阅读说明：本技术 一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具 (Coring tool for shale oil gas trapping and warm-pressing detection in tripping process ) 是由 吴仲华 裴学良 司英晖 庄伟� 陈忠帅 赵宗锋 张辉 于文涛 于 2019-01-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具。包括差动机构、滑块机构、分水接头总成、泄压阀、储气筒、油气捕集总成、温度压力测量短节、岩心限位装置、外筒、内筒、卡箍式岩心爪、密封瓣阀和取心钻头。工具下入井底后,循环钻井液清洗井底。取心钻进结束后,投入大钢球使钻具内憋压,然后上提钻具完成割心作业。起钻过程中,气体从岩心内释放聚集在内筒里,温度压力测量短节负责记录内筒温度、压力值,气体释放达到一定压力后推动储气筒活塞向上运动,气体量超过测试需要的量后自动从泄压阀泄压,储气筒的温度、压力值由储油气捕集总成记录。(The invention relates to a shale oil gas trapping and temperature and pressure detection coring tool in a tripping process. The core-pulling device comprises a differential mechanism, a sliding block mechanism, a water distribution joint assembly, a pressure release valve, an air storage cylinder, an oil-gas trapping assembly, a temperature and pressure measuring short section, a core limiting device, an outer cylinder, an inner cylinder, a clamp type core claw, a sealing flap valve and a core-pulling drill bit. After the tool is put into the well bottom, the circulating drilling fluid cleans the well bottom. After the core drilling is finished, a large steel ball is put into the core drilling machine to suppress the pressure in the drilling tool, and then the drilling tool is lifted to finish the core cutting operation. In the process of tripping, gas is released and gathered in the inner cylinder from the core, the temperature and pressure measuring nipple is responsible for recording the temperature and the pressure value of the inner cylinder, the gas is released to reach a certain pressure and then pushes the piston of the gas storage cylinder to move upwards, the gas quantity exceeds the quantity required by the test and then is automatically released from the pressure release valve, and the temperature and the pressure value of the gas storage cylinder are recorded by the oil storage gas collecting assembly.)

一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气勘探开发工具领域，具体是一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具。

背景技术

随着页岩油气的勘探开发力度不断加大，对页岩地层准确的油气含量描述要求越来越高，并直接影响着页岩油气的勘探开发决策和产量评估，而传统的取心技术获取的页岩岩心在起钻过程中由于压力变化造成岩心中的油气不断解析逸出，据国外资料统计，仅在起钻过程中的油气逸出损失量就达到50-60％，地面所获取的岩心资料无法准确评估页岩地层的真实油气含量。此外，目前已有的保压取心技术采取保持井底压力密封岩心的技术方法，需要地面转运高压岩心筒，并带压岩心后处理，发生过多起地面安全事故，已逐渐被国内外同行淘汰和放弃；而密闭取心技术靠密闭液包裹隔离岩心仅能提供原始的地层油水饱和度，在起钻过程中同样不能阻止岩心中的油气解析逸出。因此，迫切要求研究新的取心技术解决以上的技术瓶颈和难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具，即允许在安全的工作压力下，在起钻过程中100％原位收集岩心逸出的油气，以更加准确的指导油气田的开发决策和生产。

本发明的技术方案包括：

一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具，总体方案包括差动机构、滑块机构、分水接头总成、岩心限位机构、取心机构、取心钻头以及括泄压阀、油气捕集总成和温度压力测量短节；所述差动机构、外筒、取心钻头依次固定连接组成外筒总成，所述滑块机构、分水接头总成、油气捕集总成、温度压力测量短节和取心机构依次固定连接组成内筒总成，差动机构上部设有与钻杆连接的上接头，内筒总成置于外筒总成内部，并通过滑块机构悬挂在外筒总成上。

上述方案细化方案是：

所述差动机构包括牙坎上接头、牙坎下接头、密封滑套和密封接头，其中：牙坎上接头与差动机构上接头为一体，牙坎上接头外壁轴向设有牙坎凹槽，牙坎下接头内壁轴向设有牙坎凸起，牙坎上接头和牙坎下接头啮合后构成轴向滑动、周向限位配合，密封接头连接在牙坎上接头下端，密封接头外径大于牙坎下接头最小内径，密封接头上端面与牙坎下接头下端面构成阻挡配合，密封滑套连接在牙坎下接头下端，并与密封接头构成轴向滑动密封配合；

所述滑块机构包括内定位接头、球座滑套、定位接头、承压接头和剪切销钉，其中：内定位接头上端与差动机构的密封接头连接，球座滑套设在内定位接头内设环形凹槽内，并与内定位接头构成轴向间距密封滑动配合，球座滑套上端设有球座，球座滑套下端部通过径向设置的剪切销钉与内定位接头连接，定位接头套在内定位接头外，定位接头上端与差动机构的密封滑套连接，内定位接头通过锁块和锁销配合悬挂在定位接头上；

所述分水接头总成包括分水接头和堵头，其中：分水接头上端与滑块机构的球座滑套连接，堵头封堵于分水接头下端，分水接头中段径向设有多个分流孔，分流孔与其下方的外筒总成、内筒总成之间的环形间隙连通；

所述油气捕集总成包括储气筒和自上而下依次设置在储气筒内的泄压阀、储气筒上盖、活塞、活塞杆和储气筒下盖，其中：储气筒上部与分水接头下端连接，活塞杆置于储气筒上盖和储气筒下盖之间，储气筒上盖和储气筒下盖通过活塞杆的中心孔与外部空间连通，活塞与活塞杆和储气筒内壁构成轴向密封滑动配合，泄压阀连接在储气筒上盖并与活塞杆的中心孔连通，与泄压阀对应的储气筒5上设有排气孔，储气筒下盖设有与活塞下部活塞腔连通的进气孔，在储气筒上盖设置排气孔，排气孔与排气销钉和垫片配合密封；

所述温度压力测量短节包括仪器仓和装配在仪器仓内的温度、压力传感器和电池，并用仪器仓盖板压紧并密封，仪器仓轴向设有导气孔，仪器仓上端部与储气筒5连接，导气孔连通仪器仓上下的空间，仪器仓下端与取心机构的岩心筒连接；

所述取心机构包括岩心筒和置于岩心筒内的取心内筒、卡箍式岩心爪和全封闭瓣式岩心爪，岩心筒与外筒总成和取心钻头间有钻井液流道。

上述方案进一步包括：

所述卡箍式岩心爪包括岩心爪短节、岩心爪、缩颈套和遮挡套，其中，岩心爪短节上部与岩心筒连接，岩心爪短节、缩颈套遮挡套依次连接，岩心爪置于缩颈套内部，岩心爪上部与岩心爪短节限位配合；所述全封闭瓣式岩心爪包括瓣阀岩心爪和扶正套，瓣阀岩心爪由阀瓣和扭簧组成，扶正套处于取心钻头内腔，遮挡套插入瓣阀岩心爪内部，对阀瓣进行限位。

所述温度压力测量短节包括上下两个相对装配的仪器仓通过连接活套连接，两个仪器仓内分别装配有温度压力传感器和电池，并用仪器仓盖板压紧并密封；两个仪器仓轴向设有导气孔，导气孔之间通过高压软管和单向阀连接。

在下面的仪器仓导气孔内安装有低压单向阀。

在分水接头总成和取心机构之间设有岩心限位机构。

所述岩心限位机构上端与仪器仓连接，下端与岩心筒连接，中间设有岩心挡板。

所述分水接头总成还包括轴承盒、悬挂心轴、止推轴承和轴承托，轴承盒上端与滑块机构的承压接头连接，悬挂心轴外部套装止推轴承后与分水接头上端连接，悬挂心轴、止推轴承和分水接头上部设置在轴承盒内，轴承盒上端下端和轴承托连接后，轴承托与止推轴承构成轴向限位。

所述滑块机构的内定位接下端连接承压接头，承压接头上端部设有凸起，凸起与球座滑套外部滑槽构成轴向限位配合，球座滑套下端部通过径向设置的剪切销钉与承压接头连接。

所述油气捕集总成还包括设置在储气筒上盖的排气孔，排气孔与排气销钉和垫片配合密封，在储气筒上盖和储气筒下盖中心轴上设有活塞杆，活塞与活塞杆构成轴向密封滑动配合。

本发明的工作原理是：取心工具下入井底后，循环钻井液清洗井底。取心钻进结束后，投入大钢球使钻具内憋压，推动球座下行剪断滑块机构上的剪切销钉，使内外筒总成脱离连接。此时上提内筒总成，瓣阀岩心爪保持不动，岩心内筒随滑块机构和差动机构上行，岩心被卡箍式岩心爪割心，岩心随岩心内筒上行。当岩心内筒上行至一定位置后，瓣式密封阀从岩心内筒侧壁露出并受弹簧作用向底部弹出密封住岩心内筒底部，完成下部密封。起钻过程中，气体从岩心内释放聚集在温度压力测量短节里，记录温度、压力值，气体释放达到一定压力后推动储气筒活塞向上运动，气体量超过测试需要的量后自动从泄压阀泄压，储气筒的温度、压力值由温度压力测量短节记录。

本发明的优点是：采用全封闭瓣式密封阀，割心后岩心被封闭在取心筒内，岩心释放的气体、液体等均封闭在内筒总成中，达到与井内钻井液隔离的目的；岩心的温度、压力变化情况能够被温度压力测量短节实时测量并记录；页岩岩心释放的页岩气被储气筒收集起来，其释放过程可以通过温度压力测量短节实时记录测得的温度、压力变化情况进行间接反映；储气筒带有泄压阀，气量满足实验要求后自动泄压，安全可靠；采用滑块机构，取心钻进结束后通过钻井液憋压进行割心，使该工具应用范围不受井斜限制；具有岩心限位装置，在内筒装满岩心后能够保证气体正常释放并且不堵塞上部机构的导气孔。

附图说明

图1为本发明一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具结构示意图。

图2a为一种差动机构放大结构示意图。

图2b为图2a中差动机构A-A截面放大结构示意图。

图3a为一种滑块机构放大结构示意图。

图3b为图3a中滑块机构的B-B截面放大结构示意图。

图4为一种分水总成放大结构示意图。

图5为一种储气筒部分放大结构示意图。

图6为一种温度压力测量部分放大结构示意图。

图7为一种取心机构和取芯钻头部分放大结构示意图。

图8为一种卡箍式岩心爪部分放大结构示意图。

图9为一种全封闭瓣式岩心爪部分放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

参照附图1，一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具，包括差动机构1、滑块机构2、分水接头总成3、泄压阀4、油气捕集总成6、测温测压短节7、外筒9、内筒10、卡箍式岩心爪11、全封闭瓣式岩心爪12、取心钻头13。其中，差动机构1、外筒9、取心钻头13依次固定连接组成外筒总成，滑块机构2、分水接头总成3、油气捕集总成6、温度压力测量短节7和内筒10、卡箍式岩心爪11、全封闭瓣式岩心爪12依次固定连接组成内筒总成，差动机构1上部设有与钻杆连接的上接头，内筒总成置于外筒总成内部，并通过滑块机构2悬挂在外筒总成上。

实施例1中所涉及的各个部分可以借助现有装置或机构，也能基本完成本发明的目的。

实施例2：

在实施例1的基础上，进一步细化方案是：

参照附图2，所述差动机构1主要由牙坎上接头1-1、牙坎下接头1-2、密封滑套1-3、密封接头1-4组成，并通过螺纹连接。其中：牙坎上接头1-1与差动机构上接头为一体，牙坎上接头1-1外壁轴向设有牙坎凹槽，牙坎下接头1-2内壁轴向设有牙坎凸起，牙坎上接头1-1和牙坎下接头1-2啮合后构成轴向滑动、周向限位配合(类似于键槽配合，其上下行程满足底部取心内筒上行脱离瓣阀岩心爪12-1束缚)，密封接头1-4连接在牙坎上接头1-1下端，密封接头1-4外径大于牙坎下接头1-2最小内径，密封接头1-4上端面与牙坎下接头1-2下端面构成阻挡配合起限位作用，密封滑套1-3连接在牙坎下接头1-2下端，并与密封接头1-4构成轴向滑动密封配合。

参照附图3，滑块机构2主要由内定位接头2-1、销轴2-2、球座2-4、球座滑套2-5、定位接头2-6、承压接头2-7和剪切销钉2-8构成。其中：内定位接头2-1上端与差动机构的密封接头1-4连接，球座滑套2-5设在内定位接头2-1内设环形凹槽内，并与内定位接头2-1构成轴向间距密封滑动配合，球座滑套2-5上端设有球座2-4，球座滑套2-5下端部通过径向设置的剪切销钉2-8与内定位接头2-1连接，定位接头2-6套在内定位接头2-1外，定位接头2-6上端与差动机构的密封滑套1-3连接，内定位接头2-1通过锁块2-10和锁销2-2配合悬挂在定位接头上，球座滑套2-5下端通过螺纹与分水接头总成3连接。

参照附图4，分水接头总成3主要由轴承盒3-1、悬挂心轴3-2、止推轴承3-3、轴承托3-4、分水接头3-5和堵头3-6组成，轴承盒3-1上端依靠螺纹与滑块机构中的球座滑套2-5连接，悬挂心轴3-2与止推轴承3-3套合后依靠螺纹与分水接头3-5连接，并置于轴承盒3-1内，下端依靠轴承托3-4限位。堵头3-6封堵分水接头3-5下端，使钻井液通过分水接头分流孔流出到内、外筒环空。

参照附图5，油气捕集总成包括储气,5和自上而下依次设置在储气筒5内的泄压阀4、储气筒上盖6-3、活塞6-6、活塞杆6-5和储气筒下盖6-7。其中，储气筒5上部通过螺纹与分水接头3-5连接，下部与温度压力测量短节7通过螺纹连接。活塞杆6-5置于储气筒上盖6-3和储气筒下盖6-8之间，储气筒上盖6-5和储气筒下盖6-8通过活塞杆6-5的中心孔与外部空间连通，活塞6-6与活塞杆6-5和储气筒5内壁构成轴向密封滑动配合，泄压阀4连接在储气筒上盖6-3并与活塞杆6-5的中心孔连通，与泄压阀对应的储气筒5上设有排气孔，储气筒下盖6-8设有与活塞下部活塞腔连通的进气孔，在储气筒上盖6-3设置排气孔，排气孔与排气销钉6-1和垫片6-2配合密封

参照附图6，所述温度压力测量短节7由两对相对装配的仪器仓7-1通过连接活套7-6螺纹连接。仪器仓7-1内装配有温度压力测量传感器7-2和电池7-3并用仪器仓盖板7-4压紧并密封。仪器仓组直接通过高压软管7-5和单向阀7-7通过密封螺纹连接。仪器仓7-1上部通过螺纹与储气筒5螺纹连接，下端通过螺纹同岩心筒(也称内筒)10，仪器仓7-1轴向设有导气孔，导气孔连通仪器仓7-1上下的空间；

参照附图7，所述取心机构包括岩心,10和置于岩心筒10内的取心内筒、卡箍式岩心爪11和全封闭瓣式岩心爪12，岩心筒10与外筒总成和取心钻头13间有钻井液流道13-1。

实施例3：在实施例2的基础上进一步包括：

参照附图8，卡箍式岩心爪11主要由岩心爪短节11-1、岩心爪11-2、缩颈套11-3、遮挡套11-4组成。岩心爪短节11-1上部通过螺纹与岩心筒10连接，岩心爪短节11-1、缩颈套11-3、遮挡套11-4通过螺纹依次组成，岩心爪11-2放置于缩颈套11-3内部，上部受岩心爪短节11-1限位。遮挡套11-4对全封闭瓣式岩心爪12起遮挡作用。

参照附图9，全封闭瓣式岩心爪12部分结构由瓣阀岩心爪12-1和扶正套12-2组成，瓣阀岩心爪12-1由阀瓣12-3和扭簧12-4组成。扶正套12-2处于取心钻头13内腔，起扶正作用，遮挡套11-4插入瓣阀岩心爪12-1内部，对阀瓣12-3进行限位。

实施例4：在上述实施例3的基础上更进一步：在分水接头总成3和取心机构之间设有岩心限位机构8，岩心限位机构8上端与仪器仓7-1连接，下端与岩心筒10连接，中间设有岩心挡板。

典型实施例5：

参照附图1，一种起钻过程页岩油气捕集及温压检测取心工具包括差动机构1、滑块机构2、分水接头总成3、泄压阀4、储气筒5、油气捕集总成6、温度压力测量短节7、岩心限位装置8、外筒9、内筒10、卡箍式岩心爪11、全封闭瓣式岩心爪12、取心钻头13。

差动机构上部为钻杆扣，用于连接上部钻具组合。

差动机构1、外筒9、取心钻头13依次螺纹连接组成外筒组串，滑块机构2、分水接头3、油气捕集总成6、温度压力测量短节7、岩心限位装置8、内筒(也称岩心筒)10、卡箍式岩心爪11、全封闭瓣式岩心爪12依次螺纹连接组成内筒组串，并置于外筒组串内部，并依靠滑块机构2悬挂在外筒组件上。

参考图2，差动机构1由牙坎上接头1-1、牙坎下接头1-2、密封滑套1-3、密封接头1-4组成，并通过螺纹连接。牙坎上接头1-1和牙坎下接头1-2设计有牙坎啮合部位承受钻具扭矩，密封滑套1-3和密封接头1-4间压制密封元件1-5。密封接头1-4密封部分外径大于牙坎下接头1-2内径，当牙坎啮合部位伸开后，密封接头1-4起限位作用。

参照图3，滑块机构2由内定位接头2-1、销轴2-2、球座2-4、球座滑套2-5、定位接头2-6、承压接头2-7、剪切销钉2-8构成。内定位接头2-1和球座滑套2-5置于定位接头2-6内部，并依靠锁块2-10悬挂在定位接头2-6上。内定位接头2-1设计有3个锁块孔，与3个锁块2-10配合，并用销轴2-2连接。球座2-4和球座滑套2-5放置于内定位接头2-1和承压接头2-7组成的内腔，球座滑套2-5与承压接头2-7用销钉2-8连接并压制密封元件2-9。球座2-4与内定位接头2-1直接压制密封元件2-3。球座滑套2-5下端通过螺纹与分水接头总成3连接。

参照图4，分水接头总成由轴承盒3-1、悬挂心轴3-2、止推轴承3-3、轴承托3-4、分水接头3-5、堵头3-6组成，轴承盒3-1上端依靠螺纹与滑块机构中的球座滑套2-5连接，悬挂心轴3-2与止推轴承3-3套合后依靠螺纹与分水接头3-5连接，并置于轴承盒3-1内，下端依靠轴承托3-4限位。堵头3-6封堵分水接头3-5下端，使钻井液通过分水接头分流孔流出到内、外筒环空。

参照图5，油气捕集总成6的储气筒5上部通过螺纹与分水接头总成3连接，下部与温度压力测量短节7通过螺纹连接。泄压阀4与油气捕集总成6螺纹连接并置于储气筒5内腔，两端靠上、下配合的接头限位。其中，油气捕集总成6由排气销钉6-1和垫片6-2、储气筒上盖6-3、活塞杆6-5、活塞6-7、储气筒下盖6-8依次连接并置于储气筒5内腔。活塞杆6-5上、下通过储气筒上盖6-3和储气筒下盖6-8限位并压制密封元件6-4，活塞6-7可沿活塞杆6-5在储气筒5内移动，并压制密封件6-6。

参照图6，温度压力测量短节7由两对相对装配的仪器仓7-1通过连接活套7-6螺纹连接。仪器仓7-1内装配有温度压力测量传感器7-2和电池7-3并用仪器仓盖板7-4压紧并密封。仪器仓组直接通过高压软管7-5和单向阀7-7通过密封螺纹连接。内筒测温测压短接7上部通过螺纹与储气筒5螺纹连接并压制密封元件7-9，下端通过螺纹同岩心限位器8连接，并压制密封元件7-10。岩心限位器8下端与岩心内筒10通过螺纹连接，并压制密封元件7-11。同时，内筒测温测压短接7下部安装有启动压力为0.5MPa的单向阀7-8。

参考图7，卡箍式岩心爪11、全封闭瓣式岩心爪12内筒置于岩心筒10内，岩心筒10与外筒9和取心钻头13间有钻井液流通通道13-1。

参考图8，卡箍式岩心爪11部分结构由岩心爪短节11-1、岩心爪11-2、缩颈套11-3、遮挡套11-4组成。岩心爪短节11-1上部通过螺纹与岩心内筒10连接，岩心爪短节11-1、缩颈套11-3、遮挡套11-4通过螺纹依次组成，岩心爪11-2放置于缩颈套11-3内部，上部受岩心爪短节11-1限位。遮挡套11-4对全封闭瓣式岩心爪12起遮挡作用。

参考图9，全封闭瓣式岩心爪12部分结构由瓣阀岩心爪12-1和扶正套12-2组成，瓣阀岩心爪12-1由阀瓣12-3和扭簧12-4组成。扶正套12-2处于取心钻头13内腔，起扶正作用，遮挡套11-4插入瓣阀岩心爪12-1内部，对阀瓣12-3进行限位。

使用过程：

取心工具下入井底后，循环钻井液，待井底清洗干净，无沉沙及掉块后，进行取心作业，此时钻井液只能通过内筒10、外筒9的环空间隙13-1经取心钻头13流出取心筒，避免了取心过程中冲刷筒内岩心。

取心钻进结束后，投入一专用钢球，钢球坐在滑块机构2的球座2-3上，开泵后由于钢球堵塞了流道，钻具内憋压推动球座2-3下行剪断滑块机构2上的剪切销钉2-8，此时用于内外筒限位的锁块2-10被释放，内、外筒脱离连接。此时再上提内筒10，取心筒外筒9将保持原位不动，内筒10随滑块机构2及差动机构1上行，筒内岩心被卡箍式岩心爪机构11中的岩心爪11-2自锁锁紧并割断岩心，上提差动机构1，岩心随内筒10上行。当内筒10上行至一定位置(约10-20cm)后，遮挡套11-4从阀瓣12-3中脱离，并受扭簧12-4弹簧力作用，向底部下盖密封阀瓣12-3完成内筒密封封堵。

起钻过程中，气体从页岩岩心内释放聚集在内筒10里，并通过温度、压力测量模块7中的流道进入到油气油气捕集总成6内部的储气筒5中保存。温度压力测量短节7实时记录内筒中的温度、压力值，气体释放达到一定压力后推动储气筒5内部的活塞向上运动，气体量超过泄压阀4安全设定压力后自动从泄压阀4泄压。