CN105649531B - 一种无钻机钻探装备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无钻机钻探装备，包括:钻头(18)，设置在该无钻机钻探装备的下端；电机(10)，用于驱动钻头(18)转动；钻屑输送机构(26)，用于将该无钻机钻探装备的下部产生的钻屑输送至该无钻机钻探装备的上部；钻屑排出机构，设置在该无钻机钻探装备的上部，用于将该无钻机钻探装备产生的钻屑排出；爬行机构(8)，能够驱动该无钻机钻探装备向下行走。该无钻机钻探装备依靠钻探器携带探测仪器钻入地层，在钻入过程中能够随钻收集钻遇地层的相关地质信息，钻达指定深度后可长期监测该位置的地质资料变化情况。

Description

一种无钻机钻探装备

技术领域

本发明涉及油气勘探开发或地质钻探作业领域，具体是一种无钻机钻探装备。

背景技术

钻探技术是采用钻机、钻杆、钻头等一系列工具破碎地层形成贯穿地表和地下深处的通道，即井筒，并借井筒获得地质、资源等信息，在石油、地质等领域应用广泛。

在陆地上进行钻探作业时，通常需首先进行准备工作：平整目标区域的场地，使之满足钻机和其他作业装备的安装要求；然后运输设备，必要时维修道路、架设电缆等；接着安装设备，布置作业人员及后勤人员居住区。完成准备工作后，启动钻井、完井程序。由于探井一般位于新开发区域，缺乏相应的地质资料，钻探风险较高，因而采用的装备和工艺较为复杂，成本远高于常规钻井。而且，钻井过程中一般需使用大量的水，并生成大量废弃物，作业者必须按当地规定对废弃物进行妥当的处理。钻井完成后，才可进行测井作业，采集井底地质资料。钻成的井眼可长期保留，用于观测地质资料的时移变化。实际上，用于勘探油气资源的探井，通常成功率仅为40％，也即，钻探完成的井中60％是干井，毫无经济回报。

在海洋尤其是深水区域进行钻探作业时，复杂程度远远高于陆地作业。此时采用的装备为钻井平台或钻井船，日费可能高达上百万美元，而深水区作业时，还将遇到飓风、洋流等恶劣环境条件的影响，风险更大。

此外，在北极、沼泽、永冻土等特殊区域，自然环境恶劣，常规的钻探设备很难开展作业。

目前，国内外不少科研机构对极限条件下特别是应用于外星球钻探的机器人进行了研究，并提出了不少设计思路，但现有想法难以满足地层深部钻探的技术需求，无法直接应用于油气和地质钻探领域。

发明内容

为了克服现有技术中钻井勘探成本高风险大的问题，本发明提供了一种无钻机钻探装备，该无钻机钻探装备依靠钻探器携带探测仪器钻入地层，在钻入过程中能够随钻收集钻遇地层的相关地质信息，钻达指定深度后可长期监测该位置的地质资料变化情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无钻机钻探装备，包括：

钻头，设置在该无钻机钻探装备的下端；

电机，用于驱动钻头转动；

钻屑输送机构，用于将该无钻机钻探装备的下部产生的钻屑输送至该无钻机钻探装备的上部；

钻屑排出机构，设置在该无钻机钻探装备的上部，用于将该无钻机钻探装备产生的钻屑排出；

爬行机构，能够驱动该无钻机钻探装备向下行走。

本发明的有益效果是：

1、该无钻机钻探装备全自动控制，不需人工干预，因而现场几乎不需要作业人员，可用于极端极地、深海及外星球等极端环境；

2、该无钻机钻探装备不使用钻机、测井车、钻井平台等大型装备，占用场地极小，成本可大幅降低；

3、该无钻机钻探装备中作业过程中不形成井眼，不返出钻屑，对环境影响很小；

4、该无钻机钻探装备可同时操作众多钻探器在不同地点作业，从而获得一片广大区域的钻探资料；

5、该无钻机钻探装备在钻达指定深度后，可长期驻留井底，实现对该位置地质资料的时移监测。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是该无钻机钻探装备的结构示意图。

图2是钻屑分级短节的结构示意图。

图3是内筒和旋分中心轴的结构示意图。

图4是外筒的结构示意图。

图5是压缩头的结构示意图。

图6是该无钻机钻探装备向下行走的示意图。

图中附图标记：1、电缆；2、压缩头；3、増力活塞；4、钻屑进给腔；5、钻屑压缩短节；6、测控短节；7、径向伸缩液压缸；8、爬行机构；9、电缆储存短节；10、电机；11、电动机转子；12、传动轴；13、内筒；14、钻头毛细管；15、磁性介质；16、内流道；17、冷却介质；18、钻头；19、钻屑入口；20、钻屑分级短节；21、第一高频振荡发生器；22、电缆盘；23、电控元器件；24、第二高频振荡发生器；25、传力杆；26、钻屑输送机构；27、磁性钢球出口；28、旋分中心轴；29、钻屑入口；30、筛孔；31、纵向内通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种无钻机钻探装备，包括：

钻头18，设置在该无钻机钻探装备的下端；

电机10，用于驱动钻头18转动；

钻屑输送机构26，用于将该无钻机钻探装备的下部产生的钻屑输送至该无钻机钻探装备的上部；

钻屑排出机构，设置在该无钻机钻探装备的上部，用于将该无钻机钻探装备产生的钻屑排出；

爬行机构8，能够驱动该无钻机钻探装备向下行走，如图1所示。

该无钻机钻探装备可以携带探测仪器从地面开始逐渐钻入地层深处，从而获得钻遇地层的地质或资源信息。

在本实施例中，钻头18位于该无钻机钻探装备的最下端。钻头18与该无钻机钻探装备匹配使用，随设计钻深、地层岩性、孔隙流体及设计钻压等参数的变化而变化。钻头18安装固定切削齿，选用PDC或硬质合金等材料，采用磨削或冲击的方式破碎地层。破岩过程中不使用钻井液，而由一种循环滚动的磁性钢球清理钻屑。即钻头18内含有沿竖直方向贯通的内流道16，内流道16的上端有入口下端有出口，所述无钻机钻探装备还含有能够在内流道16和钻头18的外部循环移动的磁性钢球，钻头18的外侧壁设有用于向钻头18的上部输送钻屑的螺纹凹槽，该磁性钢球的直径小于该螺纹凹槽在竖直方向上的宽度，该磁性钢球能够在该螺纹凹槽内滚动，从而推动钻屑沿该螺纹凹槽向上移动。该螺纹凹槽的旋向为右旋，该螺纹凹槽在竖直方向上的宽度比小球直径大50％～70％。

在本实施例中，内流道16的内表面设有耐磨镀层，钻头18的下部设有用于吸引该磁性钢球移动的磁性介质15。磁性钢球受磁性介质15的作用，将钻屑从切削元件附近沿该螺纹凹槽向上移动。钻头18内设有用于承装超低温介质的封闭空腔17，内流道16的下部的内表面中设有毛细孔道，该毛细孔道通过内通道与封闭空腔17连通，该内通道设有控制阀。

具体的，钻头18内部设置若内流道16，内流道16内表面进行镀层处理，降低摩擦系数，提高耐磨性，以利于钢球滚动通过。靠近钻头底部的内流道16加工毛细孔道14，这些孔道与钻头内部装有超低温介质的封闭空腔17相连。毛细孔道14的孔径小于20μm，可统一设置一个控制阀，由测控短节6根据钻头处的温度控制阀的开启或关闭。例如，当钻头18表面温度超过300℃后，控制阀开启，冷却介质迅速进入钻头内部流道，并发生相变，带走大部分热量，使钻头降温；当钻头表面温度低于300℃时，控制阀保持关闭状态。钻头18本体内部掏空，并作隔热处理。封闭空腔17中注满高度压缩的超低温介质，例如固态或液态氮气等。

在本实施例中，钻头18的上部固有钻屑分级短节20，钻屑分级短节20包括从内向外依次套设的内筒13和外筒，内筒13的轴线沿竖直方向设置，该外筒的下端设有用于使钻屑进入内筒13中的钻屑入口19，钻屑入口19的位置与该螺纹凹槽的上部相对应，内筒13的上部为顶端朝上的锥筒状结构，内筒13的上部设有用于该磁性钢球穿过的磁性钢球出口27，内筒13的下部为筒状结构，内筒13的下部设有钻屑入口29，内筒13的下部钻屑入口29与该外筒的下端的钻屑入口19连通，该外筒的筒壁内设有用于该磁性钢球通过的纵向内通道31，纵向内通道31的上端位于该外筒的内表面，纵向内通道31的上端设有与入口，纵向内通道31的下端设有出口，纵向内通道31的下端的该出口与内流道16连通，如图2至图4所示。

在本实施例中，内筒13内套设有旋分中心轴28，旋分中心轴28的轴线沿竖直方向设置，旋分中心轴28的上端与内筒13的上端平齐，旋分中心轴28的外表面设有螺旋片，旋分中心轴28内设有沿轴向设置的内通孔，旋分中心轴28的表面设有连通旋分中心轴28的外部和该内通孔的筛孔30，钻屑输送机构26的下端插设于旋分中心轴28的该内通孔中，内筒13上端的内径与该螺旋片的周向外边缘之间的距离小于该磁性钢球的直径。

在本实施例中，钻屑入口19的周围设有用于吸引该磁性钢球移动的磁性介质15，内筒13的外径等于该外筒的内径，内筒13的下部钻屑入口29与该外筒的下端的钻屑入口19的位置相同，内筒13上部的该锥筒状结构的外表面设有引导槽，该引导槽用于引导该磁性钢球从磁性钢球出口27出来后进入纵向内通道31上端的该入口。

钻头18本体底部外缘安装磁性介质15，可以是永磁体。钻屑入口19的附近安装电磁铁。该电磁铁磁场强度由控制短节6调整。当机械钻速较高时(如高于1.5m/h)，所需清理钻屑增多，磁场强度相应提高；反之亦然。钻头18旋转时，该磁性钢球将携带及推动钻屑沿钻头18的外侧壁的该螺纹凹槽移动到钻头的上端(即该外筒的下端的钻屑入口19出)，并在电磁铁作用下从钻屑入口19进入钻屑分级短节20的内筒13中，该磁性钢球同时将钻屑带到了钻屑分级短节20的内筒13中。该磁性钢球在分级短节内旋转、碰撞，将钻屑进一步破碎为更加细小的钻屑，参考图2至图4。被粉碎的钻屑粒径小于某一设定值时，将进入旋分中心轴28内的内通孔中。同时，该磁性钢球被旋分中心轴28的螺旋运动所带动，逐渐向上移动，直至上部的尖顶处从磁性钢球出口27离开内筒13，然后依次进入该外筒的纵向内通道31和钻头18内部的内流道16中，并迅速的滑向钻头18的下部从内流道16的下端出口排出，再从钻头18的下端滑向钻头18的外侧壁，由钻头18底部冲出的磁性钢球将继续清理和携带钻屑，进行上述循环。钻屑入口19处可安装单向开启机构。

在本实施例中，电机10的传动轴为中空结构，该传动轴的轴线沿竖直方向设置，钻屑输送机构26套设于该传动轴内，该传动轴的下端与钻屑分级短节20固定连接，钻屑分级短节20的下端与钻头18的上端固定连接，电机10的传动轴内用于向钻头18提供冲击载荷的第一高频振动发生器21。第一高频振动发生器21位于钻头18的上方，可在测控短节6控制下为钻头施加微振幅、高频轴向冲击载荷。第一高频振动发生器21可以采用超声振动换能器，频率和振幅由测控短节6调整。当钻遇较硬岩层时，机械钻速低于某一设定值(如低于1m/h)时，开启高频冲击；反之亦然。钻头18由电机10驱动，电机10为细长柱形结构，传动轴中空，整体耐高温(200℃以上)，自带减速器，输出转速200rpm以下。

在本实施例中，所述无钻机钻探装备含有筒状的外部机身，钻屑输送机构26呈柱状，该外部机身套设于钻屑输送机构26外，该外部机身的内表面封闭，以避免钻屑输送机构26输送的钻屑进入该外部机身，电机10设置于该外部机身的下端，该钻屑排出机构设置于该外部机身的上端，爬行机构8设置于该外部机身的中部，该钻屑排出机构和爬行机构8均属于该外部机身的一部分。钻屑输送机构26可以为螺旋输送器、渐进腔式泵等类似结构，能够输送固相含量50％以上的流动介质。

在本实施例中，该钻屑排出机构包括压缩头2和钻屑压缩短节5，钻屑压缩短节5位于压缩头2之下，压缩头2内含有钻屑进给腔4，钻屑输送机构26的上端插设于钻屑进给腔4内的下部，钻屑进给腔4的周围设有多个排出腔，该排出腔的上端出口位于压缩头2的上端面，该排出腔的下部设有増力活塞3，増力活塞3设置在压缩头2内，该排出腔和钻屑进给腔4通过旁向通道连通，该通道连通与该排出腔的连接处位于増力活塞3的上方，増力活塞3能够将从钻屑进给腔4进入该排出腔的钻屑推挤出压缩头2。钻屑压缩短节5内含有从上向下依次设置的主活塞、传力杆25和第二高频振动发生器24，主活塞能够沿竖直方向推挤压缩头2，第二高频振动发生器24能够通过传力杆25对该主活塞施加轴向冲击载荷。

3个至6个该排出腔均匀设置在钻屑进给腔4的周围，钻屑经钻屑输送机构26最终运至该无钻机钻探装备的上部的钻屑进给腔4中，从钻屑进给腔4周围的的旁向通道进入该排出腔中，増力活塞3在液压作用下伸出，将钻屑推挤出压缩头2，并堆积在上表面上，如图5中的箭头所示。压缩头2与钻屑压缩短节5的主活塞相连，主活塞始终以相对恒定的轴向力推挤尾端的钻屑；同时主活塞下方的第二高频振动发生器24通过传力杆25不断对大活塞施加轴向冲击载荷。堆积在活塞上的钻屑一方面受到振荡冲击载荷，一方面受很大的轴向推挤力，将快速形成致密的岩饼，将井筒封固起来。

在本实施例中，爬行机构8含有上伸缩件和下伸缩件，上伸缩件的周围设有个4支～6支径向伸缩液压缸7，径向伸缩液压缸7的活塞能够伸出该上伸缩件的周向表面，每支径向伸缩液压缸7伸出时的力需达到8t以上，该下伸缩件内含有用于驱动下伸缩件相当于该上伸缩件沿轴向上下移动的轴向伸缩液压缸，轴向伸缩液压缸的外壳上带有花键结构，可承受扭矩。

在本实施例中，所述无钻机钻探装备还包括测控短节6，测控短节6属于该外部机身的一部分，测控短节6中设有测控单元，测控短节6位于该钻屑排出机构和爬行机构8之间。该无钻机钻探装备通过测控短节6中的各种传感器实现对地质信息的探测。传感器种类和数量根据实际需要添加。

在本实施例中，所述无钻机钻探装备还包括电缆储存短节9，电缆储存短节9属于该外部机身的一部分，电缆储存短节9能够存放电缆盘22，电缆储存短节9位于电机10和爬行机构8之间。所述无钻机钻探装备所用的电缆1为3芯或4芯，其中一芯可以为光纤。电缆1既传输电力，也传输信号。信号为双向传输，既可从地面传至地下，也可从地下传至地面。电缆1具有较高的柔性，盘绕成电缆盘22，存储在所述无钻机钻探装备的电缆储存短节9内。电缆1中可以安装分布式传感器，从而实现对整条电缆长度相关信息的探测。

在本实施例中，所述无钻机钻探装备的钻头18、钻屑分级短节20、电机10不属于该外部机身的一部分，钻屑排出机构、爬行机构8，测控短节6和电缆储存短节9均属于该外部机身的一部分。

下面介绍所述无钻机钻探装备的向下移动循环过程，参考图6，

第一步、图6的a表示初始状态，爬行机构8的径向伸缩液压缸7的活塞伸出，支撑在孔壁上；然后轴向伸缩液压缸的轴向活塞逐渐伸出，为钻头18施加钻压。钻头18处的钻屑被输送至尾端的钻屑排出机构。

第二步、图6的b表示是爬行机构8的轴向伸缩液压缸的轴向活塞达到最大行程，钻屑压缩短节5的主活塞被压缩到极限位置。

第三步、图6的c表示是钻屑压缩短节5的主活塞伸长直最大行程，爬行机构8的轴向伸缩液压缸的轴向活塞缩回至最小位移处的状态。

下一步，爬行机构8的径向伸缩液压缸7的活塞将张开，支撑到孔壁上，回复初始状态，如此循环往复。

所述无钻机钻探装备在钻进过程中，也可以实时像图6的c表示的一样勘测地层信息，并通过电缆将其输送到地面。地面上可为钻探器设置一套工作站，以接收钻探获得的地质或资源信息，并根据实际工况对钻进作业进行干预。工作站可直接与钻探器的电缆相连，也可采用无线电等远程通信技术与钻探器进行信息交互。

所述无钻机钻探装备由电力驱动，体积小巧，全自动控制；钻进过程中不使用钻井液，不返出钻屑，不形成常规井筒，钻入地下后将不再回收。无钻机钻探方法适用于深海、极地、冻土甚至外星球钻探等复杂环境。相对于常规钻探技术，这一方法可大幅降低钻探成本，提高作业安全性，急剧减少对环境的影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (13)

1.一种无钻机钻探装备，其特征在于，所述无钻机钻探装备包括：

钻头(18)，设置在该无钻机钻探装备的下端；

电机(10)，用于驱动钻头(18)转动；

钻屑输送机构(26)，用于将该无钻机钻探装备的下部产生的钻屑输送至该无钻机钻探装备的上部；

钻屑排出机构，设置在该无钻机钻探装备的上部，用于将该无钻机钻探装备产生的钻屑排出；

爬行机构(8)，能够驱动该无钻机钻探装备向下行走；

钻头(18)内含有沿竖直方向贯通的内流道(16)，所述无钻机钻探装备还含有能够在内流道(16)和钻头(18)的外部循环移动的磁性钢球，钻头(18)的外侧壁设有用于向钻头(18)的上部输送钻屑的螺纹凹槽，该磁性钢球的直径小于该螺纹凹槽在竖直方向上的宽度。

2.根据权利要求1所述的无钻机钻探装备，其特征在于，内流道(16)的内表面设有耐磨镀层，钻头(18)的下部设有用于吸引该磁性钢球移动的磁性介质(15)。

3.根据权利要求1所述的无钻机钻探装备，其特征在于，钻头(18)内设有用于承装超低温介质的封闭空腔(17)，内流道(16)的下部的内表面中设有毛细孔道，该毛细孔道通过内通道与封闭空腔(17)连通，该内通道设有控制阀。

4.根据权利要求1所述的无钻机钻探装备，其特征在于，钻头(18)的上部固定有钻屑分级短节(20)，钻屑分级短节(20)包括从内向外依次套设的内筒(13)和外筒，内筒(13)的轴线沿竖直方向设置，该外筒的下端设有用于使钻屑进入内筒(13)中的钻屑入口(19)，钻屑入口(19)的位置与该螺纹凹槽的上部相对应，内筒(13)的上部为顶端朝上的锥筒状结构，内筒(13)的上部设有用于该磁性钢球穿过的磁性钢球出口(27)，该外筒的筒壁内设有用于该磁性钢球通过的纵向内通道(31)，纵向内通道(31)的上端位于该外筒的内表面，纵向内通道(31)的上端设有与入口，纵向内通道(31)的下端设有出口，纵向内通道(31)的下端的该出口与内流道(16)连通。

5.根据权利要求4所述的无钻机钻探装备，其特征在于，内筒(13)内套设有旋分中心轴(28)，旋分中心轴(28)的轴线沿竖直方向设置，旋分中心轴(28)的上端与内筒(13)的上端平齐，旋分中心轴(28)的外表面设有螺旋片，旋分中心轴(28)内设有沿轴向设置的内通孔，旋分中心轴(28)的表面设有连通旋分中心轴(28)的外部和该内通孔的筛孔(30)，钻屑输送机构(26)的下端插设于旋分中心轴(28)的该内通孔中，内筒(13)上端的内径与该螺旋片的周向外边缘之间的距离小于该磁性钢球的直径。

6.根据权利要求4所述的无钻机钻探装备，其特征在于，钻屑入口(19)的周围设有用于吸引该磁性钢球移动的电磁铁，内筒(13)的外径等于该外筒的内径，内筒(13)上部的该锥筒状结构的外表面设有引导槽，该引导槽用于引导该磁性钢球从磁性钢球出口(27)出来后进入纵向内通道(31)上端的该入口。

7.根据权利要求4所述的无钻机钻探装备，其特征在于，电机(10)的传动轴为中空结构，该传动轴的轴线沿竖直方向设置，钻屑输送机构(26)套设于该传动轴内，该传动轴的下端与钻屑分级短节(20)固定连接，电机(10)的传动轴内用于向钻头(18)提供冲击载荷的第一高频振动发生器(21)。

8.根据权利要求1所述的无钻机钻探装备，其特征在于，所述无钻机钻探装备含有筒状的外部机身，钻屑输送机构(26)呈柱状，该外部机身套设于钻屑输送机构(26)外，电机(10)设置于该外部机身的下端，该钻屑排出机构设置于该外部机身的上端，爬行机构(8)设置于该外部机身的中部，该钻屑排出机构和爬行机构(8)均属于该外部机身的一部分。

9.根据权利要求8所述的无钻机钻探装备，其特征在于，该钻屑排出机构包括压缩头(2)和钻屑压缩短节(5)，钻屑压缩短节(5)位于压缩头(2)之下，压缩头(2)内含有钻屑进给腔(4)，钻屑输送机构(26)的上端插设于钻屑进给腔(4)内的下部，钻屑进给腔(4)的周围设有多个排出腔，该排出腔的上端出口位于压缩头(2)的上端面，该排出腔的下部设有増力活塞(3)，该排出腔和钻屑进给腔(4)通过旁向通道连通，该通道连通与该排出腔的连接处位于増力活塞(3)的上方，増力活塞(3)能够将从钻屑进给腔(4)进入该排出腔的钻屑推挤出压缩头(2)。

10.根据权利要求9所述的无钻机钻探装备，其特征在于，钻屑压缩短节(5)内含有从上向下依次设置的主活塞、传力杆(25)和第二高频振动发生器(24)，主活塞能够沿竖直方向推挤压缩头(2)，第二高频振动发生器(24)能够通过传力杆(25)对该主活塞施加轴向冲击载荷。

11.根据权利要求8所述的无钻机钻探装备，其特征在于，爬行机构(8)含有上伸缩件和下伸缩件，上伸缩件的周围设有径向伸缩液压缸(7)，径向伸缩液压缸(7)的活塞能够伸出该上伸缩件的周向表面，该下伸缩件内含有用于驱动下伸缩件相当于该上伸缩件沿轴向移动的轴向伸缩液压缸。

12.根据权利要求8所述的无钻机钻探装备，其特征在于，所述无钻机钻探装备还包括测控短节(6)，测控短节(6)属于该外部机身的一部分，测控短节(6)中设有测控单元，测控短节(6)位于该钻屑排出机构和爬行机构(8)之间。

13.根据权利要求8所述的无钻机钻探装备，其特征在于，所述无钻机钻探装备还包括电缆储存短节(9)，电缆储存短节(9)属于该外部机身的一部分，电缆储存短节(9)能够存放电缆盘(22)，电缆储存短节(9)位于电机(10)和爬行机构(8)之间。