取芯钻以及取芯方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201080040764.3 | 申请日 | 2010-07-30 | 公开(公告)号 | CN102498260B | 公开(公告)日 | 2015-04-01 |
| 申请人 | 霍利贝顿能源服务公司; | 发明人 | O·J-M·C·马热朗; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种取芯钻，它包括：外部管；取芯 钻头 ，用于通过外部管的旋转而旋转，以便钻出取芯孔，并形成具有岩芯直径的岩芯；以及内部取芯管(1)，该内部取芯管(1)安装在外部管内，以便接收由取芯钻头形成的岩芯，该内部取芯管包括：内部管形壁(2)，该内部管形壁限定了空腔(4)，该空腔的直径基本与岩芯直径相同，通过取芯钻头形成的岩芯保持在该空腔中，一个或多个观察开口(8、9、10)穿过内部管形壁形成；以及外部管形壁(3)，内部管形壁同轴地容纳于该外部管形壁中，内部和外部管形壁相互连接，以便形成单件式双壁管。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种取芯方法，包括以下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 取芯钻以及取芯方法技术领域[0001] 本发明涉及取芯钻以及相关的取芯方法。 背景技术[0002] 例如将用于石油勘探的取芯钻以已知方式包括：环形取芯钻头；外部管，该外部管支承环形取芯钻头并使它旋转；以及内部取芯管，该内部取芯管将接收岩芯。内部取芯管例如通过滚柱轴承而同轴地容纳于外部管内部，该滚柱轴承使得外部管能够轴向驱动内部管以及绕内部管旋转而并不驱动它旋转。以已知方式，多个外部管和多个内部管能够以管柱形式接连装配。前面的内部管(考虑当切割岩芯时钻的运行方向)以普通方式承载通常裂口的截头圆锥形环系统，当该内部管柱朝着地面升高时，该截头圆锥形环系统将岩芯保持在内部管柱的空腔中。 [0003] 上述类型的取芯钻已知很长时间。 [0004] 当需要检查通过这样的钻来采集的岩芯时，可能很难在并不破坏内部管的情况下将岩芯从内部管取出。 [0005] 因此，考虑到在地面的岩芯检查，已经进行了多种努力来提高岩芯的取出。例如，已经提出由两个半圆柱体形成内部管，这两个半圆柱体一个夹靠在另一个上，或者甚至一个锁定在另一个上(例如见US-B-7182155和US-A-2008/0083645)。不过，这些系统有多个缺陷。半管通过简单地一个抵靠在另一个上而进行装配，且在这种情况下，在两个元件之间的相对运动(不管它在取芯过程中还是在打开过程中)都可能扰乱岩芯的完整性；或者半管通过搭锁系统而装配在一起，然后需要脱开该搭锁系统，这可能引起复杂和粗暴的内部管操作，从而可能污染或扰乱岩芯。 [0006] 另一示例也提供了内部管，该内部管在它的空腔内封装管形夹套，同时牢固保持它。这将接收岩芯，并有预先形成的分开线，例如通过布置成行的刻划孔。一旦到达地面，管形夹套必须首先滑出内部管，然后通过沿分开线拆开管的各部分而被打开。 [0007] 所有这些装置都有缺陷，在地面上，在打开内部管之前，不能在并不操作内部管的情况下观察岩芯。这种打开步骤(即使它相对于当前技术进行改进，该当前技术包括锯开内部管)并不总是绝对保证在这样的操作过程中保持岩芯的完整性。最后，在这些装置中，取芯流体在岩芯和内部管之间沿岩芯排出。在相当频繁的情况下，位于岩芯上面的流体不能沿岩芯通过，这可能阻止岩芯进入或前进至钻的内部管中。 [0008] 而且，应当注意，为了改善取芯流体在钻中的流通，已经提供了三个独立的同心管的设置。也就是说，中间管同轴地布置在外部管和普通的内部管之间，以便形成在三个管之间的流动空间(例如见WO97/26438和BE-A-1011199)。 [0009] 还已知取芯方法，它包括：使用取芯钻头在取芯孔中切割岩芯；以及将该岩芯引入至少一个内部取芯钻管中，该内部取芯钻管包括：内部管形壁，岩芯接收于该内部管形壁中，且该内部管形壁设有至少一个开口狭槽；以及外部管形壁，内部管形壁同轴地装入该外部管形壁中，该内部和外部管形壁相互保持一定径向距离，并相互连接，以便形成单件式组件(例如见US-A-4716974)。 [0011] 为了能够这样使用泡沫塑料，通过取芯钻头切割的岩芯必须具有比内部管形壁的内径略小的直径，以便当岩芯接收于内部管形壁内时产生绕岩芯的周围环形空间，液体泡沫塑料能够充入该环形空间中。 [0012] 由取芯钻切割的岩芯的直径(外径)将由用于切割它的取芯钻头来确定。不过，岩芯的直径可以并不完全等于用于切割它的取芯钻头的本体内径；例如，取芯钻头可以包括切割齿，该切割齿内接比取芯钻头的支承本体(齿保持在该支承本体上)更小直径的圆。同样，在它将切割的岩芯直径方面，取芯钻头可以有最合适的特征。 [0013] 在US-A-4716974中的内部钻芯管的结构只是提供为方便起泡处理，用于将岩芯回收至地面，而没有流体损失、迁移或消除。同样，拆开以便检查岩芯的方法并没有进行介绍，因此能够认为以普通方式来进行，具有所有前述缺点。 发明内容[0014] 根据本发明的第一方面，提供了一种取芯方法，它包括：在至少一个内部取芯管中接收要进行检查的岩芯，该内部取芯管包括：内部管形壁，该内部管形壁限定空腔，岩芯保持在该空腔中，该内部管形壁有形成于内部管形壁中的一个或多个观察开口；以及外部管形壁，内部管形壁同轴地容纳于该外部管形壁中，内部和外部管形壁相互连接，以便形成单件式双壁管；去除外部管形壁的一部分，以便露出该一个或多个观察开口中的至少一个；以及通过该至少一个露出的观察开口来观察在内部管形壁中保持基本完整的岩芯。 [0015] 本发明的实施例能够提供一种取芯方法，该取芯方法没有现有技术的前述缺陷，特别是避免了钻的装配和去除的复杂性，同时避免了岩芯堵塞的相关危险、在操纵和去除过程中损坏岩芯的危险以及在打开内部管的过程中工具等与岩芯直接接触的危险。理想的是，本发明实施例还能够提供在地面上对岩芯进行某种快速观察。 [0016] 根据本发明的第二方面，提供了一种取芯钻，它包括：外部管；取芯钻头，用于通过外部管的旋转而旋转，以便钻出取芯孔，并形成具有岩芯直径的岩芯；以及内部取芯管，该内部取芯管安装在外部管内，以便接收由取芯钻头形成的岩芯，该内部取芯管包括：内部管形壁，该内部管形壁限定了空腔，该空腔的直径基本与岩芯直径相同，通过取芯钻头形成的岩芯保持在该空腔中，一个或多个观察开口穿过内部管形壁形成；以及外部管形壁，内部管形壁同轴地容纳于该外部管形壁中，内部和外部管形壁相互连接，以便形成单件式双壁管。 [0017] 在这种结构中，岩芯只与内部管形壁紧密接触。因此能够在并不危及岩芯的完整性的情况下操纵外部管形壁。甚至能够完全或局部切割或锯开外部管形壁。当两个管形壁形成单件式组件时，它们能够制造成单件。它们的分开距离能够形成环形布置的空间，取芯流体能够优选地流过该空间，而不必经过岩芯。当断开时，这些空间仍然为空的，这允许当外部管形壁的一部分切除或者以其它方式断开并且再去除时通过在内部管形壁上提供的观察开口而直接观察容纳在内部管形壁中的岩芯。即使在这样局部去除外部管形壁之后仍然能够运输包含岩芯的内部取芯管，该岩芯没有受损或受到污染的危险。这是因为岩芯保持在内部管形壁内部。断开和然后去除的外部壁部分或者它在外部管形壁中留下的空间可以具有任意形状。例如，它可以是圆柱体的区段，该区段沿纵向从内部管的一端延伸至另一端，或者它可以采取在外部管形壁中的窗口的形式。 [0018] 根据本发明的一个实施例，断开内部管的外部管形壁的一部分的所述步骤在朝向所述至少一个狭槽中的一个狭槽的位置处进行，从而在分离断开的外部管形壁部分的步骤中所述一个狭槽形成所述岩芯观察开口。优选是但不必须，这样的开口狭槽沿纵向从所述内部管形壁的一端延伸至另一端。因此能够在仍然封装(保持)在内部管形壁中的状态下(也就是说岩芯保持没有污染和并不扰乱它的完整性，尽管外部管形壁开口)观察岩芯的整个长度。 [0019] 在本发明的还一实施例中，至少一个刻痕线可以朝着外侧提供于外部管形壁上，例如沿纵向。该线通过例如减小要切割的壁的厚度来便于外部管形壁的局部去除。它还能够用作在内部管形壁中定位观察开口或狭槽的位置的外部标记。 [0020] 断开或去除能够包括或使用切割、锯或任意其它方式。 [0021] 在本发明的还一实施例中，内部和外部管形壁保持径向间隔一定距离，并通过支杆而相互连接，该支杆优选是相互平行地沿纵向延伸。内部管形壁可以包括至少两个开口狭槽，这些开口狭槽沿周向布置成彼此间隔一定距离，并沿纵向从所述内部管形壁的一端延伸至另一端。优选是，至少一个支杆提供在所述至少两个开口狭槽中的两个相邻狭槽之间的每个间隙中。 [0022] 断开的外部管形壁部分可以沿周向有：第一纵向边缘，该第一纵向边缘定位成近似朝向所述至少两个开口狭槽中的第一个；以及第二纵向边缘，该第二纵向边缘定位成近似朝向所述至少两个开口狭槽中的第二个。当该断开的外部管形壁部分从所述内部取芯管上去除时，位于所述第一开口狭槽和所述第二开口狭槽之间的内部管形壁部分(该内部管形壁部分通过至少一个所述支杆而与所述断开的外部管形壁部分连接)与断开的外部管形壁部分一起被分离，从而形成所述观察开口。优选是，支杆沿纵向在内部管形壁和外部管形壁之间延伸，从而界定了多个空的纵向通道，这些纵向通道允许流体在内部取芯管的上游端和下游端之间流通。 [0023] 当有从内部管形壁的一端延伸至另一端的两个开口狭槽时，形成两个分开的圆柱体区段。不过，它们通过固定在外部管形壁上的支杆而彼此相对牢固地保持就位。在分开(分离)步骤中，一个前述圆柱体区段去除，因为它与去除的外部管形壁部分保持成一体。这样形成的开口不会产生对岩芯不利的操纵或污染，该岩芯仍然保持封装在内部管形壁的其它圆柱体区段中。 [0024] 内部取芯管还能够包括固定装置或者端部连接器，用于使它与至少一个其它内部取芯管连接，这些固定装置布置在要连接的各内部取芯管的外部管形壁上。这些固定装置能够将内部取芯管柱布置在取芯钻的一个或多个外部管内部。 [0026] 通过下面对非限定实施例的说明将清楚本发明的其它细节和特征。该说明将参考附图，附图中： [0027] 图1表示了在根据本发明的取芯钻和取芯方法中使用的内部取芯管的轴向剖视图； [0028] 图2表示了沿图1中的线I-I剖开的横剖图； [0029] 图3表示了在根据本发明的取芯钻和取芯方法中使用的两个内部取芯管的组件的分解图； [0030] 图4表示了隔离环沿图3中的线III-III剖开的剖视图； [0031] 图5至7表示了切割内部取芯管的三种方法，它们可以是在本发明的取芯方法中的步骤；以及 [0032] 图8至11表示了在本发明的取芯钻或取芯方法中使用的内部取芯管的四种变化形式的横剖图。 具体实施方式[0033] 在各个附图中，相同或类似元件有相同参考标号。 [0034] 如图1和2中清楚所示(图1和2表示了可以在本发明的取芯钻或取芯方法中使用的内部取芯管1的示例)，内部取芯管1设计成双壁管的形式。它包括内部管形壁2和外部管形壁3。内部管形壁2将在它的空腔4中接收岩芯。它被同轴地容纳于外部管形壁3内部，同时沿径向保持在离该外部管形壁3一定距离处，以便形成在内部和外部管形壁之间的环形空间5。特别如图2中所示，管形壁2和3相互牢固连接，从而形成单件式组件。 [0035] 所示内部取芯管优选是能够由金属或塑料材料制造，或者由基于金属或塑料材料的材料来制造。优选是能够通过挤出来制造，以便形成单件的双壁管。还能够考虑优选地铝或铝合金或者可能的某些可挤出塑料材料作为材料。 [0036] 在所示示例中，管形壁2和3通过在它们之间纵向延伸的支杆6而相互连接和保持径向同心间隔一定距离。因此，这些支杆6在环形空间5中界定了纵向通道7，该纵向通道7能够使得取芯流体在内部取芯管1的上游端和下游端之间流通。 [0037] 根据所示示例，内部管形壁2设有三个开口狭槽，这三个开口狭槽布置成朝着图2中的箭头8、9和10。这些狭槽沿周向布置在相互成一定距离处。狭槽9和10布置成相互为180°，狭槽8布置成与狭槽9的角度小于180°，它例如可以为大约15°、30°、45°或60°，这里大约为30°。在本例中，狭槽8至10从内部管形壁2的一端沿纵向延伸至另一端，因此形成三个圆柱体区段11、12和13。各圆柱体区段保持为通过一个或多个(这里表示为多个)支杆6而固定在外部管形壁3上。根据该结构，圆柱体区段11至13因此完全固定在一起，且在取芯过程中或在引出岩芯的步骤过程中在它们之间不可能有任何相对运动。在所示示例中，支杆6也从内部管形壁2的一端完全延伸至另一端，即三个圆柱体区段 11、12和13并不相互直接连接。 [0038] 在所示示例中，内部取芯管1有固定装置，该固定装置将使得多个内部取芯管相互连接。外部管形壁3有端部部分14和15，该端部部分14和15在内部管形壁的各侧轴向凸出。固定装置布置在这些部分上。下游侧端部部分14成凸形连接件的形式，它较细并有外螺纹。上游侧端部部分15成凹形连接件的形式，它张开并具有内螺纹。可以设想，内部取芯管1的凸形连接件与另一内部取芯管1的凹形连接件直接螺纹连接。 [0039] 假定这些螺纹连接件有制造公差，该制造公差有时可能引起内部取芯管的未对准，因此有阻塞在内部取芯管柱内部向上移动的岩芯的危险，因此优选是可以在两个内部取芯管之间提供用于连接的隔离环16，例如在图3和4中所示的隔离环。 [0040] 由图3中清楚可见，在使得两个内部取芯管相互连接之前，隔离环16插入它们之间。在固定位置中，隔离环16的第一部分容纳于第一内部取芯管的外部管形部分的端部部分14的内部，它的第二部分容纳于第二内部取芯管的外部管形壁的端部部分15的内部。 [0041] 在图3中，轴向部分选择为在要进行连接的内部取芯管的底部部分中穿过纵向通道7，而在顶部部分中在支杆6处穿过内部和外部管形壁。 [0042] 在内部取芯管的固定位置中，隔离环轴向夹紧在内部取芯管的内部管形壁之间。隔离环16具有轴向空腔17和周向通道18，该周向通道18允许在布置于连接至一起的两个内部取芯管的外部和内部管形壁之间的纵向通道7之间流体连通。 [0043] 优选是，轴向空腔17在下游侧有成斜面形式的张开部19。这样，将以改进方式防止岩芯在内部取芯管1内向上移动的过程中阻塞。 [0044] 尽管没有单独示出，但是如前所述，为了执行取芯操作，内部取芯管1(或者看情况，可以是相互连接的内部取芯管柱)安装在取芯钻的外部管内。内部取芯管例如通过滚柱轴承而同轴地容纳于外部管内部，该滚柱轴承使得外部管能够轴向驱动内部管以及绕该内部管旋转而并不驱动该内部管旋转。以已知方式，外部管可以形成为外部管部分管柱，与上述内部取芯管柱类似。前面(下游)的内部管(考虑当切割岩芯时钻的运行方向)以普通方式承载通常裂口的截头圆锥形环系统，当该内部管柱朝着地面升高时，该截头圆锥形环系统将岩芯保持在内部管柱的空腔中。 [0045] 取芯钻头(通常为环形取芯钻头)支承在外部管的下游端处或下游端附近，并通过外部管的旋转而驱动旋转。当用于抽取岩芯时，取芯钻头的旋转以及所需的轴向力使得钻头在岩层内切割环形孔，从而在孔的中心处留下切掉的岩芯。当取芯钻头前进至岩层内时，岩芯被接收于内部取芯管1的内部管形壁2内的内部空腔4中，并在取芯钻头向下游前进至岩层内时在内部取芯管内相对向上游前进。 [0046] 要接收于内部取芯管1内的岩芯应该有与取芯管1的内部管形壁2内的空腔4基本相同的直径。也就是，由取芯钻头切割的岩芯将紧密配合在内部管形壁2内，从而在岩芯和内部管形壁2之间基本没有留下间隙。岩芯和内部管形壁2优选是在内部管形壁2的内周周围紧密接触，使得在岩芯上面(上游)的取芯流体将在空腔4中向上运动，或者通过狭槽8、9和10而沿纵向通道7向下游通向取芯钻头。如果能够流动，取芯流体也并不在岩芯和内部管形壁2之间自由地通向下游。 [0047] 这通过将切割岩芯的取芯钻头的直径选择为与内部管形壁2的内径基本相同而实现。本领域技术人员能够很容易地选择合适的取芯钻头，从而允许取芯钻头的机械加工公差和磨损以及内部管形壁2的非均匀截面形状，且需要岩芯能够在并不破碎或堵塞的情况下接收于内部管形壁2内的空腔4中并穿过该空腔4前进。岩芯在内部管形壁2内的紧密配合帮助保证该岩芯一旦接收于内部管形壁2内就通过它的完整的整体性而牢固地保持就位。 [0048] 在上述说明中，术语上游和下游应当根据取芯方向来理解。因此，元件的上游侧或端部是最靠近岩芯将被回收到的地面的一侧或端部，而下游侧或端部是最靠近取芯孔底部的一侧或端部，即朝向地心。 [0049] 一旦取芯结束，一个或多个内部取芯管1被送至地面。然后，能够去除外部管形壁3的全部或者优选是一部分，而没有损坏保持在内部管形壁2中的岩芯的完整性的危险。为此，甚至能够使用常规的脱开技术，例如锯开外部管形壁3。优选是，能够提供一个或多个刻痕线20，该刻痕线20在外部管形壁3上纵向延伸，如图5中所示。这些线能够例如由壁的线性或隔开的削弱部分或者壁的线性穿孔来构成。 [0050] 也可选择，为了很容易地接近岩芯以便立即观察岩芯，可以通过切除朝着一个狭槽8、9或10的材料而除去外部管形壁3的一个或多个部分，例如通过使用合适的宽锯条或通过钻出一个或多个孔。 [0051] 在图5所示的示例实施例中，切除外部管形壁3的、朝向纵向狭槽8并在两个相邻支杆6之间的部分，以便使得外部管形壁3的圆柱形区段21分离。该圆柱形区段21再被或能够被从内部取芯管1上去除。这能够直接通过纵向狭槽8来观察岩芯，就像将用于估计液体容器内容物的仪表。这种操作决不会破坏岩芯的完整性，该岩芯完整地保持在内部管形壁2中。然后，岩芯能够在它的原始包装(即内部管形壁2)中运送和引导至合适的随后处理单元。这里，能够注意怎样使得根据本发明的内部双壁取芯管1具有较高刚性。这在内部取芯管水平布置在地面上时(在它们从取芯孔中竖直取出之后)特别有利。在该操作过程中，现有技术的单壁类型的内部取芯管存在着由于内部取芯管的弯曲而引起岩芯破损的危险。 [0052] 在图6所示的示例实施例中，圆柱体区段22在朝向偏离大约30°角度的开口狭槽8和9的位置处从外部管形壁3上切割。当圆柱体区段22从外部壁3上抽出时，内部壁的圆柱体区段13(见图2，它的一部分通过支杆6而与区段22连接)同时取出。这不需要切割或锯开内部管形壁2或者用工具来接触它，因为内部管形壁2已经由多个独立的圆柱体区段11、12和13来形成。因此，除去这些区段中的一个将只以特别小的程度扰乱岩芯(如果存在的话)，同时允许直接和容易地观察岩芯。 [0053] 在图7所示的示例实施例中，在朝向偏离180°的各开口狭槽9和10处切割外部管形壁。这样，一半23内部取芯管1能够与另一半24分离，这也没有通过锯或其它切割工具来接触和扰乱岩芯的完整性的危险。预先由开口狭槽9和10来分开的一半内部管形壁2由于存在支杆6而伴随每一半切割的外部管形壁3。然后，能够获取保持完整性的岩芯试样。 [0054] 如所有这些示例所示，当外部管形壁3的断开部分取下或拆开时，将通过观察开口(例如直接在内部管形壁2中产生的狭槽8、9和10)来观察岩芯，因为存在于内部管形壁2和外部管形壁3之间的空间为空的。 [0055] 必须知道，本发明并不局限于上述示例，且在附加权利要求的范围内能够进行多种变化。 [0056] 例如，可以设想，开口狭槽8、9和10有各种形状，沿内部取芯管1的内部管形壁2不连续，或者并不从内部管形壁2的一端延伸至另一端。同样，允许取芯流体流通的纵向通道7能够有各种横截面形状，例如长方形、矩形、圆形、V形或者其它形状(例如见图8和9)。还能够提供沿内部取芯管并不连续的支杆6。 [0058] 在横截面中，内部管形壁的外部形状或外部管形壁的内部形状或者它们两者可以不同于圆形形状，例如可以是正方形、多边形或者其它非圆形(例如见图10)。 [0059] 内部取芯管能够通过固定装置(而不是螺纹连接件)而连接在一起。例如，可以想象使用弹簧夹或夹持爪或已知用于该目的的任意其它装置。 [0060] 还能够想象，内部取芯管1的外部管形壁3可以有多层结构(例如见图11)。在这种情况下，除了外部夹套26之外，外部管形壁还包括至少一个中间管形夹套25，当这些夹套被连接在一起以便形成单件式组件时，这些夹套依次径向同心地保持为彼此间隔一定距离。 |
||||||
