CN102080503A - 一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具及造斜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具及其造斜方法，属于定向连续取芯造斜领域,在定向钻孔造斜段钻进中，本发明采用一组专门用作定向连续取芯造斜钻进的钻具组，内管取芯钻具通过外管定向导斜来进行定向连续取芯造斜钻进。较好的解决了国内目前定向钻进造斜工艺不能取芯的技术难题，为水电勘测工程进行定向钻孔实现全孔取芯发明了一种实用设备及造斜方法。同时也为我国其他行业对要求连续取芯造斜的定向钻孔提供了一种借鉴。

Description

一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具及造斜方法

技术领域

 本发明涉及定向连续取芯造斜领域,具体为一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具及其造斜方法, 主要是适用于水电勘测工程的定向钻孔连续取芯造斜。

背景技术

定向钻进技术已在我国石油、煤炭、地矿、市政等行业得到广泛应用。定向钻孔就是按照一定目的要求，沿着设计轨迹进行钻进的一项技术。定向钻进技术起源于20世纪初。随着国际钻井三大技术（MWD随钻测量技术、高效PDC钻头、长寿命导向螺杆钻具）的应用，定向钻进技术得到了飞速发展。我国在石油、煤炭、地矿、冶金等勘探行业定向钻进技术已经普遍应用。而我国水电勘探行业定向钻孔因受“连续取芯造斜”技术瓶颈的制约，至今尚未开展应用。为填补我国水电勘探定向钻进技术应用空白，2007年定向钻进技术被列为中国水电顾问集团公司重点科技开发项目，并由中南勘测设计研究院承担。

目前定向钻进造斜工艺主要采用机械连续造斜器造斜、螺杆钻具连续造斜等，但所有这些造斜工艺目前均不能进行连续取芯造斜。水电勘测钻孔对岩心的采取要求很高，并要求必须全孔连续钻孔取芯。为此，作为水电勘测工程钻孔应用定向钻进技术，解决“连续取芯造斜”技术应是关键所在。

定向钻进导向的准确性主要取决于孔内造斜机具的定向方法与精度。目前我国定向钻进孔内造斜机具的定向主要借助高精度的测量仪器通过计算来完成，其操作繁琐且往往因仪器方位精度误差而造成定位不准。由于定向钻孔轴线轨迹一般为空间曲线型，定向钻进过程中钻杆孔内承受着压缩、扭转和弯曲等复杂的载荷。毫无疑问，定向钻进对钻杆及接头管材性能（柔性和强度）、加工精度、表面处理等提出了更高的要求。

发明内容

针对现有定向钻进造斜机具不是能实现连续取芯造斜的技术难题，本发明旨在提供一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具及其造斜方法,可利用该造斜机具在定向钻孔造斜段钻进中，外管用于导向,内管用作取芯,通过外管定向导斜来实现进行定向连续取芯造斜钻进,能较好的解决目前定向钻进造斜工艺不能连续取芯的技术难题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：所述双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特点是，包括外管，该外管下接导向管靴；所述外管内套装有内管，该内管下接孔内水压定向器，该孔内水压定向器的下端通过一中间接头与一弹性接头的上端相连通；所述孔内水压定向器上端与一中空的通水接头相连，该通水接头另一端与一钻杆相连；所述弹性接头下端与一公接头相连，该公接头下端与一岩心管相连，该岩心管的下端与一金刚石钻头连接在一起；

所述孔内水压定向器的结构为，所述通水接头与中间接头之间由一通水夹套相连，该通水夹套内腔设有根据通水接头中空腔的水压大小而使通水接头的中空腔和中间接头的中空腔连通或通路关闭的开合装置；

所述弹性钻杆接头的结构为，所述中间接头的下端连接一凸连接盘；所述公接头的上端连接一凹连接盘；该凸连接盘与凹连接盘之间通过高强橡胶垫连接，且该凸连接盘的朝向凹连接盘的端面向外凸出，该凹连接盘的朝向凸连接盘的端面向内凹进，两者凸出与凹进的程度相匹配；该凸连接盘与凹连接盘通过一组高强螺栓及高强螺母锁紧。

进一步地，所述开合装置的结构为，所述通水接头与所述通水夹套结合处内侧设有一限位套，该限位套朝向通水夹套一端为细颈轴, 该限位套的细颈轴上装有可相对该细颈轴转动的偏心重锤，该偏心重锤的偏心端内活动连接有重锤销，所述通水夹套内壁上设有当通水接头内水压大于某压力值P时与所述重锤销相配合连接的限位孔，所述限位套的细颈轴端与一通水活塞相连，该通水活塞的活塞杆上装有弹簧；所述通水夹套内侧开有当通水接头内水压不小于某压力值P时通水接头的中空腔和中间接头的中空腔连通，当通水接头内水压小于某压力值P时通水接头的中空腔和中间接头的中空腔之间通路关闭的通水孔。

所述弹性钻杆接头由40CrMnMo合金钢制成，且对其进行严格的热处理。

为了使得弹性接头能在弹性变形条件下实现安全有效传递钻进扭矩和钻进压力，所述高强螺栓采用9.8级高强螺栓。

为了便于快速安装到位，所述孔内水压定向器与外管之间设有定位键槽。

进一步地，为了便于通水接头内水推动限位套移动，所述限位套朝向通水接头的一端为空腔，所述压力值P的大小为通水接头内水推动限位套右移至重锤销插入限位孔内时的水压力。

所述钻杆优选为高强弹性地质钻杆。

一种采用如上所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具的取芯造斜方法，包括如下步骤：

a、导斜参数选择；按照定向钻孔设计轨迹要求，计算确定导斜角并选定导向靴管；进行孔内水压定向器地表水压定向试验，由钻孔水位计算确定孔内水压定向器工作水压参数；

b、双管外导内钻定向连续取芯造斜机具下入安装到位；

c、孔内导斜定向；按设计导向方位角要求，通过孔内水压定向器测定并调整孔底导向靴管的方位角；孔口固定外管导向钻具组；

d、钻进取芯；下放内管并测量计算安装到位，连接钻杆，进行定向连续取芯造斜钻进；

e、提出内管；取出管内芯样，按要求装箱编号、拍照；

f、定向扩孔；下入上接弹性接头并带内导向的扩孔钻具组，测量与计算确认下入到位，对已完成的造斜段进行扩孔钻进；进行钻孔测斜，根据测斜数据计算出钻孔轨迹，确定下一个造斜段钻进相关参数。

本发明就是在定向钻孔造斜段钻进中，采用一组专门用作定向连续取芯造斜钻进的钻具组，内管取芯钻具通过外管定向导斜来进行连续定向取芯造斜钻进。

与现有技术相比，本发明很好的解决了定向钻孔连续取芯造斜技术难题，将作为我国水电勘测工程定向钻孔连续取芯造斜一种首选设备与工艺，也可作为其他行业要求连续取芯造斜定向钻孔的一种辅助工法。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

图1是本发明一种实施例的机构原理图，其中图1（a）是上半段，图1（b）为下半段；

图2是本发明所述孔内水压定向器的结构原理图；

图3是本发明所述弹性接头的结构原理图；

图4是图3的A-A截面示意图。

在图中：

1-通水接头；      2-中间接头；    3-限位套；   

4-偏心重锤；      5-重锤销；      6-通水活塞； 

7-弹簧；          9-通水孔；      10-限位孔；

11-通水夹套；      29-内管；       30-外管；

31-定位键槽；      32-导向管靴；   33-岩心管；

34-卡簧；          35-金刚石钻头； 36-公接头；

40-孔内水压定向器；41-凸连接盘；   42-凹连接盘；

43-高强螺母；      44-高强螺栓；   45-高强橡胶垫；

50-弹性接头。

具体实施方式

一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，如图1（a）和图1（b）所示，包括外管30，该外管30下接导向管靴32；所述外管30内套装有内管29，该内管29下接孔内水压定向器40，该孔内水压定向器40的下端通过一中间接头2与一弹性接头50的上端相连通；所述孔内水压定向器40上端与一中空的通水接头1相连，该通水接头1另一端与一钻杆相连；所述弹性接头50下端与一公接头36相连，该公接头36下端与一岩心管33相连，该岩心管33的下端通过卡簧34与一金刚石钻头35连接在一起；所述孔内水压定向器40与外管30之间设有定位键槽31。所述钻杆优选为高强弹性地质钻杆。

所述孔内水压定向器40的结构为，所述通水接头1与中间接头2之间由一通水夹套11相连，该通水夹套11内腔设有根据通水接头1中空腔的水压大小而使通水接头1的中空腔和中间接头2的中空腔连通或通路关闭的开合装置；如图2所示，所述开合装置的结构为，所述通水接头1与所述通水夹套11结合处内侧设有一限位套3，该限位套3朝向通水夹套11一端为细颈轴, 该限位套3的细颈轴上装有可相对该细颈轴转动的偏心重锤4，该偏心重锤4的偏心端内活动连接有重锤销5，所述通水夹套11内壁上设有当通水接头1内水压大于某压力值P时与所述重锤销5相配合连接的限位孔10，所述限位套3的细颈轴端与一通水活塞6相连，该通水活塞6的活塞杆上装有弹簧7；所述通水夹套11内侧开有当通水接头1内水压不小于某压力值P时通水接头1的中空腔和中间接头2的中空腔连通，当通水接头1内水压小于某压力值P时通水接头1的中空腔和中间接头2的中空腔之间通路关闭的通水孔9。所述限位套3朝向通水接头1的一端为空腔。

所述弹性钻杆接头50由40CrMnMo合金钢制成，如图3和图4所示，所述弹性钻杆接头50的结构为，所述中间接头2的下端连接一凸连接盘41；所述公接头36的上端连接一凹连接盘42；该凸连接盘41与凹连接盘42之间通过高强橡胶垫45连接，且该凸连接盘41的朝向凹连接盘42的端面向外凸出，该凹连接盘42的朝向凸连接盘41的端面向内凹进，两者凸出与凹进的程度相匹配；该凸连接盘41与凹连接盘42通过一组高强螺栓44及高强螺母43锁紧。所述高强螺栓44采用9.8级高强螺栓。

一种采用如图1所示的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具的取芯造斜方法，包括如下步骤：

a、导斜参数选择；按照定向钻孔设计轨迹要求，计算确定导斜角并选定导向靴管；进行孔内水压定向器地表水压定向试验，由钻孔水位计算确定孔内水压定向器工作水压参数；

b、双管外导内钻定向连续取芯造斜机具下入安装到位；组装并下入外管30；测量与计算确认安装到位，然后组装并下入内管29，测量与计算确认孔内水压定向器40与外管30的定位键槽31装配到位；

c、孔内导斜定向；按设计导向方位角要求，通过孔内水压定向器40测定并调整孔底导向靴管36的方位角；外管30导向钻具组孔口采用机械压、夹紧固定；

d、钻进取芯；慢慢下放内管29并测量计算安装到位，连接钻杆，轻压慢转内管29进行定向连续取芯造斜钻进；

e、提出内管29；取出管内芯样，按要求装箱编号、拍照；

f、定向扩孔；下入上接弹性接头并带内导向的扩孔钻具组，测量与计算确认下入到位，轻压慢转对已完成的造斜段进行扩孔钻进；进行钻孔测斜，根据测斜数据计算出钻孔轨迹，确定下一个造斜段钻进相关参数。

所述外管30采用φ71高强弹性绳索取芯钻杆，接头外径φ73mm,内径φ60mm。外管30下接导斜管靴32。

所述内管29采用φ42高强弹性地质钻杆，接头外径φ43mm，内径φ22mm。内管29下接孔内水压定向器40、弹性接头50和φ56双管单动取芯金刚石钻具。

双管外导内钻定向连续取芯造斜机具采用φ42高强弹性地质钻杆，下接带弹性接头的内导式扩孔金刚石钻头35。

中南勘测设计研究院经过技术攻关，成功研制出了双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，可广泛应用于水电勘测工程定向钻孔。

Claims (8)

1.一种双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，包括外管（30），该外管（30）下接导向管靴（32）；所述外管（30）内套装有内管（29），该内管（29）下接一孔内水压定向器（40），该孔内水压定向器（40）的下端通过一中间接头（2）与一弹性接头（50）的上端相连通；所述孔内水压定向器（40）上端与一中空的通水接头（1）相连，该通水接头（1）另一端与一钻杆相连；所述弹性接头（50）下端与一公接头（36）相连，该公接头（36）下端与一岩心管（33）相连，该岩心管（33）的下端与一金刚石钻头（35）连接在一起；

所述孔内水压定向器（40）的结构为，所述通水接头（1）与中间接头（2）之间由一通水夹套（11）相连，该通水夹套（11）内腔设有根据通水接头（1）中空腔的水压大小而使通水接头（1）的中空腔和中间接头（2）的中空腔连通或通路关闭的开合装置；

所述弹性钻杆接头（50）的结构为，所述中间接头（2）的下端连接一凸连接盘（41）；所述公接头（36）的上端连接一凹连接盘（42）；该凸连接盘（41）与凹连接盘（42）之间通过高强橡胶垫（45）连接，且该凸连接盘（41）的朝向凹连接盘（42）的端面向外凸出，该凹连接盘（42）的朝向凸连接盘（41）的端面向内凹进，两者凸出与凹进的程度相匹配；该凸连接盘（41）与凹连接盘（42）通过一组高强螺栓（44）及高强螺母（43）锁紧。

2.根据权利要求1所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，所述开合装置的结构为，所述通水接头（1）与所述通水夹套（11）结合处内侧设有一限位套（3），该限位套（3）朝向通水夹套（11）一端为细颈轴, 该限位套（3）的细颈轴上装有可相对该细颈轴转动的偏心重锤（4），该偏心重锤（4）的偏心端内活动连接有重锤销（5），所述通水夹套（11）内壁上设有当通水接头（1）内水压大于某压力值P时与所述重锤销（5）相配合连接的限位孔（10），所述限位套（3）的细颈轴端与一通水活塞（6）相连，该通水活塞（6）的活塞杆上装有弹簧（7）；所述通水夹套（11）内侧开有当通水接头（1）内水压不小于某压力值P时通水接头（1）的中空腔和中间接头（2）的中空腔连通，当通水接头（1）内水压小于某压力值P时通水接头（1）的中空腔和中间接头（2）的中空腔之间通路关闭的通水孔（9）。

3.根据权利要求1所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，所述弹性钻杆接头（50）由40CrMnMo合金钢制成。

4.根据权利要求1所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，所述高强螺栓（44）采用9.8级高强螺栓。

5.根据权利要求1所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，所述孔内水压定向器（40）与外管（30）之间设有定位键槽（31）。

6.根据权利要求1所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，所述钻杆为高强弹性地质钻杆。

7.根据权利要求2所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具，其特征在于，所述限位套（3）朝向通水接头（1）的一端为空腔。

8.一种采用权利要求1-7之一所述的双管外导内钻定向连续取芯造斜机具的取芯造斜方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、导斜参数选择；按照定向钻孔设计轨迹要求，计算确定导斜角并选定导向靴管；进行孔内水压定向器地表水压定向试验，由钻孔水位计算确定孔内水压定向器工作水压参数；

b、双管外导内钻定向连续取芯造斜机具下入安装到位；

c、孔内导斜定向；按设计导向方位角要求，通过孔内水压定向器（40）测定并调整孔底导向靴管（36）的方位角；固定外管（30）导向钻具组孔口；

d、钻进取芯；下放内管并测量计算安装到位，连接钻杆，进行定向连续取芯造斜钻进；

e、提出内管；取出管内芯样，按要求装箱编号、拍照；

f、定向扩孔；下入上接弹性接头并带内导向的扩孔钻具组，测量与计算确认下入到位，对已完成的造斜段进行扩孔钻进；进行钻孔测斜，根据测斜数据计算出钻孔轨迹，确定下一个造斜段钻进相关参数。

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