CN1714223A - 钻头控制 - Google Patents

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Abstract

一种控制在地表下钻孔的流体钻头的方法，该方法通过旋转软管产生高压给钻头，并在钻头上产生斜向力来实现。通过在水平面内围绕旋转盘(24)旋转整个钻塔(13)，在远处处于固定状态的软管也能被带动旋转，软管(11)的垂直部分绕其轴向旋转。斜向力可以通过许多不同的办法来提供，但典型的实例是利用流体钻头上不对称的环来获得这种结果。

Description

钻头控制
技术领域
本发明涉及一种钻头控制，它特别地但不仅仅地设计用于采矿钻井或类似的地面钻井作业中的流体钻头的方向控制。
背景技术
流体钻头被应用于许多不同的钻井作业中，典型的流体钻头是使用一个带有多个喷嘴的旋转钻头，高压射流从喷嘴喷出直接击碎或冲蚀掉钻头前面的岩面。这种流体钻头在国际专利申请PCT/AU96/00783中进行了描述。
这种类型的流体钻头的一个困难是钻头方向的控制。在大多数作业中，特别是在诸如采煤之前要排除煤层间的甲烷气体的情况下，人们最渴望获得钻孔成型的精确方向。这种情况下，关键是获得一个排泄孔的样洞，而且要确保钻孔位置精确，以通过采矿操作中计划的通道位置。
过去，精确控制或操纵这种通过软管供给的流体钻头非常困难，特别是通过密封半径结构进行钻孔的地表及地表以下交叉面采矿、勘探钻井等。
发明内容
因此，在一方面中，本发明提供了一种通过软管提供高压流体来控制流体钻头的方法，它包括以下步骤：给钻头提供斜向力以及通过旋转钻头控制斜向力的方向。
优选地，旋转钻头的步骤通过使软管绕其纵向轴线旋转来完成。
优选地，软管从远离钻头的位置旋转。
在本发明的一种形式中，流体钻头从地平面使用，而所述的远离钻头的位置位于地平面或地平面上方。
优选地，软管从具有一基本水平的旋转轴的可旋转的滚筒供给，并且转动滚筒和与之相关联的传动装置，软管可以围绕垂直轴旋转，垂直轴与一个垂直孔成一行，软管从中供给直到地下。
可选择地，软管由一个动力旋转接头带动旋转。
可选择地，软管由一个非动力荆棘齿旋转接头带动旋转。
优选地，斜向力由流体钻头上不对称的探测环来提供。
可选择地，斜向力由部分遮挡钻头上的切割喷嘴来提供。
可选择地，斜向力由切割钻头上不对称的反推进喷嘴尺寸变化来提供。
可选择地，斜向力由部分偏斜的反推进喷嘴来提供。
附图说明
尽管其它一些钻头形式可能落在本发明的范围内，但是下面将本发明的一个优选形式通过实例并参照附图进行说明。图中：
图1是一个计划的地下矿道结构的水平截面图，示出了矿气排泄道期望的井孔位置；
图2是使用通过软管供给的流体钻头的一个典型密封半径钻井结构的纵截面简图。
图3是本发明中位于地表上可旋转软管供给的钻塔的立体简图；
图4是一个与图3类似的、安装在卡车或拖车上的钻塔的立体简图；
图5是本发明的另一形式中的一个用来影响软管旋转的棘齿旋转接头的示意图；
图6是一个流体钻头前端的立体图，示出了用于给钻头提供斜向力的不对称的探测环。
具体实施方式
下面参考一个典型的矿气排泄道位置来描述本发明的优选形式，在此位置处，从地表面钻出一个垂直孔并用造斜器提供从预定深度处的垂直孔向外延伸的径向孔，但是应当理解的是，可以将根据本发明的方法用于许多其它的流体钻井位置中，包括从地下位置的水平交叉平面的钻井。
图1示出一个典型的矿气排泄道的钻井操作方法，其中作为整个采矿作业的一部分，在特定矿道2处，煤层1间的甲烷和其它有害气体希望被排出。从地表面钻一些垂直孔3，再从垂直孔3用密封半径钻孔技术开出一些典型地如4所示的径向孔，就可以安全又经济地获得矿气排泄道。因该注意的是，径向孔的方向必须得到精确控制，以使径向孔通过矿道2的每一个分割的采煤面。
密封半径钻孔系统在图2中可以看得更清楚，其中垂直孔3从地表面5处钻通，管道6顺着垂直孔向下补给，以在煤层9中用于钻径向孔的理想位置上的扩孔的腔8中支撑驱动造斜器7。
通过挠性软管11向流体钻头10供应高压流体(通常是水)，挠性软管11穿过管道6并且由造斜器7中的可直立的臂12水平地转向。
挠性管从地表处供给，其中挠性管道储存在可绕着水平轴14旋转的滚筒20上，滚筒20安装在地表钻塔13上。
地表钻塔也可以结合其它零件，如用于控制线16的另一个滚筒15和布置用来引导软管和控制线对准进入垂直孔3中的导向槽轮(未图示)。
高压水流从高压泵19中，经由输送软管18供给到软管卷轴20内。
为了控制流体钻头10的方向，控制钻头在垂直方向的位置以使它保持在煤层间9，并且为了沿要求的方向引导钻头完成图1所示类型的钻井井位布置，提供给钻头一个斜向力使沿着一个弯曲路径偏移或转向。斜向力的方向可以通过旋转软管11进而转动钻头来确定。这可以通过下面将要描述的多种方法实现。
斜向力可以通过多种不同的方法供给，但已经发现，优选通过使用位于流体钻头上的不对称的探测环来提供该斜向力。
我们的审批中的国际专利申请PCT/AU02/01550中描述了一种具有探测环的流体钻头，而且发现一个如图6所示的使探测环的前沿不对称的小的改进。在这种结构中，同心地绕可旋转的流体喷头21安装的探测环20制成不对称的，这种不对称可以是环的前沿22在钻头的一边比另一边高，也可以是用其它不对称的方式制成该探测环的前沿的形状。这样，从对着扩孔喷嘴23的一侧喷出的流体因环的前沿在钻头21旋转时的某一点会部分地受到阻碍和转向，从而产生一个不均匀或斜向的侧面力传递给在弯曲的轨道上的流体钻头。
可选择的，如国际专利申请PCT/AU96/00783中所描述的，通过偏置来自用于推动钻头向前的反推进喷嘴(retro jets)的力来提供给钻头斜向力的方法，这种方法可以通过将一个喷嘴制成比其它的喷嘴大或者通过部分地偏置反推进喷嘴的一个，使这个喷嘴相对于钻头的轴线所成的角度比其它的喷嘴大很多来实现。
可选择地，钻头里也可以只安装一个偏斜喷嘴。
旋转软管11并带动流体钻头10来控制斜向力在需要的方向的优选方法是绕着软管11轴向旋转整个钻塔13，这样，管道就向下向垂直孔3里供给。这种结构形式如图3所示，在图3中，钻塔13绕旋转盘24在水平面上转动，钻台平台内侧由滚轮25支撑在旋转盘上，外侧末端则由做圆周运动的轮26支撑。这种方式下，整个钻塔可以旋转起来，进而带动软管11转动。
如图4所示，把整个钻塔安装在卡车或拖车底板27上是可能的，由此，钻塔可以旋转，而且，对软管11的垂直部分，整个软管旋转时它可以穿过卡车底板向下供给。
作为一个旋转台面，钻塔13的任意转动都将转化为相应转动软管的长度在轴向的变化，由此，也可以用来把钻孔斜线定位在任意需要的方向上。达到这种目的最基本的服务是要连接好旋转台面或包括高压水、动力及设备电缆的软管滚筒系统。高压水旋转接头可以位于沿着旋转台面轴线的穿透结构上方。连接动力和电缆原始而又有效的办法是把固定在半边拖车底盘27上的供给滚筒上的电缆直接连接到固定在旋转台面上的滚筒上。考虑到钻孔中径向或横向控制有可能不成功，电缆应用足够长的供应例如要满足旋转台面100转旋转的要求。一个侧向掘进完成后，电缆将回到供给滚筒上准备下一个侧向掘进了。
这种从地表面旋转软管的方法的优点是系统所有部件都在孔外面的地表之上，其中一个好处就是所有部件的正确操控、设备维修及可靠性问题等都可以用肉眼核查。这个系统可以获得良好的斜向掘进的方向控制，而且所有部件可以顺、逆时针方向旋转。
在旋转软管11的可选择方法中，各种各样的动力和非动力旋转接头都可能在软管里用到。
例如，一个中型软管的动力旋转接头可以插入到软管中去，其通常位于钻孔操作时的垂直井位置。旋转接头可以从地表面“激活”并得到期望的旋转速率(只能是一个方向，而且是在一定数量程度上增加)。不同的动力线(如液压或电力)连接到旋转接头上，促使其动作，并且这样的动力需要在钻孔操作时需要沿着矿井补给。典型的旋转接头草图如图5中28所示。
将来可以有一种可选择的方法来旋转软管，一种非动力的荆棘接头可以直接安装在钻头10的后面或者垂直孔3内软管的某一接合处。有一种简单的控制方法，这种技术依赖于高压软管能否经受的住某种形式的扭曲变形，也就是管压力和张力的变化。
软管的压力和(或)张力的变化会使软管产生相对与软管股12的转动。这种转动被旋转接头中的荆棘机械机构所吸收，这意味着棘齿的力必须小于转动钻孔工具或钻头工具和软管的合力与井孔和造斜器软管通道相互作用力所形成的阻力。这时候，重新施加压力或张力，软管将向反方向旋转。
旋转接头上的棘齿防止软管扭曲回到原来相对于钻孔工具的位置，其结果是钻孔工具被强迫发生扭曲旋转。
这种技术主要依赖于当水压力和软管张力不断变化时，是否有能力使软管旋转接头产生可控制的相对转动。软管的压力、长度和张力等的影响是一个复杂的因素。
虽然不管是动力旋转接头还是非动力棘齿旋转接头都可以安装在靠近钻头的位置，甚至安装钻头里面，但是它们位于靠近补给滚筒的位置仍是优选的，这样软管就能离钻头比较远的位置旋转。
虽然如本发明描述的从地表处钻一个垂直孔，然后在垂直孔周围用造斜器钻径向孔这种技术离实际应用还有一段距离，但本发明还是与其它流体钻孔如地下水平十字盘钻孔有相同的应用特性。这种操作技术可用于地下矿道的掘进、采矿前在矿层间钻孔有害气体的释放，也可以用于收集煤层间可用来发电的甲烷等有价值的气体。
十字盘钻孔的情况与上述描述类似，不过，十字盘钻孔的软管是由一个由支架支撑着轴的滚筒来补给的，该支架在适当支护结构的支撑下，可围绕轴进行有顺序的旋转，滚筒轴通常是水平并排成行的，软管通过这些滚筒轴及与其相邻的井孔进行补给。虽然此处用了“水平”一词，其实井孔是倾斜的，但通常相对水平而不垂直。
提供一个斜向力给流体钻头10，然后通过旋转软管11来控制力的方向，这些目的可以通过如图3、图4所示优选旋转整个钻塔这种方式来达到，如此，钻孔工具的精确方向控制也可以获得。有些地方希望驱动钻孔工具在直线方向上掘进，连续旋转软管可以使得钻头螺旋性掘进，其路径大致与直线接近。
有的地方期望沿着一个特定的方向掘进，旋转钻头，斜向力就会驱动钻头向需要的方向旋转，而且还保持在这个方向，直到旋转完成。

Claims (13)

1.一种通过软管提供高压流体来控制流体钻头的方法，它包括以下步骤：给钻头提供一个斜向力以及通过旋转钻头来控制该斜向力的方向。
2.如权利要求1所述的方法，其中，旋转钻头的步骤通过使挠性软管绕其纵向轴线旋转来完成。
3.如权利要求2所述的方法，其中，挠性软管从远离钻头的位置旋转。
4.如前面权利要求中任一所述的方法，其中，软管从一个可旋转的滚筒供给到一个相邻的井孔里，滚筒的旋转轴线大体与井孔的轴线成直角，其中通过绕井孔轴线旋转滚筒及其相关联的传动装置而旋转软管。
5.如权利要求4所述的方法，其中，软管从可旋转的滚筒供给，该滚筒有一个基本上水平的旋转轴，并且通过绕一基本上对准垂直的孔的垂直轴线旋转滚筒和与之相关联的传动装置而旋转所述软管，软管穿过所述垂直的孔供给到地面中。
6.如权利要求5所述的方法，其中，流体钻头从地水准平面使用，并且所述的远离钻头的位置位于地水准平面或在地水准平表以上。
7.如权利要求4所述方法，其中，流体钻头从地面以下位置使用，其中相邻的井孔更接近水平方向而不是垂直方向。
8.如权利要求1到3中任一所述的方法，其中，钻头由位于挠性软管中的动力旋转接头带动旋转。
9.如权利要求1到3中任一所述的方法，其中，钻头由位于挠性软管中的非动力棘齿旋转接头带动旋转。
10.如前面权利要求中任一所述的方法，其中，钻头包括多个从可旋转头上喷出流体的切割喷嘴，其中通过部分遮挡在其旋转的预定弧线上的至少一个切割喷嘴的来提供斜向力。
11.如权利要求10所述的方法，其中，斜向力由位于流体钻头上的不对称的探测环提供。
12.如权利要求1到9中任意一项所述方法，其中，斜向力是由反推进喷嘴上不对称的结构提供，斜向力设置用于向前推进钻头。
13.如权利要求1到9中任意一项所述方法，其中，斜向力由偏置地固定在钻头中的喷嘴来提供。
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