专利名称：岩心筒及相关的钻井设备和方法
技术领域：
本发明涉及钻井设备。本发明可在岩心筒方面找到特定应用，该岩心筒特别用于石油勘探领域，该岩心筒包括-形成外部组件的取心钻头和至少一根外管；-形成内部组件的岩心移除元件和至少一根内管，和-用于将内部组件保持在外部组件中的保持器，该保持器包括布置在内部组件和外部组件之间的至少一个滚动轴承，以使得内部组件和外部组件能往复自由转动。
背景技术：
在通常的岩心筒中，外部组件被驱动而转动，并且因此取心钻头可挖出岩心孔。在这个过程中，内部组件被保持在外部组件内部处于固定不转动的位置，同时被外部组件轴向驱动。可使得岩心筒穿过地质层，从而在岩心钻井设备中产生非常大的振动程度。市场上现有的工具往往经受不住这些极端情况。这是因为轴向振动增加用于将内部组件保持在外部组件内的系统卡住的风险。轴向振动还可能对通常用来将外部组件和内部组件联接在一起的众多螺纹造成破坏。最终，这些轴向振动往往有改变内部组件相对于外部组件的轴向位置的作用，然而，为了使岩心被正确地移除，期望适当地调节取心钻头和岩心移除元件各自的深度位置。
发明内容
期望研制出一种岩心筒，在该岩心筒中，大大减少上述那些破坏螺纹的振动。还期望显著简化岩心钻井设备以及尽可能地减少螺纹的数目还有部件的数目。最后，还期望锁定用于调节内部组件在外部组件中的轴向位置的系统，从而一旦这个位置已经被调节好， 就能防止内部组件与外部组件之间的任何分离。本发明基于上述背景技术提出。下面在权利要求1中限定根据本发明的第一个方面的钻井设备。在一个实施例中，钻井设备呈现为如前文所提到的岩心筒，并且钻井设备还包括至少一个分隔元件，该分隔元件容纳在外部组件内，一方面压靠在所述内部组件和外部组件之一的支承面上，另一方面压靠在滚动轴承上，回复构件为轴向偏压所述滚动轴承离开支承面的弹性构件。当发生内部组件的轴向振动时，优选预受应力的弹性构件具有吸收这些振动并因此滤除这些振动的作用。根据本发明的一个实施例，分隔元件包括压靠在前述外管上的上游管状部和压靠在上述滚动轴承上的下游管状部，所述弹性构件布置在这些上游管状部和下游管状部之间，压靠在它们中的每一个上并且轴向作用在它们上，从而能将它们移动分开，该分隔元件还包括限制所述管状部移动分开的阻挡机构。
在本发明的上下文中，术语上游和下游将被理解为根据岩心钻进方向，上游位置或上游元件更靠近地面，下游位置或下游元件更靠近岩心孔的底部。弹性构件有利地由多个弹性垫圈组成。弹性垫圈优选布置成使得所有弹性垫圈在上游方向和下游方向都施加弹性应力。当然可以想到使用其它已知的弹性构件，例如螺旋弹簧。根据本发明的一个有利的实施例，所述上游管状部和下游管状部中的一个管状部具有凹形管状端部件，而另一个管状部具有能够在该凹形管状端部件的空腔内轴向滑动的凸形管状端部件，所述弹性构件被容纳在所述空腔的底部，压靠在被推入所述凹形管状端部件中的凸形管状端部件上。以这种方式，分隔元件呈有利的紧凑形式。限制上述移动分开的所述阻挡机构有利地包括多个细长槽和多个锁定元件，该多个细长槽沿轴向设置在所述凹形管状端部件中，所述多个锁定元件安装到凸形管状端部件，以便径向伸入所述细长槽中并且通过压靠在所述细长槽的一个端部上锁定所述管状部的预定间隔。这种配置允许分隔元件的特别简单且牢固的安装。根据本发明的一个特别有利的实施例，所述保持器包括环绕上述内管放置且容纳在上述外管内部的上游和下游两个滚动轴承，所述下游滚动轴承布置在内管的面向下游的第一环形支承面和外管的面向上游的环形止挡面之间，而上游滚动轴承布置在内管的面向上游的第二环形支承面和所述分隔元件之间，该内管的所述第一环形支承面和第二环形支承面位于两个滚动轴承之间。内管的这种被弹性构件沿下游方向轴向偏压并且被夹紧在两个滚动轴承之间的特别配置使得可以省去在现有技术中要确保外部组件和内部组件之间的连接所必需的几乎所有螺纹。这产生特别坚固且耐振的设备部件。内管通过两个滚动轴承正确地轴向对准而保持在非常稳定的位置。有利的是，前述内管的所述第一环形支承面和第二环形支承面设置在从该内管径向伸出的环形凸缘上，该环形凸缘被夹在上游滚动轴承和下游滚动轴承之间，该上游滚动轴承在分隔元件的弹性构件的间隔作用下与所述外部组件分隔开，所述下游滚动轴承由外管的环形止挡面保持。根据本发明的一个特别有利的实施例，上述外管由通过螺纹彼此连接在一起的上游和下游两个部段组成，分隔元件支承在所述上游部段与所述上游滚动轴承之间，下游部段具有下游滚动轴承所压靠的所述环形止挡面。以这种方式，由于由将上游和下游两部段螺纹连接在一起而产生的夹紧，分隔元件的弹性构件的弹力以可预先确定的特定值自动施加到内部组件。根据本发明的一个实施例，内部组件的所述内管在其上游端部通过所述保持器保持在外部组件内部，而内管在其下游端部具有能够与内部组件的另一根内管的内螺纹配合的外螺纹，以将该内部组件以轴向调节方式安装到使用位置。因此，通过仅仅一个单连接螺纹，可将内部组件相对外部组件调节到合适的深度， 以便移除岩心，这大大降低了发生破坏和卡住的危险。由于在振动的作用下可能发生旋松，有利的是，岩心筒还包括带螺纹的锁紧螺母， 该锁紧螺母在另一内管上游布置在所述内管的所述下游端部的所述外螺纹上，并且在所述锁定位置，该锁紧螺母压靠所述另一内管被夹紧到预定的夹紧力矩。优选地，岩心筒还包括锁紧垫圈，锁紧垫圈在所述使用位置环绕所述内管的所述带螺纹的下游端部被夹在带螺纹的锁紧螺母与所述另一内管之间，该锁紧垫圈布置成使得防止螺母和所述另一内管在所述带螺纹的下游端部上的任何旋松。这样的系统是有效的、安全的、紧凑的且容易使用，确保在整个取芯钻进过程中维持锁紧螺母的夹紧应力。该应力在整个取芯钻进过程中是恒定的且持久的。因此确保滤除与上述轴向振动相关的周期性应力，从而大大减小上述连接螺纹由于机械疲劳现象而出现磨损的危险。本发明的其它方面通过如下面权利要求15所限定的管状组件和如下面权利要求 18所限定的组装管状构件的方法来提供。
根据对本发明的示例性实施例的描述，将给出本发明的其它细节和具体特征，所述描述在下文中参考附图仅仅通过举例的方式给出，附图中图IA和图IB—起示出了根据本发明的岩心筒的一个实施例的轴向剖视图；图2是用在图IA和图IB的实施例中的分隔元件的轴向剖视图；图3和图4示出了用于调节根据本发明的岩心筒的内部组件相对于外部组件的位置的系统的一个实施例的安装；图5示出了图3和图4的调节系统的锁紧垫圈的平面图；图6示出了可用在根据本发明的岩心筒中的分隔元件的变型实施例的轴向剖视图。在各附图中，相同或相似的元件用相同的附图标记来表示。
具体实施例方式图IA和图IB所示的岩心筒包括由彼此螺纹连接在一起的多个外管1、2和3与取心钻头4形成的外部组件。外部组件从地面上绕轴线5被驱动而转动。岩心筒还包括由彼此螺纹连接在一起的多个内管6、7和8与岩心移除元件9形成的内部组件，岩心移除元件是已知的且被示意性示出。最后，保持器(在示出的示例中，上游和下游两个滚动轴承10 和11)设置用于将内部组件保持在外部组件内。以这种方式，这些组件往复自由转动，在外部组件绕其轴线转动时，内部组件保持固定不转动(remains fixed in rotation)。还可以在内部组件和外部组件之间设置两个以上的滚动轴承，或者甚至仅仅设置一个滚动轴承。根据图IA和图IB所示的实施例的示例，岩心筒还包括分隔元件12，在图2中详细示出了该分隔元件。分隔元件12被容纳在外管1内。在所示的示例中，分隔元件包括压靠在外管1上的上游管状部13和压靠在上游滚动轴承10上的下游管状部14。在这个示例中，上游管状部13设有凹形管状端部件15，而下游管状部14具有能够在上述凹形管状端部件的空腔17 内轴向滑动的凸形管状端部件16。在所示的实施例的示例中，由多个堆叠的截头圆锥形弹性垫圈形成的弹性构件18 被容纳在上游管状部13的空腔17的底部，压靠在被推入凹形管状端部件15中的凸形管状端部件16上。在示出的例子中，阻挡机构限制上游管状部13和下游管状部14移动分开并且同时限制上游管状部和下游管状部相接合。这些阻挡机构在这里由沿轴向方向设置在凹形管状端部件15上的多个细长槽19和例如呈螺栓形式的多个锁定元件20组成，所述螺栓被旋拧到凸形管状端部件16中，以沿径向伸入细长槽19中。细长槽19的端部用作锁定元件20 的止挡，并且因此限制分隔元件的两个管状部移动分开超过预定值。轴肩35设置在下游管状部14上，从而防止管状部13和14更近地接合超出某一极限值。由于这种配置，在岩心筒穿过硬地质层时可能发生的轴向振动通过分隔元件被有效地吸收和衰减。如从图IA和图IB中可看出，如上所述的，用于将内部组件保持在外部组件中的保持器有利地包括两个上游滚动轴承10和下游滚动轴承11，它们环绕内管6放置，具体地是环绕内管的上游端部放置，并且布置在外管1内部。在实施例的这个示例中，内管6靠近其上游端部具有环状凸缘21，该环状凸缘从内管沿径向伸出。这个凸缘被夹在两个滚动轴承10和11之间。下游滚动轴承11被容纳在凸缘21的面向下游的环形支承面22与外管1的环形止挡面23之间。上游滚动轴承布置在凸缘21的面向上游的环形支承面24与分隔元件12 (尤其是分隔元件的下游管状部14) 之间。弹性构件通过在分隔元件的上游管状部13与下游管状部14之间施加间隔作用力， 具有沿下游方向推动两个滚动轴承10和11和夹在两个滚动轴承之间的凸缘的作用，下游滚动轴承11由外部组件的环形止挡面23保持。因此，在内部组件在轴向振动的影响下朝着地面上升的情况下，可以想象到下游滚动轴承11可不再与环形止挡面23或环形支承面22接触，或者甚至有由于构成所述下游滚动轴承11的多个元件分离而发生移位的危险。然而，根据本发明，上游滚动轴承10对此进行控制，同时，弹性构件也趋于防止这种上升。如从图IA和图IB中可看出，在所示实施例的示例中，外管1由下游部段25和上游部段25'两个部段构成。这两个部段通过坚固的螺纹26彼此联接在一起。下游部段25 具有面向上游的环形止挡面23。通过将这两部段25和25'适当地螺纹连接在一起，可以将弹性构件18的回复力自动调节到合适的特定值。在图1A、图1B、图3和图4所示的实施例的示例中，岩心筒以已知的方式包括用于调节内部组件相对于外部组件的深度位置的系统。内管6在其上游端部通过滚动轴承10 和11保持在外部组件内部。该内管在其下游端部具有能够与下一根内管7的内螺纹相配合的外螺纹27。这种配置使得可以将内部组件相对于外部组件固定在可调节的深度处。应注意到的是，在这个实施例中，有单头外螺纹27，其用于形成外部组件与内部组件之间的连接，并且用于调节岩心筒的使用位置。因此，这种结构相对于根据已知现有技术的岩心筒被大大简化，这使发生破坏的可能性最小化。外螺纹27优选特别地设计成一方面是坚固的，从而使螺纹发生磨损的风险最小化，而另一方面特别长，从而具有延长的用于内部组件相对于外部组件的调节长度。为了防止在振动的作用下在内管6和7之间的调节系统上发生任何旋松，根据本发明提供布置在内管7上游的锁紧螺母28，该锁紧螺母被旋拧到内管6上。一旦已经调节好内部组件相对于外部组件的位置，则可以旋拧锁紧螺母28压靠内管7而达到预定的夹紧力矩。这个螺母充分防止内管6和7的与振动相关的任何旋松，并且因此减少外(调节) 螺纹27发生破坏或破损的原因。有利的是，如图3到图5所详细示出的，可以提供锁紧垫圈29，该锁紧垫圈在岩心筒的使用位置被夹在锁紧螺母28与内管7的上游端部之间。该垫圈优选布置成防止锁紧螺母28的任何旋松和内管7的任何旋松。在所示出的示例中，锁紧螺母28具有周向凹口 30 并且内管7的上游端部具有周向凹口 31。锁紧垫圈29具有环绕其周边的相应凸出部32。 在拧紧位置，一些凸出部可沿上游方向被折到凹口 30中，而一些凸出部可沿下游方向被折到凹口 31中，从而防止在锁紧螺母28和内管7之间的任何分离运动。为了使所述垫圈以有角度的位置固定到内管6，同时保持自由的轴向位移，两个内凸出部33已经被加到垫圈29上，从而容纳在为此目的设置在内管6上的两个轴向凹部34 内。凸出部32—接合在内管7和锁紧螺母28内，所述内管7和锁紧螺母28因此就有利地相对于内管6以有角度的固定方式被保持。对于根据本发明设计的岩心筒，已经发现可省略通常所需要的密封件。甚至实际上已经发现外调节螺纹27的润滑也是不必要的，并且因此在该位置处的润滑腔已经变得多余。这因此使系统的可靠性增大，考虑到省略了由橡胶或塑性体材料制成的密封件，因而可消除岩心筒使用的温度界限。应当理解的是，本发明决不会限于上述实施例，并且在所附权利要求书的范围内可以对本发明做出很多改变。例如，根据本发明的一个有利的实施例，可以想到，如图6所示的包括附加的分隔元件36的岩心筒。图6的岩心筒除了在图6中所示出的和如下文所述的方面之外与图1 至图5的岩心筒相同。如所述的，图6的实施例具有附加的分隔元件36。在该实施例的这个示例中，附加的分隔元件是螺旋弹簧。附加的分隔元件将被插在下游滚动轴承11与外管1的面向上游的环形止挡面23之间。当外管1的两部段25和25'被螺纹连接在一起时，弹簧预受应力，这使得可以在下游滚动轴承11上产生向上定向的竖向力并且使该下游滚动轴承11的元件处于压缩状态，从而使得它们保持固定。在内部组件向上轴向位移的情况下，下游滚动轴承11跟随着该位移，并且一旦再次与止挡面23接触，则不会受到任何冲击。尽管已经主要针对岩心筒进行了上述描述，然而在期望在可相对转动的管状构件之间提供轴向减振的情况下，和在期望能够例如在井底组件中安全地调节螺纹连接的管状构件(如钻柱部件和相关设备)之间的长度和/或相对位置的情况下，本发明也可以应用到其它钻井设备。
权利要求
1.一种钻井设备，所述钻井设备尤其用于石油勘探领域，所述钻井设备包括_第一管状构件(1、2、3)；_第二管状构件(6、7、8、9)，所述第二管状构件至少部分地安装在第一管状构件内，以便绕轴线(5)相对于第一管状构件往复自由转动；和-钻头(4)，所述钻头操作地连接到第一管状构件或第二管状构件中的一个管状构件， 从而响应于正旋转的所述一个管状构件转动，以便实现钻进；其特征在于-所述钻井设备还包括回复构件(18、36)，所述回复构件用于响应于第一管状构件和第二管状构件沿相应的相反轴向方向的相对位移至少沿相应的第一轴向方向在第一管状构件与第二管状构件之间施加力。
2.根据权利要求1所述的钻井设备，所述钻井设备为岩心筒，其中-所述第一管状构件包括至少一根外管(1、2、3)，所述钻头为取心钻头(4)，所述至少一根外管和所述取心钻头构成外部组件；-所述第二管状构件包括至少一根内管(6，7，8)和岩心移除元件(9)，所述至少一根内管和所述岩心移除元件构成内部组件；-所述岩心筒还包括保持器，所述保持器用于将所述内部组件保持在所述外部组件内， 所述保持器包括至少一个滚动轴承(10、11)，所述至少一个滚动轴承布置在所述内部组件与所述外部组件之间，以使得内部组件与外部组件往复自由转动；以及-所述回复构件形成至少一个分隔元件(12、36)的至少一部分，所述分隔元件容纳在所述外部组件内，一方面压靠在所述内部组件和所述外部组件之一的支承面上，另一方面压靠在所述滚动轴承(10、11)上，所述回复构件是轴向偏压所述滚动轴承离开所述支承面的弹性构件(18)。
3.根据权利要求2所述的岩心筒，其中所述分隔元件(12)包括压靠在外管上的上游管状部(13)和压靠在所述滚动轴承上的下游管状部(14)，所述弹性构件(18)布置在所述上游管状部与所述下游管状部之间，压靠在所述上游管状部和下游管状部中的每一个上并且轴向作用在其上以将它们移动分开，所述分隔元件还包括限制所述上游管状部和下游管状部移动分开的阻挡机构。
4.根据权利要求3所述的岩心筒，其中所述弹性构件(18)包括弹性垫圈。
5.根据权利要求3和4中的任一项所述的岩心筒，其中所述上游管状部和下游管状部 (13、14)中的一个管状部具有凹形管状端部件(15)，而另一个管状部具有能够在所述凹形管状端部件的空腔(17)中轴向滑动的凸形管状端部件(16)，所述弹性构件(18)被容纳所述空腔的底部，压靠在被推入所述凹形管状端部件中的所述凸形管状端部件上。
6.根据权利要求5所述的岩心筒，其中所述阻挡机构包括多个细长槽(19)，所述多个细长槽在所述凹形管状端部件(15)中沿轴向方向延伸；和锁定元件(20)，所述锁定元件安装到所述凸形管状端部件(16)，以沿径向伸入所述细长槽中，并且通过压靠在所述细长槽的一个端部上来限制上游管状部和下游管状部的间隔。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的岩心筒，其中所述保持器包括上游滚动轴承和下游滚动轴承(10、11)，所述上游滚动轴承和下游滚动轴承围绕所述内管(6)中的一个内管放置并且容纳在所述外管(1)中的一个外管内部，所述下游滚动轴承布置在所述一根内管的面向下游的第一环形支承面(22)与所述一根外管的面向上游的环形止挡面(23)之间，所述上游滚动轴承(10)布置在所述一根内管的面向上游的第二环形支承面(24)与所述分隔元件(12)之间，所述一根内管的所述第一环形支承面和第二环形支承面位于所述上游滚动轴承与下游滚动轴承之间。
8.根据权利要求7所述的岩心筒，其中所述一根内管(6)的所述第一环形支承面和第二环形支承面(22、24)设置在从内管向外伸出的环形凸缘(21)上，所述环形凸缘被夹在上游滚动轴承(10)与下游滚动轴承(11)之间，所述上游滚动轴承在所述分隔元件的弹性构件的间隔作用下与所述外部组件轴向间隔开，所述下游滚动轴承被所述一根外管的环形止挡面(23)保持。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的岩心筒，其中所述一根外管⑴由两个部段构成，所述两个部段为彼此螺纹连接在一起的上游部段和下游部段(25、25')，其中所述分隔元件(12)被支承在所述上游部段(25')与所述上游滚动轴承(10)之间，所述下游部段 (25)具有所述下游滚动轴承(11)所抵靠的所述环形止挡面(23)，上游部段和下游部段的旋拧优选是可调节的，以调节所述分隔元件(12)的所述弹性构件(18)的预受弹力。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的岩心筒，还包括附加的分隔元件(36)，所述附加的分隔元件插在所述下游滚动轴承(11)与所述一根外管的所述面向上游的环形止挡面 (23)之间。
11.根据权利要求10所述的岩心筒，其中所述附加的分隔元件是弹性构件。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的岩心筒，其中通过所述保持装置保持在所述外部组件内部的所述内部组件的所述一根内管(6)在其上游端部被保持，并且所述内管在其下游端部具有外螺纹(27)，所述外螺纹能够与所述内部组件中的另一内管(7)的内螺纹配合，以便将所述内部组件固定在轴向调节好的状态。
13.根据权利要求12所述的岩心筒，还包括带螺纹的锁紧螺母(28)，所述锁紧螺母在所述另一内管的上游布置在被所述保持装置保持的所述内管的所述下游端部的所述外螺纹(27)上，当所述内部组件处于所述轴向调节好的状态时，所述锁紧螺母被夹紧抵靠在所述另一内管上。
14.根据权利要求11所述的岩心筒，还包括锁紧垫圈(29)，当所述内部组件处于所述轴向调节好的状态时，所述锁紧垫圈环绕所述内管的所述带螺纹的下游端部被夹紧在带螺纹的锁紧螺母(28)与所述另一内管(7)之间，其中所述锁紧垫圈布置成防止所述螺母和所述另一内管在所述带螺纹的下游端部上的任何旋松。
15.一种管状组件，所述管状组件尤其适用于石油勘探领域，所述管状组件包括第一管状构件(6)；第二管状构件(7)，所述第二管状构件部分地螺纹连接到所述第一管状构件的带螺纹部(27)上，所述第二管状构件能够被进一步旋拧到所述第一管状构件上或者从所述第一管状构件部分松脱，从而调节所述第一管状构件和第二管状构件的组装长度；和锁紧螺母(28)，所述锁紧螺母能够移动到锁定位置，以防止所述第二管状构件被进一步旋拧到所述第一管状构件或者从所述第一管状构件松脱。
16.根据权利要求15所述的管状组件，其中所述第二管状构件(7)和所述锁紧螺母 (28)包括凸出部或凹口(30、31)，所述管状组件还包括锁紧垫圈(29)，所述锁紧垫圈在其上分别具有相应的凹口或凸出部(32)，以与所述第二管状构件和锁紧螺母上的凸出部或凹口接合，从而在所述锁紧螺母被移动到锁定位置时防止在所述第二管状构件、所述锁紧垫圈和所述锁紧螺母之间的相对转动。
17.根据权利要求16所述的管状组件，其中所述第一管状构件(6)包括沿其长度的至少一部分延伸的凹槽(34)，所述锁紧垫圈具有接合在所述凹槽中的内凸出部(33)，从而在所述锁紧螺母(28)被移动到锁定位置时防止在所述锁紧垫圈与所述第一管状构件之间的相对转动。
18.—种组装管状构件的方法，所述管状构件尤其适用于石油勘探领域，所述方法包括-将第一管状构件(7)部分螺纹旋拧到第二管状构件的带螺纹部(27)上，以获得所述第一管状构件和第二管状构件的期望组装长度；以及-将锁紧螺母(28)移动到锁定位置，以防止所述第一管状构件被进一步旋拧到所述第二管状构件上或者从所述第二管状构件松脱。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括提供锁紧垫圈，其中，将所述锁紧螺母移动到锁定位置，以防止在所述第一管状构件、所述锁紧垫圈和所述锁紧螺母之间的进一步相对转动和/或在所述锁紧垫圈和所述第二管状构件之间的进一步相对转动。
全文摘要
本发明公开了一种钻井设备，该钻井设备尤其用于石油勘探领域，该钻井设备包括第一管状构件(1、2、3)；第二管状构件(6、7、8、9)，该第二管状构件至少部分地安装在第一管状构件内，以便绕轴线(5)相对于第一管状构件往复自由转动；和钻头(4)，该钻头操作地连接到第一管状构件或第二管状构件中的一个管状构件，从而响应于正旋转的一个管状构件转动，从而实现钻进，其特征在于钻井设备还包括回复构件(18、36)，该回复构件用于响应于第一管状构件和第二管状构件沿相应的相反轴向方向的相对位移至少沿相应的第一轴向方向在第一管状构件与第二管状构件之间施加力。本发明还提供一种管状组件和组装管状构件的方法。
文档编号E21B25/00GK102482925SQ201080038771
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者E·范内斯, L·德尔马, O·马格伦 申请人:霍利贝顿能源服务公司