CN1079877C - 在地层内产生井眼的钻井装置 - Google Patents

Abstract

一种地层井眼钻井装置具有一个旋转驱动头和一个与旋转驱动头相连的且可以通过旋转驱动头一直降入地层井眼中的空心连接钻杆(105)。在连接钻杆(105)下端上设有一个具有许多向下掘进的且由驱动液驱动的撞锤(41)的钻头。所述驱动是绕一个限定角振动地实现的，此实施例允许采用用于输送冲洗液和工作液的活动输入管道并允许排出掘进废料。

Description

在地层内产生井眼的钻井装置

本发明涉及一种在地层内产生井眼的钻井装置。

这种装置或机器已由现有技术公开了。在这里，撞锤大多直接与钻头连在一起，从而通过驱动介质将冲击能传给潜入井眼中的撞锤并由撞锤传递给井眼底部，从而尽量使连接钻杆不受冲击能的影响。钻头通过连接钻杆与设置在井眼外的驱动装置如旋转式驱动装置相连，从而装在钻头上的撞锤总是在新的井眼底部位置上掘进。主要在坚固的岩石中用所谈到的装置进行钻井。

这种钻井技术对实践生产越来越重要，这是因为：一方面，井眼质量可以较好且可以近似准确地保持钻井方向，另一方面，根据在井眼中所采取的消音方式，不对外界产生严重影响地且明显更好地满足了环境要求如消除了噪音烦扰。

在这种装置中，在井眼底部被锤松的或被掘下的石料从井眼中被排出是根据所谓的“气升式掘进法”在空心连接钻杆中实现的，其中在井眼中存在液柱且作为冲洗流体地将空气吹入在钻头上方的钻杆中，从而通过在连接钻杆中上升的空气使连接钻杆内的液柱在地面和井眼之间产生压差，所述压差引起连接钻杆内的流动速度且掘进石料以该流速经连接钻杆被排出。

在锤击钻设地层井眼时，用于排出松动材料的连接钻杆内径必须具有某个与向上输送总量匹配的最小值。与单纯的回转钻井相比，被冲松动的碎石料尺寸也比较大。

驱动位于连接钻杆下端的撞锤的驱动液是由在连接钻杆上端的适当的旋转接头通过一个设在连接钻杆内或成型于连接钻杆上的供应管供给撞锤的。

在连接钻杆直径象上述那样必须较大的情况下，在密封旋转接头时出现了问题。

液压驱动或气压驱动的撞锤在约为50巴-150巴的压力下工作。显然，在这种要求高压和大直径的气升式掘进法中，无法在迄今装在固定旋转接头和转动连接钻杆间的过渡区关键位置上的单级密封件中获得经济的使用寿命。

从GB-A 2231601中已知了一种在水中预钻一孔的装置，其中连接钻杆转向交变地被驱动。一个在上部区域包围连接钻杆的周围并且和连接钻杆的流入开口连通的腔室用来输入冲洗介质至钻杆的下部。为了密封该腔室和连接钻杆的连接区域要求设置一个花费大的旋转密封结构。

本发明的目的是这样改进一种旋转变换地工作装置，从而可以取消一种花费大的旋转密封结构并且使该装置即使在高压情况下也可以长期不需维修地工作。

此目的是通过这种地层井眼钻井装置完成的，它具有：一个布置在待钻井井眼上方的且带有一个旋转式驱动装置的驱动部，所述的旋转驱动装置旋转方向交变地以一个有限的转角驱动连接钻杆，一个与旋转式驱动装置连接的且可以沉入地层井眼中的空心连接钻杆，其中可以通过连接钻杆内腔并通过与其上端相连的排出管将废料输出钻井外；一个用于输入冲洗介质的第一供应管，第一供应管一直通到一个连接钻杆内腔的输入口且它与连接钻杆内腔相通；第二供应管，可以通过第二供应管将驱动设置在钻头上的掘进工具处于压力下的的工作液供给在连接钻杆的下端的钻头，其中，第二供应管具有一个柔性区，在可能出现转向交变运动的情况下，所述柔性区可以实现第二供应管与一个处于压力下的工作液的供应装置的连接。

在按本发明所述的装置中，旋转驱动头使连接钻杆交变地绕一个限定转角来回转动。连接钻杆和钻头在每次转动时必须交叠的角度是由在钻头相同半径上的撞锤数目决定的。当如在同一半径上有两个撞锤时，180度的交叠角就足够了；但是，连接钻杆绕一个大于上述充分角度的角度转动是有利的。

此实施例的优点在于：为了使连接钻杆有可能转动，无需在高压工作液输入管道中设置易磨损的旋转密封件。输入管道与供应管之间的接头例如可以通过柔性的输入管道实现，其长度是这样确定的，即它可以追随必需的角度交叠。通过由交变工作方式决定的限定转角，工作液输入管道可以与供应管紧固连接。这样可以省去了用于工作液的带有其上作用有密封件的相对转动表面的原旋转接头。

如权利要求2所述的本发明装置方案是特别有利的，其中用于将压缩空气输入连接钻杆内以便向上排出废料的供应管具有一个柔性区，此柔性区可以作交变的限定转动，这是因为通过此方案也可以节省为此所需的转动密封件。

在这个意义上，优选这样一个设计方案，除了权利要求1、2的特征外，它还有权利要求3的特征，因为在此方案中，完全可以省去易受磨损的且成本昂贵地制成的具有相应的密封件的回转接头。

在如权利要求4所述的一个本发明装置的方案中，一个或两个输入管道被设计成柔性软管。

但根据权利要求5，输入管道可在整个连接钻杆长度范围内刚性设计且它被设置在连接钻杆上且只有一个由此继续的短的管段是柔性的。

在本发明装置的第一实施例中，一个与分段连接钻杆上端相连的且高度可变地支承在支承装置上的动力旋转头用作旋转式驱动装置。在此实施例中，掘进是通过动力旋转头的降低造成的。如果动力旋转头已到达其下部位置即井眼降低了一段长度时，它必须脱离连接钻杆上端并随后移入其上部位置。在此位置上，在用于固定动力旋转头驱动部件的法兰和连接钻杆上端之间出现一个自由长度，它至少相应于连接钻杆的一段的长度。现在可以装入另一个连接钻杆段。由此支承装置必须有一定的高度，所述高度至少相应于连接钻杆的一段的长度。

在另一个本发明装置实施例中，旋转式驱动装置被设计成有选择地与连接钻杆外表面作用连接(如通过夹紧手柄)的且本身结构已由连管装置公开的旋转式驱动装置。

如果如权利要求8的装置高度可调地安装在支承装置上，则也可以通过旋转式驱动装置将掘进力传入连接钻杆。掘进整体上是通过旋转式驱动装置的周期“跟进”实现的，即它在松开状态下向上移动一段距离，随后固定于连接钻杆外表面上并重新降低。由于旋转式驱动装置可以设置在连接钻杆纵向的几乎任一个位置上，所以，旋转式驱动装置可沿连接钻杆纵轴方向偏移的升程不再必须至少相应于其一段局部长度，从而与迄今所知的装置相比，驱动装置可以安装得很低。

高度调节最好借助于可纵向调节长度的动力源，所述动力源被设计成液压操作的活塞/动力缸(权利要求9、10)

本发明的其它设计方案可以参照附图从后续说明书中看到。其中：

图1是设在地层井眼外的本发明装置第一实施例的驱动部的立体图。

图2示意地画出了在本发明装置中气升式掘进系统的工作方式。

图3是具有许多撞锤的钻头的侧视图。

图4是图3的仰视图。

图5和图6以与图1相同的视角示出了本发明装置的另外两个

实施例。

图7示出了摆动驱动装置，它可以用于图6所示的实施例中。

在所有的下列标号中，用大100或者200表示相同的部件。

图1示出了设置在待钻设地层井眼外的本发明第一实施例装置的部件。整体由103表示的装置驱动部固定在一个支承装置102上，所述支承装置支承在一个整体由101表示的工作平台上。一个示意画出的旋转驱动头104与具有可彼此相连段的连接钻杆105装配在一起，其中只示出了所述连接钻杆的上部分且所述连接钻杆穿过工作平台101地伸入待钻设地层井眼中(仅用虚线表示)并直达钻头。由旋转驱动头104驱动连接钻杆105是可以通过在现有技术中所知道的常见的方式方法来实现，例如通过一个液压马达。

图2示意地画出了钻井过程。在此过程中，由钻头40的撞锤41锤松的碎石从如部分充水而达到水平面9′的地层井眼9的底部16被向外排出。连接钻杆5内腔构成了矿浆输送管道8，此管道中通常充满了水，在钻头40上方通过一个进气阀43将空气吹入上述管道中。所述空气在钻井装置外受到一个未示出的压缩机的压缩并通过第一输入管道13和第一旋转接头10并借助第一供应管12将压缩空气沿连接钻杆5向下吹入。吹入的空气通过在矿浆输送管道8中因吹风而混入空气的液体与在地层井眼9的外部液体之间的密度差而在矿浆输送管道8内造成升流，碎石通过矿浆输送管道被向上传送且通过排出管11冲出装置外。通过第二输入管道23，在与第一旋转接头成一体地示出的第二旋转接头20中将工作介质供给第二供应管22并通过此供应管沿连接钻杆向下传送工作介质以便驱动钻头40的撞锤41。

在图3、4中画出了一个钻头40，例如为了驱动，它使用了水作为工作介质。由工作介质驱动的撞锤41通过支架44与安装板42相连，所述安装板安装在连接钻杆5下端上。装在撞锤41上的钻具45向下作用于井眼9底部10(图2)并在那里碎裂岩石。各作用位置因钻头40沿周向的转动而前移。由于将钻具45设置在不同半径上，所以整个钻井横截面可以交叠(作用)。钻具45的数目和布局可以与井眼9的直径和待排出的废料相匹配。撞锤41的下端受到一个其直径等于井眼直径的圆盘形导向板46的夹持和引导。

如另外由图1所示，在连接钻杆105上端上设有一个由110表示的第一接头，在井眼底部松动的材料通过此接头经排出管121被排到外面且借助第一输入管道113将冲洗流体主要是空气输入连接钻杆105中。在第一接头110下方设有整体由120表示的第二接头。支承装置102借助摆动驱动装置106绕水平轴线A摆动，从而可以偏离垂直井眼地钻井。

在本发明该实施例中，第二接头120可以作为一个整体地随连接钻杆105转动，而只有第一旋转接头110是固定安装的。旋转驱动头104是如此设计的，即它使连接钻杆与用于钻具中的撞锤驱动介质的第二接头120一起绕连接钻杆105转轴摆动地来回转动一个限定角度。此角度原则上小于360度且它是根据在相同半径上的撞锤41的位置和数目选择的(图3、4)。在定半径内的撞锤41为一个时，需要360度，当定半径内有两个以180度错置的撞锤时，来回转动180度就足以。但是，钻头绕一个大于360度的限定角转动同样在本发明的范围内。

由于角度是限定的，所以可利用一个固定安装的且可一起进行转角运动的驱动介质输入管道来工作，而不需要转动密封件。在所示实施例中，驱动介质借助柔性软管115被输入连接钻杆105的第二供应管122中。软管115安装在第二输入管道123和第二供应管122之间。软管115长度是如此选择的，即软管可以跟随连接钻杆105的转动而不会防碍其转动。

在图5所示的另一个实施例中，其中功能相同部件与图1相比用加200的标记表示，工作介质输入管道223、压缩空气输入管道213以及排出管221被设计成柔性软管。这两个输入管道213、223在旋转驱动头204下方在位置213′、223′上通过未具体示出的法兰结构与在连接钻杆205上的供应管212、222相连，压缩空气通过这些供应管道被供入输入口(图2中的43)或者工作介质通过这些供应管道被供给钻头(图2中的40)。此实施例的优点在于：在这种情况下只造成一个摆动的旋转驱动头204仅须具有一个用于连接钻杆205的转动轴承，完全可以省去回转接管和转动密封件。

在这种情况下就意味着，柔性软管213、223在位置213′、223′上与管道212、222相连不是绝对必要的。相反地，完全省去刚性的管道212、222且软管213、223一直通向位于钻井内的在连接钻杆或钻头上的相应连接位置同样也在本发明的范围内。

取代总是与连接钻杆205上段的上端相连的旋转驱动头204，在此实施例中也可以设置一个旋转式驱动装置，它在外面与连接钻杆205连接且其工作方式和功能也和旋转式驱动头的功能和工作方式相同，但是只造成连接钻杆的来回运动。

图7所示的且已由连管装置公开而不再在此具体描述的旋转式驱动装置304具有一个借助两个活塞/动力缸单元进入摆动运动的部件304，其为外周可拆分成多部件的结构。为了与连接钻杆305连接，可在连接钻杆上滑动的部件304被锁住，从而它与连接钻杆305外表面作用相连。

在图6中画出了本发明装置的另一个实施例。功能相同的部件根据图1所示的实施例用加200的标记表示。在此实施例中，完全省去了在图5的旋转式驱动装置204或一旋转接头空间内的上支承。一驱动装置304用作摆动驱动装置，所述驱动装置的功能与图11所示的和上述的驱动装置的功能相同。

软管313、323与供应管312、322的连接或软管321与连接钻杆305内部的连接是借助一个设置在连接钻杆上段上端的法兰头360实现的，所述法兰头是如此设计的，即设在法兰头上的软管313、323、321的接头与供应管312、322或连接钻杆内部相通。

驱动装置304通过可纵向调节长度的动力源302′支承在支承装置302上，从而借助驱动装置304也可以通过降低驱动装置304而将掘进力传入连接钻杆中。驱动装置304一旦到达其下位置，则另一个掘进可以通过“跟进(Nachfassen)”发挥作用，即驱动装置借助动力源302′移动到一个较高位置上并重新开始上述过程而被松开并再被固定。由于在此装置中无需其长度至少等于一段连接钻杆5长度的支承装置，此实施例具有特别小的高度。

Claims (9)

1.一种地层井眼钻井装置，它具有：一个布置在待钻井井眼上方的且带有一个旋转式驱动装置(104，204，304)的驱动部(103，203，303)，所述的旋转驱动装置旋转方向交变地以一个有限的转角驱动连接钻杆，一个与旋转式驱动装置(104，204，304)连接的且可以沉入地层井眼中的空心连接钻杆(105，205，305)，其中可以通过连接钻杆内腔并通过与其上端相连的排出管将废料输出钻井外；一个用于输入冲洗介质的第一供应管(112，212，312)，第一供应管一直通到一个连接钻杆内腔的输入口(43)且它与连接钻杆内腔相通；第二供应管(122，222，322)，可以通过第二供应管将驱动设置在钻头(40)上的掘进工具处于压力下的的工作液供给在连接钻杆(105，205，305)的下端的钻头，其特征在于，第二供应管(122，222，322)具有一个柔性区，在可能出现转向交变运动的情况下，所述柔性区可以实现第二供应管与一个处于压力下的工作液的供应装置的连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一供应管(112，212，312)具有一个柔性区，所述柔性区在可能出现转向交变运动时实现了与一个冲洗介质供应装置的连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排出管具有一个柔性区，所述柔性区在可能出现转向交变运动的情况下实现了废料排出。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在连接钻杆(105，205，305)区域内的供应管(112，212，312；122，222，322)是刚性的且固定在所述连接钻杆上。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，一个设置在连接钻杆(105，205，305)上端上的且高度可变地支承在支承装置(102，202)上的动力转动头用作旋转式驱动装置。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，设有一个可选择地与连接钻杆(105，205，305)作用相连且其结构本身已从管路系统中已知的旋转式驱动装置(304)作为旋转式驱动装置。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，旋转式驱动装置(304)高度可调地安装在支承装置(302)上。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，可纵向调节长度的动力源用于所述的高度调节。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，可纵向调节长度的动力源被设计成可液压操作的活塞或动力缸单元。

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