CN106639876A - 辐射孔导向钻进设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射孔导向钻进设备和工艺，设备包括导向仪、导向钻机和双层钻杆，所述导向钻机上装配有双回转动力头，所述双层钻杆包括外层的外钻杆和内层的内钻杆，所述外钻杆和内钻杆分别对应双回转动力头的两个动力输出接头连接；还包括双管导向节和导向钻头，所述双管导向节包括外管和内管，所述外管一端与外钻杆连接，所述内管一端与内钻杆连接，所述外管上开有探棒仓，所述探棒仓内设置有与导向仪相互通信的探棒，所述内管另一端连接有导向钻头。应用此设备进行的钻孔工艺在钻进时通过两层钻杆中的外钻杆造斜，内钻杆钻进，钻孔精度高。双层钻杆反循环钻进，使外钻杆与孔壁之间充满带压钻井液，可有效维护砂卵石井壁的稳定。

Description

辐射孔导向钻进设备及工艺

技术领域

本发明涉及地质钻进领域，特别涉及一种辐射孔导向钻进设备和工艺。

背景技术

在现有技术中，砂卵石地层是主要的含水层，但是砂卵石地层软硬交错、胶结度差，在现有钻进技术中，是特别难以钻进的地层。砂卵石地层软硬交错带来的主要问题是钻进方向难以控制，胶结度差带来的问题主要是井壁稳定性差，很容易塌孔。目前，潜孔锤跟管钻进技术是砂卵石地层钻进的有效方法方法，但是潜孔锤跟管钻进只能用于不含水地层而且钻进效率低。

辐射井能提高单井出水量7-8倍，目前传统辐射井的施工步骤是：(1)先完成竖井施工。(2)人员下到井底利用冲击回转钻机完成水平辐射孔施工。

传统施工方法的局限性在于：(1)由于施工人员要下到狭小的竖井中，施工环境特别恶劣，安全性差。(2)由于空间有限，冲击回转钻机的能力受到很大的限制导致辐射孔的长度受到很大的限制。(3)辐射孔在钻进过程中易坍塌，在辐射孔完成后布设滤水管困难。

发明内容

针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的第一目的在于提供一种钻孔方便且成孔率高的辐射孔导向钻进设备。

本发明的第一目的是通过以下技术方案实现的：

一种辐射孔导向钻进设备，包括导向仪、导向钻机和双层钻杆，所述导向钻机上装配有双回转动力头，所述双层钻杆包括外层的外钻杆和内层的内钻杆，所述外钻杆和内钻杆分别对应双回转动力头的两个动力输出接头连接；还包括双管导向节和导向钻头，所述双管导向节包括外管和内管，所述外管一端与外钻杆连接，所述内管一端与内钻杆连接，所述外管上开有探棒仓，所述探棒仓内设置有与导向仪相互通信的探棒，所述内管另一端连接有导向钻头。

优选地，所述双管导向节还包括油缸和支撑板，所述内管在外管内沿外管轴向运动，在外管的外壁上开有与支撑板形状相应的容纳腔，容纳腔底部开有至少一个与外管内腔导通的泄压孔，所述油缸设置在泄压孔内，所述油缸与泄压孔的孔壁之间相对滑动，孔壁和油缸之间采用密封圈密封，油缸的活塞与支撑板固定连接；所述外管包括钻进端和动力端，沿容纳腔与动力端之间外管内壁的周向设置凸台，所述内管包括钻杆颈和钻杆主体，所述钻杆主体的外径大于钻杆颈的外径：当内管的钻杆颈运动至与凸台对应时，钻杆颈与凸台之间具有环空；当内管的钻杆主体运动至与凸台对应时，钻杆主体与凸台间隙配合。

优选地，所述双管导向节还包括油缸和支撑板，所述内管通过轴承悬挂支撑在外管内，在外管的外壁上开有与支撑板形状相应的容纳腔，容纳腔底部开有至少一个与油缸外套内腔导通的泄压孔，所述油缸设置在泄压孔内，所述油缸与泄压孔的孔壁之间相对滑动，孔壁和油缸之间采用密封圈密封，油缸的活塞与支撑板固定连接。

优选地，还包括扩孔钻头，所述扩孔钻头一端套在导向钻头的一端，所述导向钻头套有扩孔钻头的一端套在内管靠近外管动力端的一端。

优选地，还包括2个复位弹簧，所述复位弹簧设置于容纳腔底部开设的弹簧槽内，所述复位弹簧的两端分别与弹簧槽的底部和支撑板固定连接；所述泄压孔为2个或4个，2个复位弹簧与泄压孔位于同一条直线，泄压孔位于2个复位弹簧之间。

优选地，在外管钻进端和动力端的内壁上均设置台阶面，所述台阶面上设置有轴承，轴承外圈与外管的内壁固定设置，轴承内圈套在轴承支座上，所述轴承支座中心具有供内管穿过的通孔，所述内管与轴承之间为间隙配合；设置在动力端的轴承支座具有凸出外管的连接段，所述连接段的外壁上设置有外螺纹，所述扩孔钻头与设置在动力端的轴承支座通过外螺纹连接。

优选地，还包括异径接头，所述异径接头一端插到外管的动力端内，与所述动力端内壁通过螺纹连接；另一端与外钻杆连接。

本发明的第二目的在于提供一种辐射孔导向钻进工艺。本发明的第二目的是通过以下方案实现的：

一种辐射孔导向钻进工艺，包括如下步骤：

S1，在已完成的竖井边缘放置导向仪；

S2，在导向仪和竖井所在直线的延长线选择钻进点和破土点；

S3，在导向钻机的双回转动力头上接上双层钻杆，在双层钻杆的另一端接上导向节，导向节上安装导向钻头；

S4，通过导向仪和探棒之间的通信连接关系为导向钻头进行导向，通过导向钻机的回转动力头加压钻进，使导向钻头在双层钻杆的驱动下进入到竖井内，然后继续钻进直至导向钻头和双管导向节从破土点伸出；

S5，将双管导向节和导向钻头从双层钻杆上拆卸掉，在双层钻杆的内钻杆上连接滤水管；

S6，通过双回转动力头将内钻杆从外钻杆内抽出，同时内钻杆带动滤水管进入到外钻杆内；

S7，当滤水管随内钻杆从钻进点出来后，从破土点处剪断滤水管；

S8，通过双回转动力头将外钻杆从钻进点拔出，完成一对辐射孔的施工。

优选地，在滤水管的断口塞入圆柱形塞子，然后泵入水泥封口。

优选地，所述滤水管上分布有用于漏水的孔或缝。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：

本辐射孔导向钻进设备采用技术比较成熟的非开挖方法，再配以双动力头钻机、双层钻杆和为了在钻孔过程中调整钻进方向的双管导向节解决了砂卵石地层钻进辐射孔的钻孔精度和滤水管下放难等问题。

具体优点如下：

(1)钻进时通过两层钻杆中的外钻杆造斜，内钻杆钻进，使钻孔精度高。

(2)双层钻杆反循环钻进，与正循环钻井液从内钻杆中心流入再从钻杆与井壁的环空返出不同，双层钻杆反循环钻进时钻井液从内钻杆和外钻杆的间隙流入，从内钻杆的中心孔返出，使外钻杆与孔壁之间充满带压钻井液，可有效维护砂卵石井壁的稳定。

(3)回拖滤水管时外钻杆充当套管，使滤水管能顺利下放。

附图说明

图1为本发明辐射孔导向钻进设备的结构示意图；

图2为本发明辐射孔导向钻进设备的双管导向节的一种具体实施例的结构示意图；

图3为本发明辐射孔导向钻进设备的双管导向节的又一种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

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。因此，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。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

如图1所以，一种辐射孔4导向钻进设备，包括导向仪5、导向钻机1和双层钻杆2，导向钻机1上装配有双回转动力头，双层钻杆2包括外层的外钻杆和内层的内钻杆，外钻杆和内钻杆分别对应双回转动力头的两个动力输出接头连接；还包括双管导向节7和导向钻头6，双管导向节7包括外管9和内管11，外管9一端与外钻杆连接，内管11一端与内钻杆连接，外管9上开有探棒仓12，探棒仓12内设置有与导向仪5相互通信的探棒，内管11另一端连接有导向钻头6。通过探棒和导向仪5之间的通信，可以准确定位导向钻头6的深埋和方位。

与本辐射孔4导向钻进设备对应的辐射孔4导向钻进工艺，包括如下步骤：

S1，在已完成的竖井3边缘放置导向仪5。

S2，在导向仪5和竖井3所在直线的延长线选择钻进点A和破土点B。

S3，在导向钻机1的双回转动力头上接上双层钻杆2，在双层钻杆2的另一端接上导向节，导向节上安装导向钻头6。

S4，通过导向仪5和探棒之间的通信连接关系为导向钻头6进行导向，通过导向钻机1的回转动力头加压钻进，使导向钻头6在双层钻杆2的驱动下进入到竖井3内，然后继续钻进直至导向钻头6和双管导向节7从破土点B伸出。

S5，将双管导向节7和导向钻头6从双层钻杆2上拆卸掉，在双层钻杆2的内钻杆上连接滤水管；滤水管上分布有用于漏水的孔或缝。

S6，通过双回转动力头将内钻杆从外钻杆内抽出，同时内钻杆带动滤水管进入到外钻杆内。

S7，当滤水管随内钻杆从钻进点A出来后，从破土点B处剪断滤水管；然后在滤水管的断口塞入圆柱形塞子，然后泵入水泥封口。

S8，通过双回转动力头将外钻杆从钻进点拔出，完成一对辐射孔4的施工。

为了实现在钻进过程中对钻孔造斜，在具体实施方式中提供了两种导向节，均能达到钻孔造斜的效果。

第一种导向节：

如图2所示，双管导向节7还包括油缸13和支撑板14，内管11在外管9内沿外管9轴向运动，在外管9的外壁上开有与支撑板14形状相应的容纳腔15，容纳腔15底部开有至少一个与外管9内腔导通的泄压孔16，油缸13设置在泄压孔16内，油缸13与泄压孔16的孔壁之间相对滑动，孔壁和油缸13之间采用密封圈密封，油缸13的活塞与支撑板14固定连接；外管9包括钻进端和动力端，沿容纳腔15与动力端之间外管9内壁的周向设置凸台21，内管11包括钻杆颈17和钻杆主体18，钻杆主体18的外径大于钻杆颈17的外径：当内管11的钻杆颈17运动至与凸台21对应时，钻杆颈17与凸台21之间具有环空；当内管11的钻杆主体18运动至与凸台21对应时，钻杆主体18与凸台21间隙配合。其中，凸台21朝向钻进端的一面为斜面，内钻杆的钻杆颈17和钻杆主体18之间的过渡面为与斜面相应的锥面。凸台21和过渡面之间的锥斜配合可以避免凸台21与过渡面之间相对卡止导致内钻杆回收不畅。

为了扩大辐射孔4的内径，还包括扩孔钻头19，扩孔钻头19一端套在导向钻头6的一端，导向钻头6套有扩孔钻头19的一端套在内管11靠近外管9动力端的一端。内钻杆与导向钻头连接的一端的外轮廓为六方结构，其余部分为圆柱形。扩孔钻头19与其靠近的轴承支座10连接，这样钻进时可实现位于地表的钻机带动内钻杆旋转，内钻杆带动导向钻头6旋转，导向钻头6带动扩孔钻头19和与扩孔钻头19连接的轴承支座10旋转，而油缸13外套以及与其相连的外钻杆可以不旋转。

为了能够使支撑板14收回容纳腔15，还包括2个复位弹簧20，复位弹簧20设置于容纳腔15底部开设的弹簧槽内，复位弹簧20的两端分别与弹簧槽的底部和支撑板14固定连接；泄压孔16为2个，2个复位弹簧20与2个泄压孔16位于同一条直线，2个泄压孔16位于2个复位弹簧20之间。

在外管9钻进端和动力端的内壁上均设置台阶面，台阶面上设置有轴承，轴承外圈与外管9的内壁固定设置，轴承内圈套在轴承支座10上，轴承支座10中心具有供内管11穿过的通孔，内管11与轴承之间为间隙配合；设置在动力端的轴承支座10具有凸出外管9的连接段，连接段的外壁上设置有外螺纹，扩孔钻头19与设置在动力端的轴承支座10通过外螺纹连接。

为了与延伸至地表的外钻杆连接，还包括异径接头8，异径接头8一端插到外管9的动力端内，与动力端内壁通过螺纹连接；另一端与外钻杆连接。

该双管导向节7的造斜机理说明：通过对内钻杆施加钻压和扭矩钻进，进而控制支撑板14的伸出和收回实现钻孔方向的改变。

钻进直孔时，向前推动内钻杆，使内钻杆的钻杆颈17与凸台21的位置对应，此时，凸台21与内钻杆之间具有环空，钻井液在油缸13所在位置的压力不能将油缸13推出，支撑板14收在容纳腔15内。

需要造斜时，将内钻杆往后拉动，使内钻杆的钻杆主体18与凸台21的位置对应，此时，凸台21与内钻杆之间的环空闭合，从而使钻井液在油缸13所处位置形成憋压，当钻井液的压力达到一定强度时将推动油缸13向外运动，从而推动支撑板14向外运动。当支撑板14与井壁产生作用力时，会改变导向钻头6的钻进方向，从而达到造斜的目的。

本双管导向节7具有如下优点：

(1)需要造斜时支撑板14才会伸出，钻进直孔时支撑板14处于收回状态，从而使钻孔直径减小，提高钻进效率，减小钻孔坍塌风险。

(2)导向钻头6和扩孔钻头19的组合设计使在砂卵石地层中钻进更稳定，该组合类似阶梯钻头，前端导向钻头6具有钻进导向孔的作用，后端扩孔钻头19具有扩张钻孔的作用。

(3)通过轴承悬挂轴承支座10，可使油缸13外套以上的外管9不旋转或独立旋转，造斜时支撑板14处于静止状态将有利于造斜的稳定性。

第二种导向节：

如图3所示，双管导向节7还包括油缸13和支撑板14，内管11通过轴承和轴承支座10悬挂支撑在外管9内(轴承支座10为空心轴承支座，内管11从空心穿过，轴承内圈套在空心轴承支座上，轴承外圈与外管9内壁抵接，在外管9端部安装轴承端盖22)，在外管9的外壁上开有与支撑板14形状相应的容纳腔15，容纳腔15底部开有至少一个与油缸13外套内腔导通的泄压孔16，油缸13设置在泄压孔16内，油缸13与泄压孔16的孔壁之间相对滑动，孔壁和油缸13之间采用密封圈密封，油缸13的活塞与支撑板14固定连接。

为了能够使支撑板14收回容纳腔15，还包括2个复位弹簧20，复位弹簧20设置于容纳腔15底部开设的弹簧槽内，复位弹簧20的两端分别与弹簧槽的底部和支撑板14固定连接；泄压孔16为4个，2个复位弹簧20与泄压孔16位于同一条直线，泄压孔16位于2个复位弹簧20之间。

该双管导向节7通过内钻杆和外钻杆与地面上的双动力头钻机相连，内钻杆和外钻杆既可以相对独立的旋转，也可以同步旋转。

通过控制注入到内钻杆和外钻杆之间环空内的钻井液的流量，钻井液流量的变化导致钻井液在油缸13所处的位置形成的压力产生变化，当压力达到一定程度时，油缸13活塞会在通过钻井液液压驱动下伸出，从而顶起支撑板14，复位弹簧20被支撑板14拉起处于拉伸状态，支撑板14与钻孔的孔壁接触后会产生与钻杆轴向垂直的作用力，进而改变钻头的钻进方向，产生造斜的效果。当要调整钻进方向时将油缸13外套带有支撑板14一侧调整到需要改变方向的180°位置固定下来，再单独旋转内钻杆，钻孔即向需要调整的方向偏转。当需要钻进直孔时，同时旋转内钻杆和外钻杆，由于钻孔的孔壁施加给支撑板14的作用力方向在不停的改变，所以钻孔成直线状态。减小钻井液的流量，使得油缸13所处位置的钻井液的憋压状态得到缓解，复位弹簧20自身的恢复形变力带动支撑板14返回容纳腔15内，避免影响外钻杆旋转。

第一，在一定范围内可通过调节钻井液的压力来调节支撑板14的伸出长度，进而调节钻孔的造斜率。

第二，探棒安装在距离钻头较近的位置可以更准确地探测到钻头的深埋及方位，从而使钻孔方位的控制更加精确。

第三，在拧卸掉转换接头后可以将内钻杆完全从外钻杆中抽出，从而方便滤水管的下放。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种辐射孔导向钻进设备，其特征在于，包括导向仪、导向钻机和双层钻杆，所述导向钻机上装配有双回转动力头，所述双层钻杆包括外层的外钻杆和内层的内钻杆，所述外钻杆和内钻杆分别对应双回转动力头的两个动力输出接头连接；还包括双管导向节和导向钻头，所述双管导向节包括外管和内管，所述外管一端与外钻杆连接，所述内管一端与内钻杆连接，所述外管上开有探棒仓，所述探棒仓内设置有与导向仪相互通信的探棒，所述内管另一端连接有导向钻头。

2.根据权利要求1所述的辐射孔导向钻进设备，其特征在于，所述双管导向节还包括油缸和支撑板，所述内管在外管内沿外管轴向运动，在外管的外壁上开有与支撑板形状相应的容纳腔，容纳腔底部开有至少一个与外管内腔导通的泄压孔，所述油缸设置在泄压孔内，所述油缸与泄压孔的孔壁之间相对滑动，孔壁和油缸之间采用密封圈密封，油缸的活塞与支撑板固定连接；所述外管包括钻进端和动力端，沿容纳腔与动力端之间外管内壁的周向设置凸台，所述内管包括钻杆颈和钻杆主体，所述钻杆主体的外径大于钻杆颈的外径：当内管的钻杆颈运动至与凸台对应时，钻杆颈与凸台之间具有环空；当内管的钻杆主体运动至与凸台对应时，钻杆主体与凸台间隙配合。

3.根据权利要求1所述的辐射孔导向钻进设备，其特征在于，所述双管导向节还包括油缸和支撑板，所述内管通过轴承悬挂支撑在外管内，在外管的外壁上开有与支撑板形状相应的容纳腔，容纳腔底部开有至少一个与油缸外套内腔导通的泄压孔，所述油缸设置在泄压孔内，所述油缸与泄压孔的孔壁之间相对滑动，孔壁和油缸之间采用密封圈密封，油缸的活塞与支撑板固定连接。

4.根据权利要求2所述的辐射孔导向钻进设备，其特征在于，还包括扩孔钻头，所述扩孔钻头一端套在导向钻头的一端，所述导向钻头套有扩孔钻头的一端套在内管靠近外管动力端的一端。

5.根据权利要求2或3所述的辐射孔导向钻进设备，其特征在于，还包括2个复位弹簧，所述复位弹簧设置于容纳腔底部开设的弹簧槽内，所述复位弹簧的两端分别与弹簧槽的底部和支撑板固定连接；所述泄压孔为2个或4个，2个复位弹簧与泄压孔位于同一条直线，泄压孔位于2个复位弹簧之间。

6.根据权利要求2所述的辐射孔导向钻进设备，其特征在于，在外管钻进端和动力端的内壁上均设置台阶面，所述台阶面上设置有轴承，轴承外圈与外管的内壁固定设置，轴承内圈套在轴承支座上，所述轴承支座中心具有供内管穿过的通孔，所述内管与轴承之间为间隙配合；设置在动力端的轴承支座具有凸出外管的连接段，所述连接段的外壁上设置有外螺纹，所述扩孔钻头与设置在动力端的轴承支座通过外螺纹连接。

7.根据权利要求2或6所述的辐射孔导向钻进设备，其特征在于，还包括异径接头，所述异径接头一端插到外管的动力端内，与所述动力端内壁通过螺纹连接；另一端与外钻杆连接。

8.一种辐射孔导向钻进工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在已完成的竖井边缘放置导向仪；

S2，在导向仪和竖井所在直线的延长线选择钻进点和破土点；

S3，在导向钻机的双回转动力头上接上双层钻杆，在双层钻杆的另一端接上导向节，导向节上安装导向钻头；

S4，通过导向仪和探棒之间的通信连接关系为导向钻头进行导向，通过导向钻机的回转动力头加压钻进，使导向钻头在双层钻杆的驱动下进入到竖井内，然后继续钻进直至导向钻头和双管导向节从破土点伸出；

S5，将双管导向节和导向钻头从双层钻杆上拆卸掉，在双层钻杆的内钻杆上连接滤水管；

S6，通过双回转动力头将内钻杆从外钻杆内抽出，同时内钻杆带动滤水管进入到外钻杆内；

S7，当滤水管随内钻杆从钻进点出来后，从破土点处剪断滤水管；

S8，通过双回转动力头将外钻杆从钻进点拔出，完成一对辐射孔的施工。

9.根据权利要求8所述的辐射孔导向钻进工艺，其特征在于，在步骤S7之后，在滤水管的断口塞入圆柱形塞子，然后泵入水泥封口。

10.根据权利要求8或9所述的辐射孔导向钻进工艺，其特征在于，所述滤水管上分布有用于漏水的孔或缝。