深部岩石原位保质取芯装置及其随钻成膜取芯方法
技术领域
本发明涉及科学钻探技术领域，具体地讲，涉及一种深部岩石原位保质取芯装置及其随钻成膜取芯方法。
背景技术
在钻进岩层取芯及取出岩芯过程中，岩芯会受到井底地层水或钻井液等的污染而造成岩芯原位品质、油气含量及湿度等受到影响，并且岩芯取出后会由于空气、光照等影响导致微生物生存环境改变而影响科学研究；同时，岩芯内部油气资源的丧失会导致资源评估失真，由此，深部岩石钻探取芯的保质基本采用密闭取心技术以实现原位保质取芯，即采用高分子基的密闭液，在所取岩芯表面形成一层液态膜，以减少钻井液对岩芯的浸染。
密闭取心技术在岩石钻探技术领域进行了大量研究，但现有岩石取芯技术无法做到完全保质取芯，究其原因在于传统密闭取心技术中，取心筒完全注满密闭液，由销钉固定取心筒下部的密闭活塞，钻进取心过程中，由于钻压作用，销钉被剪断，密闭液被挤出，在井底形成保护区，防止岩芯被钻井液污染，但无法保证岩芯内部信息不与外界发生相互交换，其难以防止岩芯中原始物质扩散到密闭液和地层流体中，故难以做到真正的保质；这对于探知原位环境、油气资源勘探、深地医学研究都十分不利，故亟需进一步提供岩石原位保质取芯技术来为深部岩石科学探索研究奠定基础。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供深部岩石原位保质取芯装置及其随钻成膜取芯方法，旨在解决现有技术中的深部岩石取芯技术无法做到原位储存、混合成膜液，进而无法达到完全以固态膜实现保质取芯而导致岩芯原位品质受到影响的问题。
本发明采用的技术方案如下：
深部岩石原位保质取芯装置，包括钻具、钻头以及用于储存岩芯的岩芯筒，在岩芯筒内设置有保质机构，且保质机构能够沿岩芯筒轴向滑动，所述保质机构包括膜液储存罐和静态混合器，沿所述膜液储存罐的轴向设有至少两个内腔通孔，分别用于盛装A液和B液；所述膜液储存罐的上部设有用于封闭所述内腔通孔顶部开口的固定活塞组件，在所述膜液储存罐的底部设有用于封闭所述内腔通孔底部开口的堵塞，在堵塞的中部具有沿所述膜液储存罐轴向设置并与岩芯筒连通的公共流道，所述静态混合器设置于所述公共流道内，且在所述膜液储存罐的下部设有用于控制盛装有A液和盛装有B液的所述内腔通孔与所述公共流道相互连通或阻断的浮动活塞；
本技术方案所述的A液和B液混合后能够形成用于深部岩石原位保质的成膜液。
当所述深部岩石原位保质取芯装置提取岩芯前，所述浮动活塞位于所述公共流道上部，阻断盛装有A液和盛装有B液的所述内腔通孔与公共流道连通；当所述深部岩石原位保质取芯装置提取岩芯的过程中，推动膜液储存罐沿岩芯筒上端移动，以使盛装有A液和盛装有B液的所述内腔通孔与所述公共流道相互连通，使得位于所述内腔通孔内的A液和B液流入公共流道处并经静态混合器混合后流入提取岩芯与岩芯筒内壁之间的环形间隙内，在岩芯周围形成围绕提取岩芯的保质成膜液。
作为上述技术方案的优选，所述固定活塞组件包括活塞推杆以及固定在活塞推杆底部的固定活塞，所述活塞推杆固定在岩芯筒内腔顶部并沿岩芯筒轴向，所述固定活塞固定在内腔通孔的顶部并与所述内腔通孔形成密封连接。
作为上述技术方案的优选，在所述岩芯筒内腔顶部设有用于限制其径向移位的扶正环，所述活塞推杆通过扶正环固定在岩芯筒内腔顶部。
作为上述技术方案的优选，所述内腔通孔沿所述膜液储存罐的圆周方向均匀分布，且所述内腔通孔在沿所述膜液储存罐的径向方向对应设有与所述公共流道相连通的径向开孔，以使内腔通孔内的A液和B液能够经过径向开孔流入公共流道内。
作为上述技术方案的优选，所述膜液储存罐具有四个内腔通孔，其一呈斜对称设置的两个内腔通孔用于盛装A液，另两个呈斜对称设置的内腔通孔用于盛装B液。
作为上述技术方案的优选，所述A液为粘度100-50000mpa.s的带有乙烯基的聚硅氧烷与聚甲基氢硅氧烷的混合液体，优选地，所述带有乙烯基的聚硅氧烷为端基或侧基带有乙烯基的聚硅氧烷，进一步优选地，为乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或乙烯基封端的聚甲基苯基硅氧烷；所述B液为粘度100-50000mpa.s的带有乙烯基的聚硅氧烷与铂催化剂的混合液体，优选地，所述带有乙烯基的聚硅氧烷为端基或侧基带有乙烯基的聚硅氧烷，进一步优选地，为乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或乙烯基封端的聚甲基苯基硅氧烷。
作为上述技术方案的优选，所述保质机构通过定位销钉悬挂在所述岩芯筒的内壁上，在膜液储存罐的底部安装有顶盖，所述定位销钉连接在顶盖与岩芯筒的内壁之间。
作为上述技术方案的优选，在所述岩芯筒的底部设有用于防止保质成膜液溢流的密封机构，所述密封机构包括若干片能够开合的花瓣片，且若干片花瓣片在闭合时能够形成一与岩芯筒的底部内腔尺寸相适配的圆盘结构，以使若干片花瓣片的背面朝向提取岩芯一侧，在提取岩芯进入岩芯筒时能够与花瓣片的背面接触并将花瓣片顶开而进入岩芯筒，并在岩芯完全进入岩芯筒后花瓣片能够回弹复位，使得所述岩芯筒的底部封闭。
作为上述技术方案的优选，在所述钻具的下端内部设置有用于夹紧岩芯的岩芯爪，在提取岩芯达到预设要求后通过岩芯爪收紧拔断岩芯。
另一方面，本发明还提供有一种利用所述的深部岩石原位保质取芯装置的随钻成膜取芯方法，该随钻成膜取芯方法包括如下步骤：
首先将A液和B液内置于膜液储存罐的内腔通孔中，在深部岩石原位保质取芯装置与地层流体接触时，地层流体压力与内腔通孔中的A液和B液保持平衡的情况下，使得所述浮动活塞位于所述公共流道上部，阻断盛装有A液和盛装有B液的所述内腔通孔与公共流道连通；
启动所述钻具，所述钻具驱动所述钻头进行破岩工作，在破岩提取岩芯过程中，岩芯经过设置于岩芯筒底部的密封机构进入岩芯筒内，推动膜液储存罐沿岩芯筒上端移动，以使盛装有A液和盛装有B液的所述内腔通孔与所述公共流道相互连通，使得所述内腔通孔内的A液和B液流入公共流道处并经静态混合器混合后流入提取岩芯与岩芯筒内壁之间的环形间隙，形成围绕提取岩芯的保质成膜液，驱替隙间地层流体，保质成膜液包覆于提取岩芯，用以防止钻井液对提取岩芯的污染；
在岩芯完全进入岩芯筒后，钻具停止工作，利用密封机构使得岩芯筒底部封闭，保质成膜液完全包覆于提取岩芯，保质成膜液经一定时间的化学反应后固化形成保质密封膜包裹岩芯，使得提取岩芯与外界隔离。
如上所述，本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果：
1.本发明深部岩石原位保质取芯装置针对现有取芯装置无法达到完全保质取芯而导致岩芯原位品质受到影响的问题，调控保质成膜液的固化时间，将形成保质成膜液中产生固化反应的组分分离，分别以A液和B液的形式储藏于岩芯筒的膜液储存罐内，以使在岩芯筒提取岩芯前，通过浮动活塞与公共流道的位置设计阻断盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔与公共流道连通；以使在岩芯筒提取岩芯的过程中，通过浮动活塞以使盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔与公共流道相互连通，两种液体在公共流道内混合后能够围绕提取岩芯，形成能在一定时间内固化成膜的保质成膜液，既能够防止岩芯被钻井液污染，也能够避免岩芯中原始物质扩散到密闭液和地层流体中，达到原位储存保质取芯目的。
2.本发明深部岩石原位保质取芯装置在A液和B液流入公共流道处经静态混合器混合后流入提取岩芯与岩芯筒内壁之间的环形间隙，由此公共流道及静态混合器的设计使得两股液体产生切割、剪切、旋转和重新混合，达到流体之间良好分散和充分混合的目的后再流向围绕提取岩芯的环形间隙内，能够在岩芯周围形成质地更好的保质成膜液，防止岩芯内部油气资源的丧失而导致资源评估失真，进一步保证岩芯原位品质状态。
3.本发明深部岩石原位保质取芯装置在岩芯筒的底部设有用于防止保质成膜液溢流的密封机构，该密封机构呈花瓣状并在闭合时能够形成与岩芯筒的底部内腔尺寸相适配的圆盘结构，由此岩芯进入岩芯筒过程中花瓣片被挤开，岩芯完全进入岩芯筒后花瓣片闭合，可防止保质成膜液泄漏出岩芯筒；且花瓣片中间的凸起部位可与提取岩芯底部形成一定厚度的间隙，留出提取岩芯底部成膜的空间，使得保质成膜液能充分充填至岩芯底部空间，在岩芯底部形成完整的保质密封膜，以更进一步保证岩芯原位品质状态，进而为深部岩石科学探索研究奠定了更好的基础。
附图说明
本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中
图1是本发明实施例提供的深部岩石原位保质取芯装置在提取岩芯前的结构示意图；
图2是本发明实施例图1中A-A方向的断面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的深部岩石原位保质取芯装置在提取岩芯过程中的示意图；
图4是本发明实施例图3中B-B方向的断面结构示意图；
图5是本发明实施例图3中C区域的放大结构示意图；
图6是本发明实施例图3中密封机构的结构示意图；
图7是本发明实施例图3中密封机构花瓣片被顶开的示意图；
图8是本发明实施例提供的深部岩石原位保质取芯装置在提取岩芯后的结构示意图；
图9是本发明实施例图8中密封机构花瓣片闭合的示意图。
附图标记说明：1-钻具；2-岩芯爪；3-岩芯筒；4-密封机构；41-花瓣片；42-螺纹孔；5-静态混合器；6-顶盖；7-堵塞；8-膜液储存罐；9-浮动活塞；10-固定活塞；11-活塞推杆；12-扶正环；13-定位销钉；14-径向开孔；15-内腔通孔；16-公共流道；17-提取岩芯；18-环形间隙。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
实施例一基本如图1至图2所示：本实施例提供了一种深部岩石原位保质取芯装置，该保质取芯装置包括钻具1、钻头(图中未示出)以及用于储存岩芯的岩芯筒3，其中，钻头安装在钻具1的下端并随钻具1向下钻动的过程中使得所形成的岩芯进入岩芯筒3中，岩芯筒3安装在钻具1内并能够沿钻具1轴向方向移动，以通过启动钻具1带动钻头进行破岩作业，并利用岩芯筒3进行提取岩芯17作业；同时在钻具1的下端内部设置有用于夹紧岩芯的岩芯爪2，在提取岩芯17达到预设要求后通过岩芯爪2收紧拔断岩芯。
本实施例的关键在于在岩芯筒3内设置有保质机构，且保质机构能够沿岩芯筒3轴向滑动，具体地，该保质机构包括膜液储存罐8和静态混合器5，沿膜液储存罐8的轴向设有至少两个内腔通孔15，分别用于盛装A液(图中未示出)和B液(图中未示出)；膜液储存罐8的上部设有用于封闭内腔通孔15顶部开口的固定活塞10组件，在膜液储存罐8的底部设有用于封闭内腔通孔15底部开口的堵塞7，在堵塞7的中部具有沿膜液储存罐8轴向设置并与岩芯筒3连通的公共流道16，本实施例提供的静态混合器5设置于公共流道16内，且在膜液储存罐8的下部设有用于控制盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔15与公共流道16相互连通或阻断的浮动活塞9。
如图1所示，当深部岩石原位保质取芯装置提取岩芯17前，浮动活塞9位于公共流道16上部，阻断盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔15与公共流道16连通。
如图3至图6所示，当深部岩石原位保质取芯装置提取岩芯17的过程中，推动膜液储存罐8沿岩芯筒3上端移动，并通过浮动活塞9以使盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔15与公共流道16相互连通，使得位于内腔通孔15内的A液和B液流入公共流道16处并经静态混合器5混合后流入提取岩芯17与岩芯筒3内壁之间的环形间隙18内，在岩芯周围形成围绕提取岩芯17的保质成膜液，驱替隙间地层流体，保质成膜液包覆于提取岩芯17，用以防止钻井液对提取岩芯17的污染，固化成膜后使岩芯与外界隔绝，保存岩芯中的原始物质信息。
具体地，本实施例提供的固定活塞10组件包括活塞推杆11以及固定在活塞推杆11底部的固定活塞10，活塞推杆11固定在岩芯筒3内腔顶部并沿岩芯筒3轴向，固定活塞10固定在内腔通孔15的顶部并与内腔通孔15形成密封连接，以使膜液储存罐8在提取岩芯17的过程中能够沿岩芯筒3上端移动，并保证活塞推杆11与固定活塞10相对于岩芯筒3处于静止状态，进而起到推动A液和B液向浮动活塞9方向运动的作用，进而膜液储存罐8上的公共流道16与浮动活塞9上平面靠近并通过浮动活塞9以使盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔15与公共流道16相互连通，从而使得位于内腔通孔15内的A液和B液流入公共流道16；作为本实施例的优选，在岩芯筒3内腔顶部设有用于限制其径向移位的扶正环12，活塞推杆11通过扶正环12固定在岩芯筒3内腔顶部，用以保证其定位稳定性。
如图4所示，本实施例以提供膜液储存罐8具有四个内腔通孔15为例，其一呈斜对称设置的两个内腔通孔15用于盛装A液，另两个呈斜对称设置的内腔通孔15用于盛装B液，利于提高A液和B液重新混合的均匀性；同时内腔通孔15沿膜液储存罐8的圆周方向均匀分布，内腔通孔15在沿膜液储存罐8的径向方向对应开设有与公共流道16相连通的径向开孔14，以使内腔通孔15内的A液和B液能够经过径向开孔14流入公共流道16内。
本实施例提供的A液和B液混合后能够形成用于深部岩石原位保质的成膜液，具体地，本实施例中的A液可以为粘度100-50000mpa.s的带有乙烯基的聚硅氧烷与聚甲基氢硅氧烷的混合液体，优选地，带有乙烯基的聚硅氧烷为端基或侧基带有乙烯基的聚硅氧烷，进一步优选地，为乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或乙烯基封端的聚甲基苯基硅氧烷；B液可以为粘度100-50000mpa.s的带有乙烯基的聚硅氧烷与铂催化剂的混合液体，优选地，带有乙烯基的聚硅氧烷为端基或侧基带有乙烯基的聚硅氧烷，进一步优选地，为乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或乙烯基封端的聚甲基苯基硅氧烷。
本实施例提供的静态混合器5位于膜液储存罐8的公共流道16内，其目的在于通过固定在公共流道16内的混合单元使得A液和B液两股流体产生切割、剪切、旋转和重新混合，达到流体之间良好分散和充分混合的目的，使A液和B液两股流体混合均匀，形成能在一定时间内固化的保质成膜液，其中静态混合器5的混合单元可以为丝网型、筛漏型、蜂窝型、叶轮型或花瓣型等，具体并不局限于此，凡是能够布置于此并能够使得A液和B液两股流体重新混合均匀的混合器，均应包含在本发明的保护范围之内。
进一步地，本实施例提供的保质机构通过定位销钉13悬挂在岩芯筒3的内壁上，在膜液储存罐的底部安装有顶盖6，定位销钉13连接在顶盖6与岩芯筒3的内壁之间，在钻进取芯的过程中，定位销钉13由于钻压作用被剪断，并在顶盖6的上端设有用于密封内腔通孔15底部开口的堵塞7，从而保证内腔通孔15底部开口处的密封性；同时在岩芯筒3的底部设有用于防止保质成膜液溢流的密封机构4，进而即使在在钻进取芯的过程中定位销钉13被压断，围绕提取岩芯17的保质成膜液也不会被挤出取芯筒，如此能够达到完全保质取芯，可以防止岩芯内部油气资源的丧失而导致资源评估失真，最终充分达到保质取芯目的。
实施例二
实施例二与实施例一基本相同，其不同之处在于：作为实施例一的优选方案，本实施例提供了一种深部岩石原位保质取芯装置，与实施例一的区别在于：本实施例在岩心筒底部设置的密封机构4包括若干片能够开合的花瓣片41，结合图6至图9所示，本实施例密封机构4以提供八片能够开合的花瓣片41为例，且八片花瓣片41在闭合时能够形成一与岩芯筒3的底部内腔尺寸相适配的圆盘结构，花瓣片41均采用柔韧性好并具有记忆性的金属材质制成，以使八片花瓣片41的背面朝向提取岩芯17一侧，在提取岩芯17进入岩芯筒3时能够与花瓣片41的背面接触并将花瓣片41顶开而进入岩芯筒3，并在岩芯完全进入岩芯筒3后花瓣片41能够回弹复位，使得岩芯筒3的底部封闭；具体地，密封机构4的圆周方向上设有螺纹孔42，其螺纹孔42对应岩芯筒3底部设置的内螺纹，密封机构4能够通过螺钉穿过其螺纹孔42及岩芯筒3底部内螺纹将其固定安装在岩芯筒3底部，如此花瓣片41可以通过螺钉固定在岩芯筒3的底部以实现与岩芯筒3可拆卸连接，当然具体并不局限于此。
该密封机构4呈花瓣状结构设计一方面能够在深部岩石原位保质取芯装置完成取芯后托住岩芯，防止岩芯从岩芯筒3中掉落，另一方面，该密封机构4的设计能够在岩芯完全进入岩芯筒3后通过花瓣片41闭合防止保质成膜液泄漏出岩芯筒3，且该密封机构4花瓣片41中间的凸起部位可与提取岩芯17底部形成3-4mm厚度的间隙，留出提取岩芯17底部成膜的空间，使得保质成膜液能充分充填至岩芯底部空间，在岩芯底部形成完整的保质密封膜，以更进一步保证岩芯原位品质状态，为深部岩石科学探索研究奠定了更好的基础。
另一方面，图1示出了本发明实施例深部岩石原位保质取芯装置在提取岩芯17前的结构示意图，图3示出了本发明实施例深部岩石原位保质取芯装置在提取岩芯17过程中的结构示意图；图8示出了本发明实施例深部岩石原位保质取芯装置在提取岩芯17后的结构示意图，根据本发明，本实施例还提供有一种利用如上所述的深部岩石原位保质取芯装置的随钻成膜取芯方法，该随钻成膜取芯方法包括如下步骤：
首先将A液和B液内置于膜液储存罐8的内腔通孔15中，在深部岩石原位保质取芯装置与地层流体接触时，地层流体压力与内腔通孔15中的A液和B液保持平衡的情况下，使得浮动活塞9位于公共流道16上部，阻断盛装有粘度100-50000mpa.s的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或乙烯基封端的聚甲基苯基硅氧烷或任何端基或侧基带有乙烯基的聚硅氧烷与聚甲基氢硅氧烷的混合液体和盛装有粘度100-50000mpa.s的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或乙烯基封端的聚甲基苯基硅氧烷或任何端基或侧基带有乙烯基的聚硅氧烷与铂催化剂的混合液体的内腔通孔15与公共流道16连通；
在存储好A液和B液后，启动钻具1，钻具1驱动钻头进行破岩工作，在破岩提取岩芯17过程中，岩芯经过岩芯爪2及设置于岩芯筒3底部的花瓣状密封机构4进入岩芯筒3内，推动膜液储存罐8沿岩芯筒3上端上行移动，直至与膜液储存罐8上公共流道16连通的径向开孔14位于浮动活塞9上表面，并通过浮动活塞9以使盛装有A液和盛装有B液的内腔通孔15与公共流道16相互连通，调控保质成膜液的固化时间，使得内腔通孔15内的A液和B液流入公共流道16处并经静态混合器5混合后流入提取岩芯17与岩芯筒3内壁之间的环形间隙18，两种液体在公共流道16内混合后能够围绕提取岩芯17形成能在一定时间内固化成膜的保质成膜液，驱替隙间地层流体，保质成膜液包覆于提取岩芯17，用以防止钻井液对提取岩芯17的污染；
在岩芯大部分进入取芯筒后，上提钻具1，岩芯爪2收紧拔断岩芯，再下放钻具1，使得岩芯完全进入岩芯筒3；在岩芯完全进入岩芯筒3后，钻具1停止工作，利用岩芯筒3底部密封机构4使得岩芯筒3底部封闭，保质成膜液完全包覆于提取岩芯17，保质成膜液经一定时间的化学反应后固化形成保质密封膜包裹岩芯，使得提取岩芯17与外界隔离；在整个取芯过程中，本实施例提供的随钻成膜取芯方法能够做到原位储存、混合成膜液及在岩芯底部形成完整的保质密封膜，以使在整个取芯过程中，能够实现岩芯完全处于保质状态。
综上所述，本实施例提供的深部岩石原位保质取芯装置及其随钻成膜取芯方法采用将形成保质成膜液中产生固化反应的组分分离，分别以A液和B液的形式储藏于岩芯筒3的膜液储存罐8内，并调控保质成膜液的固化时间，进而使得两种液体在公共流道16内经静态混合器5混合后流入提取岩芯17与岩芯筒3内壁之间的环形间隙18，能够围绕提取岩芯17形成能在一定时间内固化成膜的保质成膜液，既能够防止岩芯被钻井液污染，也能够避免岩芯中原始物质扩散到密闭液和地层流体中，达到原位储存保质取芯目的；同时本实施例公共流道16及静态混合器5的设计使得两股液体产生切割、剪切、旋转和重新混合，达到流体之间良好分散和充分混合的目的后再流向围绕提取岩芯17的环形间隙18内，能够在岩芯周围形成质地更好的保质成膜液，防止岩芯内部油气资源的丧失而导致资源评估失真，进一步保证岩芯原位品质状态；同时，在岩芯筒3的底部设有用于防止保质成膜液溢流花瓣状的密封机构4，通过该密封机构4的设计，岩芯进入岩芯筒3过程中花瓣片41被挤开，岩芯完全进入岩芯筒3后花瓣片41闭合，可防止保质成膜液泄漏出岩芯筒3；且花瓣片41中间的凸起部位可与提取岩芯17底部形成一定厚度的间隙，留出提取岩芯17底部成膜的空间，使得保质成膜液能充分充填至岩芯底部空间，在岩芯底部形成完整的保质密封膜，以更进一步保证岩芯原位品质状态，进而为深部岩石科学探索研究奠定了更好的基础，在科学钻探技术领域具有很好的应用前景及推广使用价值，适合推广应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
