CN1069549A - 抽插式偏心扩孔钻进装置 - Google Patents

Abstract

一种对井[孔]内岩、上实施扩径、钻凿和扩底钻 凿以及对井[孔]内套管实施切割的抽插式偏心扩孔 钻进装置，由一个装在套管6端部的套管钻头2和一 个装在其内腔的与钻杆相联接的中心钻具7组成，包 括偏心功能控制、偏心钻头和定位稳定三部分。在工 作中，通过地表装置使中心钻具绕轴回转，以实现径 向扩大孔径，若同时沿轴向运动，即可实现连续扩孔 钻进或提升钻具，避免了现有技术中偏心凸块被岩石 挤夹所产生的卡钻事故。

Description

本发明涉及一种对井（孔）内岩、土实施扩径钻凿和扩底钻凿以及对井（孔）内套管实施切割的装置，特别是涉及一种抽插式偏心扩孔钻进装置。

迄今为止，国外井下偏心扩孔钻进系统，较普遍的是采用瑞典阿普特拉斯科普科（Atlas    Copco）及桑德维克（Sandwik）公司研制的ODEX覆盖层钻进跟管系统。其偏心扩孔部分主要由先导钻头及套装在先导钻头上的偏心凸块组成，通过正旋或反旋中心钻具，使先导钻头与偏心凸块之间产生角位移，从而将偏心凸块推出或缩回，以实现井下偏心扩孔钻进或提出中心钻具。因为先导钻头与偏心凸块的相对角位移的产生，还必须依靠井底岩土与钻具间的摩擦阻力，所以，偏心凸块的张敛动作不是每次都能成功，而且偏心凸块还易被岩土挤夹产生卡钻事故。这类偏心扩孔系统最大跟管直径为254mm。

英国哈利法克斯[Halifax]公司采取的一种Sim-Cas跟管系统，与ODEX法原理相似。

比利时斯坦威克[Stenvik]公司采取了称为“土星”及“海王星”[Sturne-Neptune]跟管钻进系统。其偏心扩孔部分是利用螺旋伸缩接头控制带凸台的套筒上、下移动，以推出或缩回偏心凸块钻头，而螺旋伸缩接头的伸长与缩短仍然依靠中心钻具的正旋或反旋动作。所以它的根本原理仍然与ODEX法类似，它的偏心控制功能都是采取中心钻具的旋转方式。

本发明的目的在于提供一种抽插式偏心扩孔钻进装置，该装置可卓有成效地进行井[孔]内扩径、扩底岩土钻凿和套管切割。

本发明的目的是这样实现的，即：这种抽插式偏心扩孔钻进装置有一个装在套管端部的套管钻头，一个装在套管钻头内腔并与钻杆相联接的中心钻具。该装置包括偏心功能控制部分，偏心钻头部分和定位稳定部分。该装置在工作中通过地表装置使其中心钻具绕轴回转径向扩大孔径，并沿轴向运动实现连续扩孔钻进或提升钻具。

本发明的具体结构由以下附图给出。

图1为抽插式偏心扩孔钻进装置扩孔钻进工作原理示意图;

图2为抽插式偏心扩孔钻进装置提钻工作原理示意图;

图3为本发明的偏心花键套的结构图;

图4为图3A-于剖面图;

图5为本发明的定心花键轴图;

图6为图5A-A剖面图;

图7为图5B-B剖面图;

图8为本发明的偏心牙轮钻头结构图;

图9为图8的仰视图;

图10为本发明定位稳定阻尼分流接头结构图;

图11为图10A-A剖面图;

图12为图10B-B剖面图;

图13为本发明第一实施例的总体结构示意图;

图14为图13A-A剖面图;

图15为图13B-B剖面图;

图16为本发明第二实施例的总体结构示意图;

图17为图16A-A剖面图;

图18为图16B-B剖面图;

图19为图16C-C剖面图。

以下将参见附图对本发明的具体结构和工作情况进一步的描述。

参见图1，本发明一种抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于一个装在套管端部的套管钻头2和一个装在其内腔的与钻杆相联接的中心钻具7。

参见图13，所述的中心钻具7由与钻头接手5相联接的偏心牙轮钻头1、定心花键轴16，与定心花键轴和定心承载盘3相配合联接的偏心花键套4，以及依次与定心花键轴联接为一体的定位加载盘5、潜孔锤下接头11、潜孔锤9、潜孔锤上接头10、定位稳定阻尼分流接头8组成，该中心钻具与套管钻头2共同构成本发明的第一实施例。

参见图16，所述的中心钻具7由与钻头接手5相联接的装有反循环引射器13的偏心牙轮钻头1、定心花键轴16，与定心花键轴和定心承载盘3相配合联接的偏心花键套4，以及依次与定心花键轴联为一体的定位加载盘5、下分流接头12、潜孔锤9、潜孔锤上接头10、定位稳定阻尼分流接头8、导流管14组成，该中心钻具与套管接头2共同构成本发明的第二实施例。

参见图8-9，所述的偏心牙轮钻头1由三个装有牙轮的支撑与带螺纹的钻头体组焊而成，其中一个为超顶锥牙轮，其余两个为载锥牙轮，截锥牙轮退位安装，与超顶锥牙轮间有一偏心距e₂。该钻头位于中心钻具7的最下端，通过中心钻具的轴向加荷和回转驱动，既能起偏心扩孔作用，又能起钻进作用。

所述的套管钻头2装配于套管6最下端。该钻头底部为内环刃结构，刃角10°～15°，刃尖敷焊粉末合金，钻头上部具有内台阶，与定心承载盘3配合，潜孔锤9产生的冲击载荷施加于偏心牙轮钻头1，同时还通过定心承载盘3将冲击载荷施加于套管钻头2，产生对套管6的冲击牵引力，使外层套管与中心钻具同步跟进。与此同时，通过套管6的纵向加荷及与中心钻具反向的顶转驱动，套管钻头又能起钻进作用，实现全套管钻进。该钻头外部还焊有65°～70°角的肋骨条，既形成排渣槽，又起套管钻头钻进的保径作用。

参见图17，所述的定心承载盘3套装在中心钻具7下部。这个零件是一个具有内通孔的园盘，外部有四个弧形排渣槽。提钻时搁置在偏心牙轮钻头1的支撑凸缘上，下钻时该盘首先接触并座于套管钻头2的内台阶上，中心钻具继续下降，偏心花键套4插入该盘定心孔，起偏心定心作用，将偏心牙轮钻头1径向推出，使之与中心钻具之间产生偏心距e[e＝e₁+e₂]，达到偏心扩孔位置。

参见图3-4，所述的偏心花键套以内花键结构套装在定心花键轴16的外台阶上。该偏心套是一个具有偏心距e₁的偏心凸缘结构的偏心花键套，由于它的花键结构，使它的偏心距e₁与偏心牙轮钻头1的偏心距e₂组成可调偏心距系统，调节偏心距误差＜5%，具有高精度全方位随意调节偏心距的功能。工作状态偏心凸缘插入定心承载盘3，将偏心牙轮钻头1径向推出到扩孔位置，实现偏心扩孔。

参见图13、16，所述的定位加载盘5以螺纹结构装配于潜孔锤下接头11或下分流接头12的下端。该盘是一个具内通径螺纹的圆盘。工作状态座于定心承载盘上，既起偏心花键套4的轴向定位作用，同时将潜孔锤9产生的冲击载荷经定心承载盘3传递给套管钻头2，对套管6产生冲击牵引力。

所述的套管6是相对于中心钻具的外层管，下端与套管钻头2连接，上部与井口套管驱动装置配合。套管是一个两端具有螺纹结构或无丝扣接头型式的多根筒状钢管，可以随意连接成需要的长度。在偏心扩孔装置中起外定心导正作用及护壁作用，同时将井口套管驱动装置产生的轴向及顶转载荷传递给套管钻头2，使之具有钻进能力，实现全套管钻进，并接受冲击牵引载荷，在偏心扩孔钻进过程中，与中心钻具同步跟进。

参见图13，所述的潜孔锤9装配于潜孔锤下接头11或下分流接头12与潜孔锤上接头10之间。潜孔锤是定型产品，它的主要作用是将压缩空气的热能转化为冲击能，对偏心牙轮钻头1及套管钻头2施加冲击载荷。

所述的潜孔锤上接头10装配于定位稳定阻尼分流接头8与潜孔锤9之间，均以螺纹结构连接。该接头的主要作用是起上述二个零部件之间的连接作用，同时通过该接头中心孔起输送气体工作介质的作用。

所述的潜孔下接头11装配于潜孔锤9与定心花键轴16之间，均以螺纹结构连接，且该接头下端以外螺纹结构与定位加载盘5连接。该接头的主要作用也是起上、下两个零部件之间的连接作用及通过中心孔输送潜孔锤排除气体的作用;同时该接头还通过定位加载盘5、定心承载盘3对套管钻头2起传递冲击载荷的作用。

参见图16，所述的下分流接头12与潜孔锤下接头的装配关系和结构以及主要作用均有相同之点。其不同之点在于有二条条形通道将增加的内管与外接头焊接为一体，该接头外部下端又以0型密封圈的型式与导流管配合。该接头的上述结构具有使工作流体与排渣流体分流的作用。

反循环引射器13装置于偏心牙轮钻头1的内管下端管口。主要结构是多个环状安置的喷咀形成的气体引射器。它的主要作用是利用潜孔锤9排除的气体作工作介质，在偏心牙轮钻头1的内腔造成局部负压，形成钻头底部中心反循环排渣。

导流管14套装于潜孔锤9外部。上端以法兰盘与定位稳定阻尼分流接头连接，下部以0型密封圈型式与下分流接头12装配。装配导流管的主要作用是使上返排渣流体通过的环状断面减小，即导流管与潜孔锤9之间的环状断面比套管6与潜孔锤9之间的环状断面小，在供气量相同的条件下，可以提高上返流体的流速增强排渣能力。另外导流管还可供注入液体工作介质，形成气举排渣的功能。

钻头接手15装配于定心花键轴16与偏心牙轮钻头1之间，均以螺纹结构连结。主要起上、下两个零件之间的连接作用及输送潜孔锤排出的气体或排渣流体的作用。

定心花键轴16装配于潜孔锤下接头11或下分流接头12与钻头接手15之间，均以螺纹结构连接。该轴的花键结构与偏心花键套4配合，使扩孔偏心距具有高精度全方位随意可调性，同时起偏心内定心作用，还起上下两个零件之间的连接作用及输送潜孔锤排出的气体或排渣流体的作用。

参见图10-12，所述的定位稳定阻尼分流接头8由内、外管17、18，阻尼塞架19，阻尼塞20，垫板21，锁紧螺母22，油封盖23，轴承24，固定螺母25，油封26及内外联接板27、28组成。

定位稳定阻尼分流接头装配于潜孔锤上接头10之上与双壁钻杆之间。该接头具有单动结构阻尼塞和内外管分流结构及三层管连接结构。阻尼塞既起偏心径向定位稳定作用，又在排渣过程中起阻尼塞作用，迫使沿套管6与中心钻具之间的环状间隙上返的钻屑由该接头的三条排渣槽进入内管，实现中心反循环排渣。该接头内管下端封堵，压缩空气经内外管环状间隙及潜孔锤上接头中心孔进入潜孔锤转化为冲击能量，排除的气体经钻头底部携带钻屑上返，如上述在阻力塞作用下迫使钻屑沿排渣槽进入内管，形成工作流体与排渣流体分流循环。该接头的内连接板27或外连接板28以法兰盘的连接方式与导流管14连接，可使导流管与中心钻具同步回转或单动。装置导流管14及下分流接头12后，在阻尼塞的作用下，排渣流体直接形成孔底中心反循环，由下分流接头的条形通道经导流管14与潜孔锤9之间的环状间隙进入定位稳定阻尼分流接头内管17，由此又形成中心反循环排渣，这一排渣通道，在供气量不变的条件下，可提高排渣流体上返流速，增大排渣能力。

内、外管17、18均为定位稳定阻尼分流接头8的零件，其管壁上均设有排渣槽，通过排渣槽使两管焊接在一起，下端封堵。两管间的环状间隙起着输送排渣流体及使工作流体与排渣流体分流循环的作用。此外外管还是阻尼塞架19的芯轴。

阻尼塞架19为定位稳定阻尼分流接头8的零件，它与外管18之间装配有滚动轴承24，使之具有单动性;该阻尼塞架外部装配阻尼塞20，起偏心定位及排渣循环流体的阻尼作用。阻尼塞架的主要作用是支撑阻尼塞，在工作过程中保持阻尼塞的单动性。阻尼塞用柔性橡胶纤维物质制成，由于这种物质具有良好的弹性和耐磨性，可对偏心定位及排渣循环流体的阻尼塞流发挥良好的作用。

垫板21是定位稳定阻尼分流接头8的零件，套装在阻尼塞架19上部的阻尼塞20上。该垫板是一具有内通孔的园盘，主要作用是调节压紧阻尼塞20时起垫圈作用。

锁紧螺母22是定位稳定阻尼分流接头8的零件，以螺纹结构装配于阻尼塞架19上部垫板21之上。该螺母是一具有内通径螺纹的圆盘，它的主要作用是利用螺纹的松紧调节阻尼塞20的压紧程度，也就是调节阻尼塞20的径向胀缩程度。

油封盖23是定位稳定阻尼分流接头8的另一个零件，装于阻尼塞架19上端的内部，其轴向位置在滚动轴承24之上。该油封盖外部为螺纹，内部装有油封26。该油封为骨架油封，目在于保持轴承24的润滑油处密封状态，防止泄漏。

内联接板27是定位稳定阻尼分流接头的零件，焊接安装于外管18排渣槽上端，紧靠阻尼塞架19下端，但保持3-5mm的间隙。该连接板是螺栓孔具有螺纹的法兰盘，它的作用是以法兰盘型式连接安装导流管14，这样安装的导流管在工作时可与中心钻具同步回转。

外连接板28是定位稳定阻尼分流接头8的零件，焊接安装于阻尼塞架19底部，内径与内连接板保持一定间隙。该连接板也是螺栓孔具有内螺纹的法兰盘，它的作用是以法兰盘型式连接安装导流管14，这样安装的导流管在工作时具有单动性。

按照上述组装而成的抽插式偏心扩孔钻进装置，其工作原理综述如下。

参见图13，中心钻具7在下降过程中，当定心承载盘3接触套管钻头2的内台阶时即座于该台阶上，中心钻具继续下降，偏心花键套4插入定心承载盘3之中心孔，定位加载盘5与定心载盘3接触，实现偏心轴向定位。定位稳定阻尼分流接头8则起偏心径向稳定作用，同时也起阻尼分流作用。此时，偏心牙轮钻头1已伸出套管钻头2之底部，回转中心钻具7，实施井下偏心扩孔，与此同时，潜孔锤9亦到达工作位置，它所施加的冲击载荷通过其下接头11、定位加载盘5、定心承载盘3、套管钻头2向套管6施加轴向载荷，以克服套管与井壁间的摩阻力，使外层套管6与中心钻具同步跟进，从而实现井下连续偏心扩孔选进。提升钻具时，各件的离合与上述过程相反，可随时自由地抽出偏心提升钻具，从而达到本发明的目的。

图16表达了本发明的第二个实施例，该实施例与第一实施例的主要区别在于排渣系统，即将第一实施例中的潜孔锤下接头改为下分流接头12，在偏心牙轮钻头1中增加了反循环引射器13，并相应地将下分流接头12与偏心牙轮钻头1之间改为双层管结构，另增加了导流管14与定位阻尼分流接头8的内连接板27相联接，与中心钻具同步回转，如与外连接板相联，则中心钻具与导流管之间可以实现单动。这套钻具系统可以实现井底直接反循环，钻渣在钻头底部即可进入中心孔，然后钻渣从下分流接头窗口排出，沿导流管与潜孔锤之间的环空间隙上升，再经定位稳定阻尼分流接头窗口进入中心口，形成中心反循环排渣。

如上所述，本发明偏心扩孔钻进装置可以成为任一全套管钻进系统的配套技术系统装置，实现连续井下偏心扩孔钻进，成为全套管钻进系统的核心组成部分。

本发明与现有技术相比，其根本区别在于对偏心控制功能的改变，改中心钻具的回转运动控制方式为中心钻具轴向运动抽插控制方式，使之每次均能准确无误的将偏心牙轮钻头径向推出到扩孔位置。此外还具有以下优点。

一、偏心牙轮钻头无偏心扩孔凸块，偏心牙轮钻头本身具有偏心距，既是先导钻头，又是偏心扩孔钻头，避免了现有技术中偏心扩孔时凸块被岩石挤夹所产生的卡钻事故。

二、偏心花键套可调偏心距e₁与钻头固定偏心距e₂组成偏心距调整系统，实际偏心距e是e₁和e₂的代数和，可以在正反区间内随意调节正负偏心距，这是现有技术所不具有的功能。

三、定位稳定阻尼分流接头具有偏心回转搅动径向缓冲定位稳定作用，同时保持上部中心钻具稳定绕轴旋转。

四、本发明除了在第四系覆盖层具有同现有技术同等的偏心扩孔功能之外，还具有基岩偏心扩孔钻进的功能。经实验表明，在可钻性5-7级的泥岩、砂质泥岩、长石石英砂岩中，已成功地实现600mm直径套管的连续井下偏心扩孔钻进10.28米，外层套管与中心钻具同步跟进。与现有技术相比是一项大的突破。

五、本发明除具有现有技术的功能外，还可在扩底与套管切割方面拓宽应用范围。

Claims (10)

1、一种抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于一个装在套管6端部的套管钻头2和一个装在其内腔的与钻杆相联接的中心钻具7。

2、按照权利要求1所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于套管钻头2底部为内环刃结构，刃角为10～15°，刃尖敷焊粉末合金，钻头上部具有内台阶。

3、按照权利要求1所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于中心钻具7由与钻头接手5相联接的偏心牙轮钻头1、定心花键轴16、与定心花键轴和定心承载盘3相配合联接的偏心花键套4，以及依次与定心花键轴联为一体的定位加载盘5、潜孔锤下接头11、潜孔锤9、潜孔锤上接头10、定位稳定阻尼分流接头8组成。

4、按照权利要求1所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于中心钻具7由与钻头接手5相联接的装有反循环引射器13的偏心牙轮钻头1、定心花键轴16，与定心承载盘3和定心花键轴相配合联接的偏心花键套4，以及依次与定心花键轴联为一体的定位加载盘5、下分流接头12、潜孔锤9、潜孔锤上接头10、定位稳定阻尼分流接头8、导流管14组成。

5、按照权利求3、4所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于偏心牙轮钻头1由三个装有牙轮的支撑与带螺纹的钻头体组焊而成，其中一个为超顶锥牙轮，其余两个为截锥牙轮，截锥牙轮退位安装，与超顶锥牙轮间有一偏心距e₂。

6、按照权利要求3、4所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于偏心花键套之轴心线与外廓凸缘间有一偏心距e₁，并与定心花键轴和偏心牙轮钻头一道，构成偏心调节系统。

7、按照权利要求3、4所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于定心承载盘3为一具有内通孔的圆盘，外廓有弧形排渣槽。

8、按照权利要求3、4所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于定位加载盘5为一个具有内通径螺纹的圆盘。

9、按照权利要求3、4所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于定位稳定阻尼分流接头8由内管17，外管18，阻尼塞架19，阻尼塞20，垫板21，锁紧螺母22，油封盖23，轴承24，固定螺母25，油封26及内、外联接板27、28组成。

10、按照权利要求9所述的抽插式偏心扩孔钻进装置，其特征在于内管17和外管18的管壁上均设有排渣槽。

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