CN113153143A - 一种能够加固井壁的钻井设备及其使用方法 - Google Patents

一种能够加固井壁的钻井设备及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种能够加固井壁的钻井设备及其使用方法，采用内钻杆和外套管相结合的方式，经底部钻头开挖的岩块通过切屑刃切割后的岩块经内盘和外盘之间的空隙进入钻铤内，经钻铤内的切割刀片再次切割后由输送叶片螺旋上运至内钻杆内，随着岩块不断上运，内钻杆内的岩块不断堆积，最后经排屑机构将岩块排出，当底部钻头到达目标层时，通过将内钻杆从中抽离，留下外套管支撑井壁，拚弃了先开挖再加固井壁的传统钻井模式，实现了边开挖、边加固井壁，有效增强了井壁的稳定性；该钻井设备的使用方法步骤简便，易于操作，提高了钻井的速度和质量。

Description

一种能够加固井壁的钻井设备及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种钻井设备，具体涉及一种能够加固井壁的钻井设备及其使用方法，属于石油钻井设备技术领域。
背景技术
井壁稳定问题是石油钻井过程中经常遇到的一个难题，随着勘探开发领域的不断扩展，遇到的地层条件愈加复杂，井壁不稳定的问题也更为突出，这严重影响了钻井速度和质量。
现有技术中，对钻井井壁的加固一般是在钻孔开挖完后再下套管，然后在套管外围注入水泥浆，以起到保护井壁的作用。然而，在一些复杂地层，钻头钻进时周围岩体便已经发生破碎，在钻头回升后、下入套管前，井壁便出现失稳、坍塌现象，无法起到加固井壁的作用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能够加固井壁的钻井设备及其使用方法，能够实现边开挖边加固井壁，有效增强井壁的稳定性；该钻井设备的使用方法步骤简便，易于操作，有利于提高钻井的速度和质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种能够加固井壁的钻井设备，包括底部钻头、下部钻铤、中部钻杆和上部井架；
所述的钻头包括圆盘形主体，沿圆盘形主体周向均布多个切屑刃，所述切屑刃一端固定于靠近圆盘形中心处，另一端伸出圆盘形主体所在面；相邻切屑刃之间的圆盘形主体上设有出屑口，出屑口为贯通圆盘形主体上、下端面的通孔；
所述的钻铤通过钻井盘连接于底部钻头上，钻井盘包括内盘和外盘，内盘和外盘均为中部镂空的圆环，内盘位于外盘的中心，内盘和外盘之间通过连接板进行连接；外盘的下端面与底部钻头连接；
钻铤为中空套筒，其内部空腔设置有螺旋转杆，所述螺旋转杆包括沿套筒长度方向竖直设置的旋转轴、螺旋套设于旋转轴外部的输送叶片和切割刀片，所述切割刀片周向连接于旋转轴外壁上，该连接处位于输送叶片下方与旋转轴下端之间；旋转轴下端插装于内盘内；套筒下端面与外盘上端面连接；
钻杆通过扣接环连接于钻铤上端，钻杆与钻铤同轴设置，且钻杆的直径不大于钻铤的直径；
扣接环内壁上设有上部螺纹段和下部螺纹段，下部螺纹段与钻铤上端外壁上开设的螺纹段连接，上部螺纹段与钻杆下端外壁上开设的螺纹段连接；钻杆包括内部中空的外套管和在外套管中空腔体内沿其长度方向设置的内钻杆，内钻杆为中空的内部岩块通道，内钻杆与外套管之间通过连接机构进行连接；在内钻杆与外套管之间的空腔底部设有滤网；
井架位于中部钻杆上方，包括井架主体以及设置于主体内部的多层安装台，上层安装台安装有挂钩，下层安装台上安装有转盘，所述转盘包括转盘主体，转盘主体中部安装轴承，轴承中心开设与方形钻杆相适配的方形孔；方形钻杆的上端通过升降连接件与挂钩连接，下端穿过方形孔后与排屑机构上端连接，排屑机构下端与内钻杆连接；
所述的排屑机构为中空柱筒，其内壁上端开设与方形钻杆外壁下端螺纹段相适配的螺纹段，其外壁下端开设与内钻杆内壁上端螺纹段相适配的螺纹段；中空柱筒筒壁上满布通孔。
进一步地，所述的连接机构包括分别设置于外套管内壁上端和下端的第一装配槽和第二装配槽，第一装配槽和第二装配槽以外套管中心轴为对称轴，均至少设置一对，第一装配槽包括相对设置的一对限位块一，限位块一垂直于外套管内壁设置，第二装配槽包括相对设置的一对限位块二和连接块，一对限位块二的一端均垂直于外套管内壁设置，相对的另一端通过连接块进行连接；在内钻杆外壁的上端和下端分别与第一装配槽和第二装配槽相对应地设置有第一装配块和第二装配块，第一装配块的形状和尺寸与第一装配槽相适配并卡装于第一装配槽内，第二装配块呈倒L形，其水平臂与内钻杆外壁连接，其竖直臂的形状和尺寸与第二装配槽相适配并卡装于第二装配槽内，与其形成挂钩配合结构。
进一步地，所述的切屑刃为四个；所述的连接板为四个。
一种能够加固井壁的钻井设备的使用方法，包括以下步骤：
1)钻前作业：安装底部钻头、下部钻铤、中部钻杆和上部井架；
2)下钻：通过内钻杆和钻铤向下注入钻井液，开启转盘使其转动，转盘转动带动方形钻杆转动，方形钻杆带动中部钻杆转动，中部钻杆带动钻铤转动，钻铤带动底部钻头转动，底部钻头带动钻铤内部的螺旋转杆转动；从地层表面向地下深部钻进的过程中，经切屑刃切割后的岩块通过内盘和外盘之间的空隙进入钻铤内，经切割刀片再次切割后由输送叶片螺旋上运至内钻杆内，随着岩块不断上运，内钻杆内的岩块不断堆积，最后经排屑机构将岩块排出；
3)接单根：当中部钻杆长度相对于钻孔深度不够时，拆下排屑机构下端与最上端钻杆的连接，在最上端钻杆的上方接一根钻杆，保持上下所有钻杆同轴连接，同时使挂钩连接件伸，重新将排屑机构与最上端的钻杆连接，继续向下钻进作业；
4)重复步骤3)，直至底部钻头到达目标层时，再向下钻进一个钻铤的深度后，将内钻杆从外套管中抽离，留下外套管支撑井壁；
5)注浆：在外套管外围注入水泥浆液。
与现有技术相比，本发明采用内钻杆和外套管相结合的方式，经底部钻头开挖的岩块通过切屑刃切割后的岩块经内盘和外盘之间的空隙进入钻铤内，经钻铤内的切割刀片再次切割后由输送叶片螺旋上运至内钻杆内，随着岩块不断上运，内钻杆内的岩块不断堆积，最后经排屑机构将岩块排出，当底部钻头到达目标层时，通过解除内钻杆与外套管之间的连接板，将内钻杆从中抽离，留下外套管支撑井壁，拚弃了先开挖再加固井壁的传统钻井模式，实现了边开挖、边加固井壁，有效增强了井壁的稳定性；该钻井设备的使用方法步骤简便，易于操作，提高了钻井的速度和质量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中钻铤和钻杆配合的结构示意图；
图3是本发明中钻头的结构示意图；
图4是本发明中钻杆的剖面结构示意图；
图5是本发明中连接机构的外套管部分的结构示意图；
图6是本发明连接机构的内钻杆部分的结构示意图；
图7是本发明方形钻杆与转盘配合的结构示意图；
图8是本发明转盘的结构示意图；
图9是本发明钻井盘的结构示意图。
图中：1、钻头，101、圆盘形主体，102、切屑刃，103、出屑口；
2、钻铤，201、螺旋转杆，201-1、旋转轴，201-2、输送叶片，201-3、切割刀片；
3、钻杆，301、内钻杆，302、外套管，303、连接机构，303-1、第一装配槽，303-2、第二装配槽，303-1-1、限位块一，303-2-1、限位块二，303-2-2、连接块，303-3、第一装配块，303-4、第二装配块，304、滤网；
4、井架，401、井架主体，402、安装台，403、挂钩，404、转盘，404-1、转盘主体，404-2、轴承，405、方形钻杆，406、方形孔；
5、钻井盘，501、内盘，502、外盘，503、连接板；
6、扣接环；7、排屑机构，701、通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，一种能够加固井壁的钻井设备，包括底部钻头1、下部钻铤2、中部钻杆3和上部井架4；
所述的钻头1包括圆盘形主体101，沿圆盘形主体101周向均布多个切屑刃102，所述切屑刃102一端固定于靠近圆盘形主体101中心处，另一端伸出圆盘形主体101所在面；相邻切屑刃102之间的圆盘形主体101上设有出屑口103，出屑口103为贯通圆盘形主体101上、下端面的通孔；
如图2、图9所示，所述的钻铤2通过钻井盘5连接于钻头1上，钻井盘5包括内盘501和外盘502，内盘501和外盘502均为中部镂空的圆环，内盘501位于外盘502的中心，内盘501和外盘502之间通过连接板503进行连接；外盘502的下端面与钻头1连接；
如图1至图4所示，钻铤2为中空套筒，其内部空腔设置有螺旋转杆201，所述螺旋转杆201包括沿套筒长度方向竖直设置的旋转轴201-1、螺旋套设于旋转轴201-1外部的输送叶片201-2和切割刀片201-3，所述切割刀201-3片周向连接于旋转轴201-1外壁上，该连接处位于输送叶片201-2下方与旋转轴201-1下端之间；旋转轴201-1下端插装于内盘501内；套筒下端面与外盘502上端面连接；
钻杆3通过扣接环6连接于钻铤2上端，钻杆3与钻铤2同轴设置，且钻杆3的直径不大于钻铤2的直径；
扣接环6内壁上设有上部螺纹段和下部螺纹段，下部螺纹段与钻铤上端外壁上开设的螺纹段连接，上部螺纹段与钻杆3下端外壁上开设的螺纹段连接；钻杆3包括内部中空的外套管302和在外套管302中空腔体内设有沿其长度方向设置的内钻杆301，内钻杆301为中空的内部岩块通道，内钻杆301与外套管302之间通过连接机构303进行连接；在内钻杆301与外套管302之间的空腔底部设有滤网304；
如图1、图7和图8所示，井架4位于钻杆3上方，包括井架主体401以及设置于主体内部的多层安装台402，上层安装台安装有挂钩403，下层安装台上安装有转盘404，所述转盘404包括转盘主体404-1，转盘主体404-1中部安装轴承404-2，轴承中心开设与方形钻杆405相适配的方形孔406；方形钻杆405的上端通过升降连接件与挂钩403连接，下端穿过方形孔406后与排屑机构7上端连接，排屑机构7下端与内钻杆301连接；
所述的排屑机构7为中空柱筒，其内壁上端开设与方形钻杆4-5外壁下端螺纹段相适配的螺纹段，其外壁下端开设与内钻杆3-1内壁上端螺纹段相适配的螺纹段；中空柱筒筒壁上满布通孔701。
优选地，如图5和图6所示，所述的连接机构303包括分别设置于外套管302内壁上端和下端的第一装配槽303-1和第二装配槽303-2，第一装配槽303-1和第二装配槽303-2以外套管302中心轴为对称轴，均至少设置一对，第一装配槽303-1包括相对设置的一对限位块一303-1-1，限位块一303-1-1垂直于外套管302内壁设置，第二装配槽303-2包括相对设置的一对限位块二303-2-1和连接块303-2-2，一对限位块二303-2-1的一端均垂直于外套管302内壁设置，相对的另一端通过连接块303-2-2进行连接；在内钻杆301外壁的上端和下端分别与第一装配槽303-1和第二装配槽303-2相对应地设置有第一装配块303-3和第二装配块303-4，第一装配块303-3的形状和尺寸与第一装配槽303-1相适配并卡装于第一装配槽303-1内，第二装配块303-4呈倒L形，其水平臂与内钻杆301外壁连接，其竖直臂的形状和尺寸与第二装配槽303-2相适配并卡装于第二装配槽303-2内，与其形成挂钩配合结构。
优选地，如图3和图9所示，所述的切屑刃102为四个；所述的连接板503为四个；所述切屑刃102和连接板503皆周向均布设置。
一种能够加固井壁的钻井设备的使用方法，包括以下步骤：
1)钻前作业：安装底部钻头1、下部钻铤2、中部钻杆3和上部井架4；
2)下钻：通过内钻杆301和钻铤2向下注入钻井液，开启转盘404使其转动，转盘404转动带动方形钻杆405转动，方形钻杆405带动中部钻杆转动，中部钻杆带动钻铤2转动，钻铤2带动底部钻头1转动，底部钻头1带动钻铤2内部的螺旋转杆201转动；从地层表面向地下深部钻进的过程中，经切屑刃102切割后的岩块通过内盘501和外盘502之间的空隙进入钻铤2内，经切割刀片201-3再次切割后由输送叶片201-2螺旋上运至内钻杆301内，随着岩块不断上运，内钻杆301内的岩块不断堆积，最后经排屑机构7将岩块排出；
3)接单根：当中部钻杆3长度相对于钻孔深度不够时，拆下排屑机构7下端与最上端钻杆的连接，在最上端钻杆的上方接一根钻杆3，保持上下所有钻杆3同轴连接，同时使挂钩403连接件伸，重新将排屑机构7与最上端的钻杆3连接，继续向下钻进作业；
4)重复步骤3)，直至底部钻头1到达目标层时，再向下钻进一个钻铤2的深度后，将内钻杆301从外套管302中抽离，留下外套管302支撑井壁；
5)注浆：在外套管302外围注入水泥浆液。

Claims (4)

1.一种能够加固井壁的钻井设备，其特征在于，包括底部钻头(1)、下部钻铤(2)、中部钻杆(3)和上部井架(4)；
所述的钻头(1)包括圆盘形主体(101)，沿圆盘形主体(101)周向均布多个切屑刃(102)，所述切屑刃(102)一端固定于靠近圆盘形中心处，另一端伸出圆盘形主体(101)所在面；相邻切屑刃(102)之间的圆盘形主体(101)上设有出屑口(103)，出屑口(103)为贯通圆盘形主体(101)上、下端面的通孔；
所述的钻铤(2)通过钻井盘(5)连接于钻头(1)上，钻井盘(5)包括内盘(501)和外盘(502)，内盘(501)和外盘(502)均为中部镂空的圆环，内盘(501)位于外盘(502)的中心，内盘(501)和外盘(502)之间通过连接板(503)进行连接；外盘(502)的下端面与钻头(1)连接；
钻铤(2)为中空套筒，其内部空腔设置有螺旋转杆(201)，所述螺旋转杆(201)包括沿套筒长度方向竖直设置的旋转轴(201-1)、螺旋套设于旋转轴(201-1)外部的输送叶片(201-2)和切割刀片(201-3)，所述切割刀片(201-3)周向连接于旋转轴(201-1)外壁上，该连接处位于输送叶片(201-2)下方与旋转轴(201-1)下端之间；旋转轴(201-1)下端插装于内盘(501)内；套筒下端面与外盘(502)上端面连接；
钻杆(3)通过扣接环(6)连接于钻铤(2)上端，钻杆(3)与钻铤(2)同轴设置，且钻杆的直径不大于钻铤(2)的直径；
扣接环(6)内壁上设有上部螺纹段和下部螺纹段，下部螺纹段与钻铤(2)上端外壁上开设的螺纹段连接，上部螺纹段与钻杆(3)下端外壁上开设的螺纹段连接；钻杆(3)包括内部中空的外套管(302)和在外套管(302)中空腔体内沿其长度方向设置的内钻杆(301)，内钻杆(301)为中空的内部岩块通道，内钻杆(301)与外套管(302)之间通过连接机构(303)进行连接；在内钻杆(301)与外套管(302)之间的空腔底部设有滤网(304)；
井架(4)位于钻杆(3)上方，包括井架主体(401)以及设置于主体内部的多层安装台(402)，上层安装台安装有挂钩(403)，下层安装台上安装有转盘(404)，所述转盘(404)包括转盘主体(404-1)，转盘主体(404-1)中部安装轴承(404-2)，轴承(404-2)中心开设与方形钻杆(405)相适配的方形孔(406)；方形钻杆(405)的上端与挂钩(403)连接，下端穿过方形孔(406)后与排屑机构(7)上端连接，排屑机构(7)下端与内钻杆(301)连接；
所述的排屑机构(7)为中空柱筒，其内壁上端开设与方形钻杆(405)外壁下端螺纹段相适配的螺纹段，其外壁下端开设与内钻杆(301)内壁上端螺纹段相适配的螺纹段；中空柱筒筒壁上满布通孔(701)。
2.根据权利要求1所述的一种能够加固井壁的钻井设备，其特征在于，所述的连接机构(303)包括分别设置于外套管(302)内壁上端和下端的第一装配槽(303-1)和第二装配槽(303-2)，第一装配槽(303-1)和第二装配槽(303-2)以外套管(302)中心轴为对称轴，均至少设置一对，第一装配槽(303-1)包括相对设置的一对限位块一(303-1-1)，限位块一(303-1-1)垂直于外套管(302)内壁设置，第二装配槽(303-2)包括相对设置的一对限位块二(303-2-1)和连接块(303-2-2)，一对限位块二(303-2-1)的一端均垂直于外套管(302)内壁设置，相对的另一端通过连接块(303-2-2)进行连接；在内钻杆(301)外壁的上端和下端分别与第一装配槽(303-1)和第二装配槽(303-2)相对应地设置有第一装配块(303-3)和第二装配块(303-4)，第一装配块(303-3)的形状和尺寸与第一装配槽(303-1)相适配并卡装于第一装配槽(303-1)内，第二装配块(303-4)呈倒L形，其水平臂与内钻杆(301)外壁连接，其竖直臂的形状和尺寸与第二装配槽(303-2)相适配并卡装于第二装配槽(303-2)内，与其形成挂钩配合结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种能够加固井壁的钻井设备，其特征在于，所述的切屑刃(102)为四个；所述的连接板(503)为四个；所述切屑刃(102)和连接板(503)皆周向均布设置。
4.一种能够加固井壁的钻井设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)钻前作业：安装底部钻头(1)、下部钻铤(2)、中部钻杆(3)和上部井架(4)；
2)下钻：通过内钻杆(301)和钻铤(2)向下注入钻井液，开启转盘(404)使其转动，转盘(404)转动带动方形钻杆(405)转动，方形钻杆(405)带动中部钻杆转动，中部钻杆带动钻铤(2)转动，钻铤(2)带动底部钻头(1)转动，底部钻头(1)带动钻铤(2)内部的螺旋转杆(201)转动；从地层表面向地下深部钻进的过程中，经切屑刃(102)切割后的岩块通过内盘(501)和外盘(502)之间的空隙进入钻铤(2)内，经切割刀片(201-3)再次切割后由输送叶片(201-2)螺旋上运至内钻杆(301)内，随着岩块不断上运，内钻杆(301)内的岩块不断堆积，最后经排屑机构(7)将岩块排出；
3)接单根：当中部钻杆(3)长度相对于钻孔深度不够时，拆下排屑机构(7)下端与最上端钻杆的连接，在最上端钻杆的上方接一根钻杆(3)，保持上下所有钻杆(3)同轴连接，同时使挂钩(403)连接件伸长，重新将排屑机构(7)与最上端的钻杆(3)连接，继续向下钻进作业；
4)重复步骤3)，直至底部钻头(1)到达目标层时，再向下钻进一个钻铤(2)的深度后，将内钻杆(301)从外套管(302)中抽离，留下外套管(302)支撑井壁；
5)注浆：在外套管(302)外围注入水泥浆液。
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