钻取一体化密闭取芯方法与流程

本发明属于煤层取芯，具体的说，涉及一种钻取一体化密闭取芯方法。

背景技术：

1、煤层含气量的准确测试是煤层气资源精准评估和煤矿井下安全生产的关键，煤层含气量的测试方法主要包括间接法和直接法两种。间接法根据井下实测煤层原始瓦斯压力和煤样的孔隙率、吸附常数等参数，推算煤层瓦斯含量，该方法要求测定的瓦斯压力真实可靠，而煤层钻孔内瓦斯压力测定工艺要求严格，测定周期长，成功率低；直接法需要通过钻孔的方式采集煤样，然后采用瓦斯解吸法测试煤样的含气量，其准确性取决于采集煤样过程中的瓦斯逸散量。

2、目前地面煤层气井直接取芯测量主要采取两种形式，取芯筒起打钻取芯和绳索取芯，打钻取芯需要在钻杆底部安装取芯筒，并使其随钻杆转动、切割岩石后，取芯筒携带岩芯提出井筒；绳索取芯使用常规钻进方式钻进至预定位置后，通过绳索将取芯装置下放至井底，切割岩芯后随绳索提升至地面。这两种形式均为开放式取样，即取芯筒、取芯装置不具有密封性，这导致取出的样品直接与空气等其他杂质接触，取芯效率低，且样品内的气体极易损失挥发，尤其当煤层埋深较大时作业时间更长，样品测量时效性差，难以保证气体含量和压力数据的有效性和准确性，对于游离气含量显著提升煤层更是无能为力。而现有的保压取芯方式，需要提出打钻进行更换，操作复杂，影响取芯效率，因此，需要一种保压效果好、测试准确且便于操作的钻取一体化密闭取芯方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种钻取一体化密闭取芯方法，本发明通过设置外筒总成，将钻头组件安装在外筒总成内进行钻进工作，钻至取样位置后，使用内筒总成和取芯组件替换钻头组件即可进行取样，无需将整个钻杆钻头取出，操作方便且保压效果好、测试结果准确。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、钻取一体化密闭取芯方法，包括如下步骤：

4、（1）将外筒总成和钻头组件连接到钻杆上进行钻进；

5、（2）钻至取样位置后，使用内筒总成和取芯组件替换钻头组件；

6、（3）钻进取芯；

7、（4）使用打捞机构将内筒总成及取芯组件取出，并密封保存。

8、外筒总成包括相互连接且水平设置的第一外筒和第二外筒，第一外筒的左端通过第一转接头安装有第一钻头，第二外筒的右端连接弹卡室，弹卡室内设置有相应的弹卡挡头，弹卡室的右端设置有用于连接钻杆的第二转接头；

9、第一外筒与第二外筒的连接处设置有安装在第一外筒上的限位环，第二外筒与弹卡室的连接处设置有安装在第二外筒上的定位环；

10、钻头组件包括水平设置的钻头体，钻头体的左端连接有第二钻头，钻头体的右端通过第一连接销连有第一回收管，第一回收管内设置有通过第一张簧和第二连接销相互连接的第一弹卡钳和第二弹卡钳，第一回收管的右端通过第一连接座设置有第一捞矛头；

11、第一回收管上开设有对应于第一弹卡钳和第二弹卡钳的卡孔，第一弹卡钳和第二弹卡钳被第一张簧撑开并穿过卡孔紧贴于弹卡室的内壁，并被弹卡挡头支挡。

12、取芯组件包括水平设置的取样筒，取样筒内部设置有料仓，料仓的左端设置有卡簧组件，料仓的右端连接排气件，排气件上开设有排气孔，形成排气端口，排气件的右端设置有球阀，并通过螺钉与第一连接轴连接；

13、料仓与取样筒之间设置第一缓冲弹簧，第一缓冲弹簧的右端设置有第一垫圈，左端设置有压紧块，压紧块通过剪切销设置在料仓外部；

14、取样筒的左端为取样端，取样端设置有密封组件，密封组件与卡簧组件均位于取样端；

15、取样筒的右端连接限位座，限位座上安装有活动限位板，活动限位板在轴用卡簧的作用下紧贴第一连接轴；

16、限位座的右端被挡块支挡，第一连接轴上设置有凸起部，挡块设置在限位座和凸起部之间；

17、密封组件包括通过螺钉与取样筒相连接的密封筒、通过弹簧片连接在密封筒上的密封盖，正常状态下，密封盖在弹簧片的作用下盖在密封筒上，取样时，密封盖被料仓顶开；

18、卡簧组件包括通过螺钉安装在卡簧组件包括与料仓连接的卡簧座、安装在卡簧座上的卡簧、用于固定卡簧的卡簧挡圈。

19、内筒总成包括水平设置内筒轴，内筒轴的左端设置有用于连接取芯组件的内孔和用于调节取芯组件与第一钻头间隙的调节螺母，内筒轴的右端通过第二连接轴连接第二回收管，第二连接轴的左端插设在内筒轴内，右端连接第二回收管，第二回收管内设置有弹卡机构；

20、第二连接轴上安装有固定座，第二连接轴与固定座之间设置有铜套；固定座的左端随第二连接轴的部分置于内筒轴内，且连接第一推力轴承，右端连接第二推力轴承，使外筒总成无法带动内筒轴连通取芯组件一同转动；

21、第二连接轴插设在内筒轴内的部分上安装有第二缓冲弹簧和第二垫圈，左端部安装螺母；

22、第二连接轴的未插入内筒轴的部分上设置有用于提醒堵塞的堵塞报信机构和用于提醒安装到位的到位报信机构。

23、弹卡机构包括通过销轴连接在第二连接轴上的弹卡架、通过销轴安装在弹卡架上的相对设置的第三弹卡钳和第四弹卡钳、支撑第三弹卡钳和第四弹卡钳的第二张簧；

24、第二回收管上开设有对应于第三弹卡钳和第四弹卡钳的卡孔，第三弹卡钳和第四弹卡钳被第二张簧撑开并穿过卡孔紧贴于弹卡室的内壁，并被弹卡挡头支挡。

25、第二连接轴的右端通过销轴连接弹卡架；

26、第二回收管的右端通过连接座设置有第二捞矛头，第二捞矛头与第二连接座之间通过销轴连接；

27、打捞机构包括打捞绳、绑设在打捞绳上的对应于第一捞矛头和第二捞矛头的打捞矛。

28、堵塞报信机构包括套设在第二连接轴与弹卡架连接处的滑套，滑套与第二连接轴之间设置有套设在第二连接轴上的碟簧，岩芯堵塞或装满料仓后会产生定推力使滑套克服碟簧的弹力堵塞通水孔，造成设置在地面上的泵压表压力上升；

29、到位报信机构包括连接第二连接轴的调节螺堵、套设在调节螺堵上的阀堵和第三缓冲弹簧，内筒总成到达指定位置后，悬挂环悬挂在定位环上，封堵钻进介质并使其改变流向，使阀堵克服第三缓冲弹簧的弹力运动，再次使钻进介质通道打开，造成设置在地面上的泵压表压力上升。

30、步骤（1）的具体过程为：

31、①将钻头组件安装在外筒总成内；

32、②将外筒总成安装在钻杆上；

33、③开始钻进，钻进时，钻进介质经钻杆和外筒总成流向孔底，用于排出煤岩粉并冷却外筒总成的第一钻头和钻头组件的第二钻头。

34、步骤（2）的具体过程为：

35、①打捞机构的打捞矛在重力作用下进入外筒总成内，与第一捞矛头连接；

36、②提升打捞绳，第一捞矛头带动第一回收管挤压第一弹卡钳和第二弹卡钳收缩，使钻头组件与外筒总成分离，进而将钻头组件提升至地面；

37、③将取芯组件连接在内筒总成上，打捞矛连接内筒总成的第二捞矛头，将内筒总成下放至外筒总成内，悬挂环与定位环接触时，第三弹卡钳和第四弹卡钳被第二张簧撑开并紧贴弹卡室的内壁，并弹卡挡头支挡，同时，活动限位板在轴用卡簧的作用下自动弹开，卡在限位环上。

38、步骤（3）的具体过程为：

39、①继续钻进开始取样，煤样依次通过第一钻头的中心孔、卡簧座以及卡簧，进入料仓；

40、②料仓装满后，停止钻进；

41、通过堵塞报信机构判断料仓是否装满，若组件取样过程中地面上的泵压表压力上升，则料仓装满。

42、步骤（4）的具体过程为：

43、①停止钻进取芯后，打捞机构的打捞矛在重力作用下进入外筒总成内，与第二捞矛头连接；

44、②提升打捞绳，第二捞矛头带动第二回收管挤压第三弹卡钳和第四弹卡钳收缩，使钻头组件与外筒总成分离，同时带动取芯组件移动，当取芯组件的卡簧座移动超过密封盖后，密封盖在弹簧片的作用下翻转，盖设在密封筒上，实现密封；压紧块持续移动时，剪切销断裂，压紧块继续移动压在密封盖上，提供初始密封预紧力；第一连接轴持续移动，迫使活动限位板收回，使取芯组件与外筒总成分离；

45、③持续提升打捞绳将取芯组件捞出，实现煤样的密封保存。

46、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明无需将整体的钻头和钻杆取出更换取芯，只需使用打捞机构将设置在外筒总成内的钻头组件取出，将内筒总成和取芯组件替换钻头组件即可。具体实施时，首先将钻头组件安装在外筒总成内；将外筒总成安装在钻杆上后开始钻进，钻进过程中，钻进介质经钻杆和外筒总成流向孔底，用于排出煤岩粉并冷却外筒总成的第一钻头和钻头组件的第二钻头。钻至取样位置后，打捞机构的打捞矛在重力作用下进入外筒总成内，与第一捞矛头连接；提升打捞绳，第一捞矛头带动第一回收管挤压第一弹卡钳和第二弹卡钳收缩，使钻头组件与外筒总成分离，进而将钻头组件提升至地面；卸下钻头组件，将取芯组件连接在内筒总成上后打捞矛连接内筒总成的第二捞矛头，将内筒总成下放至外筒总成内，悬挂环与定位环接触时，第三弹卡钳和第四弹卡钳被第二张簧撑开并紧贴弹卡室的内壁，并弹卡挡头支挡，同时，活动限位板在轴用卡簧的作用下自动弹开，卡在限位环上。继续钻进开始取样，煤样依次通过第一钻头的中心孔、卡簧座以及卡簧，进入料仓；料仓装满后，停止钻进；通过堵塞报信机构判断料仓是否装满，若组件取样过程中地面上的泵压表压力上升，则料仓装满。停止钻进取芯后，打捞机构的打捞矛在重力作用下进入外筒总成内，与第二捞矛头连接；提升打捞绳，第二捞矛头带动第二回收管挤压第三弹卡钳和第四弹卡钳收缩，使钻头组件与外筒总成分离，同时带动取芯组件移动，当取芯组件的卡簧座移动超过密封盖后，密封盖在弹簧片的作用下翻转，盖设在密封筒上，实现密封；压紧块持续移动时，剪切销断裂，压紧块继续移动压在密封盖上，提供初始密封预紧力；第一连接轴持续移动，迫使活动限位板收回，使取芯组件与外筒总成分离；持续提升打捞绳将取芯组件捞出，实现煤样的密封保存。在提升过程中，密封盖始终盖在密封筒上，对样品密封，保证了样品的气密性。

47、综上所述，本发明操作简单、适用性强，无需整体更换钻具即可实现钻取一体化，在取芯完成后通过打捞机构将取芯组件打捞至地面，打捞过程中始终密封保存，保证了样品的气密性，提高测试结果的准确性，此外，本专利还适用于页岩、致密岩等任何类型地层取芯操作。