一种定向取心工具的制作方法

1.本发明涉及石油天然气钻井作业技术领域，具体是一种用于石油天然气勘探开发领域的定向取心工具和利用本取心工具进行作业的方法。


背景技术：

2.随着国内外钻井技术的发展和定向井、水平井施工的增加，对相应的钻井取心技术的要求也越来越高， 常规、密闭以及原有的定向井取心工具在作业中已经无法完全满足地质部门对油气藏评价的要求。
3.常规取心工具所取出的岩心，仅能体现地层岩石结构、物性以及储层深度和厚度。
4.密闭取心工具能够反映出地层原始含油含水饱和度，但无法将取出的岩心恢复到地层中所处的真实状态。
5.原有的定向井取心工具所取岩心无法获取地层裂缝走向、岩层走向和倾角、地层各向异性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种定向取心工具。
7.其技术方案如下：一种定向取心工具，包括顺次螺纹连接的定位接头（1）、上外筒扶正器（7）、外岩心筒（8）、下外筒扶正器（10）、取心钻头（14）组成的工具主体；工具主体内自上而下顺次装设有承压座（2）、悬挂接头（5）、悬挂总成（6）、内岩心筒（9）、压套（11）、岩心爪（13）；承压座（2）通过剪切销钉套设于定位接头（1）内；悬挂接头（5）上端套设于定位接头（1）和承压座（2）下端之间，定位接头（1）、悬挂接头（5）上端、承压座（2）下端间隙配合，所述定位接头（1）、悬挂接头（5）上端、承压座（2）下端开设有径向通孔，所述径向通孔的直径大于第一钢球（4）的直径，球套（3）螺纹连接于所述定位接头（1）的径向通孔的外端，所述定位接头（1）、悬挂接头（5）上端的径向通孔位置对应，所述承压座（2）下端的径向通孔高于所述悬挂接头（5）上端的径向通孔，第一钢球（4）介于所述定位接头（1）、悬挂接头（5）上端的径向通孔之间，将定位接头（1）、悬挂接头（5）轴向固定；悬挂总成（6）通过轴承组件转动套设于悬挂接头（5）下端；定位接头（1）下端与上外筒扶正器（7）上端通过螺纹扣连接，上外筒扶正器（7）下端与外岩心筒（8）上端通过螺纹扣连接，外岩心筒（8）下端与下外筒扶正器（10）上端通过螺纹扣连接，下外筒扶正器（10）下端与取心钻头（14）上端通过螺纹扣连接；分水接头（6-6）下端通过外螺纹与内岩心筒（9）螺纹连接，内岩心筒（9）下端与压套（11）上端通过螺纹扣连接，压套（11）下端与岩心爪（13）上端通过螺纹扣连接；压套（11）下端与岩心爪（13）上端设有限位台阶，调节环（12）位于限位台阶之间，依靠压套（11）与岩心爪（13）的挤压限制轴向移动。
8.进一步的，悬挂总成（6）包括轴承组件、悬挂轴（6-2）、分水接头（6-6）、球座（6-7）；轴承组件包括轴承盒（6-1）、轴承托（6-5）、第二钢球（6-3）；悬挂接头（5）下端与轴承盒（6-1）上端螺纹连接，轴承盒（6-1）下端内螺纹与轴承托（6-5）上端外螺纹连接；悬挂轴（6-2）下端外螺纹与分水接头（6-6）上端内螺纹连接，分水接头（6-6）下端内螺纹与球座（6-7）上端外螺纹连接；悬挂轴（6-2）通过轴承组件转动套设于轴承盒（6-1）内；轴承盒（6-1）下端内壁、悬挂轴（6-2）外壁设有限位台阶，所述限位台阶分别与轴承托（6-5）的上端面、分水接头（6-6）的上端面之间构成两个相对的环槽，轴承圈（6-4）套设于环槽内，第二钢球（6-3）嵌装于轴承圈（6-4）内。
9.进一步的，悬挂总成（6）包括轴承组件、悬挂轴（6-2）、分水接头（6-6）、球座（6-7）；轴承组件包括轴承盒（6-1）、第一推力轴承（18-3）、轴承托（6-5）；悬挂接头（5）下端与轴承盒（6-1）上端螺纹连接，轴承盒（6-1）下端内螺纹与轴承托（6-5）上端外螺纹连接；悬挂轴（6-2）下端外螺纹与分水接头（6-6）上端内螺纹连接，分水接头（6-6）下端内螺纹与球座（6-7）上端外螺纹连接；悬挂轴（6-2）通过轴承组件转动套设于轴承盒（6-1）内；轴承盒（6-1）下端内壁、悬挂轴（6-2）外壁设有限位台阶，所述限位台阶分别与轴承托（6-5）的上端面、分水接头（6-6）的上端面之间构成两个相对的环槽，第一推力轴承（18-3）套设于环槽内。
10.进一步的，所述轴承组件还包括第二推力轴承（18-4），所述悬挂轴（6-2）外壁的限位台阶为两个，其中一个限位台阶将所述悬挂轴（6-2）外壁的环槽分隔为上下两个，第二推力轴承（18-4）装设于下方的环槽内。
11.进一步的，还包括上滚柱扶正轴承（19-1）、下滚柱扶正轴承（19-2），所述上外筒扶正器（7）上端外部设有限位台阶与分水接头（6-6）的下端面构成环槽；所述取心钻头（14）外部设有限位台阶与岩心爪（13）外壁构成环槽；所述上滚柱扶正轴承（19-1）、下滚柱扶正轴承（19-2）分别装设于环槽内。
12.进一步的，所述岩心爪（13）下端内壁镶焊有岩心定向刻刀。
13.进一步的，所述岩心定向刻刀包括周向不等距布置的左扶正刻刀（13-1）、右扶正刻刀（13-2）、主刻刀（13-3）。
14.进一步的，所述岩心定向刻刀为三棱硬质合金刀条。
15.进一步的，所述承压座（2）上端设有外延的直径大于悬挂接头（5）内径的限位台阶，当剪切销钉剪断，承压座（2）下落后，承压座（2）上端的限位台阶卡挂于悬挂接头（5）上端，承压座（2）上的径向通孔和悬挂接头（5）上的径向通孔相对。
16.进一步的，取心时，剪切销钉被剪断，承压座（2）下落，承压座（2）径向通孔与悬挂接头（5）径向通孔相对，第一钢球（4）从球套（3）内滚出，悬挂总成（6）、承压座（2）、内岩心筒（9）下砸，迫使岩心爪（13）沿取心钻头（14）内腔锥面收缩，割断并包住岩心，达到取心的目的。
17.进一步的，所述压套（11）内安装三把弹簧刻刀（16），弹簧刻刀（16）突出于压套（11）内壁，弹簧刻刀（16）包括刀齿（16-1）和弹簧片（16-2）；刀齿（16-1）焊接在弹簧片（16-2）的一端，弹簧片（16-2）另一端开有铆钉孔；弹簧刻刀（16）与压套（11）通过铆钉连接。
18.进一步的，刀齿（16-1）使用加工材料为硬质合金。
19.本发明的有益效果是：通过使用岩心爪上的刻痕刀和地面复位仪，能够式直观地从岩心上观察到地层裂缝及产状；在现场进行岩心裂缝测量解释，其岩心钻取不久，岩心受应力释放变形的影响不大，受人为破坏较小，测量结果误差小；可有效获取地层走向、倾角、地层沉积方向、地层渗透率方向、井斜角、井眼方位等地质资料。
20.工具采用具有伸缩功能的加压割心机构，特别适用松软地层的割心操作，能保证岩心收获率；内岩心筒采用销钉悬挂方式，割心采用机械加压，安全可靠，且地面能观察到割心显示；内筒采用大弹子，无弹夹的悬挂轴承，转动灵活，使用寿命长；割心用的岩心爪反扣与内筒连接，保证了在钻进过程中岩心爪不倒扣。岩心爪采用了主副刻刀形式，为三棱硬质合金刀条，解决了现有技术中存在的两个顶部为平顶的扶正块只能起扶正作用不能止转，刻刀在岩心表面易刻出螺旋状曲线或左右摆动线，不能刻出一条直线的问题。
21.本发明下钻前不装凡尔钢球。下钻到井底后开泵循环泥浆，此时泥浆通过定位接头、承压座、悬挂接头和悬挂总成的内孔进入内筒，再由内岩心筒返至环形空间。这样既可清洗井底，又可冲洗内岩心筒。待泥浆.处理好井底清洁后，再投入凡尔钢球，凡尔钢球落入球座，堵死内岩心筒泥浆通路，开始取心钻进。
22.取心钻进时，岩心爪上的刻刀在岩心没有改变原始状态之前在上面连续刻划，留下标记槽，并使用电子多点测量仪随钻测量主刀刻痕方位角、井斜角和井斜方位角。
23.取心钻进结束后，滑放钻具，加压，钻具重量通过凡尔钢球传给加压装置，加压装置将压力传递给承压座。承压座将压力传递给销钉，销钉承受的压力超过剪切强度时，销钉被剪断，承压座下落，承压座径向通孔与悬挂接头径向通孔相对，30钢球从球套内滚出，经承压座径向通孔落入悬挂总成与凡尔钢球形成的腔内，悬挂总成、承压座、内岩心筒下砸，迫使岩心爪沿取心钻头内腔锥面收缩，割断、包住岩心，达到取心的目的。
24.岩心取出后，在已获得取心井的方位角、井斜角以及岩心定向刻痕和定向刻痕方位角的基础上，将带有定向刻痕的岩心在仪器上恢复为岩心在井内的原始状态，然后测量岩心柱上的层理面从而获得岩层产状参数。
25.本发明采用具有伸缩功能的投球加压割心机构，特别适用松软地层的割心操作，能保证岩心收获率。内岩心筒采用销钉悬挂方式，割心采用机械加压，安全可靠，且地面能观察到割心显示。悬挂总成采用大弹子，无弹夹的悬挂轴承，允许泥浆通过，起冷却和润滑作用，结构简单，转动灵活，使用寿命长。割心用的岩心爪反扣与内筒连接，保证了在钻进过程中岩心爪不倒扣。外岩心筒采用高强度厚壁无缝钢管，并且配有上下扶正器，强度高、稳定性好，有利于提高岩心收获率，延长取心钻头使用寿命。内岩心筒除了钢制内筒，还可以配备轻质、耐温、耐腐蚀、强度高、管壁光滑等优点的玻璃钢内筒，使用玻璃钢内筒岩心进筒阻力小。取满岩心的玻璃钢内筒，还可以切割成数节，两端密封，便于储存。还可以根据井下情况选用入井组合长度。内部结构可实现内洗，下钻到底后开泵循环清洗井底和内筒后，再投球取心。岩心爪采用了主副刻刀形式，为三棱硬质合金刀条，解决了现有技术中存在的两个顶部为平顶的扶正块只能起扶正作用不能止转，刻刀在岩心表面易刻出螺旋状曲线或左右摆动线，不能刻出一条直线的问题。
26.本发明在压套内安装三把弹簧刻刀，弹簧刻刀突出于压套内壁，当岩心进人压套
过程中对岩心表面刻痕作定向标记。由此，从测量仪容纳管直至压套上的刻刀处在同一母线上，实现了只有纵向位移而无扭转方位改变的连接形式。弹簧刻刀包括刻刀和弹簧片。刻刀焊接在弹簧片的一端，弹簧片另一端开有铆钉孔。弹簧刻刀与压套通过铆钉连接。弹簧片与刻刀成悬臂梁结构，作定向标记装置采用可伸缩的弹簧刻刀，弹簧片对刻刀施加正应力远大于岩石的抗压入硬度，并且由于岩石的软硬、钻头的新旧导致岩心直径发生变化时，弹簧片可起到自动调整刻刀位置和对岩石施加正应力大小的作用。因此，在不同岩性情况下均可获得清晰的定向标记刻痕。
27.本发明在悬挂轴上安装第一推力轴承和第二推力轴承。轴承盒、垫块、悬挂轴、第一推力轴承、第二推力轴承，通过自身几何形状组合在一起。此结构有利于降低和减少取心内筒转动，增加岩心进筒稳定性。
28.本发明在分水接头与上外筒扶正器之间安装上滚柱扶正轴承，在岩心爪与取心钻头之间安装下滚柱扶正轴承，上滚柱扶正轴承与下滚柱扶正轴承相配合．使岩心内筒上下扶正。有利于降低和减少取心内筒转动，增加岩心进筒稳定性。
附图说明
29.图1为本专利一种定向取心工具的结构示意图。
30.图2为悬挂总成第一种技术方案的结构示意图。
31.图3为定向刻刀第一种技术方案的结构示意图。
32.图4为本专利一种定向取心工具投球后的结构示意图。
33.图5为弹簧刻刀的结构示意图。
34.图6为定向刻刀第二种技术方案的结构示意图。
35.图7为悬挂总成第二种技术方案的结构示意图。
36.图8为本专利一种定向取心工具第二种技术方案的结构示意图。
37.图中：1.定位接头、2.承压座、3.球套、4.第一钢球、5.悬挂接头、6.悬挂总成、6-1.轴承盒、6-2. 悬挂轴、6-3.第二钢球、6-4. 轴承圈、6-5. 轴承托、6-6. 分水接头、6-7. 球座、7.上外筒扶正器、8.外岩心筒、9.内岩心筒、10.下外筒扶正器、11.压套、12. 调节环、13. 岩心爪、13-1.左扶正刻刀、13-2.右扶正刻刀、13-3.主刻刀、14.取心钻头、15.电子多点测量仪、16.弹簧刻刀、16-1.刀齿、16-2.弹簧片、17.铆钉、18-1.垫块、18-3.第一止推轴承、18-4.第二止推轴承、19-1. 上滚柱扶正轴承、19-2. 下滚柱扶正轴承。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
39.实施例一：参照附图1、图2和图3，一种定向取心工具包括定位接头1、承压座2、球套3、第一钢球4、悬挂接头5、悬挂总成6、上外筒扶正器7、外岩心筒8、内岩心筒9、下外筒扶正器10、压套11、调节环12、岩心爪13、取心钻头14。
40.定位接头、上外筒扶正器、下外筒扶正器、取心钻头依次螺纹连接。
41.悬挂总成6包括轴承盒6-1、悬挂轴6-2、第二钢球6-3、轴承圈6-4、轴承托6-5、分水接头6-6、球座6-7。悬挂接头5与轴承盒6-1，轴承盒6-1与轴承托6-5通过螺纹扣连接，悬挂轴6-2与分水接头6-6通过螺纹扣连接，分水接头6-6与球座6-7通过螺纹扣连接。轴承盒6-1、轴承圈6-4、轴承托6-5、第二钢球6-3、悬挂轴6-2通过自身几何形状契合在一起，工具使用时依靠重力压紧。
42.定位接头1与上外筒扶正器7通过螺纹扣连接，上外筒扶正器7与外岩心筒8通过螺纹扣连接，外岩心筒8与下外筒扶正器9通过螺纹扣连接，下外筒扶正器10与取心钻头14通过螺纹扣连接。悬挂接头5与悬挂总成6通过螺纹扣连接，悬挂总成6与内岩心筒9通过螺纹扣连接，内岩心筒9与压套11通过螺纹扣连接，压套11与岩心爪13通过螺纹扣连接。调节环12位于压套11与岩心爪13之间，依靠压套11与岩心爪13的挤压限制轴向移动。承压座2与定位接头1通过销钉连接。球套3与定位接头1通过螺纹扣连接。第一钢球4位于球套3内，定位接头1与悬挂接头5两径向通孔相对，通过第一钢球4连接。电子多点测斜仪15装置在取心工具上端的无磁钻挺内，并与内岩心筒9上端悬挂轴6-2连接成一体，使其不产生相对位移。
43.岩心爪13下端镶焊三条定向刻刀，定向刻刀包括左扶正刻刀13-1、右扶正刻刀13-2、主刻刀13-3。
44.实施例二：参照图4，下钻前不装凡尔钢球6-8。下钻到井底后开泵循环泥浆，此时泥浆通过定位接头1、承压座2、悬挂接头5和悬挂总成6的内孔进入内岩心筒9，再由内岩心筒9返至环形空间。这样既可清洗井底，又可冲洗内岩心筒9。待泥浆.处理好井底清洁后，再投入凡尔钢球6-8，凡尔钢球6-8落入球座6-7，堵死内岩心筒9泥浆通路，开始取心钻进。
45.取心钻进时，岩心爪13上的刻刀在岩心没有改变原始状态之前在上面连续刻划，留下标记槽，并使用电子多点测量仪15随钻测量主刀刻13-3痕方位角、井斜角和井斜方位角。左扶正刻刀13-1和右扶正刻刀13-2起到止转、扶正的作用，避免主刻刀13-3在岩心表面易刻出螺旋状曲线或左右摆动线，不能刻出一条直线的现象发生。
46.取心钻进结束后，滑放钻具，加压，钻具重量通过凡尔钢球6-8传给加压装置，加压装置将压力传递给承压座2。承压座2将压力传递给销钉，销钉承受的压力超过剪切强度时，销钉被剪断，承压座2下落，承压座2径向通孔与悬挂接头5径向通孔相对，第一钢球4从球套3内滚出，经承压座2径向通孔落入悬挂总成6与凡尔钢球6-8形成的腔内，悬挂总成6、承压座2、内岩心筒9下砸，迫使岩心爪13沿取心钻头14内腔锥面收缩，割断、包住岩心，达到取心的目的。
47.实施例三：参照图5和图6，本专利对于定向刻刀的另一种技术方案为，在压套11内安装三把弹簧刻刀16，弹簧刻刀16突出于压套11内壁，当岩心进人压套11过程中对岩心表面刻痕作定向标记。由此，从测量仪容纳管直至压套11上的弹簧刻刀16处在同一母线上，实现了只有纵向位移而无扭转方位改变的连接形式。弹簧刻刀16包括刀齿16-1和弹簧片16-2。刀齿16-1焊接在弹簧片16-2的一端，弹簧片16-2另一端开有铆钉孔。弹簧刻刀16与压套11通过铆钉连接。弹簧片16-2与刀齿16-1形成悬臂梁结构，作定向标记装置采用可伸缩的弹簧刻刀16，弹簧片16-2对刀齿16-1施加正应力远大于岩石的抗压入硬度，并且由于岩石的软硬、钻头
的新旧导致岩心直径发生变化时，弹簧片16-2可起到自动调整刀齿16-1位置和对岩石施加正应力大小的作用。因此，在不同岩性情况下均可获得清晰的定向标记刻痕。
48.实施例五：参照图7，本专利对于悬挂总成的第二种技术方案为，在悬挂轴6-2上安装第一推力轴承18-3和第二推力轴承18-4。轴承盒6-1、垫块18-1、悬挂轴6-2、第一推力轴承18-3、第二推力轴承18-4，通过自身几何形状组合在一起。此结构有利于降低和减少取心内筒转动，增加岩心进筒稳定性。
49.实施例六：参照图8，本专利对于定向取心工具的第二种技术方案为，保持第一种技术方案各部件及其连接方式不变，在分水接头6-6与上外筒扶正器7之间安装上滚柱扶正轴承19-1，在岩心爪13与取心钻头14之间安装下滚柱扶正轴承19-2，上滚柱扶正轴承19-1与下滚柱扶正轴承19-2相配合．使内岩心筒9上下扶正。有利于降低和减少取心内筒转动，增加岩心进筒稳定性。
50.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权力要求及其等同限定。