CN112983274A - 旋转导向式双级潜孔锤钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转导向式双级潜孔锤钻具,包括相连接的导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元,导向潜孔锤单元包括依次连接的导向潜孔锤、偏置短节和控制短节,扩孔潜孔锤单元的扩孔潜孔锤锤头外径大于导向潜孔锤锤头外径;偏置短节的外壳设置有三个推靠块总成,推靠块总成包括由动力传动机构通过连杆驱动的推靠块;钻井过程中,导向潜孔锤单元在前,形成小直径领眼,扩孔潜孔锤单元在后,通过扩孔形成大直径井眼;定向钻井时,导向潜孔锤单元的控制短节实时监测钻具井下方位,并将控制信号传递给偏置短节,动力传动机构通过连杆驱动推靠块交替实现伸出和回缩,使钻具偏转并保持在设定方位,按井眼设计轨迹进行钻进。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程技术领域,具体涉及一种旋转导向式双级潜孔锤钻具。
背景技术
矿山开采过程中,当发生矿井透水、瓦斯突出、冲击地压等重大矿山灾害事故时,由于坍塌冒落、巷道积水及动力现象等因素,造成矿井巷道堵塞,井下作业人员被困,施救困难。目前,除传统救援方法外,钻井救援技术可有效建立快速救援通道,是实施救援的重要技术途径,其在国内外矿山事故中已取得成功案例。钻井救援技术可分为小口径的生命保障井和大口径逃生救援井两类。
目前,大直径逃生救援钻井面临两项技术难题:导向性差和钻进效率低。现阶段,大直径救援井采用二次成孔工艺,即先钻成一个小直径导向孔,再在导向孔的引导下采用大直径潜孔锤进行二次扩孔。上述技术方案虽解决了大直径导向问题,但施工工序多,施工时间长,大幅减低的钻井救援效率。
因此,急需研制一种适用于大直径定向钻井的旋转导向式双级潜孔锤钻具,该钻具可在大直径救援钻井中具有较高的定向性能和钻进效率。
发明内容
有鉴于此,本发明所要解决的技术问题是:提供一种旋转导向式双级潜孔锤钻具,提高钻进效率,实现定向钻进。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:旋转导向式双级潜孔锤钻具,所述旋转导向式双级潜孔锤钻具包括:同轴向设置并且相连接的导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元;
所述导向潜孔锤单元包括依次连接的导向潜孔锤、偏置短节和控制短节,所述导向潜孔锤包括导向潜孔锤锤体和设置于所述导向潜孔锤锤体下端的导向潜孔锤锤头,所述控制短节用于实时监测钻具的井下方位并控制所述偏置短节使所述钻具保持在设定方位;
所述扩孔潜孔锤单元包括扩孔潜孔锤,所述扩孔潜孔锤包括扩孔潜孔锤锤体和设置于所述扩孔潜孔锤锤体下端的扩孔潜孔锤锤头,所述扩孔潜孔锤锤头的外径大于所述导向潜孔锤锤头的外径,所述扩孔潜孔锤锤头与所述控制短节相连接。
其中,所述偏置短节包括偏置短节外壳,所述偏置短节外壳的外周设置有三个推靠块总成,每一所述推靠块总成包括由动力传动机构通过连杆驱动的推靠块,所述连杆的一端与所述动力传动机构的输出端铰接,所述连杆的另一端与所述推靠块铰接,所述推靠块的下端与所述偏置短节外壳铰接。
其中,所述动力传动机构包括直线电机和与所述直线电机的伸缩杆配合的滑块,所述连杆的一端与所述滑块铰接;或者,所述动力传动机构包括旋转电机和由所述旋转电机驱动的丝杠螺母副,所述连杆的一端与所述丝杠螺母副的螺母铰接。
其中,所述推靠块的上端面设置为用于与井壁贴靠的贴靠斜面。
其中,所述偏置短节外壳的外周设置有偏置短节容置凹槽,所述推靠块总成设置于所述偏置短节容置凹槽。
其中,所述控制短节包括控制短节外壳,所述控制短节外壳的外周设置有三个控制单元,每一所述控制单元包括控制器和随钻测量器件,所述随钻测量器件用于实时监测钻具的井下方位,所述控制器用于控制所述偏置短节使所述钻具保持在设定方位。
其中,所述控制器包括可编程逻辑控制器,所述随钻测量器件包括磁通门传感器和重力加速度计传感器。
其中,所述控制单元还包括定位模块。
其中,所述控制短节外壳的外周设置有控制短节容置凹槽,所述控制单元设置于所述控制短节容置凹槽,所述控制短节容置凹槽的槽口设置有密封盖板。
其中,所述扩孔潜孔锤单元还包括与所述扩孔潜孔锤锤体上端相连接的上接头。
其中,所述控制短节、所述偏置短节分别设置有位置对应并贯通的电缆孔。
采用了上述技术方案后,本发明的有益效果如下:
由于本发明的旋转导向式双级潜孔锤钻具包括相连接的导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元,导向潜孔锤单元包括依次连接的导向潜孔锤、偏置短节和控制短节,扩孔潜孔锤单元的扩孔潜孔锤锤头外径大于导向潜孔锤锤头外径;钻井过程中,导向潜孔锤单元在前,形成小直径领眼,扩孔潜孔锤单元在后,通过扩孔形成大直径井眼;定向钻井时,导向潜孔锤单元的控制短节实时监测钻具井下方位,并将控制信号传递给偏置短节,动力传动机构通过连杆驱动推靠块交替实现伸出/回缩,从而使钻具偏转并保持在设定方位,按井眼设计轨迹进行钻进。
由于本发明的旋转导向式双级潜孔锤钻具设置了导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元这两级潜孔锤单元,一次钻进即可形成两种不同直径的阶梯形井眼,钻井工序少,钻井时间短,大幅提高了大直径硬岩地层的钻进效率;而且,这种井眼类型可有效释放地层岩石应力,降低了钻头破岩难度,能进一步提高钻进效率;并且,导向潜孔锤通过偏置短节和控制短节可实时监控和调整钻具在井下的方位,大幅提高了大直径潜孔锤钻井的导向性能。
附图说明
图1是本发明实施例的旋转导向式双级潜孔锤钻具结构示意图;
图2是图1中的导向潜孔锤单元结构示意图;
图3是图2中的A-A截面结构示意图;
图4是图2中的偏置短节结构示意图;
图5是图1中的扩孔潜孔锤单元结构示意图;
图6a至图6c是偏置短节工作原理示意图;
图中:1-导向潜孔锤;11-导向潜孔锤锤体;12-导向潜孔锤锤头;2-偏置短节;21-偏置短节外壳;211-电缆孔;22-推靠块总成;221-动力传动机构;222-连杆;223-推靠块;3-控制短节;31-控制短节外壳;311-电缆孔;32-控制器;33-随钻测量器件;34-定位模块;35-密封盖板;36-螺钉;4-扩孔潜孔锤;41-扩孔潜孔锤锤体;42-扩孔潜孔锤锤头;5-上接头;B-井壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的非限制性说明。
如图1、图2和图5共同所示,本发明实施例的旋转导向式双级潜孔锤钻具包括同轴向设置并且相连接的导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元。
其中,导向潜孔锤单元包括依次连接的导向潜孔锤1、偏置短节2和控制短节3。导向潜孔锤1包括导向潜孔锤锤体11和螺纹连接于导向潜孔锤锤体11下端的导向潜孔锤锤头12。扩孔潜孔锤单元包括扩孔潜孔锤4,扩孔潜孔锤4包括扩孔潜孔锤锤体41和螺纹连接于扩孔潜孔锤锤体41下端的扩孔潜孔锤锤头42,扩孔潜孔锤锤头42的外径大于导向潜孔锤锤头12的外径,扩孔潜孔锤锤体41上端还通过螺纹连接有上接头5。控制短节3通过螺纹与扩孔潜孔锤锤头42相连接,控制短节3用于实时监测钻具的井下方位并控制偏置短节2使钻具保持在设定方位。
如图4所示,其中,偏置短节2包括偏置短节外壳21,偏置短节外壳21的外周均布有三个推靠块总成22,每一推靠块总成22包括由动力传动机构221通过连杆222驱动的推靠块223。推靠块223的上端面优化设计为用于与井壁B贴靠的贴靠斜面,推靠块的下端面优化设计为圆弧面。其中,连杆222的一端与动力传动机构221的输出端铰接,连杆222的另一端与推靠块223铰接,推靠块223的下端与偏置短节外壳21铰接。其中,动力传动机构221可以采用直线电机和与直线电机的伸缩杆配合的滑块结构形式,连杆222的一端与滑块铰接。动力传动机构221还可以采用旋转电机和由旋转电机驱动的丝杠螺母副形式,连杆222的一端与丝杠螺母副的螺母铰接;在电机的下方设置有电机防护板,保护电机免受井下环境影响。其中,偏置短节外壳21的外周设置有偏置短节容置凹槽,推靠块总成22设置于偏置短节容置凹槽,使得偏置短节结构紧凑,不占用过多空间。
如图2所示,其中,控制短节3包括控制短节外壳31,控制短节外壳31的外周均布有三个控制单元,控制单元与推靠块总成22的位置及数量一一对应,每一控制单元包括控制器32、随钻测量器件33以及定位模块34。随钻测量器件33用于实时监测钻具的井下方位,控制器32用于传递控制信号给偏置短节2的动力传动机构221的电机使推靠块223伸出/回缩,使钻具保持在设定方位,控制器32包括但不限于采用公知的可编程逻辑控制器,随钻测量器件33包括但不限于采用公知的磁通门传感器和重力加速度计传感器,定位模块34用于使由电机驱动的滑块/螺母运动至预定的位置。其中,控制短节外壳31的外周设置有控制短节容置凹槽,控制单元设置于控制短节容置凹槽,控制短节容置凹槽的槽口设置有密封盖板35,以便对控制单元形成有力保护,免受井下环境影响。其中,为不影响控制单元的工作,控制短节外壳31为无磁外壳。
如图2和图3所示,其中,偏置短节2和控制短节3优化设计为采用井下电缆有线方式进行供电和信号传输,在偏置短节2的偏置短节外壳21设置有电缆孔211,在控制短节3的控制短节外壳31设置有电缆孔311,电缆孔211与电缆孔311的位置对应并贯通,为便于电缆孔211与电缆孔311对中,偏置短节2与控制短节3采用插接连接方式,在偏置短节外壳21与控制短节外壳31插接后,再通过螺钉36紧固。
本发明的旋转导向式双级潜孔锤钻具的工作原理如下:
钻井过程中,导向潜孔锤单元在前,通过导向潜孔锤锤头12形成小直径领眼,扩孔潜孔锤单元在后,通过扩孔潜孔锤锤头42扩孔形成大直径井眼;定向钻进时,导向潜孔锤单元的控制短节3的随钻测量器件33实时监测钻具井下方位,将信号上传地面控制中心,地面控制中心根据信号做出判断,将控制指令传输给控制器32,控制器32将控制信号传递给偏转短节2的推靠块总成22的动力传动机构221的电机,电机运行,通过连杆222,控制推靠块223的伸出和回缩,使钻具偏转并保持在设定方位,按井眼预设轨迹进行钻进。
如图6a、图6b和图6c所示,定向钻进过程中,随钻具的旋转,三个推靠块总成22(为了便于区分,分别命名为1号、2号、3号)的推靠块223在电机驱动下,交替完成伸出和回缩动作,推靠块223始终与井壁B贴靠,使钻具的指向始终保持,从而实现钻具旋转导向功能。
综上所述,本发明的旋转导向式双级潜孔锤钻具设置了导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元这两级潜孔锤单元,一次钻进即可形成两种不同直径的阶梯形井眼,钻井工序少,钻井时间短,大幅提高了大直径硬岩地层的钻进效率;而且,这种井眼类型可有效释放地层岩石应力,降低了钻头破岩难度,能进一步提高钻进效率;并且,导向潜孔锤1通过偏置短节2和控制短节3可实时监控和调整钻具在井下的方位,大幅提高了大直径潜孔锤钻井的导向性能。
以上所述为本发明较佳实施方式的举例,其中未详细述及的部分皆为本领域的已知技术,本发明的保护范围以权利要求的内容为准,任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换皆在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述旋转导向式双级潜孔锤钻具包括:同轴向设置并且相连接的导向潜孔锤单元和扩孔潜孔锤单元;
所述导向潜孔锤单元包括依次连接的导向潜孔锤、偏置短节和控制短节,所述导向潜孔锤包括导向潜孔锤锤体和设置于所述导向潜孔锤锤体下端的导向潜孔锤锤头,所述控制短节用于实时监测钻具的井下方位并控制所述偏置短节使所述钻具保持在设定方位;
所述扩孔潜孔锤单元包括扩孔潜孔锤,所述扩孔潜孔锤包括扩孔潜孔锤锤体和设置于所述扩孔潜孔锤锤体下端的扩孔潜孔锤锤头,所述扩孔潜孔锤锤头的外径大于所述导向潜孔锤锤头的外径,所述扩孔潜孔锤锤头与所述控制短节相连接。
2.如权利要求1所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述偏置短节包括偏置短节外壳,所述偏置短节外壳的外周设置有三个推靠块总成,每一所述推靠块总成包括由动力传动机构通过连杆驱动的推靠块,所述连杆的一端与所述动力传动机构的输出端铰接,所述连杆的另一端与所述推靠块铰接,所述推靠块的下端与所述偏置短节外壳铰接。
3.如权利要求2所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述动力传动机构包括直线电机和与所述直线电机的伸缩杆配合的滑块,所述连杆的一端与所述滑块铰接;或者,所述动力传动机构包括旋转电机和由所述旋转电机驱动的丝杠螺母副,所述连杆的一端与所述丝杠螺母副的螺母铰接。
4.如权利要求2所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述偏置短节外壳的外周设置有偏置短节容置凹槽,所述推靠块总成设置于所述偏置短节容置凹槽。
5.如权利要求1所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述控制短节包括控制短节外壳,所述控制短节外壳的外周设置有三个控制单元,每一所述控制单元包括控制器和随钻测量器件,所述随钻测量器件用于实时监测钻具的井下方位,所述控制器用于控制所述偏置短节使所述钻具保持在设定方位。
6.如权利要求5所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述控制器包括可编程逻辑控制器,所述随钻测量器件包括磁通门传感器和重力加速度计传感器。
7.如权利要求5所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述控制单元还包括定位模块。
8.如权利要求5所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述控制短节外壳的外周设置有控制短节容置凹槽,所述控制单元设置于所述控制短节容置凹槽,所述控制短节容置凹槽的槽口设置有密封盖板。
9.如权利要求1所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述扩孔潜孔锤单元还包括与所述扩孔潜孔锤锤体上端相连接的上接头。
10.如权利要求1所述的旋转导向式双级潜孔锤钻具,其特征在于,所述控制短节、所述偏置短节分别设置有位置对应并贯通的电缆孔。
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