[发明专利]差动式空气钻井取芯装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探领域的空气钻井取芯装置，具体是一种差动式空气钻井取芯装置和利用本差动式空气钻井取芯装置的方法。

背景技术

空气钻井取芯是指在利用空气作为钻井介质时的地层取芯，空气的降温、润滑性能不同于常规液态钻井液，需要针对空气钻井设计的取芯工具。目前国内利用的空气钻井取芯装置都是利用上提割芯取芯方式，中国发明专利，发明创造名称为“气体钻井取芯工艺”，专利号“200710049630.8”，申请日为“2007.07.30”中就公开了一种上提式取芯割芯方式的取芯工艺。该上提割芯取芯方式仅适应于岩芯成柱性较好的地层中取芯，对于地层比较破碎或岩芯成柱性不好的地层取芯不适用，或者取芯效果差；而且钻进取芯时，没有针对岩芯和内筒的减摩、冷却功能；因此其取芯工艺方法也是针对上提割芯取芯方式的，国外使用的工具原理也是如此，有些是结构比较复杂，取样效果不理想，不能适应今后石油天然气勘探用气体钻井条件下的钻井取芯的需要。另外国内钻井取芯装置，在取芯钻头腔内都是不设密封的，只有在钻井液为介质下密闭取芯工具在该处是密封的，且是静密封。在空气为介质下国内的钻井取芯工具采用是单一密封，甚至有些还不密封，取样效果不理想，不能适应今后石油天然气勘探用气体钻井条件下的钻井取芯的需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种不仅适应于岩芯成柱性较好的地层中取芯，也能够适用于地层比较破碎或岩芯成柱性不好的地层取芯，保护岩芯的完整性差动式空气钻井取芯装置。同时本发明还给出了利用该装置的取芯方法。

本发明的技术方案之一，差动式空气钻井取芯装置包括：

差动式空气钻井取芯装置，包括差动机构1、定位短节2、悬挂总成3、外筒组件4、内筒组件5、割芯机构6 和取芯钻头7。其中：差动机构1 包括内多方体11、外多方体13、上接头10。割芯机构6 处在取芯钻头7 内腔位置。差动机构1、定位短节2、外筒组件4、取芯钻头7 上下连接构成外筒组合体。内筒组件5 和割芯机构6 上下连接构成内筒组合体。内多方体11 下端与设在外多方体13 内的中心接头19 构成间隙插接配合，中心接头19 设有径向和轴向的通气孔。悬挂总成3 包括向上与中心接头19 连接的衬套20、向下与悬挂结构14连接的悬挂短节22。悬挂短节22 与悬挂机构14 通过推力轴承23 连接，悬挂机构14 向下依次连接分流接头21 可调减压阀15、内筒组件5 和割芯机构6。内、外筒组合体之间留有间隙作为气流通道24。割芯机构6 的岩芯爪18 与取芯钻头7 内壁设有密封单元。

上述方案进一步包括：

所述可调减压阀15 包括可调喷嘴15-1 和阀体，阀体内部设有减压腔15-2，外部设有泄压孔15-3，泄压孔15-3 与减压腔15-2 贯通，可调喷嘴15-1 连接在阀体上并与减压腔15-2贯通。

割芯机构6 与取芯钻头7 的密封单元为内嵌在岩芯爪18 上部的内腔软合金环密封元件16 和橡胶密封元件17 组成，橡胶密封元件17 嵌在内腔软合金环密封元件16 上。

内多方体11 下端通过承压接头12 与中心接头19 对接，在内多方体11 或承压接头12 与外多方体13 的结合部设有密封圈27 ；中心接头19 通过连接套26 与衬套20 连接。

内筒组件5 包括取芯衬套和取芯内筒28。

本发明的技术方案之二，利用前述差动式空气钻井取芯装置的取芯方法，包括下钻、钻进、割芯、起钻和出芯。

第一步，下入差动式空气钻井取芯装置，在下入的钻具内设置两只翻板单流阀，分别设在差动式空气钻井取芯装置的上接头和上部连接钻具内；

第二步，钻进过程分为造芯和正常钻进两个阶段，首先是造芯，造芯作业参数选取为钻压20 ～ 30kN，转盘转数30 ～ 40prm，造芯0.2m ～ 0.3m 后改为正常取芯钻进，正常取芯钻进参数为钻压40 ～ 50kN，转盘转数40 ～ 50prm ；

第三步，割芯，首先停止加压，循环10 ～ 15min 后确定井底无岩屑停止转盘转动，上提钻具0.2m，卸掉钻具内的压力，向钻具内投入钢球，待钢球到位后下放钻具，加压80 ～100kN 时指重表指针回摆，继续加压150kN 上提钻具，割芯操作结束；

第四步，起钻是将差动式空气钻井取芯装置从井眼底部起到地面、取出岩芯。

上述取芯方法第三步中，在向钻具内投入钢球时，开启空气压缩机送球，分别送四只钢球。