧与所述取心外筒密封连接，所述连接座远离凸槽的一侧套设第一推动部，所述第一推动部与取心外筒通过连杆连接；
9.所述第一密封阀设于所述取心内筒靠近连接座的一端，且所述第一密封阀与所述第一推动部之间保持预设距离；
10.所述第二密封阀设于所述取心内筒另一端，且所述第二密封阀通过第二推动部与所述钻头连接。
11.所述连接部包括依次连接的打捞颈与轴承座，所述打捞颈凸出所述取心外筒，所
述第二通孔设于所述打捞颈内，所述轴承座包括内套筒与外套筒，所述第二通孔与所述内套筒相通，所述外套筒与所述连接筒连接，所述凸槽与所述内套筒连接，所述连接座靠近凸槽的一侧上套设有密封圈。
12.所述连接座上沿其径向还设有第四通孔，所述第四通孔与所述凸槽相通，且所述第四通孔与所述第一推动部和取心外筒之间的间隙相通，所述第四通孔与第三通孔之间设置封堵球。
13.所述钻头上沿其轴向设置至少一个第五通孔，所述第五通孔与所述第一通孔相通。
14.所述第一密封阀为解析阀，包括阀体、旋钮与触碰版；
15.所述阀体与所述取心内筒相通，所述连接筒的桶壁上设置第六通孔，所述旋钮设于所述第六通孔内且与所述阀体相通，所述触碰版设于所述第六通孔所在的桶壁上，所述触碰版与所述旋钮之间的直线距离小于所述预设距离。
16.所述第二密封阀为密封球阀，包括密封阀体、两个球阀旋钮，所述密封阀体设于所述取心内筒的一端并与所述取心内筒相通，所述第二推动部套设于所述密封阀体上，所述球阀旋钮分别设于所述密封阀体的两侧并与所述第二推动部相通。
17.所述取心内筒内部沿其径向还设置卡簧。
18.所述打捞颈的外周上设置定位卡扣，所述取心外筒对应的内壁上设置卡槽，所述卡扣与卡槽相匹配。
19.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
20.(ⅰ)本发明的地面井煤岩层保压快速取心装置，通过在取心外筒内部设置活塞机构，在取心过程中通过向活塞机构的加压部能够向第一推动部提供动力，使第一推动部与第二推动部受力运动，分别推动第一密封阀门与第二密封阀门关闭，将取心内筒两端密封，防止了取心内筒中的煤岩心在空气中暴露，具体的，通过连接部上设置的第二通孔注入流体，流体经过第二通孔流入凸槽中，并能够通过第三通孔进入连接筒与所述取心外筒的预设间隙中，通过连接座靠近凸槽的一侧与所述取心外筒密封连接，当流体充满预设间隙后，取心外筒内的压强增大，产生向下的推力，第一推动部收到该推力后，随着推力的逐渐增强，能够将连杆冲断，第一推动部在推力的作用下向下运动与第一密封阀接触，推动第一密封阀关闭，推力沿取心内筒向下传递，第二推动部在推力作用下向下运动与第二密封阀接触，推动第二密封阀关闭，实现了取心内容两端密封的目的，本发明的保压快速取心装置，结构紧凑，能够在取心过程中快速的将取心内筒两端进行保压密封处理，有效的防止了煤岩心与外部接触，其所含气体大量逸散，导致的煤岩心含气量测试结果不准确的问题，提高了煤岩心含气量测试的精确度。
附图说明
21.图1是本发明的保压快速取心装置的整体结构示意图；
22.图2是本发明的活塞机构的结构示意图；
23.图3是本发明的连接座的结构示意图；
24.图4是本发明的捞矛头的结构示意图；
25.图5是本发明的链式震击器的结构示意图；
26.图6本发明的加重杆的结构示意图；
27.图7是本发明的取心装置在应用过程中的取心工艺流程图；
28.图8是本发明的取心装置的应用场景图。
29.图中各个标号的含义为：
30.1-取心外筒，2-取心内筒，3-钻头，4-活塞机构，5-第一密封阀，6-第二密封阀，7-第二推动部，8-封堵球，9-卡簧，10-定位卡扣，101-第一通孔，402-第一推动部，41-连接筒，42-连接座，44-连接部，45-第二通孔，46-凸槽，47-第三通孔，48-连杆，49-第六通孔，411-打捞颈，412-轴承座，421-密封圈，422-第四通孔，301-第五通孔，501-阀体，502-旋钮，503-触碰版，601-密封阀体，602-球阀旋钮，21-捞矛头上接口，22-捞矛头上短节，23-捞矛头剪销，24-抓手，25-震击器上接口，26-链式震击器，27-震击器下接口，28-加重杆上接口，29-加重杆杆体，30-加重杆下接口，11-井筒，12-保压快速取取心装置，13-钻杆，14-绞车，15-钻塔，16-转机，17-泥浆泵，18-泥浆池。
31.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
32.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
33.本文中所提及到的方向性术语，如“轴向”、“径向”、“上”、“下”均与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致。
34.实施例：
35.一种地面井煤岩层保压快速取心装置，包括取心外筒1与取心内筒2，所述取心外筒1沿其轴向设置第一通孔101，取心内筒2套设于所述第一通孔101内，所述取心外筒1的轴向长度大于所述取心内筒2，所述取心外筒1一端连接钻头3，所述地面井煤岩层保压快速取心装置还包括：均设于取心外筒1内部远离钻头3一侧的活塞机构4、第一密封阀5与第二密封阀6，所述活塞机构4包括加压部与第一推动部402，所述加压部包括连接筒41、连接座42与密封部，所述连接筒41与所述取心外筒1保持预设间隙设于所述取心外筒1内部；
36.所述连接筒41一端设置连接部44，所述连接部44沿其轴向设有第二通孔45，所述连接座42设于所述连接筒41内，且连接座42上设置一凸槽46，所述凸槽46突出连接座42，且所述连接座42通过凸槽46与所述连接部44连接，所述凸槽46与所述第二通孔45连通，所述凸槽46上沿其径向设置第三通孔47，所述第三通孔47与所述预设间隙相通，所述连接座42靠近凸槽46的一侧与所述取心外筒1密封连接，所述连接座42远离凸槽46的一侧套设第一推动部402，所述第一推动部402与取心外筒1通过连杆48连接；
37.所述第一密封阀5设于所述取心内筒2靠近连接座42的一端，且所述第一密封阀5与所述第一推动部402之间保持预设距离；
38.所述第二密封阀6设于所述取心内筒2另一端，且所述第二密封阀6通过第二推动部7与所述钻头3连接。
39.本发明的地面井煤岩层保压快速取心装置，通过在取心外筒内部设置活塞机构，在取心过程中通过向活塞机构的加压部能够向第一推动部提供动力，使第一推动部与第二推动部受力运动，分别推动第一密封阀门与第二密封阀门关闭，将取心内筒两端密封，防止
了取心内筒中的煤岩心在空气中暴露，具体的，通过连接部上设置的第二通孔注入流体，流体经过第二通孔流入凸槽中，并能够通过第三通孔进入连接筒41与所述取心外筒1的预设间隙中，通过连接座42靠近凸槽46的一侧与所述取心外筒1密封连接，当流体充满预设间隙后，取心外筒内的压强增大，产生向下的推力，第一推动部收到该推力后，随着推力的逐渐增强，能够将连杆48冲断，第一推动部在推力的作用下向下运动与第一密封阀接触，推动第一密封阀关闭，推力沿取心内筒向下传递，第二推动部7在推力作用下向下运动与第二密封阀接触，推动第二密封阀关闭，实现了取心内容两端密封的目的，本发明的保压快速取心装置，结构紧凑，能够在取心过程中快速的将取心内筒两端进行保压密封处理，有效的防止了煤岩心与外部接触，其所含气体大量逸散，导致的煤岩心含气量测试结果不准确的问题，提高了煤岩心含气量测试的精确度。
40.本实施例中的流体采用泥浆。
41.作为本实施例的一种优选方案，所述连接部44包括依次连接的打捞颈411与轴承座412，所述打捞颈411凸出所述取心外筒1，所述第二通孔45设于所述打捞颈411内，所述轴承座412包括内套筒与外套筒，所述第二通孔45与所述内套筒相通，所述外套筒与所述连接筒41连接，所述凸槽46与所述内套筒连接，所述连接座42靠近凸槽46的一侧上套设有密封圈421。
42.本发明的取心装置，需要借助钢丝作业串将取心装置深入至钻井井底工作，打捞颈用于与钢丝作业串连接，轴承座412的下端通过连接筒与取心内筒相关，轴承座内的滚珠与连接座接触，当连接座随着取心外筒和钻杆旋转时，保证取心内筒不会跟着一起旋转，实现了双筒单动，提高煤心完整性和采取率。
43.本实施例中的钢丝作业串由捞矛头、链式震击器与加重杆组成，如图3-5所述，
44.密封圈421起到将连接座42与取心外筒密封连接的作用。
45.其中，打捞颈411用于与钢丝作业串的捞矛头连接，提供连接点，通过钢丝作业串将取心装置伸入钻井中进行煤岩心的取心工作。
46.作为本实施例的一种优选方案，所述连接座42上沿其径向还设有第四通孔422，所述第四通孔422与所述凸槽46相通，且所述第四通孔422与所述第一推动部402和取心外筒1之间的间隙相通，所述第四通孔422与第三通孔47之间设置封堵球8。
47.其中，流体经过第二通孔流入凸槽中时，能够通过凸槽继续流入第四通孔422中，第四通孔422中与所述第一推动部402和取心外筒1之间的间隙相通，流体能够进入第一推动部402和取心外筒1之间的间隙，流体顺着取心外筒的内壁向下流动至钻头，通过流体对钻头工作时进行降温处理，保护钻头的工作和使用寿命，封堵球能够将第四通孔422与第三通孔47之间的流体进行封堵与拦截，在钻头工作时不需要投放封堵球，当钻头钻取煤岩心结束后，需要对取心内筒进行密封保压时，将封堵球通过第二通孔45投入，流体不能通过第四通孔422流出，只能通过第三通孔47通孔进入连接筒与取心外筒之间的间隙，并在密封圈的作用下增强连接筒与取心外筒之间的压强，实现推动的目的。
48.作为本实施例的一种优选方案，所述钻头3上沿其轴向设置至少一个第五通孔301，所述第五通孔301与所述第一通孔101相通。
49.作为本实施例的一种优选方案，所述第一密封阀5为解析阀，包括阀体501、旋钮502与触碰版503；
50.所述阀体501与所述取心内筒2相通，所述连接筒41的桶壁上设置第六通孔49，所述旋钮502设于所述第六通孔49内且与所述阀体501相通，所述触碰版503设于所述第六通孔49所在的桶壁上，所述触碰版503与所述旋钮502之间的直线距离小于所述预设距离。
51.其中，第一密封阀5在进入钻井以及进行煤岩心取心时处于打开状态，当第一推动部受到向下的推力后，旋钮502与触碰版503接触，触碰版503向旋钮502施加向上的推力将旋钮502关闭，实现了将第一密封阀5关闭的目的。
52.本实施例的解析阀，由于其处于取心内筒末端，且需要套在连接筒内、旋钮502也单侧向安装，因为解吸阀体积受限，且解吸阀仅作为取心钻进时排除取心内筒的液体，并作为煤心瓦斯解吸时的气体通道，一般阀门的孔径都够用，仅要求其满足气密性要求即可。
53.作为本实施例的一种优选方案，所述第二密封阀6为球阀，包括密封阀体601、两个球阀旋钮602，所述密封阀体601设于所述取心内筒2的一端并与所述取心内筒2相通，所述第二推动部7套设于所述密封阀体601上，所述球阀旋钮602分别设于所述密封阀体601的两侧并与所述第二推动部7相通。
54.其中，第二密封阀6在进入钻井以及进行煤岩心取心时处于打开状态，当第二推动部收到向下的推力后，球阀旋钮602与第二推动部7接触，第二推动部7向球阀旋钮602施加向上的力，球阀旋钮602转动关闭，实现第二密封阀6关闭的目的。
55.本实施例的密封球阀，其内孔作为进心通道，除要求内孔内径外；因密封球阀可能需要剪切煤岩心，因此，球阀硬度有要求；还要求其满足气密性要求即可。
56.作为本实施例的一种优选方案，所述取心内筒2内部沿其径向还设置卡簧9。
57.其中，卡簧9的设置的作用是为了将进入取心内筒的煤岩心进行切割，减轻煤岩心的质量，防止在取心过程中因为较大重力的作用煤岩心从取心内筒中脱落。
58.作为本实施例的一种优选方案，所述打捞颈411的外周上设置定位卡扣10，所述取心外筒1对应的内壁上设置，所述卡扣10与卡槽相匹配。
59.其中，通过钢丝作业串将活塞机构放入取心内容时，定位卡扣与卡槽配合将活塞机构与取心外筒1进行连接，起到定位的作用。
60.本实施例中，取心装置除取心外筒之外的部件构成取心内筒组件。
61.本实施例的工作过程：
62.如图7所示：
63.(1)根据地面井煤岩层取心的目的和地质地形等条件，开展地面井施工参数设计，并施工钻井至设计取心层位。
64.(2)完成钻孔冲洗后，提出井内所有钻具。
65.(3)根据操作技术要求进行取心装置的检修、保养及连接，确保第一密封阀与第二密封阀均处于敞开状态以及流体通道的畅通；检查完成后，将取心装置的取心外筒与取心钻杆进行配套连接后，将取心外筒送入钻井设计取心的位置。
66.(4)通过钢丝作业串输送取心内筒组件进入钻井井底的取心外筒内设计位置。
67.(5)开启取心钻进。装置在正常取心钻进时，钻杆将扭矩和轴向压力传递给钻具取心外筒，取心外筒带动钻头回转钻进取心，同时为钻头提供钻压，取心内筒在“双筒单动”结构设计的基础上不进行回转，与取心外筒组成单动双管钻进系统，煤岩心在外钻头切削、挤压及内钻头螺纹回路和孔壁摩擦的作用下，经过卡簧进入取心内筒中，在此过程中取心内
筒的解吸阀和密封球阀处于敞开状态。钻井介质流体从钻杆内部流入，途径连接座，经过第四通孔分从第一推动部402和取心外筒1之间的间隙流至钻头底部的第五通孔冷却钻头，同时携带煤屑经过井壁和取心外筒之间的环状间隙流回地面。
68.(6)投封堵球操作，钻进进尺达到设计要求后，停泵，停止回转，在地面钻杆接处通过第二通孔45投入封堵球，并等待3～5min，待封堵球坐落至取心装置的连接座内并将第四通孔封堵。
69.(7)开启泥浆泵泵注加压剪断连杆，泥浆液从钻杆内部流入，由于第四通孔的通路被封堵球封堵，流体通过连接座上的第三通孔流向液压推动头。在泥浆泵持续加压作用下，泥浆压力逐渐升高，直到剪断连杆，活塞机构在泥浆高压力作用下，沿着连接座向下发生位移，并传递至第一推动部，第一推动部获得足够的能量向前运动，并带动取心内筒解吸阀和密封球阀联动关闭，完成煤岩心孔底取心内桶原位密封。
70.(8)取心完成后，采用钢丝作业工具串将井底保压取心装置的取心内筒组件快速提升至地面，并拆卸后取出取心内筒。
71.(9)进行取心内筒的称重和气密性检测，判断取心样品是否满足质量和气密性的要求，如取心样品合格则进行现场测试，如取心样品不合格或取心测点不是最终测点，则换装好取心内筒等部件，组装好取心内筒组件，返回到步骤(4)继续作业。
72.其中，其中步骤(4)还包括如下子步骤：
73.1)将钢丝作业工具串链接可靠，将捞矛头下端推入密闭取心装置打捞颈内；检查打捞颈下方的定位卡扣，确认其可自由弹出与回缩，然后启动绞车系统将工具串提起，并送入井中的取心钻杆内。
74.2)取心内筒组件下入过程应匀速，且速度不大于90m/min，密切观察取心内筒组件是否已达到钻杆底部并进入取心外筒，完全到达或遇阻，工具串的重量会加在孔底端外筒或障碍物上，钢丝的负载会明显减小。
75.3)缓慢上提工具串，提升距离不大于链式震击器行程，如果绞车系统负载不变，则缓慢下放，重复缓慢上提，如果负载明显大于工具串重量，则说明取心内筒组件中的打捞颈定位销钉已正确卡入取心外筒内部的卡槽。
76.4)开始进行丢手(脱扣)操作。迅速上提钢丝作业工具串，提升距离大于链式震击器行程，利用加重杆和震击器的上震击剪断捞矛头销钉；如果绞车系统负载仍然明显大于钢丝作业工具串重量，重复缓慢下放和迅速上提操作，直至绞车系统负载明显减轻，上提回收钢丝作业工具串，完成投放操作。
77.其中步骤(8)还包括如下子步骤：
78.1)安装捞矛头和捞矛头销钉，连接加重杆。从井眼的取心钻杆内下入钢丝作业工具串，密切观察投捞工具是否已达到孔底取心内筒组件预定位置，完全到达或遇阻，钢丝作业工具串的负载会明显减小。
79.2)钢丝作业工具串到达钻杆底部时，负载明显减小。缓慢上提钢丝作业工具串2m左右，迅速下放后，再次缓慢提升工具串，如果负载明显增加，表明取心装置已打捞成功，如果负载没有明显变化，重复以上操作，直至打捞成功。
80.3)取心内筒组件到达地面后，卸下取心内筒组件，取出取心内筒。