CN105625937A - 一种页岩气专用冲击式液动锤钻井设备 - Google Patents

Abstract

一种页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，属于岩石的钻进技术领域，它包括上接头、外套管、分流管、阀室组件、专用控制管、活塞组件、下接头和钻头；所述钻头布置在井筒底部，通过下接头、外套管、上接头与地面动力系统中钻杆连接，通过钻杆驱动钻头旋转钻进；所述分流管、阀室组件、专用控制管、活塞组件由上到下依次套装在外套管的内部，在分流管、阀室组件、专用控制管和活塞组件中设置上下贯通的动力液通道；所述活塞组件包括活塞和缸筒，所述活塞在缸筒内往复运动，对钻头施加周期性冲击力。本发明的钻头在旋转动力与冲击动力共同作用下进行钻进作业，不仅使钻井速度成倍增加，而且将钻井设备寿命延长。

Description

一种页岩气专用冲击式液动锤钻井设备

技术领域

本发明涉及一种页岩气开采钻井设备，尤其是一种页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，属于岩石的钻进技术领域。

背景技术

页岩气，一种新型洁净能源，它是一种蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩地层中。页岩气的储层具有地层坚硬，埋层深的特点，开采难度大，需要高水平的钻井和完井技术。

现阶段页岩气的钻采一般遵循“钻井-压裂-采气”的采集机理进行，也就是通过由机械设备将页岩气储集层钻出井筒，采用储层压裂方式使吸附在有机质页岩表面及夹缝中的页岩气被压解出来，并通过扩散和流动两种不同的方式运移到井筒，这样不仅使页岩气这一洁净能源得到利用，而且页岩气井能够长期地以稳定速率产气。

目前国内普遍采用的页岩气钻井设备为旋钻机和螺杆钻具，二者都属于钻压旋转式钻井设备，适用于地层硬度小的浅井钻进模式；对于地层硬度大的深井钻进模式来讲，传统旋钻机和螺杆钻具存在进尺慢和钻头磨损严重问题，由于钻头始终在一定钻压下抵在高硬度岩层上旋转进尺，在较短时间内钻头牙轮就会磨尽，且进尺效率低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种能解决传统旋钻机和螺杆钻具存在的进尺慢和钻头磨损严重的问题、适用于地层硬度大的深井钻进模式的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备。

本发明上述目的是通过以下述技术方案实现的：

一种页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，它与地面动力系统配合完成页岩气的钻井作业；所述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备包括上接头、外套管、分流管、阀室组件、专用控制管、活塞组件、下接头和钻头；所述钻头布置在井筒底部，钻头通过下接头、外套管、上接头与地面动力系统中钻杆连接，通过钻杆驱动钻头旋转钻进；所述分流管、阀室组件、专用控制管、活塞组件由上到下依次套装在外套管的内部，在分流管、阀室组件、专用控制管和活塞组件中设置上下贯通的动力液通道；所述活塞组件包括活塞和缸筒，所述活塞与专用控制管及阀室组件配合，通过对动力液压力的控制，驱动活塞在缸筒内往复运动，对钻头施加周期性冲击力。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述分流管上端与上接头装配，下端通过喷嘴与阀室组件连通，在所述分流管的管壁上设置一组分流孔，在所述分流管的管壁内表面上设置过滤网。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述阀室组件包括阀室壳体、阀座和阀芯；所述阀室壳体上端通过阀座与分流管连接，在阀室壳体上半部分沿轴向设置工作液第一导流槽，并沿径向设置贯通工作液第一导流槽的阀室壳体第一导流孔，在阀室壳体下半部分倾斜布置连通工作液第一导流槽的工作液第二导流槽，所述工作液第二导流槽一端与沿轴向设置的工作液第三导流槽连通，另一端与阀室壳体内腔连通，所述工作液第三导流槽设有与阀室壳体内腔连通的阀室壳体第二导流孔；所述阀芯设有阀芯中心孔，在阀芯中部设置阀芯导流孔，在阀芯外壁的上部设置阀芯环槽，在阀芯外壁的下部设置与专用控制管配合的环状定位面。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述阀室组件中还设有阀室衬套，所述阀室衬套嵌装在阀室壳体内腔中，套装在阀芯外面，在所述阀室衬套上设置与阀室壳体第一导流孔对应的阀室衬套导流孔。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述专用控制管为阶梯套管结构，其大径端外壁与阀室壳体内壁配装，在其大径端外壁上沿圆周方向均布六个用于导通动力液的长槽，在专用控制管小径端侧壁上沿圆周方向均布的十二个细长孔，其中六个细长孔与所述六个长槽连通，另外六个细长孔与阀室壳体上倾斜布置的工作液第二导流槽连通，所述细长孔下端设置封堵结构，在专用控制管的小径端轴向不同位置处沿圆周方向开设与所述细长孔贯通的六个控制孔。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述活塞为设有动力液通道的中空结构，在活塞的内壁上设有与专用控制管配合的活塞第一内环槽和活塞第二内环槽，在活塞的外侧壁上设有用于活塞向上运动时承受动力液推力的环状阶梯面。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，在所述活塞与缸筒的配合面上涂覆密封耐磨涂层。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述活塞与缸筒的配合面上涂覆的密封耐磨涂层优选碳化钨或者碳化硼涂层。

上述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，所述钻头为带有保径齿结构的金刚石钻头。

本发明为一种适用于地层硬度大的深井钻进模式的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，它通过地面动力系统的钻机转盘驱动钻杆，由钻杆带动井筒底部的钻头旋转；同时由地面动力系统中动力液管线提供的动力液通过分流管、专用控制管及阀室组件的配合驱动活塞往复运动，活塞往复运动形成的冲击功平稳地传递到钻头上，使钻头在旋转动力与冲击动力的共同作用下钻进，因此不仅提高了进尺效率，又解决了因地层坚硬对钻头的快速磨损问题。本发明在分流管的管壁内表面设置了过滤网，用以将分流到专用控制管的动力液过滤清洁，解决了活塞与缸筒相对运动过程中的砂卡问题。本发明在活塞与缸筒的配合面上涂覆密封耐磨涂层，既消除了采用密封圈结构存在的密封失效现象，又简化了活塞组件的结构，更易于活塞组件的拆装维修。本发明采用带有保径齿结构的金刚石钻头，确保钻进井筒尺寸的精确性和一致性。总之，本发明填补了国内在页岩气地层硬度大的深井区钻采技术方面的空白，经现场使用取得了很好的效果，它不仅使钻井速度成倍增加，而且将钻井设备寿命延长，同时精确的井筒钻进尺寸还为完井技术提供了可靠的保障。

附图说明

图1是本发明总体布置示意图；

图2是上接头及分流管结构示意图；

图3是阀室组件结构及其与专用控制管装配关系示意图；

图4是阀室组件中阀芯结构示意图；

图5是阀室组件中阀室壳体与阀室衬套结构示意图；

图6是专用控制管剖面结构示意图（沿图7中C-C剖面剖切）；

图7是图6中A-A剖面结构示意图；

图8是图6中B-B剖面结构示意图；

图9是活塞结构示意图；

图10是本发明活塞处于下止点准备上行时动力液流向示意图；

图11是图10中I处结构放大图；

图12是阀室组件中阀芯至上止点位置时活塞上行原理图；

图13是活塞在上止点准备下行时动力液流向示意图；

图14是图13中II处结构放大图。

图中各标号清单为：1、上接头，2、分流管，2-1、分流孔，2-2、过滤网，2-3、喷嘴，3、阀室组件，3-1、阀室壳体，3-1-1、工作液第一导流槽，3-1-2、阀室壳体第一导流孔，3-1-3、工作液第二导流槽，3-1-4、工作液第三导流槽，3-1-5、阀室壳体第二导流孔，3-2、阀座，3-3、阀室衬套，3-3-1、阀室衬套导流孔，3-4、阀芯，3-4-1、阀芯中心孔，3-4-2、阀芯导流孔，3-4-3、阀芯环槽，3-4-4、环状定位面，4、专用控制管，4-1、长槽，4-2、细长孔，4-3、控制孔，4-4、封堵结构，5、活塞，5-1、活塞第一内环槽，5-2、活塞第二内环槽，5-3、环状阶梯面，6、缸筒，7、下接头，8、钻头，9、井口，10、钻井平台，11、钻机转盘，12、钻杆，13、动力液管线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

参看图1，本发明所述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备与地面动力系统中钻井平台10、钻机转盘11、钻杆12及动力液管线13配合完成页岩气的钻井作业。所述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备包括上接头1、外套管7、分流管2、阀室组件3、专用控制管4、活塞组件、下接头8和钻头9；所述钻头9优选带有保径齿结构的金刚石钻头，钻头9布置在井筒底部，通过下接头8、外套管7、上接头1与地面动力系统中钻杆12连接，在钻机转盘11驱动下通过钻杆12带动钻头9旋转钻进；所述分流管2、阀室组件3、专用控制管4、活塞组件由上到下依次套装在外套管的内部，在分流管2、阀室组件3、专用控制管4和活塞组件中设置上下贯通的动力液通道；所述活塞组件包括活塞5和缸筒6，所述活塞5与专用控制管4及阀室组件3配合，通过对动力液压力的控制，驱动活塞5在缸筒6内往复运动，对钻头9施加周期性冲击力，使钻头9在旋转动力与冲击动力的共同作用下进行钻进作业。

参看图1、图2，本发明的分流管2上端与上接头1装配，下端通过喷嘴2-3与阀室组件3连通，在所述分流管2的管壁上设置一组分流孔2-1，在所述分流管2的管壁内表面上设置过滤网2-2，因此由动力液管线13输入的固相泥浆（即动力液）由分流管2分流，其中一部分通过过滤网2-2和分流孔2-1进入阀室组件3，驱动活塞5往复运动，另一部分经喷嘴2-3进入工作液通道。由于经过滤网2-2过滤后的动力液去除了大的砂砾，因此避免了对活塞5和缸筒6的损坏，解决了活塞5与缸筒6之间运动过程中的砂卡问题。

参看图1、图3、图4、图5，本发明的阀室组件3包括阀室壳体3-1、阀座3-2和阀芯3-4；所述阀室壳体3-1上端通过阀座3-2与分流管2连接，在阀室壳体3-1上半部分沿轴向设置工作液第一导流槽3-1-1，并沿径向设置贯通工作液第一导流槽3-1-1的阀室壳体第一导流孔3-1-2，在阀室壳体下半部分倾斜布置连通工作液第一导流槽3-1-1的工作液第二导流槽3-1-3，所述工作液第二导流槽3-1-3一端与沿轴向设置的工作液第三导流槽3-1-4连通，另一端与阀室壳体内腔连通，所述工作液第三导流槽3-1-4设有与阀室壳体内腔连通的阀室壳体第二导流孔3-1-5；所述阀芯3-4设有阀芯中心孔3-4-1，在阀芯3-4中部设置阀芯导流孔3-4-2，在阀芯外壁的上部设置阀芯环槽3-4-3，在阀芯外壁的下部设置与专用控制管4配合的环状定位面3-4-4。作为本发明的优选实施例，在所述阀室组件3中设置阀室衬套3-3，所述阀室衬套3-3嵌装在阀室壳体3-1内腔中，套装在阀芯3-4外面，在所述阀室衬套3-3上设置与阀室壳体第一导流孔3-1-2对应的阀室衬套导流孔3-3-1。

参看图1、图3、图6、图7、图8，本发明的专用控制管4为阶梯套管结构，其大径端外壁与阀室壳体3-1的内壁配装，在其大径端外壁上沿圆周方向均布六个用于导通动力液的长槽4-1，在专用控制管小径端侧壁上沿圆周方向均布的十二个细长孔4-2，其中六个细长孔与所述六个长槽连通，另外六个细长孔与阀室壳体3-1上倾斜布置的工作液第二导流槽3-1-3连通，所述细长孔4-2下端设置封堵结构4-4，在专用控制管的小径端轴向不同位置处沿圆周方向开设与所述细长孔4-2贯通的六个控制孔4-3。

参看图1、图9，本发明的活塞5为设有动力液通道的中空结构，在活塞内壁上设有与专用控制管4配合的活塞第一内环槽5-1和活塞第二内环槽5-2，在活塞外侧壁上设有用于活塞向上运动时承受动力液推力的环状阶梯面5-3。本发明在所述活塞5与缸筒6的配合面上涂覆密封耐磨涂层，所述密封耐磨涂层优选碳化钨或者碳化硼涂层。

参看图1、图10、图11、图12，本发明所述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备在活塞5处于下止点位置时，由动力液管线13输入的固相泥浆动力液经钻杆12中空通道，经分流管2分流后，一部分通过过滤网2-2和分流孔2-1进入阀室组件3中阀室壳体3-1的工作液第一导流槽3-1-1中，并由与工作液第一导流槽3-1-1连通的工作液第二导流槽3-1-3分流，其中一部分动力液进入工作液第三导流槽3-1-4中，经第二导流孔3-1-5进入位于阀室壳体3-1内腔中，对活塞5的环状阶梯面5-3形成向上的推力，与此同时另一部分动力液进入专用控制管4的细长孔4-2中，由于此时专用控制管4的细长孔4-2下端处于封闭状态，并且阀室组件3的阀芯3-4处于下端位置，阀芯导流孔3-4-2被封闭，因此进入细长孔4-2中的工作液经专用控制管的长槽4-1进入阀室衬套3-3的内腔，对阀芯的环状定位面3-4-4施加向上的推力，使阀芯3-4向上运动，当阀芯3-4中部的阀芯导流孔3-4-2与阀室壳体第一导流孔3-1-2及阀室衬套导流孔3-3-1相对时，阀室壳体3-1的工作液第一导流槽3-1-1将阀芯中心孔与位于活塞顶端的储液腔M连通，此时活塞5在向上推力作用下克服自身重力向上运动，储液腔M中的动力液依次经过工作液第一导流槽3-1-1、阀室壳体第一导流孔3-1-2、阀室衬套导流孔3-3-1及阀芯导流孔3-4-2进入阀芯中心孔3-4-1中；随着活塞5继续向上运动，专用控制管4最下端的控制孔4-3与活塞第二内环槽5-2连通，专用控制管4细长孔4-2中的工作液经控制孔4-3与活塞第二内环槽5-2进入动力液通道，阀芯3-4环状定位面3-4-4向上的推力被解除，阀芯3-4回落至下止点位置。

参看图1、图13、图14，本发明所述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备在活塞5处于上止点位置时，阀芯3-4处于下止点位置，由分流管2进入阀室壳体第一导流槽3-1-1中的动力液进入储液腔M中，对活塞5施加向下的推力，活塞5由上止点向下止点加速运动，在下止点位置处向钻头9传递向下的冲击动力。

参看图10至图14，由页岩气专用冲击式液动锤钻井设备的工作过程可见，本发明通过专用控制管4与活塞5配合将动力液压力变化信号自动反馈给阀室组件3，实现阀室组件3中阀芯3-3的往复运动，再通过阀芯3-3位置的变化控制动力液的通断，到达控制活塞5往复运动的目的，从而确保活塞5能够快速平稳地传递动力到钻头9上，使钻头9既能在钻井转盘11驱动下旋转，又能在活塞5往复运动冲击功下快速进尺，从而不仅提高了钻井进尺速度，还降低坚硬岩石层对钻头的磨损。

Claims (9)

1.一种页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，它与地面动力系统配合完成页岩气的钻井作业；所述页岩气专用冲击式液动锤钻井设备包括上接头（1）、外套管（7）、分流管（2）、阀室组件（3）、专用控制管（4）、活塞组件、下接头（8）和钻头（9）；所述钻头（9）布置在井筒底部，钻头（9）通过下接头（8）、外套管（7）、上接头（1）与地面动力系统中钻杆（12）连接，通过钻杆（12）带动钻头旋转钻进；所述分流管（2）、阀室组件（3）、专用控制管（4）、活塞组件由上到下依次套装在外套管的内部，在分流管（2）、阀室组件（3）、专用控制管（4）和活塞组件中设置上下贯通的动力液通道；所述活塞组件包括活塞（5）和缸筒（6），所述活塞（5）与专用控制管（4）及阀室组件（3）配合，通过对动力液压力的控制，驱动活塞（5）在缸筒（6）内往复运动，对钻头（9）施加周期性冲击力。

2.根据权利要求1所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述分流管（2）上端与上接头（1）装配，下端通过喷嘴（2-3）与阀室组件（3）连通，在所述分流管（2）的管壁上设置一组分流孔（2-1），在所述分流管（2）的管壁内表面上设置过滤网（2-2）。

3.根据权利要求1或2所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述阀室组件（3）包括阀室壳体（3-1）、阀座（3-2）和阀芯（3-4）；所述阀室壳体（3-1）上端通过阀座（3-2）与分流管（2）连接，在阀室壳体（3-1）上半部分沿轴向设置工作液第一导流槽（3-1-1），并沿径向设置贯通工作液第一导流槽（3-1-1）的阀室壳体第一导流孔（3-1-2），在阀室壳体下半部分倾斜布置连通工作液第一导流槽（3-1-1）的工作液第二导流槽（3-1-3），所述工作液第二导流槽（3-1-3）一端与沿轴向设置的工作液第三导流槽（3-1-4）连通，另一端与阀室壳体内腔连通，所述工作液第三导流槽（3-1-4）设有与阀室壳体内腔连通的阀室壳体第二导流孔（3-1-5）；所述阀芯（3-4）设有阀芯中心孔（3-4-1），在阀芯（3-4）中部设置阀芯导流孔（3-4-2），在阀芯外壁的上部设置阀芯环槽（3-4-3），在阀芯外壁的下部设置与专用控制管（4）配合的环状定位面（3-4-4）。

4.根据权利要求3所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述阀室组件（3）中还设有阀室衬套（3-3），所述阀室衬套（3-3）嵌装在阀室壳体（3-1）内腔中，套装在阀芯（3-4）外面，在所述阀室衬套（3-3）上设置与阀室壳体第一导流孔（3-1-2）对应的阀室衬套导流孔（3-3-1）。

5.根据权利要求4所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述专用控制管（4）为阶梯套管结构，其大径端外壁与阀室壳体（3-1）的内壁配装，在其大径端外壁上沿圆周方向均布六个用于导通动力液的长槽（4-1），在专用控制管小径端侧壁上沿圆周方向均布的十二个细长孔（4-2），其中六个细长孔与所述六个长槽连通，另外六个细长孔与阀室壳体（3-1）上倾斜布置的工作液第二导流槽（3-1-3）连通，所述细长孔（4-2）下端设置封堵结构（4-4），在专用控制管（4）的小径端轴向不同位置处沿圆周方向开设与所述细长孔（4-2）贯通的六个控制孔（4-3）。

6.根据权利要求5所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述活塞（5）为设有动力液通道的中空结构，在活塞内壁上设有与专用控制管（4）配合的活塞第一内环槽（5-1）和活塞第二内环槽（5-2），在活塞外侧壁上设有用于活塞向上运动时承受动力液推力的环状阶梯面（5-3）。

7.根据权利要求6所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，在所述活塞（5）与缸筒（6）的配合面上涂覆密封耐磨涂层。

8.根据权利要求7所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述活塞（5）与缸筒（6）的配合面上涂覆的密封耐磨涂层为碳化钨或者碳化硼涂层。

9.根据权利要求8所述的页岩气专用冲击式液动锤钻井设备，其特征是，所述钻头（9）为带有保径齿结构的金刚石钻头。