CN111140173A - 一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具及钻孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具及钻孔方法，该钻具包括取芯钻头、取芯外管、绳索取芯钻杆、扶正器、岩心管、弯螺杆、无磁钻杆、第一接头、第二接头、水便和用于测量孔斜的测量单元；取芯钻头、扶正器、取芯外管、扶正器、绳索取芯钻杆和水便依次连接形成保直钻具；取芯钻头、扶正器、岩心管、弯螺杆、第一接头、扶正器、无磁钻杆、第二接头、绳索取芯钻杆和水便依次连接形成孔底纠斜钻具；测量单元设置在无磁钻杆的内部。本发明采用保直钻具达到正常钻进保直，采用孔底纠斜钻具适时测量孔底纠斜定向取芯的效果，在近水平取芯钻进过程中交替使用，实现水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻探。

Description

一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具及钻孔方法
技术领域
本发明涉及属于钻探技术与装备领域，尤其涉及一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具及钻孔方法。
背景技术
矿产资源经过多年的勘探和开发，部分老矿区急需加强深部找矿工作，发现接替资源，延长矿山寿命。国家公路、铁路网持续扩大，修建工程向偏远山区延伸，隧道将在数量、长度上大量增加，地质条件差的部分地面工程勘察难度大。长距离水平孔取芯勘探将作为有效的技术手段解决上述问题。
以往水平孔取芯钻进对钻孔轨迹的要求不高，随着钻孔深度的增加，通过精确定向钻进，清楚钻孔轨迹、控制钻孔轨迹，可有效提高单孔控制范围、探明矿产储量，保障隧道安全施工，减少因地质探查不明引起的工程变更，节省工程变更费用。目前，国内定向钻探技术多用于石油勘探与开采及煤矿井下瓦斯抽采领域，定向钻进过程均为全面钻进，无法钻取岩芯。因此，发明水平定向取芯钻探技术具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具及钻孔方法，实现水平定向取芯钻孔，并达到正常钻进保直及孔底纠斜的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，该钻具包括取芯钻头、取芯外管、绳索取芯钻杆、扶正器、岩心管、弯螺杆、无磁钻杆、第一接头、第二接头、水便和用于测量孔斜的测量单元；
所述的取芯钻头、扶正器、取芯外管、扶正器、绳索取芯钻杆和水便依次连接形成保直钻具；
所述的取芯钻头、扶正器、岩心管、弯螺杆、第一接头、扶正器、无磁钻杆、第二接头、绳索取芯钻杆和水便依次连接形成孔底纠斜钻具；
所述的测量单元设置在无磁钻杆的内部。
优选的，所述的保直钻具中，每隔3m绳索取芯钻杆安装一个扶正器，共使用3～4个扶正器，绳索取芯钻杆的最上端连接水便。
具体的，所述的岩心管与绳索取芯钻杆的外径相同，所述的岩心管长度不超过弯螺杆的长度；所述的弯螺杆的弯度不超过0.5°～1°。
具体的，所述的测量单元包括MWD随钻测量仪、测井电缆、测井绞车、定向仪器地面机，所述的MWD随钻测量仪)固定在无磁钻杆内部，MWD随钻测量仪通过测定电缆与测井绞车和定向仪器地面机连接。
优选的，所述的弯螺杆由定子、转子和冲击器组成，所述的冲击器安装于转子的上端，实现取芯钻头孔底冲击回转钻进。
本发明还公开了一种水平定向取芯钻孔方法，该方法采用本发明所述的钻具进行钻孔，该方法包括以下步骤：
步骤1，水平孔开孔后，使用保直钻具，采用绳索取芯工艺进行取芯钻进；
步骤2，钻进50～80米或钻遇易斜地层后提钻，测量孔底顶角、方位及工具面角；
若孔底顶角、方位及工具面角均超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，进行步骤3；
若孔底顶角、方位及工具面角均未超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，重复步骤1至步骤2；
步骤3，将保直钻具提出，下入孔底纠斜钻具，进行取芯钻进，待岩心管充满后提钻，测量纠斜后的孔底顶角、方位及工具面角；
若孔底顶角、方位及工具面角均超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，继续使用孔底纠斜钻具进行纠斜，直至孔底顶角、方位及工具面角小于阈值；
若孔底顶角、方位及工具面角均未超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，进行步骤4；
步骤4，将孔底纠斜钻具提出，下入保直钻具进行采用绳索取芯工艺进行取芯钻进；
步骤5，重复步骤2至步骤4，直至钻进过程完成。
具体的，所述的步骤2中，在保直钻具的取心外管与绳索取芯钻杆之间连接一根无磁钻杆，在无磁钻杆中装入MWD随钻测量仪，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆传输至定向仪器地面机，进行数据分析判断孔斜。
具体的，所述的步骤3中，在孔底纠斜钻具的无磁钻杆中下入MWD随钻测量仪，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆传输至定向仪器地面机，进行数据分析判断孔斜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明给出保直钻具和孔底纠斜钻具两种钻具的组合，采用保直钻具达到正常钻进保直，采用孔底纠斜钻具适时测量孔底纠斜定向取芯的效果，在近水平取芯钻进过程中交替使用，实现水平定向取芯钻探。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例记载的保直钻具的组合结构图。
图2是本发明实施例记载的孔底纠斜钻具组合结构图。
图3是本发明实施例记载的孔底纠斜钻具的测量原理图。
图中各标号表示为：
1-取芯钻头，2-取芯外管，3-绳索取芯钻杆，4-扶正器，5-岩心管，6-弯螺杆，7-无磁钻杆，8-第一接头，9-第二接头，10-水便，11-MWD随钻测量仪，12-测井电缆，13-测井绞车，14-定向仪器地面机，15-测量单元，16-保直钻具，17-纠斜钻具。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
本发明实施例中公开了一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，该钻具包括取芯钻头1、取芯外管2、绳索取芯钻杆3、扶正器4、岩心管5、弯螺杆6、无磁钻杆7、第一接头8、第二接头9、水便10和用于测量孔斜的测量单元15，本发明中的孔斜具体指孔底顶角、方位及工具面角。
取芯钻头1、扶正器4、取芯外管2、扶正器4、绳索取芯钻杆3和水便10依次连接形成保直钻具16，如图1所示。取芯外管2内可以通过岩心管，通过高压冲洗液将岩心管送至孔底，也可将打捞器送到打捞位置，完成岩心管的打捞，实现不提钻取芯的绳索取芯工艺，取芯钻头1与取芯外管2之间、绳索取芯钻杆3之间设置多组扶正器4，实现满眼保直钻进。
一般，根据孔斜大小确定保直钻具16中的扶正器4的数量和绳索取芯钻杆3的数量，扶正器4的数量不超过五个。在本实施例中，每隔3m钻杆安装一个扶正器，共使用3～4个扶正器，使得保直钻具中的绳索取芯钻杆3有三段，如图1所示，靠近取芯外管2侧的两段绳索取芯钻杆3的长度为1.5～10m，与水便10连接的绳索取芯钻杆3的长度根据钻孔长度调整，每两段绳索取芯钻杆3之间通过所述的扶正器4连接。取芯外管2的长度一般为1.5～5m。
为了测量保直钻具钻孔后孔底顶角、方位及工具面角，在保直钻具16的取心外管2与绳索取芯钻杆3之间连接一根无磁钻杆7，其中，取心外管2与无磁钻杆7通过变丝接头连接，无磁钻杆7与绳索取芯钻杆3通过扶正器4连接，在无磁钻杆7中装入测量单元15中的MWD随钻测量仪11，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆12传输至定向仪器地面机14，进行数据分析判断孔斜。无磁钻杆7可有效避免钻杆及地磁对测量结果的影响。
本发明的测量单元15包括MWD随钻测量仪11、测井电缆12、测井绞车13、定向仪器地面机14，所述的MWD随钻测量仪11固定在无磁钻杆7内部，MWD随钻测量仪11通过测定电缆12与测井绞车13和定向仪器地面机14连接，测量结果通过测井电缆12传输至定向仪器地面机14，进行数据分析。
其中，第一接头8为定向接头，第二接头9为变丝接头，两个接头均通过螺纹与相邻部件连接。
取芯钻头1、扶正器4、岩心管5、弯螺杆6、第一接头8、扶正器4、无磁钻杆7、第二接头9、绳索取芯钻杆3和水便10依次连接形成孔底纠斜钻具17，如图2所示。该钻具组合可实现纠斜及单管取芯。岩心管5与绳索取芯钻杆3的外径相同，根据地层条件和钻孔偏斜量调整岩心管长度，岩心管5长度不超过弯螺杆6的长度。在无磁钻杆7中装入测量单元15中的MWD随钻测量仪11，如图3所示，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆12传输至定向仪器地面机14，进行数据分析判断孔斜。
弯螺杆6的弯度根据孔斜和底层硬度综合确定，一般在岩层钻孔时不超过0.5°～1°。本实施例记载的弯螺杆由定子、转子、冲击器组成，冲击器安装于转子上端，弯螺杆动力介质为清水、泥浆或风，高压力的动力介质同时驱动冲击器和转子，实现取芯钻头孔底冲击回转钻进，提高钻进效率和钻孔质量，提高纠斜方位准确性。
本发明的实施例中还公开了一种水平定向取芯钻孔方法，该方法采用本发明上述实施例记载的钻具进行钻孔，该方法包括以下步骤：
步骤1，水平孔开孔后，使用保直钻具16，采用绳索取芯工艺进行取芯钻进；
步骤2，钻进50～80米或钻遇易斜地层后提钻，测量孔底顶角、方位及工具面角。具体的，在本发明的一个实施例中，在保直钻具16的取心外管2与绳索取芯钻杆3之间连接一根无磁钻杆7，其中，取心外管2与无磁钻杆7通过变丝接头连接，无磁钻杆与绳索取芯钻杆通过扶正器连接，在无磁钻杆7中装入MWD随钻测量仪11，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆12传输至定向仪器地面机14，进行数据分析判断孔斜。
若孔底顶角、方位及工具面角均超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，说明出现明显孔斜，进行步骤3；
若孔底顶角、方位及工具面角均未超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，重复步骤1至步骤2；
步骤3，将保直钻具16提出，下入孔底纠斜钻具17，通过孔底纠斜钻具中的弯螺杆6实现对钻孔纠斜的效果，同时孔底纠斜钻具17进行取芯钻进，待岩心管5充满后提钻，测量纠斜后的孔底顶角、方位及工具面角，具体的，在本发明的一个实施例中，在孔底纠斜钻具17的无磁钻杆7中下入MWD随钻测量仪11，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆12传输至定向仪器地面机14，进行数据分析判断孔斜。
若孔底顶角、方位及工具面角均超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，继续使用孔底纠斜钻具17进行纠斜，直至孔底顶角、方位及工具面角小于阈值；
若孔底顶角、方位及工具面角均未超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，进行步骤4；
步骤4，将孔底纠斜钻17具提出，下入保直钻具16进行采用绳索取芯工艺进行取芯钻进；
步骤5，重复步骤2至步骤4，直至钻进过程完成。
本发明通过保直钻具16和孔底纠斜钻具17在近水平取芯钻进过程中交替使用，配合使用，达到正常钻进保直、孔斜段进行孔底纠斜定向取芯的效果，实现水平定向取芯钻探。
在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，其特征在于，该钻具包括取芯钻头(1)、取芯外管(2)、绳索取芯钻杆(3)、扶正器(4)、岩心管(5)、弯螺杆(6)、无磁钻杆(7)、第一接头(8)、第二接头(9)、水便(10)和用于测量孔斜的测量单元(15)；
所述的取芯钻头(1)、扶正器(4)、取芯外管(2)、扶正器(4)、绳索取芯钻杆(3)和水便(10)依次连接形成保直钻具(16)；
所述的取芯钻头(1)、扶正器(4)、岩心管(5)、弯螺杆(6)、第一接头(8)、扶正器(4)、无磁钻杆(7)、第二接头(9)、绳索取芯钻杆(3)和水便(10)依次连接形成孔底纠斜钻具(17)；
所述的测量单元(15)设置在无磁钻杆(7)的内部。
2.如权利要求1所述的水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，其特征在于，所述的保直钻具中，每隔3m绳索取芯钻杆(3)安装一个扶正器(4)，共使用3～4个扶正器(4)，绳索取芯钻杆(3)的最上端连接水便(10)。
3.如权利要求1所述的水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，其特征在于，所述的岩心管(5)与绳索取芯钻杆(3)的外径相同，所述的岩心管(5)长度不超过弯螺杆(6)的长度；所述的弯螺杆(6)的弯度不超过0.5°～1°。
4.如权利要求1所述的水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，其特征在于，所述的测量单元(15)包括MWD随钻测量仪(11)、测井电缆(12)、测井绞车(13)、定向仪器地面机(14)，所述的MWD随钻测量仪(11)固定在无磁钻杆(7)内部，MWD随钻测量仪(11)通过测定电缆(12)与测井绞车(13)和定向仪器地面机(14)连接。
5.如权利要求1所述的水平定向取芯钻孔保直与纠斜钻具，其特征在于，所述的弯螺杆(6)由定子、转子和冲击器组成，所述的冲击器安装于转子的上端，实现取芯钻头(1)孔底冲击回转钻进。
6.一种水平定向取芯钻孔方法，其特征在于，该方法采用权利要求1～5任一项所述的钻具进行钻孔，该方法包括以下步骤：
步骤1，水平孔开孔后，使用保直钻具(16)，采用绳索取芯工艺进行取芯钻进；
步骤2，钻进50～80米或钻遇易斜地层后提钻，测量孔底顶角、方位及工具面角；
若孔底顶角、方位及工具面角均超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，进行步骤3；
若孔底顶角、方位及工具面角均未超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，重复步骤1至步骤2；
步骤3，将保直钻具(16)提出，下入孔底纠斜钻具(17)，进行取芯钻进，待岩心管(5)充满后提钻，测量纠斜后的孔底顶角、方位及工具面角；
若孔底顶角、方位及工具面角均超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，继续使用孔底纠斜钻具(17)进行纠斜，直至孔底顶角、方位及工具面角小于阈值；
若孔底顶角、方位及工具面角均未超出目标轨迹对应点顶角、方位及工具面角5°时，进行步骤4；
步骤4，将孔底纠斜钻(17)具提出，下入保直钻具(16)进行采用绳索取芯工艺进行取芯钻进；
步骤5，重复步骤2至步骤4，直至钻进过程完成。
7.如权利要求6所述的水平定向取芯钻孔方法，其特征在于，所述的步骤2中，在保直钻具(16)的取心外管(2)与绳索取芯钻杆(3)之间连接一根无磁钻杆(7)，在无磁钻杆(7)中装入MWD随钻测量仪(11)，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆(12)传输至定向仪器地面机(14)，进行数据分析判断孔斜。
8.如权利要求6所述的水平定向取芯钻孔方法，其特征在于，所述的步骤3中，在孔底纠斜钻具(17)的无磁钻杆(7)中下入MWD随钻测量仪(11)，测量孔底顶角、方位及工具面角，测量结果通过测井电缆(12)传输至定向仪器地面机(14)，进行数据分析判断孔斜。
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