CN202483432U - 适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，涉及跟管钻井技术领域，包括空气钻机跟管钻进钻具组合，所述空气钻机跟管钻进钻具组合包括套管、套管靴、钻杆、减振器、冲击器和偏心钻头，所述的套管与套管靴相连接，所述的钻杆与减振器、冲击器、偏心钻头依次相连后装入所述套管及套管靴内组合成空气钻机跟管钻进钻具组合，钻杆上部与空气钻机动力头下接头相连。本实用新型突破了使用人抬山地钻机采用跟管钻进方法的极限，较好解决了钻机能力与跟管钻进的矛盾问题，在保证原有钻机性能的基础上，扩大了使用范围，解决了人抬山地钻机能在松散砾石地区完成8~10米钻井的需要，功率较大的车载类钻机能在松散砾石地区完成12~14米钻井的需要。

Description

适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统

技术领域

本实用新型涉及跟管钻井技术领域，确切地说涉及一种适用于石油物探钻机在垮塌、破碎、流沙砾石等不稳定岩层，钻进成井困难，钻井深度在8～14米的地区，使用潜孔冲击器进行跟管钻进作业的钻井系统。 

背景技术

目前，对于松散砾石地区，特别是河滩砾石区和垮塌地段进行炮眼钻井，要成功获得一定深度的井眼非常困难，尤其要适合物探地震钻井施工的特殊性，砾石区域的地震钻井历来是一个世界性难题，受设备能力局限性（设备重量与设备总功率）的影响，迄今为止还没有一个完全行之有效的办法。砾石区的地震钻井攻关研究，国内外也有这方面的研究和试验，但效果甚微。因为对于砾石、泥沙的沉积区，破碎和松软中夹杂着坚硬的不稳定岩层采用普通钻井工艺钻进时钻具极易被卡，钻进和成井都十分困难；采用偏心跟管钻井技术又由于井壁坍塌使套管与井壁阻力随井深加大，起钻时靠钻机自身能力是难以起拔套管的，因此需要设备提供较大的动力。但设备动力越大，则设备的重量也大，加之其配套起拔装置使用的是地矿部门研制的一种双油缸起拔装置，而该装置形体和重量大、使用程序繁杂，完全不适应物探野外施工作业，使用的局限性很大，因此难以进行推广应用。特别是人抬山地钻机目前还没有成功的范例。 

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，本实用新型突破了使用人抬山地钻机采用跟管钻进方法的极限，较好解决了钻机能力与跟管钻进的矛盾问题，在保证原有钻机性能的基础上，扩大了使用范围，解决了人抬山地钻机能在松散砾石地区完成8~10米钻井的需要，功率较大的车载类钻机能在松散砾石地区完成12~14米钻井的需要。 

本实用新型是通过采用下述技术方案实现的： 

一种适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，包括空气钻机跟管钻进钻具组合，其特征在于：所述空气钻机跟管钻进钻具组合包括套管、套管靴、钻杆、减振器、冲击器和偏心钻头，所述的套管与套管靴相连接，所述的钻杆与减振器、冲击器、偏心钻头依次相连后装入所述套管及套管靴内组合成空气钻机跟管钻进钻具组合，钻杆上部与空气钻机动力头下接头相连。

所述空气钻机跟管钻进钻具组合的配合尺寸方案包括：直径102mm套管、内径86 mm套管靴与直径89mm的钻头体、直径81mm的钎头的偏心钻头和冲击器。 

所述空气钻机跟管钻进钻具组合的配合尺寸方案包括：直径89mm套管、内径73 mm套管靴与直径76mm钻头体、直径69mm钎头的偏心钻头和冲击器。 

在所述偏心钻头体内设置单向阀。 

还包括套管起拔装置，包括依次连接的单向空气振击器，组合过渡接头和前接头。 

与现有技术相比，本实用新型所达到的技术效果如下： 

1、采用本实用新型所述的空气钻机跟管钻进钻具组合结构，突破了使用人抬山地钻机采用跟管钻进方法的极限，较好解决了钻机能力与跟管钻进的矛盾问题，在保证原有钻机性能的基础上，扩大了使用范围，解决了人抬山地钻机能在松散砾石地区完成8~10米钻井的需要，功率较大的车载类钻机能在松散砾石地区完成12~14米钻井的需要。

2、本实用新型不仅保证了山地空气钻机原有技术性能，而且还能使其配合跟管钻具进行一定深度的钻进，扩大了使用范围，解决了一台钻机既能完成一般岩层的钻井深度又能在纯松散砾石地区完成8~10米钻井深度（功率较大的钻机如车载类可达12~14米）的需要。适合在所有人抬山地空气钻机和车载类钻机上推广应用。 

3、经过对比试验，山地空气钻机均能满足这两种跟管钻具所需功率。但套管跟管钻具所配冲击器的冲击功较小，钻井效率明显比套管的跟管钻具所配冲击器差。因此、最终选择了套管跟管钻具及配套冲击器。 

4、为了解决处理钻进过程中出现的井下异常情况，就将井口板做成具有向前打开功能的插销活门形式，很好地解决了这个问题。以下是新的技术效果：如中途卡钻时钻具不能实现上提下放，欲卸下套管再拆卸钻杆或想卸下动力头上接冲击器实行反冲击解卡，但因受桅杆与井口板之间固定距离的限制而实现不了。 

5、钻进中井下遭遇河沙时，除了防止沙子从钎头与钻头体之间的间隙进入冲击器内外，还主要有沙子从钎头上的排气孔进入冲击器内。为了防止这两种情况，就考虑在钻头体内设置一个单向阀，经过几次改进和加工制作，终于成功加装了单向截止阀，极大地改善了沙子进入冲击器内的情况。 

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明，其中： 

图1为本实用新型跟管钻进结构原理示意图

图2为钻具反向冲击起拔装置示意图

图中标记：

1、钻杆，2、减振器，3、潜孔冲击器，4、螺纹保护套，5、套管，6、套管靴，7、偏心钻头，8、组合过渡接头，9、单向空气振击器，10、振击器前接头。

具体实施方式

本实用新型的最佳实施方式为：本实用新型突破了使用人抬山地钻机采用跟管钻进方法的极限，较好解决了钻机能力与跟管钻进的矛盾问题。在保证原有钻机性能的基础上，扩大了使用范围，解决了人抬山地钻机能在松散砾石地区完成8~10米钻井的需要。功率较大的车载类钻机能在松散砾石地区完成12~14米钻井的需要。 

空气钻机跟管钻进钻具组合： 

（1）钻具组合：

先将套管与套管靴相连接，钻杆与减振器、冲击器、偏心钻头相连接后装入套管及套管靴内组合成跟管钻具，钻杆上部与空气钻机动力头下接头相连。

（2）在钻进中的动力传递：套管内的钻具由钻机的提升/加压液压马达施加钻进压力，钻机的动力头带动钻具旋转，钻具下部与潜孔冲击器联接的偏心钻头的钎头在压缩空气与钻具的旋转力的作用下偏离钻具轴心进行旋转冲击钻进（展开后的偏心钻头底部直径大于套管直径），偏心钻头上部的钻头体（导向器）通过套管靴内部台肩带动套管跟进，以实现跟管钻进。   

（3）钻具取出过程：达到一定井深后停钻，关闭压缩空气、少许回转和提升钻具使展开的钎头回缩到正常状态，然后再将偏心钻头和钻具从套管中提出。

2、跟管钻具规格：钻机能力与跟管钻具矛盾问题的解决 

山地勘探的设备具有体积小重量轻、可拆性强的特点，受此约束山地空气钻机的总功率仅能保证常规钻井深度和处理井下异常情况时所必须的机械载荷功率。因此使用山地空气钻机配合跟管钻具钻进首先要解决钻机负载能力的问题。而钻机总功率是不能改变的，只能让跟管钻具来适应钻机的负载能力。跟管钻具的关键又是偏心钻头与套管问题的解决，由于偏心钻头要带动套管跟进，钎头展开后有一定的偏心距，同时钻头太小也会影响钻进时的冲击功，因此不可能将钻头做的很小，但钻头尺寸大势必也使套管直径跟着增大，套管直径增大会加大套管与井壁的摩擦力、扭矩和钻具重量的提升力，如地矿部门研制的套管跟管钻具，是山地钻机带不动的。要解决这个问题，就必须取得一个适中的尺寸。为此，分别设计制作了以下为钻具两种跟管钻具的规格：

第一种：套管跟管钻具的配合尺寸：直径102mm套管（内径93 mm）、内径86 mm套管靴与直径89mm的钻头体、直径81mm的钎头的偏心钻头和冲击器组成。

第二种：套管跟管钻具的配合尺寸：直径89mm套管（内径80 mm）、内径73 mm套管靴与直径76mm钻头体、直径69mm钎头的偏心钻头和冲击器组成。 

经过对比试验，山地空气钻机均能满足这两种跟管钻具所需功率。但套管跟管钻具所配冲击器的冲击功较小，钻井效率明显比套管的跟管钻具所配冲击器差。因此，最终选择了套管跟管钻具及配套冲击器。 

3、实施（适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统）的创新结构： 

钻机与跟管钻具配套的改制

1）、为了解决处理钻进过程中出现的井下异常情况，就将井口板做成具有向前打开功能的插销活门形式，很好地解决了这个问题。以下是新的技术效果：如中途卡钻时钻具不能实现上提下放，欲卸下套管再拆卸钻杆或想卸下动力头上接冲击器实行反冲击解卡，但因受桅杆与井口板之间固定距离的限制而实现不了。

3）、钻进中井下遭遇河沙时，除了防止沙子从钎头与钻头体之间的间隙进入冲击器内外，还主要有沙子从钎头上的排气孔进入冲击器内。为了防止这两种情况，就考虑在钻头体内设置一个单向阀（单向截止阀），经过几次改进和加工制作，终于成功加装了单向截止阀，极大地改善了沙子进入冲击器内的情况。 

套管起拔装置： 

在砾石区跟管钻进或在容易垮塌的岩性钻进遇阻遇卡时，由于钻具与井壁间阻力大，起钻时只依靠钻机本身液压系统的提升力将是非常困难的，有时根本无法提出钻具，最终导致钻具丢失，井眼报废。因此，套管起拔装置是跟管钻进必需的附属设施。由于双油缸起拔装置（地矿部门常用的一种），形体和重量大、使用程序繁杂，不太适应野外作业，因此只得放弃。二是反向冲击起拔装置。经过试制和试验获得成功。反向冲击起拔装置结构简单实用，并可以应用到常规空气钻遇容易垮塌的岩性时的解卡。

1）、 钻具反向冲击起拔装置基本结构 

钻具反向冲击起拔装置由一只单向空气振击器（反击器）、一只组合过渡接头、一只前接头（反打帽）组成。

2）、 反向冲击起拔装置的工作原理 

将钻机动力头取下，把组合过渡接头正下端连接到套管上（在常规空气钻进中也可以将组合过渡接头直接连接到钻杆上，只是接头不一样），正上端与冲击器后接头连接，将桅杆上的滑盒移动到组合接头的位置，再将起拔垫叉的内叉口和外沿台阶同时分别插入到组合过渡接头打垫叉的对方口和滑盒的垫叉槽，使组合过渡接头与井下的套管和井上面的冲击器、桅杆滑盒组合成一个管串，再将供气管接头连接到组合过渡接头侧面的气管接头的配合接头上，打开空气压缩机的供气阀，并将升降手柄置于上升位置，套管便在冲击器向上的高频率的反向冲击力和钻机液压提升力的双重作用下逐渐被提出井口。

砾石空气钻机操作步骤 

砾石空气钻机对操作人员的要求，钻前准备工作，钻机的搬迁、安装及维护请遵循相应空气钻机钻井操作规范细则。松散砾石地区和垮塌地段砾石空气钻机具体钻井作业步骤如下：

1、首先将套管靴逆时针旋入第一根套管（1米）上，并用自由钳将其拧紧；

2、将偏心钻头钎头装入导向器中并用膨胀销将其锁紧组合成偏心钻头，然后将其安装在潜孔冲击器上（与普通钎头连接方法相同），并让偏心钻头钎头处于最小直径位置；

3、将装有偏心钻头的潜孔冲击器放入第一根套管中，并让偏心钻头钎头滑出套管靴外，然后用手顺时针旋出偏心钻头钎头使其处于最大直径位置，这样可保证搬动套管时潜孔冲击器不会从任一端滑出套管外，此时再将套管螺纹保护套反时针旋入套管上端并拧紧，避免搬动或钻杆旋转时损坏套管螺纹部分。另外，需要特别注意的是：（1）每次加接钻具（套管和钻杆）前，一定要用钢丝刷清理钻具（特别是套管）螺纹上的泥沙，并加注润滑脂，避免加接钻具时费时又费力。（2）由于套管两端螺纹部分壁厚较薄，强度不高，搬运过程中容易损坏套管螺纹部分，因此搬运中千万不可嫌麻烦不上套管螺纹保护套，并且做到轻拿轻放。

4、砾石空气钻机按正常钻井状态安装连接试运转后，关闭气源总开关。然后操作控制台升降手柄，让动力头处于桅杆上部，此时将套管连同潜孔冲击器一起竖直放入井口装置内，置于动力头正下方，操作控制台升降和旋转手柄，使动力头下接头与潜孔冲击器上端相连，并让偏心钻头钎头与地面接触，然后打开气源总开关，检查潜孔冲击器是否正常工作。 

当潜孔冲击器能正常工作时，便可将控制台升降手柄置于下降位置，通过减压阀逐渐增大钻井压力，同时缓慢打开旋转手柄，让钻具缓慢旋转，因偏心钻头产生的偏心力较大的缘故，钻具摆动较大，开孔时不易将井口钻直，此时操作一定要轻缓，务必让套管和钻具尽量竖直。当套管进入井下一部分并能起稳定和导向作用后，便可调整钻压和转速按正常钻井进行作业，提高钻井效率。           

在钻井过程中，由于所钻区域常常岩层较乱、地下情况较复杂且容易垮塌，加之又是偏心钻进，卡钻的次数较为频繁，因此操作时一定要相当注意，要随时根据井下情况不断调整钻压和转速，并不时上提钻具。当遇一般性卡钻时，只要上提30—40 mm钻具，便可解卡。如遇卡钻严重，，此时可反旋钻具1/2~1周并停止，再上提钻具，但上提的高度不得超过30 mm，然后将旋转手柄置于最大位置（钻具顺时针方向旋转），使旋转流量最大，产生瞬间最大扭矩，有时可能重复多次方能解卡。若因操作失误，将偏心钻头钎头提入到套管内，此时千万不可操作旋转手柄让钻具顺时针方向旋转，而只能操作升降手柄让钻具下降，使偏心钻头钎头再通过套管靴。为确认其是否通过套管靴，还应查看此时套管和钻杆上端的相对位置是否与正常钻进时的相对位置接近，如接近，则可确定其已通过。如相差较大，则可确定未通过，此时可操作升降手柄让钻具上下反复多试几次，一般便可让其顺利通过套管靴。另外，若因误操作，将已提入到套管里的偏心钻头进行了正转，则有可能造成偏心钻头钎头旋出而不处于最小直径状态，导致其不能通过套管靴，此时可关闭气源，操作升降手柄让偏心钻头钎头顶部与套管靴台阶处接触并保持一定压力，操作旋转手柄反旋钻具1/2~1周，使偏心钻头钎头重新回到最小直径状态，再按上述方法便可使其通过套管靴。

5、钻进中，当潜孔冲击器上部垫叉口钻至接近井口板位置并能被垫叉卡住时，此时应操作控作台升降和旋转手柄让潜孔冲击器停止转动，千万不能钻过井口板，然后关闭气源开关，将垫叉插入井口板并卡住潜孔冲击器反旋动力头，使动力头下接头与潜孔冲击器分离，让动力头上升到桅杆上部；取出垫叉，再顺时针方向旋出套管螺纹保护套，将其旋入到下一根套管上，并将一根钻杆装入其中，让钻杆公锥部分露出套管外，把它们一起搬到井口板上方，先将钻杆下端公锥部分放入潜孔冲击器上端的母锥螺纹中，不必拧紧，双手扶住套管与第一根套管对齐并用手将其沿逆时针方向旋入，再用自由钳沿逆时针方向将套管拧紧，然后操作控制台升降和旋转手柄，使动力头下接头与钻杆相连后便打开气源开关，开始按正常钻井作业进行操作。以后加接钻具与上述方法相同。 

6、当完成预定井深准备起钻时，先关闭气源开关，将偏心钻头钎头与井底保持一定压力接触，并同时操作旋转控制手柄使钻具反转1/2~1周，促使偏心钻头钎头缩回到最小直径状态，再上提钻具，偏心钻头钎头一般便能顺利通过套管靴。但有时也可能要反复几次才能使偏心钻头钎头顺利通过套管靴，操作时切忌不可让钻具反旋数圈，避免将钻杆倒脱。当偏心钻头钎头顺利通过套管靴后，便可按正常起钻作业逐根取出所有钻杆。 

7、所有钻杆被取出后，便可将炸药按下药程序沿套管下至井底，炮线则捆扎在稻草上，松紧适度塞入套管内1.6—1.8米深处（从上往下数大约第二根套管上部），然后将动力头取下，再把连接套管、气管和反击器的组合接头连接到套管上，插入反击垫叉，使组合过渡接头通过垫叉与桅杆滑盒相连，反击器则连接到组合过渡接头上端，再把气管与组合接头连接好。此时将升降手柄置于上升位置，再打开气源开关，套管便在钻机提升力和反击器向上冲击力的双重力作用下被逐渐提出井口。 

8、当第一根套管下端被提到高于井口板位置时(桅杆滑盒也上升到接近桅杆上止点)，便关闭气源，将升降手柄置于中位。然后用垫叉和扳手拆下反击器及气管，拔出反击垫叉，用一把自由钳沿逆时针方向卡住第二根套管, 再用另一把自由钳沿顺时针方向用力拆下已提出地面的第一根套管和组合过渡接头，再将捆扎有炮线的稻草捅入下一根套管上部。接下来便把组合过渡接头从第一套管旋下,接入到第二根套管上，插入反击垫叉，再将反击器连接到组合过渡接头上端，将升降手柄置于上升位置，再打开气源开关，套管便在钻机提升力和反击器向上冲击力的作用下将第二根套管提出井口。如此反复，即可将所有套管从井中取出。 

9、以上地段进行炮眼钻井，一般潜水面都较高，因此应使用在导向器内安装有单向截止阀的偏心钻头，以防因加接钻具停气后,井内潜孔冲击器在泥浆液柱的作用下泥沙被压入潜孔冲击器中，造成潜孔冲击器卡死而不工作,以致钻井作业无法进行。 

10、在钻井过程中，如跟管钻进已通过松散砾石部位和垮塌地段，并进入基岩层，则应起钻（按以上第6步骤进行），然后将偏心钻头换成常规钎头进行施钻，待钻至规定井深后，再依次取出钻具，拔出套管，可缩短钻井时间，降低钻井成本。 

Claims (4)

1.一种适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，包括空气钻机跟管钻进钻具组合，其特征在于：所述空气钻机跟管钻进钻具组合包括套管、套管靴、钻杆、减振器、冲击器和偏心钻头，所述的套管与套管靴相连接，所述的钻杆与减振器、冲击器、偏心钻头依次相连后装入所述套管及套管靴内组合成空气钻机跟管钻进钻具组合，钻杆上部与空气钻机动力头下接头相连。

2.根据权利要求1所述的适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，其特征在于:所述空气钻机跟管钻进钻具组合的配合尺寸方案包括：直径102mm套管、内径86 mm套管靴与直径89mm的钻头体、直径81mm的钎头的偏心钻头和冲击器。

3.根据权利要求1所述的适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，其特征在于:所述空气钻机跟管钻进钻具组合的配合尺寸方案包括：直径89mm套管、内径73 mm套管靴与直径76mm钻头体、直径69mm钎头的偏心钻头和冲击器。

4.根据权利要求1所述的适用于砾石地层钻井的跟管钻井系统，其特征在于:在所述偏心钻头体内设置单向阀。

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