CN1730898A - 井底马达和冲击器驱动的组合式取心钻进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在地质勘探、石油钻井、科学钻探等行业中使用的取心钻进系统，特别是在坚硬岩石、深孔中的取心钻进的井底马达和冲击器驱动的组合式取心钻进系统。该系统包括取心工具和取心钻头，取心工具的下端和取心钻头相连接，还包括井底马达和冲击器，井底马达驱动轴的下端和冲击器的上端连接，冲击器的下端和取心工具的上端连接，井底马达给取心工具及取心钻头提供碎岩扭矩，冲击器给取心工具及取心钻头提供碎岩冲击力。该钻进系统不仅能取心钻进，而且能节约能源、降低钻杆柱的磨损、提高回次取心钻进长度、防止钻孔孔斜。

Description

井底马达和冲击器驱动的组合式取心钻进系统

技术领域

本发明涉及一种在地质勘探、石油钻井、科学钻探等行业中使用的取心钻进系统，特别是在坚硬岩石、深孔中的取心钻进的井底马达和冲击器驱动的组合式取心钻进系统。

背景技术

在地质勘探、石油钻井、科学钻探等行业中，采取圆柱状岩心的取心钻进方法有地表驱动提钻取心、地表驱动绳索取心、地表驱动反循环连续取心和井底马达驱动提钻取心等。目前，实现取心钻进主要使用地表驱动提钻取心钻进或地表驱动绳索取心钻进，前者取心钻进的驱动动力来自机械传动的钻杆柱、使用钻杆柱提出孔底岩心管的方法来采取岩心，后者取心钻进的驱动动力也是来自机械传动的钻杆柱、使用带绳索的打捞器以不提钻杆柱方式经钻杆柱内提出岩心管的方法来采取岩心。地表驱动提钻取心钻进由地表钻机的转盘、立轴或顶驱(动力头)驱动钻杆柱回转，钻杆柱带动取心工具及取心钻头回转，取心钻头以环状端面破碎岩石、获取圆柱状岩心，取心工具的岩心管装满岩心后停止取心钻进，提出孔内全部钻杆柱、取心工具及取心钻头，从取心工具的岩心管内取出岩心，完成一个回次的取心钻进，然后再依次下入取心钻头、取心工具和钻杆柱进行下一个回次的取心作业。地表驱动绳索取心钻进由地表钻机的转盘、立轴或顶驱(动力头)驱动钻杆柱回转，钻杆柱带动取心工具及取心钻头回转，取心钻头以环状端面破碎岩石、获取圆柱状岩心，取心工具的岩心管装满岩心后停止取心钻进，使用带绳索的打捞器从钻杆柱内下入到取心工具内打捞岩心管，岩心管通过绳索提到地表，取出岩心管内的岩心后再把岩心管通过钻杆柱内投入到取心工具内，进行下一个循环的取心作业，直到取心钻头不能有效破碎岩石时才提出孔内全部钻杆柱、取心工具及取心钻头。但是，在坚硬岩石、深孔中，地表驱动提钻取心钻进时岩心易堵塞在岩心管内，岩心未装满岩心管就需要起钻；钻杆柱需要不停地转动，动力消耗大、钻杆柱的磨损大。而地表驱动绳索取心钻进需要配套特殊的钻杆柱和设备，钻杆柱与孔壁的间隙小、泥浆循环阻力大、易压裂岩石形成泥浆漏失，钻杆柱需要不停地转动，动力消耗大、钻杆柱的磨损大。因此，上述现有取心钻进方法均存在着一定的缺陷。

发明内容

为克服现有的取心钻进岩心易堵塞、动力消耗大、钻杆柱的磨损大和配套特殊的钻杆柱的不足，本发明提供一种井底马达和冲击器驱动组合式取心钻进系统，该钻进系统不仅能取心钻进，而且能节约能源、降低钻杆柱的磨损、提高回次取心钻进长度、防止钻孔孔斜。

本发明的技术解决方案是：一种井底马达和冲击器驱动的组合式取心钻进系统，包括取心工具和取心钻头，取心工具的下端和取心钻头相连接，还包括井底马达和冲击器，所述井底马达驱动轴的下端和冲击器的上端连接，所述冲击器的下端和取心工具的上端连接，所述井底马达给取心工具及取心钻头提供碎岩扭矩，所述冲击器给取心工具及取心钻头提供碎岩冲击力。

所述的井底马达为螺杆马达或涡轮马达。

所述的冲击器为液动冲击器，可以是阀式双作用冲击器、射流式冲击器、射吸式冲击器、阀式正作用冲击器或阀式反作用冲击器。

本发明中井底马达把由地表泵送的高压钻井液的液压能量，转化为能驱动钻头破碎岩石进行回转钻进的机械能。所述冲击器把地表泵送的高压钻井液的液压能量，转化为能驱动钻头冲击破碎岩石进行冲击钻进的机械能。所述取心工具把取心钻头破碎岩石钻取的岩心容纳在其中。所述取心钻头以环状端面破碎岩石，获取圆柱状岩心。

在使用本发明的系统进行取心钻进时，可以让钻杆柱以较低的转速回转，实现双回转钻进，在钻孔孔深较深时让轴向压力顺利地传递到取心钻头上有效地破碎岩石。

在井底动力驱动取心钻进时，轴向压力依次通过不回转的钻杆、井底马达的外壳、推力球轴承、井底马达的驱动轴、冲击器的上接头、冲击器的外管(外缸)、传扭套(花键套或八方套)、冲击器的下接头、取心工具的上接头、上扩孔器、外管、下扩孔器传递给取心钻头；冲击器由泥浆产生的冲击力依次通过冲击器的下接头、取心工具的上接头、上扩孔器、外管、下扩孔器传递给取心钻头，实现井底动力冲击破碎岩石。井底马达由泥浆产生的扭矩依次通过井底马达的驱动轴、冲击器的上接头、冲击器的外管(外缸)、传扭套(花键套或八方套)、冲击器的下接头、取心工具的上接头、上扩孔器、外管、下扩孔器传递给取心钻头，实现井底动力回转破碎岩石。

与前述现有取心钻进方法相比，由于本发明的井底马达和冲击器驱动组合式取心钻进系统实现的取心钻进方法由井底马达驱动回转，孔底液动冲击器施加冲击力，使取心钻进时岩心不堵塞、回次取心钻进进尺长、动力消耗小、钻杆柱的磨损小、不需要配套特殊的钻杆柱和钻孔孔斜小。取心工具的轴承腔置外管上，轴承由泥浆润滑，岩心由卡簧和卡簧座完成卡取，使取心工具的结构更为简单。因此，本井底马达和冲击器驱动组合式取心钻进系统能够实现在坚硬岩石、深孔中有效取心钻进的目的。

本发明的内容结合以下附图实施例作更进一步的说明。

附图说明

图1是实施例1中井底马达与阀式双作用冲击器驱动组合式取心钻进系统的结构示意图的轴向剖视图。

图2是实施例2中井底马达和射流式冲击器驱动组合式取心钻进系统的结构示意图的轴向剖视图。

图中：1.取心钻头，2.卡簧，3.卡簧座，4.短节，5.下扩孔器，6.岩心管，7.外管，8.岩心管接头，9.钩头楔键，10.背帽，11.上扩孔器，12.心轴，13.轴承，14.轴承腔，15.压盖，16.取心工具上接头，17.井底马达驱动轴，18.下硬质合金轴承，19.井底马达外壳，20.推力球轴承，21.上硬质合金轴承，22.井底马达外壳连接结构，23.螺纹连接头，24.带外花键下接头，25.花键套，26.密封套，27.传功座，28.传功座密封套，29.阀式冲击器外管，30.冲锤，31.心阀，32.上活塞，33.缸套，34.上阀，35.阀式冲击器上接头，36.八方套，37.带砧子下接头，38.射流冲击器外管，39.冲锤，40.中接头，41.缸盖，42.活塞，43.内缸，44.外缸，45.射流元件，46.射流冲击器上接头。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例中的井底马达和冲击器驱动组合式取心钻进系统由井底马达、阀式双作用冲击器、取心工具和取心钻头构成。所述井底马达的上端和钻杆柱连接，所述井底马达驱动轴17的下端和阀式双作用冲击器的上接头35由螺纹相连接。所述井底马达驱动轴17由上硬质合金轴承21、推力球轴承20和下硬质合金轴承18支撑在井底马达外壳19内，所述井底马达驱动轴17的上端设置有井底马达动力轴连接结构，此处该动力轴连接结构为螺纹连接头23，在井底马达驱动轴外壳19的上端具有井底马达外壳连接结构，此处为连接接口22。所述阀式双作用冲击器由阀式冲击器上接头35、上阀34、缸套33、上活塞32、心阀31、冲锤30、阀式冲击器外管29、传功座密封套28、传功座27、密封套26、花键套25和带外花键下接头24构成。所述阀式双作用冲击器的下端的下接头24和取心工具的上端的上接头16由螺纹相连接，所述取心工具的下端的下扩孔器5和取心钻头1由螺纹相连接。所述取心工具由内总成和外总成构成，所述内总成通过轴承13悬挂在外总成内，形成单动。所述内总成由卡簧2、卡簧座3、短节4、岩心管6、岩心管接头8、钩头楔键9、背帽10、心轴12和轴承13构成，储存取心钻头1钻取的岩心并在提钻时通过卡簧2和卡簧座3的锥面配合卡断和卡取岩心。所述外总成由下扩孔器5、外管7、上扩孔器11、轴承腔14、压盖15和上接头16构成。在取心工具外总成的取心工具上接头16和上扩孔器之间设置了轴承腔14，以便于安装中系列推力球轴承，轴承安装采用不密封方式，利用钻井液润滑和冷却轴承。在取心工具外总成上设置了上扩孔器11和下扩孔器5，以便于修整取心钻头1碎岩后形成的钻孔的轨迹，同时增强了取心工具的同轴性、有利于钻孔防斜。在岩心管接头8和背帽10之间设置了钩头楔键9，以便于岩心管接头8周向固定在心轴12上。

在取心钻进过程中，取心工具及取心钻头由井底动力驱动，井底马达经井底马达驱动轴17、阀式冲击器上接头35、阀式冲击器外管29、花键套25、带外花键下接头24、取心工具上接头16、上扩孔器11、外管7和下扩孔器5给取心钻头1提供碎岩扭矩；阀式双作用冲击器经带外花键下接头24、取心工具上接头16、上扩孔器11、外管7和下扩孔器5给取心钻头1提供碎岩冲击力，轴向压力经不回转的钻杆柱、井底马达外壳19、推力球轴承20、井底马达驱动轴17、阀式冲击器上接头35、阀式冲击器外管29、花键套25、带外花键下接头24、取心工具上接头16、上扩孔器11、外管7和下扩孔器5给取心钻头1提供碎岩压力。这里，取心钻头在井底动力驱动回转、井底动力驱动冲击碎岩的情况下，采用比常规取心钻进小的轴向压力，有利于钻孔防斜。

所述井底马达有螺杆马达和涡轮马达两种，井底马达把由地表泵送的高压钻井液的液压能量，转化为能驱动钻头破碎岩石进行回转钻进的机械能。所述阀式双作用冲击器把地表泵送的高压钻井液的液压能量，转化为能驱动钻头冲击破碎岩石进行冲击钻进的机械能。阀式双作用冲击器由钻井液的压力推动冲锤30下行冲击，通过心阀31由钻井液使冲锤30复位。所述取心工具把取心钻头1破碎岩石钻取的岩心容纳在其中。所述取心钻头以环状端面破碎岩石，获取圆柱状岩心。所述取心钻头1由金刚石工作层和钻头钢体构成，内外保径采用聚晶和金刚石混镶的方法，内外保径较高，以便于防斜。

实施例2：如图2所示，本实施例中的井底马达和冲击器驱动组合式取心钻进系统与实施例1相似，所不同的是，本实施例中在井底马达与取心工具之间设置的是射流式冲击器。所述射流式冲击器由射流冲击器上接头46、射流元件45、外缸44、内缸43、活塞42、缸盖41、中接头40、冲锤39、射流冲击器外管38、带砧子下接头37和八方套36构成。井底马达的驱动轴17的下端与射流冲击器上接头46螺纹连接；射流冲击器带砧子下接头37与取心钻具的上端的上接头16由螺纹连接。

Claims (3)

1、一种井底马达和冲击器驱动的组合式取心钻进系统，包括取心工具和取心钻头，取心工具的下端和取心钻头相连接，其特征在于还包括井底马达和冲击器，所述井底马达驱动轴的下端和冲击器的上端连接，所述冲击器的下端和取心工具的上端连接，所述井底马达给取心工具及取心钻头提供碎岩扭矩，所述冲击器给取心工具及取心钻头提供碎岩冲击力。

2、根据权利要求1所述的钻进系统，其特征在于所述的井底马达为螺杆马达或涡轮马达。

3、根据权利要求1或2所述的钻进系统，其特征在于所述的冲击器为液动冲击器，可以是阀式双作用冲击器、射流式冲击器、射吸式冲击器、阀式正作用冲击器或阀式反作用冲击器。

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