一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构
阅读说明：本技术 一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构 (Core drilling tool structure with core unblocking function ) 是由 曹龙龙 王稳石 张恒春 闫家 李宽 胡晨 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构,包括取心钻具外总成和取心钻具内总成；取心钻具外总成包括依次螺纹连接的上接头、轴承腔、外管、外管扶正器和钻头；取心钻具内总成包括依次螺纹连接的心轴、岩心管接头、岩心管、分流接箍和分流套,分流套内设置有浮动卡簧座,浮动卡簧座内靠近钻头的一端设置有卡簧,浮动卡簧座靠近钻头的一端与分流套通过花键配合,能够实现同步回转；岩心管内靠近分流接箍的一端紧密接触设置有轴向“S”形开口的弹性薄壁管；浮动卡簧座与分流套之间的环空间隙内套设有弹簧。本发明能够自行实现解堵或缓解堵心程度,减少了取心钻进中岩心磨耗,提高了破碎易堵心地层岩心采取率和钻进效率。(The invention discloses a core drilling tool structure with a core plug removal function, which comprises a core drilling tool outer assembly and a core drilling tool inner assembly; the outer assembly of the core drill comprises an upper joint, a bearing cavity, an outer pipe centralizer and a drill bit which are sequentially connected by threads; the inner assembly of the core drilling tool comprises a mandrel, a core pipe joint, a core pipe, a shunt coupling and a shunt sleeve which are sequentially connected in a threaded manner, wherein a floating clamp spring seat is arranged in the shunt sleeve, a clamp spring is arranged at one end, close to a drill bit, in the floating clamp spring seat, and one end, close to the drill bit, of the floating clamp spring seat is matched with the shunt sleeve through a spline, so that synchronous rotation can be realized; one end of the core tube close to the shunt coupling is tightly contacted with an elastic thin-walled tube provided with an axial S-shaped opening; and a spring is sleeved in an annular space between the floating clamp spring seat and the shunt sleeve. The invention can automatically realize the blockage removal or relieve the blockage degree, reduce the core abrasion in the coring drilling and improve the core taking rate and the drilling efficiency of the broken stratum which is easy to block the core.)
技术领域
本发明涉及钻井工程取心钻具技术领域，特别是涉及一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构。
背景技术
取心钻进是以获取地层实物资料岩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、科学钻探等，取心钻进都是一种至关重要的工艺方法。但在取心钻进过程中常会遇到破碎易堵心地层，岩心在进入钻头后由于围岩压力消失，岩心柱应力释放会沿着裂隙碎裂成岩块或岩渣，一旦岩心在通过岩心卡簧座及卡簧处或岩心管内发生堵塞就会阻碍后续钻进中岩心继续进入岩心管，造成岩心破碎部分挤压、对磨和钻头重复磨耗岩心，导致岩心采取率不足，获取的地层信息缺失，同时岩心堵塞会影响后续岩心入管速度，进而影响取心钻进速度，如果岩心堵死就会终止回次钻进，严重影响综合钻探效率。
目前应用比较广泛的常规双筒单动取心钻具，岩心进入钻头后在卡簧座及卡簧处或者岩心管内破碎形成堵心形态，一般只能在一定范围内调整钻压和转速参数，改变钻具的钻进状态以取得微乎其微的解堵作用，通过这种办法实现解堵的几率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构，以解决上述现有技术存在的问题，能够自行实现解堵或缓解堵心程度，减少了取心钻进中岩心磨耗，提高了破碎易堵心地层岩心采取率和钻进效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构，包括取心钻具外总成和取心钻具内总成，所述取心钻具内总成悬挂于所述取心钻具外总成内，并由钻头扶正环扶正处于居中位置，能够实现取心钻具外总成回转，取心钻具内总成不动；所述取心钻具外总成包括依次螺纹连接的上接头、轴承腔、外管、外管扶正器和钻头；所述取心钻具内总成包括通过推力轴承设置于所述轴承腔内的心轴，所述心轴内部中空，且开设有进水口和心轴水眼，所述心轴远离所述上接头的一端依次螺纹连接有岩心管接头、岩心管、分流接箍和分流套，所述分流套内设置有浮动卡簧座，所述浮动卡簧座内靠近钻头的一端设置有卡簧，所述浮动卡簧座靠近钻头的一端与所述分流套通过花键配合，能够实现同步回转；所述岩心管内靠近分流接箍的一端紧密接触设置有轴向“S”形开口的弹性薄壁管；所述分流接箍包括外壁直径依次减小的第一接箍、第二接箍和第三接箍，所述第一接箍与所述岩心管螺纹连接，所述第二接箍与所述分流套螺纹连接，所述第三接箍末端插设于所述浮动卡簧座内，所述浮动卡簧座与所述分流套之间的环空间隙内套设有弹簧，所述弹簧能够使得第三接箍上的接箍水眼与浮动卡簧座上的卡簧座水眼错位。本发明通过取心钻具防堵心机构设计，岩心进入钻头破碎堵心后，通过钻具的防堵心机构动作激发自行实现解堵或缓解堵心程度，井口无需任何操作，钻进中取心钻具自我识别堵心形态并激发防堵心机构动作实现解堵功能，在岩心解堵后部分防堵心机构恢复原钻进状态，可实现再次解堵作用。岩心解堵作用减少了取心钻进中岩心磨耗，提高了破碎易堵心地层岩心采取率，增加了地层信息获取的完整度，同时能有效缓解堵心导致的钻进速度降低问题，提高了钻进效率。
可选的，所述岩心管两端分别开设有外螺纹，所述岩心管一端与所述岩心管接头末端的内螺纹通过螺纹连接，所述岩心管另一端与所述分流接箍远离钻头一端的内螺纹通过螺纹连接。
可选的，所述心轴靠近所述上接头的一端开设有所述进水口，所述心轴位于所述推力轴承之间的部分设置有环形凸起，所述环形凸起位于所述轴承腔内，所述心轴远离所述上接头的一端穿过所述轴承腔后插设于所述岩心管接头内；所述心轴水眼包括第一心轴水眼和第二心轴水眼，多个所述第一心轴水眼环设于所述心轴侧壁上，且所述第一心轴水眼位于所述轴承腔和所述岩心管接头之间，所述第二心轴水眼开设于所述心轴远离所述上接头的一端。
可选的，所述第一接箍、第二接箍和第三接箍呈阶梯状设置，多个所述接箍水眼均匀环设于所述第三接箍侧壁上。
可选的，所述分流套包括第一分流套和第二分流套，所述第一分流套的外径小于第二分流套的外径，且所述第一分流套与所述分流接箍一端螺纹连接；所述第一分流套上环设有第一分流套水眼，所述第二分流套上环设有第二分流套水眼，所述第二分流套靠近所述钻头一端的内壁上环设有花键槽。
可选的，所述浮动卡簧座一端外壁上环设有花键，另一端外壁上环设有卡簧座水眼，所述花键与所述花键槽配合连接；所述浮动卡簧座开设有所述花键一端的内壁为逐渐倾斜的锥形结构，所述卡簧外壁与所述浮动卡簧座内壁的锥形结构锥度配合连接；所述浮动卡簧座内壁上环设有限位凸缘，所述限位凸缘位置处的内径小于所述卡簧的最大外径，所述限位凸缘位于所述花键和所述卡簧座水眼之间。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的具有岩心解堵功能的取心钻具结构，在正常取心钻进过程中防堵机构不产生任何机械作用，如震荡或震击等，对钻具安全性及岩心原装性的保持无影响，堵心发生时无需井口识别操作，防堵机构自我识别并激发，实现解堵作用，浮动卡簧座上行，水力岩心解堵后可自动恢复至正常取心状态，尤其破碎地层可多次实现解堵作用。本发明能实现岩心在卡簧座、卡簧处以及岩心管内的双重解堵，两处岩心解堵运用不同的原理，在卡簧座及卡簧处通过改变流道运用水力解堵，在岩心管内运用滑动上行解堵，防堵机构简单，可靠性强，具有广泛的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
图1-1为本发明具有岩心解堵功能的取心钻具结构正常钻进状态时靠近上接头一端的示意图；
图1-2为本发明具有岩心解堵功能的取心钻具结构正常钻进状态时靠近钻头一端的示意图；
图2为取心钻具堵心后浮动卡簧座位置示意图；
图3为岩心管剖面示意图；
图4为心轴剖面示意图；
图5为弹性薄壁管示意图；
图5-1为弹性薄壁管剖面示意图；
图6为分流接箍示意图；
图7为分流套示意图；
图7-1为分流套A-A向剖面图；
图7-2为分流套B-B向剖面图；
图8为浮动卡簧座示意图；
图8-1为浮动卡簧座A-A向剖面图；
图8-2为浮动卡簧座B-B向剖面图；
其中，1为上接头；2为轴承腔；3为外管；4为外管扶正器；5为钻头；6为心轴；6-1为第一心轴水眼；6-2为第二心轴水眼；6-3为进水口；7为推力轴承；8为岩心管接头；9为岩心管；10为弹性薄壁管；11为分流接箍；11-1为接箍水眼；11-2为第一接箍；11-3为第二接箍；11-4为第三接箍；12为分流套；12-1为第一分流套水眼；12-2为第二分流套水眼；12-3为花键槽；12-4为第一分流套；12-5为第二分流套；13为浮动卡簧座；13-1为卡簧座水眼；13-2为花键；13-3为限位凸缘；14为钻头扶正环；15为弹簧；16为卡簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构，以解决上述现有技术存在的问题，能够自行实现解堵或缓解堵心程度，减少了取心钻进中岩心磨耗，提高了破碎易堵心地层岩心采取率和钻进效率。
为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。
参考附图1-1、附图1-2和附图2-附图8所示，本发明提供一种具有岩心解堵功能的取心钻具结构，其中上接头1、轴承腔2、外管3、外管扶正器4、钻头5依次螺纹连接组成取心钻具的外总成。其中6心轴在7推力轴承的支撑下坐挂于轴承腔2的内腔里；6心轴、岩心管接头8、岩心管9、分流接箍11、分流套12依次螺纹连接；如图5-1所示，弹性薄壁管10轴向均匀设有“S”形开口，其外径压缩后依靠弹性形变力支撑于岩心管9内壁的滑动槽内靠近钻头的一端，且弹性薄壁管10可沿岩心管9内壁的滑动槽向上滑行；浮动卡簧座13坐挂于分流套12的内腔，靠近钻头的一端花键13-2与花键槽12-3配合实现同步回转，以上组成取心钻具的内总成。上述内总成悬挂于外总成内并由钻头扶正环14扶正处于居中位置，实现双管取心钻具外总成回转内总成不动。分流接箍11包括外壁直径依次减小的第一接箍11-2、第二接箍11-3和第三接箍11-4，第一接箍11-2、第二接箍11-3和第三接箍11-4呈阶梯状设置，多个接箍水眼11-1均匀环设于第一接箍11-2侧壁上，第一接箍11-2与岩心管螺纹连接，第二接箍11-3与分流套12螺纹连接，第三接箍11-4末端插设于浮动卡簧座13内，浮动卡簧座13与分流套12之间的环空间隙内套设有弹簧15，弹簧15一端与花键13-2相抵接，另一端与第三接箍11-4和第二接箍11-3之间的阶梯面相抵接，弹簧15能够使得第三接箍11-4上的接箍水眼11-1与浮动卡簧座13上的卡簧座水眼13-1错位，在弹簧力的支撑下接箍水眼11-1与卡簧座水眼13-1错位，流道关闭。
岩心管9两端分别开设有外螺纹，岩心管9一端与岩心管接头8末端的内螺纹通过螺纹连接，岩心管9另一端与分流接箍11远离钻头5一端的内螺纹通过螺纹连接。心轴6靠近上接头1的一端开设有进水口6-3，心轴6位于推力轴承7之间的部分设置有环形凸起，环形凸起位于轴承腔2内，心轴6远离上接头1的一端穿过轴承腔2后插设于岩心管接头8内；心轴水眼包括第一心轴水眼6-1和第二心轴水眼6-2，多个第一心轴水眼6-1环设于心轴6侧壁上，且第一心轴水眼6-1位于轴承腔2和岩心管接头8之间，第二心轴水眼6-2开设于心轴6远离上接头1的一端。如图7、图7-1和图7-2所示，分流套12包括第一分流套12-4和第二分流套12-5，第一分流套12-4的外径小于第二分流套12-5的外径，且第一分流套12-4与分流接箍11一端螺纹连接；第一分流套12-4上环设有第一分流套水眼12-1，第二分流套12-5上环设有第二分流套水眼12-2，第二分流套12-5靠近钻头5一端的内壁上环设有花键槽12-3。如图8、图8-1和图8-2所示，浮动卡簧座13一端外壁上环设有花键13-2，另一端外壁上环设有卡簧座水眼13-1，花键13-2与花键槽12-3配合连接；浮动卡簧座13开设有花键13-2一端的内壁为逐渐倾斜的锥形结构，卡簧16外壁与浮动卡簧座13内壁的锥形结构锥度配合连接；浮动卡簧座13内壁上环设有限位凸缘13-3，限位凸缘13-3位置处的内径小于卡簧16的最大外径，限位凸缘13-3位于花键13-2和卡簧座水眼13-1之间。
本发明工作时，首先开始取心钻进，钻井液从钻具中心水眼进入，通过心轴6的第一水眼6-1和第二水眼6-2分流，大部分钻井液从第一水眼6-1流入内、外总成环空间隙，只有少量钻井液从第二水眼6-2流入岩心管润滑、清洗岩心管内壁。流入环空间隙的钻井液流经分流套12时，自第一分流套水眼12-1流入后从第二分流套水眼12-2流出，并流向钻头5。岩心进入钻头5、浮动卡簧座13及卡簧16不堵心时会顺利进入岩心管并上行，钻具状态如图1-1和图1-2所示。如果进入钻头的岩心应力释放或沿着裂隙碎裂后在卡簧座及卡簧处形成堵心形态，此时碎裂的岩心相互挤压错位与卡簧及卡簧座的内壁摩擦力急剧增大，当堵心形成的摩擦力增大到一定值时会推动浮动卡簧座13压缩弹簧15上行直至浮动卡簧座13端部与分流接箍11的第二分流接箍靠近第三分流接箍的端面接触限位，此时接箍水眼11-1与卡簧座水眼13-1重合流道打开，同时浮动卡簧座13上行后浮动卡簧座13下部的花键13-2将分流套12下端第二分流套水眼12-2封闭，流入第一分流套水眼12-1的钻井液会全部通过接箍水眼11-1与卡簧座水眼13-1流入浮动卡簧座13内部和卡簧16处，大量钻井液会强力冲刷清理堵塞在浮动卡簧座13及卡簧16处的岩心碎渣，岩心解堵后与卡簧16及浮动卡簧座13内壁摩擦力下降或消失，此时浮动卡簧座13在弹簧力的作用下下行关闭接箍水眼11-1与卡簧座水眼13-1的水眼流道，同时花键13-2沿着分流套12下端花键槽12-3下行打开第二分流套水眼12-2，钻井液恢复堵心前的流道状态。如果岩心进入岩心管后形成堵心形态，此时岩心挤压错位后与弹性薄壁管10内壁摩擦力增大，当摩擦力增大到一定值时会推动弹性薄壁管10沿着岩心管9内壁的滑动槽上行，避免岩心进一步挤压变形错位甚至堵死，保证后续岩心正常入管上行；同时进入弹性薄壁管10内部的碎裂岩心在上行过程中与弹性薄壁管10保持相对静止，原状性不会继续被破坏，提高了地层资料获取的准确度。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。
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