CN111577163A - 一种双反循环连续排渣钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向反循环连续排渣钻具，它包括外管（1），抽吸芯管（4）置于外管（1）内部，抽吸芯管（4）上部的径向凸耳和定位环（3）底部卡压在外管内壁的缩颈台阶上方，引射环（2）的支撑耳座压在定位环（3）顶面上，花键连接套（8）螺纹连接在外管（1）下部内壁，双反钻头体（7）与花键连接套（8）通过花键滑动连接，抽吸芯管（4）的下段插入双反钻头体（7）的芯孔内，在抽吸芯管（4）外壁与双反钻头体（7）芯孔内壁之间嵌有密封圈（5）。本发明的技术效果是：提高了反循环成孔的排渣能力与排渣稳定性，实现了退钻时既修整孔壁，又排出垮落煤渣，避免松软煤层钻孔内堆积大量的煤渣后引起抱钻、喷孔等钻孔事故。

Description

一种双反循环连续排渣钻具

技术领域

本发明属于钻井技术领域，具体涉及一种双反循环连续排渣成孔的钻具。

背景技术

本专利申请中，双反循环即是双向反循环：正向钻进时采用反循环成孔，反向退钻时仍采用反循环成孔。反循环成孔是指钻孔时驱动流体由钻具与孔壁环状间隙进入钻孔，携带钻渣后经钻具中心通道排出孔外的成孔。

由于煤矿井下松软煤层强度较低、渗透性差，且瓦斯含量高，瓦斯抽放钻孔时常出现垮孔、喷孔、抱钻等动力灾害现象，导致松软煤层顺煤层瓦斯抽放钻孔深度较浅、钻孔质量差，抽采效率低，抽采周期短等一系列问题。常规的螺旋钻杆、异型钻杆及多功能钻杆等松软煤层顺层钻孔用机具亦无法彻底解决松软煤层顺层深孔成孔难题。

中国专利文献CN 108086930A于2018年5月29日公开了一种松软岩土地层反循环跟管钻具及钻进工艺，其钻具为同轴三通道结构，包括双壁钻杆4、螺旋钻杆12、钻头14、套管7和管靴15，双壁钻杆内管的中心孔和螺旋钻杆内管的中心孔构成排渣通道，螺旋钻杆内管9和螺旋钻杆外管11之间的环状间隙构成进气通道，螺旋钻杆外管11和套管7之间的环状间隙构成外环通道；压缩空气经进气通道进入到钻头后分流，用于辅助切削刃破碎地层及实现反循环排渣，在外环通道的钻屑沿着螺旋叶片上行，经排渣窗进入到排渣通道上返至地表。该工艺在钻进过程中采用流体介质反循环排渣和螺旋叶片辅助排渣，实现跟管钻进以保护孔壁，能解决松软岩土层钻进过程中遇到的埋钻、排渣难和成孔难等问题。

该专利的钻具存在以下缺点：1、钻杆结构复杂，无法实施退钻过程的反循环成孔；2、在退钻时不能修复钻孔，不能实现任意时刻的钻进与退钻修孔，钻孔不稳定、不完整；3、钻具在钻孔时需要套管护孔，既增大了钻孔成本，又增加了孔内发生钻孔事故的风险；4、钻具需要借助螺旋钻杆的螺旋槽排渣，增加了钻孔时钻具的阻力；5、钻具体积大、笨重不灵活，不适用于井下条件的施工。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种双向反循环连续排渣钻具，它能提高正向钻进时的反循环排渣稳定性，且在退钻扫孔过程中同样能够形成有效的反循环，实现退钻时既修整孔壁，又排出垮落煤渣，避免松软煤层钻孔内堆积大量的煤渣后引起抱钻、喷孔等钻孔事故。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括外管、引射环、定位环、抽吸芯管、半圆卡、密封圈、双反钻头体和花键连接套，抽吸芯管置于外管内部，外管内壁上部设有缩颈台阶，抽吸芯管上部的径向凸耳和定位环底部卡压在外管内壁的缩颈台阶上方，定位环套在引射环下部外壁，引射环的支撑耳座压在定位环顶面上，引射环中心孔正对抽吸芯管的中心通道；花键连接套螺纹连接在外管下部内壁，双反钻头体与花键连接套通过花键滑动连接，双反钻头体上部设有用于轴向限位的半圆卡，抽吸芯管的下段插入双反钻头体的芯孔内，在抽吸芯管外壁与双反钻头体芯孔内壁之间嵌有密封圈。

本发明的技术效果是：

1、与现有单向反循环钻具相比，本发明的双向反循环钻具抽吸芯管底端是密封的，正向钻进时过流通道为钻头上的侧向底孔，减少了过流面积和钻具系统的压力损耗，增加了钻具的抽吸负压，从而提高了反循环排渣能力与排渣稳定性。

2、在逆向退钻时，反循环通道仍然畅通，排渣能力保持不变，避免了松软煤层钻孔内大量堆积煤渣后引事故；

3、双反钻头体侧面镶嵌有背面齿，在退钻时能够修整孔壁。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中引射环的结构示意图；

图3为图1中抽吸芯管的结构示意图；

图4为图1中双反钻头体的结构示意图；

图5为本发明正向钻进的气道示意图；

图6为本发明逆向退钻清孔的气道示意图。

图中：1、外管，2、引射环，3、定位环，4、抽吸芯管，5、密封圈，6、半圆卡，7、双反钻头体，8、花键连接套，9、花键齿，10、信号控制孔，11、钻头基体，12、钻齿，13、半圆卡槽，14、花键槽，15、侧向周孔，16、侧向底孔，17、钻头胎体，18、径向凸耳，19、管体，20、中心通道，21、芯管端面，22、吸渣孔，23、密封槽，24、引射锥面，25、引射管，26、内锥面，27、引射管中心孔，28、支撑耳座，71、背面齿。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

为了清楚描述发明内容，本专利申请使用方位词“上”、“下”进行区别，所述“上”、“下”是依据以上附图的布设方位来确定的，在本发明的实际使用方向发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。

如图1所示，本发明包括外管1、引射环2、定位环3、抽吸芯管4、密封圈5、半圆卡6、双反钻头体7以及花键连接套8，抽吸芯管4置于外管1内部，外管1内壁上部设有缩颈台阶，抽吸芯管4上部的径向凸耳和定位环3底部卡压在外管内壁的缩颈台阶上方，定位环3套在引射环2下部外壁，引射环2的支撑耳座压在定位环3顶面上，引射环中心孔正对抽吸芯管的中心通道；花键连接套8螺纹连接在外管1下部内壁，双反钻头体7与花键连接套8通过花键滑动连接，花键周向固定、轴向滑动，以满足正向钻进和反向钻进时侧壁孔的正常打开和关闭；双反钻头体7上部设有用于轴向限位的半圆卡6，如图4所示，双反钻头体7上部有半圆卡槽13。先将花键连接套8套在双反钻头体7上，半圆卡6是两瓣半圆的卡子，半圆卡6置于半圆卡槽13内，再把半圆卡6塞入外管1内被箍套，接着，花键连接套8螺纹旋进外管1内部，双反钻头体7可在花键连接套8的花键槽中上下晃动，双反钻头体7上升的最高位由钻头大端确定，下落最大位由半圆卡6压住花键连接套8顶面而限定。抽吸芯管4的下段插入双反钻头体7的芯孔内，在抽吸芯管4外壁与双反钻头体7芯孔内壁之间嵌有密封圈5。

外管1的缩颈台阶具有适度的密封性，一部分压缩气体受缩颈台阶阻塞沿引射环2下部反射进入引射环中心孔内；另一部分压缩气体经过缩颈台阶与抽吸芯管的气隙通入双反钻头体7工作的孔底。定位环3是支撑架结构，留有足够的气体通道。

外管1上端与双通道钻杆（图1中未画出）螺纹连接，螺纹采用API标准螺纹，螺纹段长度50mm，双通道钻杆由两层钻杆组成，最里边的中心通道用于排渣，内外管之间的间隙为进气通道。外管1下部内壁与花键连接套8的连接螺纹为细牙螺纹，具有自密封作用，外管1的外径102mm，带有卡钳槽，卡钳槽用于装配与拧卸钻具时固定钻具。

如图2所示，引射环2包括引射管25，在引射管25内，下段为内锥面26、上段为引射环中心孔27，引射管25外圆周布设有支撑耳座28 。

三个支撑座28均匀分布于引射管25的外周，将引射环2安置在定位环3上；引射管25上端口连接双通道钻杆中心孔，内锥面26与抽吸芯管4的引射锥面配合，双通道钻杆中心孔、引射环中心孔27和抽吸芯管中心通道20互相连通，构成双反循环连续排渣钻具的排渣流体通道。

如图3所示，抽吸芯管4包括管体19，管体19内部为中心通道20，管体19底端为封底的芯管端面21，在紧挨芯管端面21之上的管体19侧壁均布有吸渣孔22（正向钻进时，双反钻头体7沿键槽抬升，吸渣孔22与侧向底孔16对应；逆向退钻时，双反钻头体7沿键槽下落，吸渣孔22与侧向周孔15对应，以保证抽吸芯管4与双反钻头体7之间接通），管体19腰部外圆周上开有密封槽23，管体19上方外圆周上设有径向凸耳18，管体19顶部为引射锥面24。

中心通道20是排渣通道，直径43mm以上。密封槽23内的密封圈5用于密封管壁间隙，避免因双反钻头体7的外部与内部连通而泄压。三个径向凸耳18用于将抽吸芯管4卡压在外管1内；引射锥面24与引射环2配合工作，压缩空气射流经过引射环2和引射锥面24后，能在抽吸芯管4内形成一定的抽吸负压，从而实现双反循环连续排渣。

如图4所示，双反钻头体7包括钻头基体11，钻头基体11有上下贯通的芯孔，钻头基体11为四段台阶柱，最上段台阶柱开有花键齿9和花键槽14，在花键槽14的上段开设有与半圆卡6卡接的半圆卡槽13，在尾部花键齿9上开有信号控制孔10，在花键齿9下方的第二段台阶柱周围开有侧向周孔15，第三段台阶柱上对称开设有侧向底孔16，最下段的台阶柱为钻头胎体17，钻头胎体17的前端面布设有钻齿12。

钻头胎体17与钻齿12用焊接烧制，钻齿12分布在钻头基体11的底端圆环面，实现正向反循环钻进和逆向反循环退钻时破碎孔内松软煤体；信号控制孔10的作用在于平衡头双反钻头体7内的风压，以便于在双反钻头体7内形成双反循环强力排渣效果；双反钻头体7上共有三个侧向周孔15和三个侧向底孔16：正向钻进时，双反钻头体7受到推力作用沿键槽抬升，侧向底孔16与抽吸芯管4的吸渣孔22对齐，侧向底孔16打开；逆向反循环退钻清孔时，外管因受到拉力，钻头双反钻头体7沿键槽滑动，侧向周孔15与抽吸芯管4的吸渣孔22对齐，侧向周孔15打开，双反循环排渣提供流体通道。

本发明的工作原理：

钻头旋转的动力由钻机供给，钻机上的主动轴旋转带动双通道钻杆旋转，进而带动本发明旋转；空气压缩机提供的动力空气经空气盒子、双通道钻杆内管与外管1的间隙，进入本发明的双反循环连续排渣成孔钻具。

正向钻进时的气道如图5所示，压缩空气进入外管1与引射环2之间的间隙，一部分压缩空气因外管1缩颈台阶阻塞气道后，沿引射环内锥面26高速折返喷出，在引射管中心孔27形成强劲的抽吸负压，以携带孔内的煤渣排出孔外；另一部分压缩空气流过缩颈台阶与抽吸芯管的气隙，经抽吸芯管4与外管1之间的空腔和键槽的间隙进入钻头基体11外壁的孔底，起到冷却钻头的作用，并沿钻头基体11的侧向底孔16进入抽吸芯管4中心通道返回流出；辅助双反钻头体的钻齿12将破碎的松软煤体通过侧向底孔16排出孔外。

逆向退钻时的气道如图6所示，钻具提离孔底，双反钻头体7向花键连接套8底端滑动，钻头基体11三个侧向周孔15打开。压缩空气进入外管1与引射环2之间的间隙，一部分压缩空气因外管1缩颈台阶阻塞气道后，沿引射环内锥面26高速折返喷出，在引射管25的中心孔27内形成强劲的抽吸负压，以携带孔内的煤渣排出孔外；另一部分压缩空气流过缩颈台阶与抽吸芯管的气隙，经抽吸芯管4与外管1之间的空腔和键槽的间隙进入钻头基体11外壁的孔底，并沿钻头基体11的侧向底孔16进入抽吸芯管4中心通道返回流出；携带已破碎的松软煤体经双反钻头体7的侧向周孔15进入抽吸芯管4内，从而实现反循环连续排渣。

另外，双反钻头体7侧面镶嵌有背面齿71，背面齿71与钻齿12安装方向相反，切削刃贴靠侧面，背面齿71旋转切削孔周变形的垮落煤体，再经过双反钻头体7上的侧向周孔15排渣通道排出孔外，从而实现双反循环连续排渣。

Claims (5)

1.一种双向反循环连续排渣钻具，其特征是：包括外管（1）、引射环（2）、定位环（3）、抽吸芯管（4）、密封圈（5）、半圆卡（6）、双反钻头体（7）以及花键连接套（8），抽吸芯管（4）置于外管（1）内部，外管（1）内壁上部设有缩颈台阶，抽吸芯管（4）上部的径向凸耳和定位环（3）底部卡压在外管内壁的缩颈台阶上方，定位环（3）套在引射环（2）下部外壁，引射环（2）的支撑耳座压在定位环（3）顶面上，引射环中心孔正对抽吸芯管的中心通道；花键连接套（8）螺纹连接在外管（1）下部内壁，双反钻头体（7）与花键连接套（8）通过花键滑动连接，双反钻头体（7）上部设有用于轴向限位的半圆卡（6），抽吸芯管（4）的下段插入双反钻头体（7）的芯孔内，在抽吸芯管（4）外壁与双反钻头体（7）芯孔内壁之间嵌有密封圈（5）。

2.根据权利要求1所述的双向反循环连续排渣钻具，其特征是：所述引射环（2）包括引射管（25），在引射管（25）内，下段为内锥面（26）、上段为引射环中心孔（27），引射管（25）外圆周布设有支撑耳座（28）。

3.根据权利要求2所述的双向反循环连续排渣钻具，其特征是：所述抽吸芯管（4）包括管体（19），管体（19）内部为中心通道（20），管体（19）底端为封底的芯管端面（21），在紧挨芯管端面（21）之上的管体（19）侧壁均布有吸渣孔（22），管体（19）腰部外圆周上开有密封槽（23），管体（19）上方外圆周上设有径向凸耳（18），管体（19）顶部为引射锥面（24）。

4.根据权利要求3所述的双向反循环连续排渣钻具，其特征是：所述双反钻头体（7）包括钻头基体（11），钻头基体（11）有上下贯通的芯孔，钻头基体（11）为四段台阶柱，最上段台阶柱开有花键齿（9）和花键槽（14），在花键槽（14）的上段开设有与半圆卡（6）卡接的半圆卡槽（13），在尾部花键齿（9）上开有信号控制孔（10），在花键齿（9）下方的第二段台阶柱周围开有侧向周孔（15），第三段台阶柱上对称开设有侧向底孔（16），最下段的台阶柱为钻头胎体（17），钻头胎体（17）的前端面布设有钻齿（12）。

5.根据权利要求4所述的双向反循环连续排渣钻具，其特征是：所述双反钻头体（7）侧面镶嵌有背面齿（71）。

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