一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置及取心方法

摘要

本发明公开一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置及取心方法，能够模拟原位深部底层的高温高压取心环境，随钻进取心动态过程中，成膜液在岩心表面均匀完整覆盖，通过交联固化反应形成一层具备高阻隔性能的固态保质密封膜，保护岩心免受钻井液污染，并防止岩心内部物质散失，使所取岩心能真实反映原位地层状态，为深部资源勘探与开发作业提供指导、为深部岩石科学、深部生物学探索研究奠定基础。

权利要求

1.一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，包括模拟舱和设置在所述模拟舱内的成膜装置和用于盛放岩心的岩心底座，所述岩心底座设置在所述成膜装置底部，所述成膜装置内有取心筒和中心杆，所述中心杆密封伸缩设置在所述取心筒内，所述取心筒靠近所述岩心底座的一端设置有用于取岩心的取样腔，所述中心杆上固定有压缩部，所述压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，所述挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A和储液盘管B，所述取心筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，所述成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，所述调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，所述调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；所述混合盘管用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面；所述模拟舱内还设置有用于调节所述中心杆和取心筒相对距离的位移调节装置；

所述成膜液释放机构设置在挤压腔上方，所述储液盘管A和储液盘管B的底部无开口，顶部设置有与所述成膜液释放机构连通的开口，所述混合盘管设置在所述压缩部的底部且固定在所述取心筒上，所述取心筒上设置有用于连通所述混合盘管和调节腔的第一输液管。

2.根据权利要求1所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述位移调节装置包括用于推动所述取心筒上下运动的环形活塞，所述环形活塞套设在所述中心杆延伸出所述取心筒的一端，所述中心杆与所述模拟舱固定，且所述环形活塞与所述取心筒固定连接，所述环形活塞与所述中心杆滑动连接，所述环形活塞与注液泵连接。

3.根据权利要求1所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述位移调节装置包括用于推动所述取心筒上下运动的推杆，所述推杆一端伸出模拟舱外，另一端与所述取心筒连接，所述推杆与所述中心杆滑动连接，所述推杆与注液泵连接，所述中心杆与所述模拟舱固定。

4.根据权利要求1所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述位移调节装置包括用于连接中心杆和岩心的连杆，所述中心杆远离岩心的一端伸出所述模拟舱，所述中心杆与注液泵连接，所述取心筒与所述模拟舱固定。

5.根据权利要求1所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述模拟舱包括外壳，所述外壳设置在取心筒外，所述外壳的顶部设置有上法兰盘、底部设置有下法兰盘，所述外壳外还套设有用于对模拟舱进行加热的加热套。

6.根据权利要求5所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述外壳靠近所述上法兰盘的一端设置有用于注入介质液的注液口，所述外壳靠近所述下法兰盘的一端设置有用于排出介质液的排液口。

7.根据权利要求1所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述储液盘管A和储液盘管B交错盘绕设置在所述挤压腔内，所述成膜液释放机构的数量为两个，一个用于单独连通储液盘管A和混合盘管、另一个用于单独连通储液盘管B和混合盘管。

8.根据权利要求1所述的原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，其特征在于，所述液体A包括环氧树脂类或聚二甲基硅氧烷类，液体B包括环氧固化剂类或聚甲基氢硅氧烷类。

9.使用权利要求1～8任意一项所述的装置的一种原位自触发随钻成膜保质取心方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在储液盘管A中储存液体A，在储液盘管B中储存液体B，且液体A和液体B混合后的成膜液能够交联固化形成固态保护膜；

S2：取心筒对岩石进行取心，并将岩石放入封闭空间内；

S3：将液体A和液体B输入到混合盘管中进行混合形成成膜液；

S4：将成膜液喷洒到岩石表面，并填充入封闭空间中，直到成膜液完全覆盖在岩石表面；

S5：待成膜液在岩石表面固化完全，取出岩石。

说明书

一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置及取心方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩石的科学钻探技术领域，具体而言，涉及一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置及取心方法。

背景技术

[0002] 在钻进岩层取心及取出岩心过程中，岩心会受到井底地层水或钻井液等的污染而造成岩心原位品质、油气含量及湿度等受到影响，并且岩心取出后会由于空气、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，岩心内部油气资源的丧失会导致资源评估失真，由此，深部岩石钻探取心的保质基本采用密闭取心技术以实现原位保质取心，即采用高分子基的密闭液，在所取岩心表面形成一层液态膜，以减少钻井液对岩心的浸染。

[0003] 密闭取心技术在岩石钻探技术领域进行了大量研究，但现有岩石取心技术无法做到完全保质取心，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，防止岩心被钻井液污染，这样密闭取心生成的是液态膜，无法保证岩心中成分散失；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，因此，急需要一种能随钻在岩心表面形成固态密封膜，实时封存岩心中原始成分信息的保质随钻成膜模拟装置及取心方法。

发明内容

[0004] 本发明旨在提供一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置及取心方法，能够模拟原位深部底层的高温高压取心环境，随钻进取心动态过程中，成膜单液触发释放经过静态混合搅拌器形成成膜液，成膜液在岩心表面均匀完整覆盖，通过交联固化作用形成一层具备高阻隔性能的固态保质密封膜，保护岩心免受钻井液污染，并防止岩心内部物质散失，使所取岩心能真实反映原位地层状态，为深部资源勘探与开发作业提供指导、为深部岩石科学、深部生物学探索研究奠定基础。

[0005] 本发明的实施例是这样实现的：

[0006] 一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，包括模拟舱和设置在所述模拟舱内的成膜装置和用于盛放岩心的岩心底座，所述岩心底座设置在所述成膜装置底部，所述成膜装置内有取心筒和中心杆，所述中心杆密封伸缩设置在所述取心筒内，所述取心筒靠近所述岩心底座的一端设置有用于取岩心的取样腔，所述中心杆上固定有压缩部，所述压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，所述挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A和储液盘管B，所述取心筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，所述成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，所述调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，所述调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；所述混合盘管用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面；所述模拟舱内还设置有用于调节所述中心杆和取心筒相对距离的位移调节装置。

[0007] 优选的，所述位移调节装置包括用于推动所述取心筒上下运动的环形活塞，所述环形活塞套设在所述中心杆延伸出所述取心筒的一端，所述中心杆与所述模拟舱固定，且所述环形活塞与所述取心筒固定连接，所述环形活塞与所述中心杆滑动连接，所述环形活塞与注液泵连接。

[0008] 优选的，所述位移调节装置包括用于推动所述取心筒上下运动的推杆，所述推杆一端伸出模拟舱外，另一端与所述取心筒连接，所述推杆与所述中心杆滑动连接，所述推杆与注液泵连接，所述中心杆与所述模拟舱固定。

[0009] 优选的，所述位移调节装置包括用于连接中心杆和岩心的连杆，所述中心杆远离岩心的一端伸出所述模拟舱，所述中心杆与注液泵连接，所述取心筒与所述模拟舱固定。

[0010] 优选的，所述模拟舱包括外壳，所述外壳设置在取心筒外，所述外壳的顶部设置有上法兰盘、底部设置有下法兰盘，所述外壳外还套设有用于对模拟舱进行加热的加热套。

[0011] 优选的，所述外壳靠近所述上法兰盘的一端设置有用于注入介质液的注液口，所述外壳靠近所述下法兰盘的一端设置有用于排出介质液的排液口。

[0012] 优选的，所述储液盘管A和储液盘管B交错盘绕设置在所述挤压腔内，所述成膜液释放机构的数量为两个，一个用于单独连通储液盘管A和混合盘管、另一个用于单独连通储液盘管B和混合盘管。

[0013] 优选的，所述成膜液释放机构设置在挤压腔上方，所述储液盘管A和储液盘管B的底部无开口，顶部设置有与所述成膜液释放机构连通的开口，所述混合盘管设置在所述压缩部的底部且固定在所述取心筒上，所述取心筒上设置有用于连通所述混合盘管和调节腔的第一输液管。

[0014] 优选的，所述弹簧活动组件包括设置在调节腔内的封堵螺丝、弹簧和浮动活塞，所述调节腔的一端设置有与所述储液盘管A和/或储液盘管B连通的进液口，所述调节腔的侧壁上设置有连通混合盘管的出液口，所述浮动活塞用于控制所述进液口和出液口之间的通断。

[0015] 优选的，所述取心筒底部还设置有底部密封器，所述底部密封器与所述中心杆、取心筒围合形成容置岩石样品的取样腔；所述底部密封器为弹性花瓣状结构，且每一瓣的端部固定在取心筒的内壁上、其余端面相互抵持对取心筒底部进行密封。

[0016] 优选的，所述液体A包括环氧树脂类或聚二甲基硅氧烷类，液体B包括环氧固化剂类或聚甲基氢硅氧烷类。

[0017] 还提供一种原位自触发随钻成膜保质取心方法，包括以下步骤：S1：在储液盘管A中储存液体A，在储液盘管B中储存液体B，且液体A和液体B混合后的成膜液能够交联固化形成固态保护膜；S2：取心筒对岩石进行取心，并将岩石放入封闭空间内；S3：将液体A和液体B输入到混合盘管中进行混合形成成膜液；S4：将成膜液喷洒到岩石表面，并填充入封闭空间中，直到成膜液完全覆盖在岩石表面；S5：待成膜液在岩石表面固化完全，取出岩石。

[0018] 由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括：本发明的一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置及取心方法，包括模拟舱和设置在模拟舱内的成膜装置和用于盛放岩心的岩心底座，岩心底座设置在成膜装置底部，成膜装置内有取心筒和中心杆，所述中心杆密封伸缩设置在所述取心筒内，取心筒靠近岩心底座的一端设置有用于取岩心的取样腔，中心杆上固定有压缩部，压缩部与取心筒的内壁滑动密封连接，进而中心杆、取心筒和压缩部围合形成挤压腔，挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A和储液盘管B，取心筒上还设置有成膜液释放机构和混合盘管，成膜液释放机构包括与混合盘管连通的调节腔，调节腔另一端还连通有储液盘管A和储液盘管B，调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧活动组件；混合盘管用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石样品外表面；模拟舱内还设置有用于调节中心杆和取心筒相对距离的位移调节装置。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0020] 图1为本发明的成膜装置结构剖面图；

[0021] 图2是本发明的图1的局部A放大图；

[0022] 图3是本发明的图1的局部B放大图；

[0023] 图4是本发明的图1的A‑A向剖面图；

[0024] 图5是本发明的图1的B‑B向剖面图；

[0025] 图6是本发明的成膜装置取心状态结构图；

[0026] 图7是本发明的图6的局部A放大图；

[0027] 图8是本发明的图6的局部B放大图；

[0028] 图9是本发明的成膜装置取心后结构图；

[0029] 图10是本发明的图9的局部B放大图；

[0030] 图11是本发明的第一结构取心前结构图；

[0031] 图12是本发明的第一结构取心中结构图；

[0032] 图13是本发明的第一结构取心后结构图；

[0033] 图14是本发明的第二结构取心前结构图；

[0034] 图15是本发明的第二结构取心中结构图；

[0035] 图16是本发明的第二结构取心后结构图；

[0036] 图17是本发明的第三结构取心前结构图；

[0037] 图18是本发明的第三结构取心中结构图；

[0038] 图19是本发明的第三结构取心后结构图。

[0039] 具体元素符号说明：1‑中心杆，2‑外壳，3‑上法兰盘，4‑成膜液释放机构，5‑储液盘管A，6‑储液盘管B，7‑第一输液管，8‑取心筒，9‑混合盘管，10‑弹卡，11‑岩心爪，12‑岩石，13‑底部密封器，14‑下法兰盘，15‑压缩部，16‑连接头，17‑第二输液管，18‑第三输液管，19‑推杆，20‑连杆，21‑环形活塞，‑22‑注液口，23‑排液口，24‑岩心底座，25‑加热套，41‑封堵螺丝，42‑弹簧，43‑浮动活塞，91‑静态混合器。

具体实施方式

[0040] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 实施例1：请参阅图1至图19，本实施例的一种原位自触发随钻成膜保质取心模拟装置，包括模拟舱和设置在模拟舱内的成膜装置和用于盛放岩心的岩心底座24，岩心底座24设置在成膜装置底部，成膜装置内有取心筒8和中心杆1，中心杆1密封伸缩设置在取心筒
8内，取心筒8靠近岩心底座24的一端设置有用于取岩心的取样腔，中心杆1上固定有压缩部
15，压缩部15与取心筒8的内壁滑动密封连接，进而中心杆1、取心筒8和压缩部15围合形成挤压腔，挤压腔内设置有分别用于储存液体A和液体B的储液盘管A5和储液盘管B6，取心筒8上还设置有成膜液释放机构4和混合盘管9，成膜液释放机构4包括与混合盘管9连通的调节腔，调节腔另一端还连通有储液盘管A5和储液盘管B6，调节腔内设置有用于控制调节腔通断的弹簧42活动组件；混合盘管9用于混合液体A和液体B形成混合后的成膜液，并输出成膜液到岩石12样品外表面；模拟舱内还设置有用于调节中心杆1和取心筒8相对距离的位移调节装置。模拟原位深部地层的高温高压取心环境，验证保质取心成膜工艺与装置，随钻进取心动态过程中，成膜单液触发释放经过静态混合搅拌器形成成膜液，成膜液在岩心表面均匀完整覆盖，通过交联固化作用形成一层具备高阻隔性能的固态保质密封膜，保护岩心免受钻井液污染，并防止岩心内部物质散失，使所取岩心能真实反映原位地层状态，为深部资源勘探与开发作业提供指导、为深部岩石科学、深部生物学探索研究奠定基础。

[0042] 实施例2：本实施例的位移调节装置包括用于推动取心筒8上下运动的环形活塞21，环形活塞21套设在中心杆1延伸出取心筒8的一端，中心杆1与模拟舱固定，且环形活塞
21与取心筒8固定连接，环形活塞21与中心杆1滑动连接，环形活塞21与注液泵连接。取心前:岩心置于岩心底座24的上部，将保质取心成膜装置吊装于岩心之上，成膜A/B液被分别预储存于储液盘管A5及储液盘管B6中。弹簧42推动浮动活塞43堵住成膜A/B液出口，防止成膜A/B液在取心前泄漏。取心前在模拟舱内注满介质液，使用柱塞泵将舱内压力提高至深部原位压力，开启加热套25使舱内温度提高至深部原位温度。取心时，由注液口22向舱内注介质液，推动环形活塞21使保质取心装置向下运动，完成上述取心过程。取心进尺完成后，从排液口23注入介质液，使取心筒8整体向上移动，岩心爪11卡住岩心，使岩心脱离岩心底座
24，一同向上移动，底部密封装置回弹封住岩心底部。

[0043] 实施例3：本实施例的位移调节装置包括用于推动取心筒8上下运动的推杆19，推杆19一端伸出模拟舱外，另一端与取心筒8连接，推杆19与中心杆1滑动连接，推杆19与注液泵连接，中心杆1与模拟舱固定。取心前:岩心置于岩心底座24的上部，将保质取心成膜装置吊装于岩心之上，成膜A/B液被分别预储存于储液盘管A5及储液盘管B6中。弹簧42推动浮动活塞43堵住成膜A/B液出口，防止成膜A/B液在取心前泄漏。取心前在模拟舱内注满介质液，使用柱塞泵将舱内压力提高至深部原位压力，开启加热套25使舱内温度提高至深部原位温度；取心时，驱动推杆19使保质取心装置向下运动，完成上述取心过程；取心进尺完成后，提拉推杆19，使取心筒8整体向上移动，岩心爪11卡住岩心，使岩心脱离岩心底座24，一同向上移动，底部密封装置回弹封住岩心底部。

[0044] 实施例4：本实施例的位移调节装置包括用于连接中心杆1和岩心的连杆20，中心杆1远离岩心的一端伸出模拟舱，中心杆1与注液泵连接，取心筒8与模拟舱固定。取心前：岩心置于岩心底座24的上部，将保质取心成膜装置吊装于岩心之上，成膜A/B液被分别预储存于储液盘管A5及储液盘管B6中。弹簧42推动浮动活塞43堵住成膜A/B液出口，防止成膜A/B液在取心前泄漏。取心前在模拟舱内注满介质液，使用柱塞泵将舱内压力提高至深部原位压力，开启加热套25使舱内温度提高至深部原位温度；取心时，取心筒8固定不动，提拉中心杆1使岩心向上运动进入取心筒8，完成上述取心过程；取心进尺完成后，岩心爪11卡住岩心，底部密封装置回弹封住岩心底部。

[0045] 实施例5：本实施例的模拟舱包括外壳2，外壳2设置在取心筒8外，外壳2的顶部设置有上法兰盘3、底部设置有下法兰盘14，外壳2外还套设有用于对模拟舱进行加热的加热套25。本实施例的外壳2靠近上法兰盘3的一端设置有用于注入介质液的注液口22，外壳2靠近下法兰盘14的一端设置有用于排出介质液的排液口23。本实施例的液体A包括环氧树脂类或聚二甲基硅氧烷类，液体B包括环氧固化剂类或聚甲基氢硅氧烷类。

[0046] 实施例6：本实施例的储液盘管A5和储液盘管B6交错盘绕设置在挤压腔内，成膜液释放机构4的数量为两个，一个用于单独连通储液盘管A5和混合盘管9、另一个用于单独连通储液盘管B6和混合盘管9。本实施例的混合盘管9内设置有静态混合器91，静态混合器91设置在靠近混合盘管9进液口的一端，并用于混合不同的成膜单液形成混合后的成膜液。本实施例的弹簧42活动组件包括设置在调节腔内的封堵螺丝41、弹簧42和浮动活塞43，浮动活塞43与储液盘管A5和/或储液盘管B6连通，调节腔的侧壁上设置有连通混合盘管9的出液口，出液口在浮动活塞43的活动进程内。

[0047] 实施例7：本实施例的取心筒8底部还设置有底部密封器13，底部密封器13与中心杆1、取心筒8围合形成容置岩石12样品的取样腔。本实施例的底部密封器13为弹性花瓣状结构，且每一瓣的端部固定在取心筒8的内壁上、其余端面相互抵持对取心筒8底部进行密封。本实施例的取心筒8的取样腔内还设置有用于固定岩石12的岩心爪11，岩心爪11环绕设置在取心筒8的内壁上。本实施例的中心杆1上设置有收缩弹卡10，收缩弹卡10用于锁定中心杆1和取心筒8。

[0048] 实施例8：本实施例的成膜液释放机构4设置在挤压腔上方，储液盘管A5和储液盘管B6的底部无开口，顶部设置有与成膜液释放机构4连通的开口，混合盘管9设置在压缩部15的底部且固定在取心筒8上，外钻杆2上设置有用于连通混合盘管9和调节腔的第一输液管7。成膜单液包括A和B。若需要两种以上成膜单液，就需要增加更多的储液盘管，成膜单液和储液盘管的数量不限于两种；取心前：成膜A/B液被分别预储存于储液盘管A5及储液盘管B6中。弹簧42推动浮动活塞43堵住成膜A/B液出口，防止成膜A/B液在取心前泄漏；取心时：
中心杆1静止，成膜液释放机构4、取心筒8向下运动，岩心随钻穿过底部密封器13进入取心筒8。中心杆1与成膜液释放机构4及取心筒8发生相对运动，使储液空间减小，对储液盘管A5及储液盘管B6施加轴向压缩力，使其变形并分别排出成膜A/B液。成膜A/B液挤压浮动活塞
43及弹簧42，使出液口暴露。成膜A/B液经输液管中向下流动，汇集到混合盘管9中，经过混合盘管9底部内置静态混合器91充分混合形成具备固化能力的成膜液。成膜液再经过混合盘管9上部内侧出液孔流出，覆盖在新钻出的岩心表面。成膜迅速发生交联固化反应，在岩心表面形成一层固态保质密封膜。取心后：完成取心进尺后，弹卡10弹出，使中心杆1与取心筒8间的相对位置固定。上提钻具，岩心爪11抱紧岩心后，底部密封器13重新闭合，防止成膜液从取心筒8底部大量泄漏。成膜液在岩心与取心筒8之间的环形空间，以及在岩心顶底部空间发生交联固化反应形成固态保质密封膜。

[0049] 实施例9：本实施例还提供一种原位自触发随钻成膜保质取心方法，包括以下步骤：S1：在储液盘管A5中储存液体A，在储液盘管B6中储存液体B，且液体A和液体B混合后的成膜液能够交联固化形成固态保护膜；S2：取心筒8对岩石12进行取心，并将岩石12放入封闭空间内；S3：将液体A和液体B输入到混合盘管9中进行混合形成成膜液；S4：将成膜液喷洒到岩石12表面，并填充入封闭空间中，直到成膜液完全覆盖在岩石12表面；S5：待成膜液在岩石12表面固化完全，取出岩石12。

[0050] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。