CN113266269A - 钻杆动力头装置、循环装置及钻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻杆动力头装置、循环装置及钻机，该钻杆动力头装置包括动力机构和循环装置；循环装置包括：中心管，其安装于动力机构，该动力机构能够驱动中心管旋转；内管，其设于中心管内，内管与中心管之间设有第一环空，内管的上端与中心管的内壁密封配合；进气管，其与第一环空连通；在中心管的下端连接正循环钻杆的情况下，内管的中心孔与正循环钻杆的中心孔连通；在中心管的下端和内管的下端，连接反循环钻杆的情况下，第一环空与反循环钻杆的钻杆环空连通，并且内管的中心孔与反循环钻杆的内管中心孔连通。通过本发明，解决了复杂岩性区同一口井需更换不同的钻机，所带来的钻井成孔难的技术问题，实现了一体式正反循环钻机。

Description

钻杆动力头装置、循环装置及钻机

技术领域

本发明涉及钻井装备的领域，尤其涉及一种钻杆动力头装置、循环装置及钻机。

背景技术

一些油田所在的盆地勘探丰度逐年增高，勘探范围逐渐扩大，向周边区域辐射。一些盆地处于高纬度地区，冬季极寒，最冷在-40℃以下，地表75％为火山岩覆盖区，多期次火山喷发影响及风化、剥蚀、流水侵蚀等作用，起伏变化大，存在冲沟和河谷。表层岩性多样化，以不同类型火山熔岩、流沙、含沙砾石、较大砾石、胶泥为主。

一些盆地表层岩性结构纵、横向变化比较复杂，一口井内存在多种岩性交互层，一种钻机或钻具无法单独完成钻进工作，无法适应多种复杂地层钻进。同时，在流沙区、砾石区钻进达到设计井深，提杆后井壁坍塌，无法成井。造成地震钻井进尺难、成孔难、下药难的“三难”局面。

一些盆地地表岩性纵向和横向均变化剧烈，相临井的岩性结构差异大，难以预测每口井的岩性结构，钻机类型的合理匹配难以实现，使用原有装置在大杨树盆地地震勘探钻井作业过程中，完成一口地震钻井需采用多部不同功能钻机接续进行钻井作业。

遇到胶泥层、砾石层、流沙层和火山熔岩层交互的地层，钻井钻进时，相应地层岩性对应使用常规水钻、反循环钻机和跟管钻机钻进。常规水钻打完胶泥层后，地下岩性如果是砾石、流沙层或火山熔岩，常规水钻无法继续钻进，需更换反循环钻机或跟管钻机在原有井口接续钻进。在常规水钻提杆离开井口后，接续钻进的钻机需要立起钻机井架来“对井口”，确保接续钻机钻杆中心线与井孔中心线在垂直方向保持一致。

针对同一口井不同岩性，使用不同功能钻机进行钻进作业，增加了钻机配备数量和钻井工地钻机调用的等待时间，延长了单井完井时间，严重影响施工效率，增加钻井直接成本和间接成本支出；冬季施工由于大雪影响，一些盆地地表属丘陵地貌，接续钻机“对井口”的过程到点难，而且，存在较大的安全隐患。

由于一些盆地地表岩性的多样性和复杂性，同一口井纵向出现多种岩性，不同岩性要相应采用不同的钻具，钻井过程中更换钻具需进行“对井口”操作，增大了高寒区复杂岩性钻井成孔的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻杆动力头装置、循环装置及钻机，以解决复杂岩性区同一口井需更换不同的钻机，所带来的钻井成孔难的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种钻杆动力头装置，包括动力机构和循环装置；所述循环装置包括：

中心管，其安装于所述动力机构，所述动力机构能够驱动所述中心管旋转；

内管，其设于所述中心管内，所述内管与所述中心管之间设有第一环空，所述内管的上端与所述中心管的内壁密封配合；

进气管，其与所述第一环空连通；

在所述中心管的下端连接正循环钻杆的情况下，所述内管的中心孔与所述正循环钻杆的中心孔连通；

在所述中心管的下端和所述内管的下端，连接反循环钻杆的情况下，所述第一环空与所述反循环钻杆的钻杆环空连通，并且所述内管的中心孔与所述反循环钻杆的内管中心孔连通。

在优选的实施方式中，所述内管与中心管之间悬浮连接。

在优选的实施方式中，所述内管的上端设有与所述中心管的内壁相配合的第一油封结构。

在优选的实施方式中，所述内管的外壁设有多个环状间隔分布的扶正凸起块，所述扶正凸起块与所述中心管的内壁相配合。

在优选的实施方式中，所述内管的下端设有第二油封结构。

在优选的实施方式中，所述钻杆动力头装置包括进水头机构，所述进水头机构包括外壳套、内套管、上环座和下环座，所述下环座固定于所述动力机构的壳体的顶部；所述内套管与所述中心管的中心孔连通；所述外壳套的下端连接于所述下环座，所述外壳套的上端与所述内套管的上端均连接于所述上环座，所述外壳套与所述内套管之间设有进水头环腔；所述中心管的上端具有延伸至所述进水头环腔内的进水管部，所述进水头环腔中设有第三油封结构，所述第三油封结构分别与所述进水管部的外壁和所述外壳套的内壁相配合；所述内管的中心孔的上端通过所述中心管与所述内套管相连通。

在优选的实施方式中，所述中心管的下端从上往下依次连接有变接头和下接头，所述下接头的下端能够与所述正循环钻杆连接，并且，所述下接头的内壁与所述内管的外壁的下端密封配合。

在优选的实施方式中，所述中心管的下端连接有变接头，所述变接头的下端能够与所述反循环钻杆连接。

在优选的实施方式中，所述变接头包括从上往下依次连接的双母接头和双公接头。

在优选的实施方式中，所述钻杆动力头装置包括进气龙头，所述进气龙头固定于所述动力机构的壳体的下侧，所述进气龙头套设于所述中心管外环圆周，所述进气龙头与所述中心管之间设有第二环空；所述中心管的管壁设有连通所述第二环空与所述第一环空的进气通孔；所述进气管连接于所述进气龙头，且与所述第二环空连通。

在优选的实施方式中，所述中心管的内壁设有从上往下依次分布的第一台阶部、第二台阶部和第三台阶部，所述内管的上端与所述第二台阶部配合，所述第三台阶部与所述内管的外壁之间形成所述第一环空，所述内管的内壁的内径与所述第一台阶部的内径相等。

本发明提供一种循环装置，应用于上述的钻杆动力头装置，所述循环装置包括：

中心管；

内管，其设于所述中心管内，所述中心管与所述内管之间设有第一环空；

进气管，其与所述第一环空连通；

在所述中心管的下端和所述内管的下端，连接反循环钻杆的情况下，所述第一环空与所述反循环钻杆的钻杆环空连通，并且所述内管的中心孔与所述反循环钻杆的内管中心孔连通；

在所述中心管的下端连接正循环钻杆的情况下，所述内管的中心孔与所述正循环钻杆的中心孔连通。

本发明提供一种钻机，包括：上述的钻杆动力头装置。

本发明的特点及优点是：

使用该钻杆动力头装置进行钻井，可以将正循环钻杆连接于中心管的下端，内管的中心孔与正循环钻杆的中心孔连通，高压管与中心管的上端连接，钻井介质可以经过中心管的中心孔、内管的中心孔流向正循环钻杆的中心孔中，钻井介质进入井底后，可以向上从钻杆与井壁之间的孔隙返回到地面，保障正循环钻杆及钻具进行正循环，同时，动力机构通过中心管带动正循环钻杆旋转，实现钻井。

向下钻进，遇到不同岩性地层时，可以将钻杆提起，拆下正循环钻杆及钻具，将反循环钻杆连接于中心管的下端和内管的下端，第一环空与反循环钻杆的钻杆环空连通，通过进气管注入压缩空气，压缩空气依次经过第一环空、反循环钻杆的钻杆环空，流向井底，并携带钻屑向上从反循环钻杆的内管中心孔、内管的中心孔和中心管的中心孔，反吹至地上，保障反循环钻杆及钻具进行反循环，同时，动力机构通过中心管带动反循环钻杆旋转，实现钻井。

通过该钻杆动力头装置，同一台钻机可以使用正循环钻杆及钻具和反循环钻杆及钻具，对同一口井纵向具有多种岩性的情况，可以使用一台钻机，根据所钻遇的岩性，更换正循环钻杆及钻具或者反循环钻杆及钻具，钻机不用调整位置，省去了“对井口”，减少了安全隐患，降低了钻井成孔的难度，提高了钻井生产效率和成孔率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的钻杆动力头装置在正循环方式下的结构示意图；

图2为本发明提供的钻杆动力头装置在反循环方式下的结构示意图；

图3为本发明提供的钻杆动力头装置中进水头机构的结构示意图；

图4为本发明提供的钻杆动力头装置中进气管与进气龙头的结构示意图；

图5为图1所示的钻杆动力头装置中下接头、中心管与内管的局部示意图。

附图标号说明：

5、中心管；51、第一台阶部；52、第二台阶部；53、第三台阶部；54、进水管部；55、轴承；

8、内管；81、第一环空；82、扶正凸起块；

18、进气管；4、气封堵；41、进气龙头；42、第二环空；

15、第一油封结构； 151、第一密封圈； 152、第一油封凹槽；

16、第二油封结构； 161、第二密封圈； 162、第二油封凹槽；

7、变接头；71、双母接头；72、双公接头；

10、下接头；17、下双公接头；

6、防松套；9、滑套；11、提篮；13、保护套；

3、进水头机构；

31、外壳套；32、内套管；321、进水头环腔；

33、上环座；37、下环座；

38、第三油封结构；34、弹性压紧环；35、橡胶密封组件；

36、黄油嘴；

1、进水弯头；12、上喷口；

2、第一快速转换组件；21、第二快速转换组件；

14、动力机构；141、动力头外壳；142、动力头齿轮；143、液压马达。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明提供了一种钻杆动力头装置，如图1、图2和图5所示，该钻杆动力头装置包括动力机构14和循环装置；循环装置包括：中心管5、内管8和进气管18；中心管5安装于动力机构14，动力机构14能够驱动中心管5旋转；内管8设于中心管5内，内管8与中心管5之间设有第一环空81，内管8的上端与中心管5的内壁密封配合；进气管18与第一环空81连通；在中心管5的下端连接正循环钻杆的情况下，内管8的中心孔与正循环钻杆的中心孔连通；在中心管5的下端和内管8的下端，连接反循环钻杆的情况下，第一环空81与反循环钻杆的钻杆环空连通，并且内管8的中心孔与反循环钻杆的内管中心孔连通。反循环钻杆的钻杆环空为反循环钻杆的钻杆与内管之间的环空。

使用该钻杆动力头装置进行钻井，可以将正循环钻杆连接于中心管5的下端，内管8的中心孔与正循环钻杆的中心孔连通，高压管与中心管5的上端连接，钻井介质可以经过中心管5的中心孔、内管8的中心孔流向正循环钻杆的中心孔中，钻井介质进入井底后，可以向上从钻杆与井壁之间的孔隙返回到地面，保障正循环钻杆及钻具进行正循环，同时，动力机构14通过中心管5带动正循环钻杆旋转，实现钻井。

向下钻进，遇到不同岩性地层时，可以将钻杆提起，拆下正循环钻杆及钻具，将反循环钻杆连接于中心管5的下端和内管8的下端，第一环空81与反循环钻杆的钻杆环空连通，通过进气管18注入压缩空气，压缩空气依次经过第一环空81、反循环钻杆的钻杆环空，流向井底，并携带钻屑向上从反循环钻杆的内管中心孔、内管8的中心孔和中心管5的中心孔，反吹至地上，保障反循环钻杆及钻具进行反循环，同时，动力机构14通过中心管5带动反循环钻杆旋转，实现钻井。

通过该钻杆动力头装置，同一台钻机可以使用正循环钻杆及钻具或者反循环钻杆及钻具；对同一口井纵向具有多种岩性的情况，可以使用一台钻机，根据所钻遇的岩性，更换正循环钻杆及钻具或者反循环钻杆及钻具，钻机不用调整位置，省去了“对井口”，减少了安全隐患，降低了钻井成孔的难度，提高了钻井生产效率和成孔率。

如图1和图2所示，动力机构14包括动力头外壳141、动力头齿轮142和液压马达143，中心管5通过轴承55安装于动力头外壳141，液压马达143通过动力头齿轮142与中心管5连接，以驱动中心管5旋转。

在本发明的一实施方式中，内管8与中心管5之间悬浮连接。钻进过程中，内管8的中心孔作为循环介质的流通通道，液压马达143提供的扭力通过中心管5向钻杆传递，内管8与中心管5之间悬浮连接，使得内管8具有活动余量。在工作时，中心管5作旋转运动，内管8在中心管5的带动下进行旋转。采用该实施方式，使该钻杆动力头装置更方便组装和拆卸。

为了提高内管8与中心管5之间悬浮连接的可靠性，内管8的上端设有与中心管5的内壁相配合的第一油封结构15。如图1和图4所示，第一油封结构15包括第一密封圈151和设于内管8的外壁上端的第一油封凹槽152，第一密封圈151设于第一油封凹槽152内，且与中心管5的内壁配合，可以保障内管8的上端与中心管5的内壁密封配合，避免内管8的中心孔与第一环空81之间发生泄漏。

进一步地，内管8的外壁设有多个环状间隔分布的扶正凸起块82，如图1和图4所示，扶正凸起块82与中心管5的内壁相配合，扶正凸起块82可以起到定位作用和扶正作用，避免内管8在中心管5内发生偏斜，保证内管8位置的准确度和第一环空81的空间的稳定性。优选地，如图1所示，内管8的外壁设有上下分布的至少两排扶正凸起块组，每排扶正凸起块组包括有多个环状间隔分布的扶正凸起块82，以改善扶正效果和定位效果。

在本发明的一实施方式中，如图1和图5所示，中心管5的下端从上往下依次连接有变接头7和下接头10，下接头10的下端能够与正循环钻杆连接，并且，下接头10的内壁与内管8的外壁的下端密封配合。内管8的外壁的上端与中心管5的内壁密封配合，内管8的外壁的下端与下接头10的内壁密封配合，以在该钻杆动力头装置以正循环方式运行时，对第一环空81进行封闭。通过下接头10来与正循环钻杆相适配，以便于装卸正循环钻杆。如图5所示，下接头10的下端连接有下双公接头17，下双公接头17具有用于与正循环钻杆连接的公扣；进一步地，下接头10与下双公接头17外设置有提篮11，通过提篮11来在下接头10与下双公接头17之间进行丝扣保护，保护下接头10，以保障将扭力稳定地传递至正循环钻杆。

在本发明的一实施方式中，中心管5的下端连接有变接头7，变接头7的下端能够与反循环钻杆连接，如图2和图5所示，变接头7的下端设有公扣，以便于与反循环钻杆连接。

变接头7的上端设有母扣，以方便与中心管5的下端连接。进一步地，如图1、图2和图5所示，变接头7包括从上往下依次连接的双母接头71和双公接头72，双母接头71的上端与下端均具有母扣，双公接头72的上端与下端均具有公扣，双母接头71下端的母扣与双公接头72上端的公扣相配合，并且，通过双母接头71上端的母扣来与中心管5的下端连接，通过双公接头72的下端的公扣，来与下接头10或者反循环钻杆连接，这样，组合双公接头72与双母接头71，来实现变接头7的功能，使得变接头7实现双保护，即保护中心管和下部连接。

进一步地，中心管5与变接头7外连接有防松套6，通过防松套6，来在中心管5与变接头7之间进行丝扣保护和有效传递扭力。变接头7外还连接有滑套9，该钻杆动力装置以正循环方式运行时，如图1和图5所示，滑套9连接变接头7与下接头10，以在变接头7与下接头10之间进行丝扣保护和有效传递扭力；该钻杆动力装置以反循环方式运行时，滑套9连接变接头7与反循环钻杆，以在变接头7与反循环钻杆之间进行丝扣保护和有效传递扭力。

在本发明的一实施方式中，内管8的下端设有第二油封结构16，如图1、图2和图5所示，第二油封结构16包括第二密封圈161和设于内管8的外壁下端的第二油封凹槽162，第二密封圈161设于第二油封凹槽162内。

该钻杆动力装置在以正循环方式运行时，变接头7的下端连接下接头10，如图1和图5所示，第二密封圈161与下接头10的内壁配合，可以保障内管8的下端与下接头10的内壁密封配合，以对第一环空81进行封闭。

该钻杆动力装置在以反循环方式运行时，内管8的中心孔与反循环钻杆的内管中心孔连通，内管8外侧的第一环空81与反循环钻杆的钻杆环空连通；第二密封圈161可以与反循环钻杆相配合，以保障内管8与反循环钻杆的连接处的密封性，避免内管8的中心孔与第一环空81之间发生泄漏。

该钻杆动力头装置在工作时，中心管5与正循环钻杆之间以及中心管5与反循环钻杆之间均为刚性连接。第一油封结构15、第二油封结构16与扶正凸起块82相配合，提高了内管8与中心管5之间悬浮连接的可靠性，保障循环介质顺畅流动以及钻杆平稳旋转，有利于钻进作业。

在本发明的一实施方式中，中心管5的内壁设有从上往下依次分布的第一台阶部51、第二台阶部52和第三台阶部53，内管8的上端与第二台阶部52配合，第三台阶部53与内管8的外壁之间形成第一环空81，内管8的内壁的内径与第一台阶部51的内径相等。如图1、图2、图4和图5所示，第一台阶部51、第二台阶部52和第三台阶部53的内径依次增大，通过第二台阶部52与内管8的外壁配合，可以将内管8的中心孔与第一环空81之间进行封闭；内管8的中心孔中的循环介质流经第一台阶部51，有利于保证循环介质从第一台阶部51顺畅地流向内管8的中心孔，或者从内管8的中心孔顺畅地流向第一台阶部51。

在正循环方式下，中心管5的上端可以连接进水弯头1，循环介质经进水弯头1进入，并流经中心管5和内管8的中心孔；在反循环方式下，中心管5的上端可以连接上喷口12，由井底反吹向上流入内管8的中心孔中的循环介质继续向上流动，流经中心管5，并通过上喷口12向外排出。该钻杆动力头装置在运行时，进水弯头1与上喷口12保持静止，中心管5为转动状态，为了保障循环介质向下流入中心管5的过程以及循环介质向上从中心管5流出的过程中的密封性，发明人对该钻杆动力头装置作了进一步的改进：如图1-图3所示，该钻杆动力头装置包括进水头机构3，进水头机构3包括外壳套31、内套管32、上环座33和下环座37，下环座37固定于动力机构14的顶部；内套管32与中心管5的中心孔连通；外壳套31的下端连接于下环座37，外壳套31的上端与内套管32的上端均连接于上环座33，外壳套31与内套管32之间设有进水头环腔321；中心管5的上端具有延伸至进水头环腔321内的进水管部54，进水头环腔321中设有第三油封结构38，第三油封结构38分别与进水管部54的外壁和外壳套31的内壁相配合；内管8的中心孔的上端通过第一台阶部51与内套管32相连通。

如图3所示，进水管部54位于第一台阶部51的上方，进水管部54伸入至进水头环腔321内，使中心管5与进水头结构之间的配合长度较长。进水管部54包围内套管32，内套管32与进水管部54之间间隙配合；外壳套31包围进水管部54，进水管部54与外壳套31之间通过第三油封结构38配合，内套管32与进水管部54过渡配合；进水管部54与外壳套31通过油封压紧密封，在运行时，进水管部54作旋转运动，外壳套31与内套管32保持静止，采用上述结构，提高了密封性，可以阻挡中心管5内的循环介质向外壳套31外流动，保障中心管5内的循环介质顺畅地流入到内套管32中，或者内套管32内的循环介质顺畅地流入到中心管5，避免循环介质泄露进动力机构14中。具体地，内套管32与上环座33紧配合，下环座37与外壳套31通过焊接连接，上环座33与外壳套31螺栓固定连接，下环座37与外壳套31通过焊接连接。下环座37可以通过螺栓连接于动力机构14的动力头外壳141，外壳套31和下环座37可以为一体的。

第三油封结构38可以包括弹性压紧环34和橡胶密封组件35，如图3所示，橡胶密封组件35的内侧与进水管部54的外壁贴合，橡胶密封组件35的外侧与外壳套31的内壁贴合；弹性压紧环34设于橡胶密封组件35的上方，弹性压紧环34的上端与上环座33抵接，弹性压紧环34的下端与橡胶密封组件35抵接，以将橡胶密封组件35压紧，保障橡胶密封组件35与进水管部54和外壳套31配合的可靠性。进一步地，外壳套31的侧壁连接有径向设置的黄油嘴36，黄油嘴36能够与橡胶密封组件35抵接进行润滑，黄油嘴36定期注入润滑脂，对油封进行润滑，保证油封的寿命。

下环座37固接于动力机构14的动力头外壳141，在一实施方式中，下环座37与动力头外壳141为一体结构。进水弯头1可以固接于上环座33，上喷口12也可以固接于上环座33。如图1所示，上环座33的上方连接第一快速转换组件2，进水弯头1安装于第一快速转换组件2，可以提高拆装进水弯头1的效率；如图2所示，上环座33的上方连接第二快速转换组件21，上喷口12安装于第二快速转换组件21，可以提高拆装上喷口12的效率。

进气管18连接于中心管5的外部，进气管18固定设置，并且进气管18与中心管5内的第一环空81相连通。在本发明的一实施方式中，钻杆动力头装置包括进气龙头41，如图1、图2和图4所示，进气龙头41固定于动力机构14的壳体的下侧，进气龙头41套设于中心管5外环圆周，进气龙头41与中心管5之间设有第二环空42；中心管5的管壁设有连通第二环空42与第一环空81的进气通孔；进气管18连接于进气龙头41，且与第二环空42连通。在反循环方式下，循环介质经过进气管18进入到进气龙头41内的第二环空42中，然后经过进气通孔进入到第一环空81中。反循环方式中的循环介质通常为高压气。进气龙头41与中心管5之间设有密封件，可以保障进气龙头41与中心管5之间密封性，避免高压气向外泄露。

在本发明的一实施方式中，进气管18可拆卸地连接有气封堵4，在正循环方式下，可以使用气封堵4将进气管18封堵住；在反循环方式下，拆下气封堵4，将气源接到进气管18，即可进行反循环作业。图2所示钻杆动力头装置，为反循环方式，反循环钻杆未示出，变接头7下端连接有保护套13，以在未安装钻杆时，保护内管8。

为了使本方案更易于理解，发明人对该钻杆动力装置的两种工作方式分别进行介绍。

正循环方式可以应用于常规水钻，循环介质可以采用高压水气，例如功能钻井液。用气封堵4将进气管18封住，高压管接到进水弯头1上，高压水气通过第一快速转换组件2、进水头机构3、内管8、下接头10、下双公接头17和钻杆到达钻头，高压水气作为循环介质注入钻头的循环通道，可以携带切削下来的岩屑，一同沿钻杆与井壁之间空隙返回到地面。正循环方式适用于胶泥层钻进；在胶泥层湿度不大或缺水施工期的情况下，可以利用螺旋钻，进行完井作业。

反循环方式可以应用于非常规气钻。将进水弯头1上的高压管和下接头10卸下，卸开第一快速转换组件2，通过第二快速转换组件21，更换上喷口12，打开气封堵4，将高压气管接到气封堵4的位置，高压气经过过进气管18送入进气龙头41，高压气通过第一环空81、和内管8与变接头7之间的间隙，进入反循环钻杆的钻杆环空腔后，到达井底，高压气裹挟岩屑从反循环钻杆的内管中心孔内上行，通过内管8的内腔和进水头机构3，从第二快速转换组件21上喷口12喷出。反循环方式适用于流沙、砾石层钻进，同时，便于跟管钻具等协同钻进工艺的同步实施。

该钻杆动力头装置可以实施常规钻进、反循环钻进、跟管钻进和螺旋钻进等钻井工艺。实现“四位一体”(“四位”指：常规钻进、反循环钻进、跟管钻进和螺旋钻进这四种钻进方法；“一体”指：一部钻机)、“一机一孔位”(指：在复杂岩性单井位-单部钻机一次定位成井的钻进过程)作业方案。实现不需要更换不同功能地震钻机，就能一次性完成单井成孔。攻克胶泥、小砾石、含水流沙、火山熔岩夹层、火山灰堆积层、风化岩层等复杂地层的成孔难问题。当常规水钻无法钻进时，可以切换工作方式，更换相应的钻杆和钻头等钻具，应用不同的钻进工艺逐层钻进，实现单井位-单部钻机一次定位、一次性成井。

采用该钻杆动力头装置，既能实现功能钻井液或气介质正循环钻进，也能实现气体反循环钻进，经济实用，操作简便；并且，单井钻进不需要更换钻机，避免了“对井口”作业，从而规避“对井口”作业带来的安全隐患，提高了地震钻井效率和单机成孔效率、降低了设备成本占比、节约了成本支出、保障了作业人员安全，适用于高寒区复杂岩性地震钻井需求。具有优点：1)实现一部钻机完成同井位，不同层次复杂岩性的一次成孔钻井作业，提高钻机钻井生产效率和成孔率；2)避免钻井过程中更换不同类型钻机，进行接续钻进作业带来的安全隐患和生产效率低下，保障钻井施工现场人员的人身安全；3)成倍的减少了设备、人员的配比；4)有助于实现“四位一体”、“一机一孔位”钻井生产模式，起到了节约成本支出的作用。

该钻杆动力头装置可以应用于WTJ5122TZJ型地震车载钻机，应用该发明装置及配套钻具，通过实验验证，改造后的钻机每口井的钻井时间均在30分钟左右，与使用原有钻机装置相比，可以至少节省40分钟左右，提高了钻机钻井生产效率，减少了钻机配备数量，节约了成本支出，有利于解决地表岩性多样化造成的地震钻井进尺难、成孔难、下药难的“三难”局面。

实施例二

本发明提供了一种循环装置，应用于上述的钻杆动力头装置，如图1、图2和图5所示，该循环装置包括：中心管5、内管8和进气管18；内管8设于中心管5内，中心管5与内管8之间设有第一环空81；进气管18与第一环空81连通；在中心管5的下端和内管8的下端，连接反循环钻杆的情况下，第一环空81与反循环钻杆的钻杆环空连通，并且内管8的中心孔与反循环钻杆的内管中心孔连通；在中心管5的下端连接正循环钻杆的情况下，内管8的中心孔与正循环钻杆的中心孔连通。

通过该循环装置，同一台钻机可以使用正循环钻杆及钻具和反循环钻杆及钻具，对同一口井纵向具有多种岩性的情况，可以使用一台钻机，根据所钻遇的岩性，更换正循环钻杆及钻具或者反循环钻杆及钻具，钻机不用调整位置，省去了“对井口”，减少了安全隐患，降低了钻井成孔的难度，提高了钻井生产效率和成孔率。

实施例三

本发明提供了一种钻机，包括上述的钻杆动力头装置。该钻机可以使用正循环钻杆及钻具和反循环钻杆及钻具，对同一口井纵向具有多种岩性的情况，可以使用一台钻机，根据所钻遇的岩性，更换正循环钻杆及钻具或者反循环钻杆及钻具，钻机不用调整位置，省去了“对井口”，减少了安全隐患，降低了钻井成孔的难度，提高了钻井生产效率和成孔率。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种钻杆动力头装置，其特征在于，包括动力机构和循环装置；所述循环装置包括：

中心管，其安装于所述动力机构，所述动力机构能够驱动所述中心管旋转；

内管，其设于所述中心管内，所述内管与所述中心管之间设有第一环空，所述内管的上端与所述中心管的内壁密封配合；

进气管，其与所述第一环空连通；

在所述中心管的下端连接正循环钻杆的情况下，所述内管的中心孔与所述正循环钻杆的中心孔连通；

在所述中心管的下端和所述内管的下端，连接反循环钻杆的情况下，所述第一环空与所述反循环钻杆的钻杆环空连通，并且所述内管的中心孔与所述反循环钻杆的内管中心孔连通。

2.根据权利要求1所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述内管与中心管之间悬浮连接。

3.根据权利要求2所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述内管的上端设有与所述中心管的内壁相配合的第一油封结构。

4.根据权利要求2所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述内管的外壁设有多个环状间隔分布的扶正凸起块，所述扶正凸起块与所述中心管的内壁相配合。

5.根据权利要求2所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述内管的下端设有第二油封结构。

6.根据权利要求1所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述钻杆动力头装置包括进水头机构，所述进水头机构包括外壳套、内套管、上环座和下环座，所述下环座固定于所述动力机构的壳体的顶部；所述内套管与所述中心管的中心孔连通；

所述外壳套的下端连接于所述下环座，所述外壳套的上端与所述内套管的上端均连接于所述上环座，所述外壳套与所述内套管之间设有进水头环腔；

所述中心管的上端具有延伸至所述进水头环腔内的进水管部，所述进水头环腔中设有第三油封结构，所述第三油封结构分别与所述进水管部的外壁和所述外壳套的内壁相配合；

所述内管的中心孔的上端通过所述中心管与所述内套管相连通。

7.根据权利要求1所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述中心管的下端从上往下依次连接有变接头和下接头，所述下接头的下端能够与所述正循环钻杆连接，并且，所述下接头的内壁与所述内管的外壁的下端密封配合。

8.根据权利要求1所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述中心管的下端连接有变接头，所述变接头的下端能够与所述反循环钻杆连接。

9.根据权利要求7或者8所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述变接头包括从上往下依次连接的双母接头和双公接头。

10.根据权利要求1所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述钻杆动力头装置包括进气龙头，所述进气龙头固定于所述动力机构的壳体的下侧，所述进气龙头套设于所述中心管外环圆周，所述进气龙头与所述中心管之间设有第二环空；

所述中心管的管壁设有连通所述第二环空与所述第一环空的进气通孔；所述进气管连接于所述进气龙头，且与所述第二环空连通。

11.根据权利要求1所述的钻杆动力头装置，其特征在于，所述中心管的内壁设有从上往下依次分布的第一台阶部、第二台阶部和第三台阶部，所述内管的上端与所述第二台阶部配合，所述第三台阶部与所述内管的外壁之间形成所述第一环空，所述内管的内壁的内径与所述第一台阶部的内径相等。

12.一种循环装置，其特征在于，应用于权利要求1-11中任一项所述的钻杆动力头装置，所述循环装置包括：

中心管；

内管，其设于所述中心管内，所述中心管与所述内管之间设有第一环空；

进气管，其与所述第一环空连通；

在所述中心管的下端和所述内管的下端，连接反循环钻杆的情况下，所述第一环空与所述反循环钻杆的钻杆环空连通，并且所述内管的中心孔与所述反循环钻杆的内管中心孔连通；

在所述中心管的下端连接正循环钻杆的情况下，所述内管的中心孔与所述正循环钻杆的中心孔连通。

13.一种钻机，其特征在于，包括：权利要求1-11中任一项所述的钻杆动力头装置。

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