CN114382432A - 一种中空螺杆钻具总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空螺杆钻具总成，包括外总成和套装在外总成的绳索取心通道中的内总成，内总成为取心内总成或钻进内总成；外总成包括取心钻头、下加长接头、中空螺杆马达和上导正接头；取心内总成包括由上部到下部依次连接的打捞头、定位卡、取心管单动机构、井下环境及工况监控储存模块和取心管；钻进内总成包括由上部到下部依次连接打捞头、定位卡、连接部、井下环境及工况监控储存模块和内钻头；本发明中的中空螺杆钻具总成钻探取心过程中，中空螺杆马达可以为井底钻头提供高转速，增加取心进尺速度。采用中空式的螺杆结构，可以在内部空间内安装绳索取心钻具，每次钻取岩心后可采用绞车进行打捞，不用起出全部钻具，节省取心时间。

Description

一种中空螺杆钻具总成

技术领域

本发明涉及取心钻技术领域，特别是涉及一种中空螺杆钻具总成。

背景技术

绳索取心钻进是在特制的绳索钻杆中投入钻具内总成，取心钻进结束后，使用绳索打捞器将内总成打捞出地表获取岩心的一种地质勘探钻孔施工方法，由于取心过程不需要将孔内数百或数千米钻杆提出地表，因此大大提高了工作效率。

常规的绳索取心钻进方法所使用的钻具外总成由外管上接绳索钻杆组成，内总成包括内管、卡簧及单动悬挂组件，靠地表回转动力驱动钻杆和钻头回转碎岩。随着钻探取心的发展，将遇到各种复杂情况的取心环境，如深海钻探取心时，因为海底会遇到坚硬的岩石，采用高转速才能加快进尺速度，但是海水没有支撑能力，为防止钻杆扭曲，无法用钻井船上的钻机动力头提供高转速，或者是受限动力头的能力，无法提供较高的转速，此时井下动力钻具的使用就十分重要。螺杆马达中空螺杆马达钻具可以提供较高的转速，但是常规螺杆马达中空螺杆马达一般为实心结构，在螺杆马达中空螺杆马达下部安装取心钻具和钻杆，每取完一个回次的岩心就需要将所有的钻具提出井底，当遇到井深较大时，因为钻具较多，每次起下钻浪费时间，成本较高。

综上，现有的绳索取心钻具有如下技术缺陷：

1.钻探取心过程中，无法为井底提供高转速，导致取心进尺速度较慢。

2.常规螺杆马达中空螺杆马达为实心结构，无法使用绳索取心钻具，每次获取岩心以后都需要将全部钻具提出井底，对于井深较大时，浪费时间，增加成本。

3.现有中空螺杆无法实现全断面钻进。

发明内容

本发明的目的是提供一种中空螺杆钻具总成，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种中空螺杆钻具总成，包括外总成和套装在外总成的绳索取心通道中的内总成，所述内总成为取心内总成或钻进内总成；

所述外总成包括取心钻头、下加长接头、中空螺杆马达和上导正接头，所述上导正接头的上端与钻杆装配，所述上导正接头的下端连接所述中空螺杆马达，所述上导正接头的内径大于内总成最大直径，所述中空螺杆马达为中空结构，所述中空螺杆马达的中空传动轴下端与所述下加长接头上端连接，所述下加长接头用于给所述内总成提供外部保护，所述下加长接头下端连接所述取心钻头，所述取心钻头为中空结构，岩心可通过内部空间进入所述内总成中；

所述取心内总成包括由上部到下部依次连接的打捞头、定位卡、取心管单动机构、井下环境及工况监控储存模块和取心管；当取完目标长度的岩心后可投入打捞工具，所述打捞工具上端连接所述打捞头的上端，将内总成提出井口，所述定位卡卡入所述中空螺杆马达的传扭定位槽，能够固定所述取心内总成的位置，所述取心管单动机构内部装有轴承，当定位卡旋转时能够保证下部钻具不发生旋转，减小取心扰动，提高取心率；

所述钻进内总成包括由上部到下部依次连接打捞头、定位卡、连接部、井下环境及工况监控储存模块和内钻头；所述打捞头上端用于与打捞工具连接，所述定位卡卡入所述中空螺杆马达的传扭定位槽，能够固定所述钻进内总成的位置。

优选地，所述下加长接头与所述中空螺杆之间设置有扶正套，所述扶正套内部为锯齿形结构，可让泥浆从缝隙中流过，所述下加长接头与所述取心钻头之间设置有过流套与轴承，所述过流套上开设有供泥浆通过的过流孔，所述过流套上端与所述下加长接头接触，所述过流套下端与所述取心钻头内部共同挤压所述轴承的外圈，所述轴承的内圈与所述取心内总成或所述钻进内总成接触。

优选地，所述中空螺杆马达包括外套管和设置于所述外套管内的所述中空传动轴、连接管和螺杆转子，所述螺杆转子内侧设置所述传扭定位槽，所述中空传动轴位于所述螺杆转子的下部，所述中空传动轴通过所述连接管与所述螺杆转子连接，所述螺杆转子、所述连接管和所述中空传动轴的上段与所述外套管之间设置有过浆间隙，所述中空传动轴的下段与所述外套管之间通过轴承连接，所述取心内总成或所述钻进内总成设置于所述中空传动轴、连接管和螺杆转子构成的空腔内，所述取心管单动机构的上段与所述中空传动轴之间设置螺杆孔内密封，所述螺杆孔内密封下部的所述中空传动轴上设置有过流孔，所述过流孔连通所述过浆间隙与所述中空传动轴内的过浆通道。

优选地，所述连接管两端与所述中空传动轴、所述螺杆转子螺纹连接，螺纹连接处设置有防转销。

优选地，所述连接管为柔性金属材料连接管。

优选地，所述定位卡包括本体和铰接在所述本体上的卡爪，所述本体的上端连接所述打捞头，所述本体的下端连接所述取心管单动机构或所述连接部。

优选地，所述取心管单动机构包括上端连接管、下端连接管和连接轴，所述上端连接管的上端连接所述定位卡的本体，所述上端连接管的下端连接所述连接轴的上端，所述连接轴的下端通过轴承连接所述下端连接管，所述下端连接管的下端则连接所述井下环境及工况监控储存模块。

优选地，所述井下环境及工况监控储存模块内部自带电源与传感器，用于检测取心过程中井下的温度、压力。

优选地，所述内钻头与所述井下环境及工况监控储存模块之间的连接管上设置有流道槽，所述连接管的内腔连通所述内钻头的喷水眼。

优选地，所述取心钻头为分级结构，所述取心钻头为小口径钻头，后端具有刀翼，实现大口径钻进。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1.钻探取心过程中，中空螺杆马达可以为井底钻头提供高转速，增加取心进尺速度。

2.采用中空式的螺杆结构，可以在内部空间内安装绳索取心钻具，每次钻取岩心后可采用绞车进行打捞，不用起出全部钻具，节省取心时间。

3.采用中空式的螺杆结构，可通过更换内总成实现不同工况需要，当需要取心时安装取心内总成，可进行取心作业，当不需要取心时，可更换钻进内总成，实现全断面钻进，一个外总成满足不同工况需要，节省更换钻具的时间。

4.内总成中安装有不同的传感器及储存模块，可记录钻进过程中的环境及工况，可根据记录参数提高取心率或者钻进速率。

5.在传扭轴中加工有泥浆通道，可让转子外的泥浆进入到中空螺杆内部，可以清洁井眼，提高钻速。

6.取心钻头内部可安装轴承、过流套与加长接头及取心内总成配合，实现外部钻头转动，内总成不动，减少内总成对岩心的扰动，提高取心率。

7.取心钻头为分级结构，前端超前取心钻头为小口径钻头，后端具有刀翼，实现大口径钻进，这种结构钻进时需要的扭矩较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明中中空螺杆钻具总成的结构示意图，其具体为外总成与取心内总成的装配图；

图2为本发明中中空螺杆钻具总成的结构示意图，其具体为外总成与钻进内总成的装配图；

图3为取心内总成的结构示意图；

图4为钻进内总成的结构示意图；

图5为内总成与外总成下部配合的局部放大图；

图6为连接管处的局部放大图；

图7为图6的A-A向剖面图；

图8为外总成与取心内总成的流道系统图；

图9为图8中A处的局部放大图，具体为螺杆孔内密封处的结构示意图；

图中：1-取心钻头、2-下加长接头、3-中空螺杆马达、301-螺杆转子、302-防转销、303-连接管、304-防转销、305-中空传动轴、306-外套管、307-传扭定位槽、308-过流孔、4-上导正接头、5-取心内总成、501-打捞头、502-定位卡、503-取心管单动机构、504-井下环境及工况监控储存模块、505-取心管、6-钻进内总成、601-打捞头、602-定位卡、603-井下环境及工况监控储存模块、604-内钻头、605-连接部、606-流道槽、7-扶正套、8-过流套、9-轴承。

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。

本发明的目的是提供一种中空螺杆钻具总成，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的中空螺杆钻具总成，如图1、图2所示，包括外总成和套装在外总成的绳索取心通道中的内总成，内总成为取心内总成5或钻进内总成6；

外总成包括取心钻头1、下加长接头2、中空螺杆马达3和上导正接头4，上导正接头4的上端与钻杆装配，上导正接头4的下端连接中空螺杆马达3，上导正接头4的内径大于内总成最大直径，3中空螺杆马达为中空结构，中空螺杆马达3的中空传动轴305下端与下加长接头2上端连接，下加长接头2用于给内总成提供外部保护，下加长接头2下端连接取心钻头1，取心钻头1为中空结构，岩心可通过内部空间进入内总成中；

如图3所示，取心内总成5包括由上部到下部依次连接的打捞头501、定位卡502、取心管单动机构503、井下环境及工况监控储存模块504和取心管505；当取完目标长度的岩心后可投入打捞工具，打捞工具上端连接打捞头501的上端，将内总成提出井口，定位卡502卡入中空螺杆马达的传扭定位槽，可固定取心内总成5的位置，取心管单动机构503内部装有轴承，当定位卡502旋转时能够保证下部钻具不发生旋转，减小取心扰动，提高取心率；

如图4所示，钻进内总成6包括由上部到下部依次连接打捞头601、定位卡602、连接部605、井下环境及工况监控储存模块603和内钻头604；打捞头601上端用于与打捞工具连接，定位卡602卡入中空螺杆马达3的传扭定位槽，可固定钻进内总成6的位置。

如图5所示，下加长接头2与中空螺杆之间设置有扶正套7，扶正套7内部为锯齿形结构，可让泥浆从缝隙中流过，下加长接头2与取心钻头1之间设置有过流套8与轴承9，过流套8上开设有供泥浆通过的过流孔，过流套8上端与下加长接头2接触，过流套8下端与取心钻头1内部共同挤压轴承9的外圈，轴承9的内圈与取心内总成5或钻进内总成6接触；当取心过程中，取心钻头1旋转，取心内总成5或钻进内总成6由于轴承9的作用，不发生旋转，减小取心钻具扰动，提高取心率。

如图6所示，中空螺杆马达3包括外套管306和设置于外套管306内的中空传动轴305、连接管303和螺杆转子301，螺杆转子301内侧设置传扭定位槽307(如图7所示)，既可以为取心内总成5提供定位功能，又可以为钻进内总成6提供传扭功能。中空传动轴305位于螺杆转子301的下部，中空传动轴305通过连接管303与螺杆转子301连接，螺杆转子301、连接管303和中空传动轴305的上段与外套管306之间设置有过浆间隙，中空传动轴305的下段与外套管之间通过轴承连接，取心内总成5或钻进内总成6设置于中空传动轴305、连接管303和螺杆转子301构成的空腔内，取心管单动机构503的上段与中空传动轴305之间设置螺杆孔内密封，螺杆孔内密封下部的中空传动轴305上设置有过流孔308，过流孔308连通过浆间隙与中空传动轴305内的过浆通道。

于本具体实施例中，连接管303为柔性金属材料连接管，具体为中空钛合金管或者其他柔性好的材料制成的管体，防止中空螺杆马达3空心万向节在运行过程中因疲劳断裂；连接管303两端与中空传动轴305、螺杆转子301螺纹连接，连接管303下螺纹与中空传动轴305螺纹中配打通孔，内部穿有防转销304，连接管303上螺纹与螺杆转子301螺纹中配打通孔，内部穿有防转销302；防转销的设置，当金属疲劳螺纹失效后万向节仍可继续工作。

于本具体实施例中，定位卡502包括本体和铰接在本体上的卡爪，本体的上端连接打捞头501，本体的下端连接取心管单动机构503或连接部605。

于本具体实施例中，取心管单动机构503包括上端连接管、下端连接管和连接轴，上端连接管的上端连接定位卡502的本体，上端连接管的下端连接连接轴的上端，连接轴的下端通过轴承连接下端连接管，下端连接管的下端则连接井下环境及工况监控储存模块。

于本具体实施例中，井下环境及工况监控储存模块内部自带电源与传感器，用于检测取心过程中井下的温度、压力等参数。

于本具体实施例中，内钻头与所述井下环境及工况监控储存模块之间的连接管上设置有流道槽606，所述连接管的内腔连通所述内钻头604的喷水眼。

中空螺杆马达3泥浆流道系统如图8中箭头所示，当进行取心作业时，泥浆从上部流入中空螺杆马达3内部时，由于中空螺杆马达3流道内螺杆孔内密封(如图9所示)的作用，泥浆只能从螺杆转子301与定子(外套管306)间隙流动，驱动螺杆转子301旋转，在中空传动轴305的下部开有过流孔308，通过泥浆进入到中空传动轴305的内部与取心管505的间隙中，从外钻头水眼及中心孔喷出。

当进行全断面钻进作业时，钻进内总成6上部结构与取心内总成5一致，区别在于内钻头上部连接管开有流道槽(如图4所示)，泥浆可以进入到内钻头604内部，从内钻头604水眼喷出。

本实施例中:

1)将实心万向节换成中空钛合金管或者其他柔性好的材料的结构，可以在中空空间安装内总成，实现取心和钻进作业；

2)中空万向节采用柔性好的材料，防止中空螺杆马达空心万向节在运行过程中因疲劳断裂；

3)万向节上下螺纹中均安装有防转销，当金属疲劳螺纹失效后万向节仍可继续工作；

4)在螺杆空心万向节下端具有传扭定位槽，既可以定位绳索取心钻具，又可以为全断面取心钻进的内钻具提供定位和传扭。

5)取心内总成5和钻进内总成6上部安装有打捞头501，内总成可通过绳索打捞工具提出井口，当需要取心时投入取心内总成5可进行取心工作，需要全断面钻进时投入钻进内总成6可进行钻进工作，一套外总成即可满足不同工况需要，节省起下钻时间；

6)在内总成中加入井下环境及工况监控储存模块，可以记录取心、钻进过程中的参数，可根据记录参数修改钻压、转速、泵流量，提高取心率或者钻进速率。

7)中空螺杆马达3的中空内部可由内总成封堵，让泥浆通过定子与转子的间隙，驱动中空螺杆马达3，下部开有较大的槽孔，可让泥浆重新进入到中空螺杆内部，从钻头喷射出，清洁井眼，提高钻进速度。

8)取心钻头1内部可安装轴承、过流套8与加长接头及取心内总成5配合，实现外部钻头转动，内总成不动，减少内总成对岩心的扰动，提高取心率。

9)取心钻头1为分级结构，前端超前取心钻头为小口径取心钻头，后端具有刀翼，实现大口径钻进。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种中空螺杆钻具总成，其特征在于：包括外总成和套装在外总成的绳索取心通道中的内总成，所述内总成为取心内总成或钻进内总成；

所述外总成包括取心钻头、下加长接头、中空螺杆马达和上导正接头，所述上导正接头的上端与钻杆装配，所述上导正接头的下端连接所述中空螺杆马达，所述上导正接头的内径大于内总成最大直径，所述中空螺杆马达为中空结构，所述中空螺杆马达的中空传动轴下端与所述下加长接头上端连接，所述下加长接头用于给所述内总成提供外部保护，所述下加长接头下端连接所述取心钻头，所述取心钻头为中空结构，岩心可通过内部空间进入所述内总成中；

所述取心内总成包括由上部到下部依次连接的打捞头、定位卡、取心管单动机构、井下环境及工况监控储存模块和取心管；当取完目标长度的岩心后可投入打捞工具，所述打捞工具上端连接所述打捞头的上端，将内总成提出井口，所述定位卡卡入所述中空螺杆马达的传扭定位槽，能够固定所述取心内总成的位置，所述取心管单动机构内部装有轴承，当定位卡旋转时能够保证下部钻具不发生旋转，减小取心扰动，提高取心率；

所述钻进内总成包括由上部到下部依次连接打捞头、定位卡、连接部、井下环境及工况监控储存模块和内钻头；所述打捞头上端用于与打捞工具连接，所述定位卡卡入所述中空螺杆马达的传扭定位槽，能够固定所述钻进内总成的位置。

2.根据权利要求1所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述下加长接头与所述中空螺杆之间设置有扶正套，所述扶正套内部为锯齿形结构，可让泥浆从缝隙中流过，所述下加长接头与所述取心钻头之间设置有过流套与轴承，所述过流套上开设有供泥浆通过的过流孔，所述过流套上端与所述下加长接头接触，所述过流套下端与所述取心钻头内部共同挤压所述轴承的外圈，所述轴承的内圈与所述取心内总成或所述钻进内总成接触。

3.根据权利要求1所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述中空螺杆马达包括外套管和设置于所述外套管内的所述中空传动轴、连接管和螺杆转子，所述螺杆转子内侧设置所述传扭定位槽，所述中空传动轴位于所述螺杆转子的下部，所述中空传动轴通过所述连接管与所述螺杆转子连接，所述螺杆转子、所述连接管和所述中空传动轴的上段与所述外套管之间设置有过浆间隙，所述中空传动轴的下段与所述外套管之间通过轴承连接，所述取心内总成或所述钻进内总成设置于所述中空传动轴、连接管和螺杆转子构成的空腔内，所述取心管单动机构的上段与所述中空传动轴之间设置螺杆孔内密封，所述螺杆孔内密封下部的所述中空传动轴上设置有过流孔，所述过流孔连通所述过浆间隙与所述中空传动轴内的过浆通道。

4.根据权利要求3所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述连接管两端与所述中空传动轴、所述螺杆转子螺纹连接，螺纹连接处设置有防转销。

5.根据权利要求4所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述连接管为柔性金属材料连接管。

6.根据权利要求3所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述定位卡包括本体和铰接在所述本体上的卡爪，所述本体的上端连接所述打捞头，所述本体的下端连接所述取心管单动机构或所述连接部。

7.根据权利要求6所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述取心管单动机构包括上端连接管、下端连接管和连接轴，所述上端连接管的上端连接所述定位卡的本体，所述上端连接管的下端连接所述连接轴的上端，所述连接轴的下端通过轴承连接所述下端连接管，所述下端连接管的下端则连接所述井下环境及工况监控储存模块。

8.根据权利要求1所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述井下环境及工况监控储存模块内部自带电源与传感器，用于检测取心过程中井下的温度、压力。

9.根据权利要求1所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述内钻头与所述井下环境及工况监控储存模块之间的连接管上设置有流道槽，所述连接管的内腔连通所述内钻头的喷水眼。

10.根据权利要求1所述的中空螺杆钻具总成，其特征在于：所述取心钻头为分级结构，所述取心钻头为小口径钻头，后端具有刀翼，实现大口径钻进。

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