CN202866644U - 一种牙轮、潜孔锤组合钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种牙轮、潜孔锤组合钻具，包括潜孔锤、花键套接头、花键轴接头、中空牙轮外钻头、先导内钻头，其中，所述花键套接头上连作为钻杆柱的所述潜孔锤外管，花键套接头下连用于回转扩孔钻进的所述中空牙轮外钻头，所述花键轴接头通过其设置的外花键连接花键套接头承接钻杆柱扭矩，所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动承接潜孔锤内部冲锤往复冲击，所述先导内钻头通过丝扣连接花键轴接头底部冲击回转钻进。本实用新型结构简单，制作方便，一套钻杆柱分别实现了牙轮钻头回转钻进和内钻头冲击回转钻进,大幅度提高大口径基岩、特别是硬岩浅井钻进效率。

Description

一种牙轮、潜孔锤组合钻具

技术领域

本实用新型涉及地质钻探用钻具，尤其涉及一种牙轮、潜孔锤组合钻具，通过该组合相应产生了一种新的分动复合钻进技术。 

背景技术

大口径石油、煤层气、页岩气、水井、地热井、盐井等钻井工程，目前最常用的是牙轮钻进、气动潜孔锤（简称气动锤）钻进和正在推广使用的液动潜孔锤（简称液动锤）钻进。牙轮钻头钻进是靠冲击压碎和剪切破碎岩石的，它的特点是钻进效率较高，使用范围非常广泛，从软岩层到硬岩层都可采用。影响牙轮钻进效率的因素很多，单就硬岩钻进而言，主要是需保持足够的井底钻压，而浅井和超大孔径往往钻压达不到额定要求而效率低下。气动潜孔锤钻进是效率最高的钻井方法，Φ150mm以下浅井效率最好，而大口径深井因凿岩面积大、排粉困难（需高风压、大流量）而成本骤升。经中国地质科学院勘探技术研究所改进研制的YZX系列高效液动锤对提高钻效有良好的应用效果，但主要问题是冲击功不够大和连续工作时间短，制约了该液动潜孔锤钻进技术的大面积推广。另外，在科学深钻和煤层气参数井成井工艺方面，已形成一套完整的施工方案，即小钻凿出先导孔，大钻二次扩孔成井工艺，其主要问题是重复起大钻和扩孔重复钻进。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述重复起大钻和扩孔重复钻进提出的一种牙轮、潜孔锤组合钻具技术方案，通过该组合相应产生了一种新的分动复合钻进技术。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种牙轮、潜孔锤组合钻具，包括潜孔锤、花键套接头、花键轴接头、中空牙轮外钻头、先导内钻头，其中，所述花键套接头上连作为钻杆柱的所述潜孔锤外管，花键套接头下连用于回转扩孔钻进的所述中空牙轮外钻头，所述花键轴接头通过其设置的外花键连接花键套接头承接钻杆柱扭矩，所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动承接潜孔锤内部冲锤往复冲击，所述先导内钻头连接花键轴接头底部实现冲击回转钻进。

方案进一步是：所述中空牙轮外钻头牙轮齿尖对应先导内钻头的细颈处，所述中空牙轮外钻头齿尖底部尅取内直径小于先导内钻头直径。

方案进一步是：所述潜孔锤是液动潜孔锤或气动潜孔锤中的一种。

方案进一步是：所述先导内钻头是岩芯管取芯钻头或潜孔冲击钻头的一种。

方案进一步是：所述花键套接头与潜孔锤外管的连接是螺纹连接。

方案进一步是：所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动是限位滑动，限位滑动的距离是20毫米至50毫米。

方案进一步是：所述潜孔锤包括在连接头上方顺序安装的传功座套、传功座、活塞、冲锤，传功座用于将活塞和冲锤的击打力传递到花键轴接头上。

方案进一步是：所述气动潜孔锤是双壁管正循环潜孔锤或贯通式反循环气动潜孔锤。

方案进一步是：所述液动潜孔锤是钻杆柱连接或绳索取芯钻杆柱连接液动潜孔锤。

方案进一步是：所述花键套接头与中空牙轮外钻头的连接是螺纹连接。

本实用新型的有益效果是：利用本实用新型实现了分动复合钻进技术，是钻井领域的重大创新；它和目前应用的牙轮钻进、液动锤钻进和液动锤牙轮钻进相比，有相当大的优越性。一是和牙轮全面钻进相比，所需井底总钻压为全面钻进钻压的一半，既可较容易达到额定钻压最优参数钻进，又极大地改善总钻柱的工作条件；而每个牙轮所受钻压为全面钻进的五分之二，且牙轮臂长缩减一半，也极大改善了牙轮受力状况。二是和液动锤钻进、液动锤牙轮全面钻进相比，单位面积冲击功数倍提高。由于三者均可选择同一型号液动潜孔锤，而本钻具冲击回转凿岩面积仅为后者的三分之一，钻井效率大为提高。三是和单独钻进方式相比，均衡发挥了钻机、水泵和钻杆柱的承载力，有利于防止机械、孔内事故，降低钻探成本。四是本钻具结构简单，制作方便，同时不改变目前常用的钻机、水泵和钻杆柱配备，使用成本低、易推广。

下面结合附图和实施例对本实用新型作一详细描述。

附图说明

图1 本实用新型结构示意图；

图2本实用新型图1的仰视图；

图3本实用新型图1的A-A视图；

图4本实用新型图1的B-B视图。

具体实施方式

一种牙轮、潜孔锤组合钻具实施例，参见图1、图2和图3，所述组合钻具包括潜孔锤1、花键套接头2、花键轴接头3、中空牙轮外钻头4、先导内钻头5，其中，所述花键套接头上连作为钻杆柱的所述潜孔锤外管1-1，花键套接头下连用于回转扩孔钻进的所述中空牙轮外钻头，所述花键轴接头通过其设置的外花键3-1和3-2连接花键套接头承接钻杆柱扭矩，所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动承接潜孔锤内部冲锤1-2往复冲击，所述先导内钻头通过螺纹连接花键轴接头底部实现冲击回转钻进。

实施例中，所述中空牙轮外钻头牙轮齿尖4-1对应先导内钻头的细颈处5-1，所述中空牙轮外钻头齿尖底部尅取内直径4-2小于先导内钻头直径5-2。

实施例中，所述潜孔锤是液动潜孔锤或气动潜孔锤中的一种，是传统中使用的潜孔锤结构。

实施例中，所述先导内钻头是岩芯管取芯钻头或潜孔冲击钻头的一种。

实施例中，为了连接快速，所述花键套接头与潜孔锤外管的连接是直孔螺纹连接。

实施例中，所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动是限位滑动，限位滑动的距离是20毫米至50毫米。为此花键轴接头上的外花键不是上下贯通的而是分段的，如图1所示，键槽的顶部凸起2-1限位住花键轴接头上的外花键，在钻进的过程中，潜孔锤未敲击花键轴接头之前，花键轴接头是压住先导内钻头下钻，当潜孔锤敲击花键轴接头后，花键轴接头会沿键槽先向下移动钻进，而后中空牙轮外钻头跟进扩孔钻进。

实施例中，所述传统的潜孔锤结构包括在花键轴接头上方顺序安装的传功座1-4、活塞1-3和冲锤1-2，传功座用于将活塞和冲锤的击打力传递到花键轴接头上。

实施例中，所述气动潜孔锤是双壁管正循环潜孔锤或贯通式反循环气动潜孔锤。所述液动潜孔锤是钻杆柱连接或绳索取芯钻杆柱连接液动潜孔锤。所述花键套接头与中空牙轮外钻头的连接是螺纹连接。

实施例中，传功座与花键轴接头之间设置有封闭套6，在花键轴接头中设置有水孔3-3，

本实施例在钻杆柱及冲洗液的作用下，通过液动锤外管传递扭矩和钻压给花键套牙轮钻头回转钻进；内钻头在牙轮钻头体花键扭力作用和液动锤启动后的重锤往复冲击下冲击回转钻进。根据牙轮—液动锤工作原理，可组合成多种不同型式的钻具。如可用花键套连接头+中空牙轮钻头连接共同组成新型式花键套牙轮钻头。更换内钻头，使内钻头由花键钻杆连接头+牙轮钻头组成。本钻具内钻头体改为花键套连接头+岩芯管+取芯钻头，花键套连接头接外管→扶正接头→中空牙轮外钻头组成：牙轮—液动锤取芯组合钻具。如果液动锤不选配最大直径锤时，钻具还可以这样组合；连接头分别上连液动锤下连内钻头，和接外管及中空牙轮钻头，也同样组成钻具实现两钻头分动复合钻进。

本实施例连接液动锤和内钻头，实现了一套钻具，两个钻头分别用不同的钻进方法尅取岩石，破除了牙轮钻进和液动锤的技术瓶颈，实现了最具优势的两种钻进技术相结合和先导孔与扩孔钻进同时进行一次成井。

中空牙轮外钻头扩孔钻进为内钻头选配超大级配液动锤提供了空间。以孔径φ216mm钻具为例，钻具内钻头φ130mm，选配的是YZX178液动锤，而常规高效液动锤钻进则只能选配YZX98液动潜孔锤。两者结构参数表如下。

表1  YZX液动潜孔锤参数表

                                                 

由于结构参数可知，同样的钻头凿岩面积，本钻具的冲击功为200～400，而常规高效液动锤为80～120，两者相差三倍，本钻具所选有效克服了常规液动锤冲击功不够大的弊端。

花键套牙轮钻头钻进是内钻头凿出先导孔基础上的扩孔钻进，因牙轮钻头尅取面积大幅减少，使所需钻压大幅减少。牙轮钻进所需钻压按钻头尅取直径长度计算，则本钻具牙轮额定钻压和全面牙轮钻压比值为（216-130）/216≈2/5，只及全面钻进的五分之二，既较容易达到额定钻压，保持参数最优钻进。再者，牙轮扩孔钻进除孔底一个破碎自由面外，多了一个先导孔自由面，也有利于破碎岩石，提高钻效。这里需特别指出的是，牙轮钻进需较大的钻压和扭矩，而液动潜孔锤钻进则需很小的扭矩和钻压，一般不超过1吨，这样，本钻具所需总钻压约为牙轮钻头全面钻进的一半；而液动潜孔锤主要是利用冲洗液的液压能冲击功凿岩，冲洗液对牙轮钻进主要是排粉和冷却功能，两者需求互不矛盾，均衡发挥了钻机、水泵的动力潜能，钻杆柱受力也较均匀和不超载。

根据分动复合钻进技术原理设计几种组合钻具也各具特色。牙轮-液动锤取芯组合钻具一是实现了牙轮取芯钻进，拓宽了牙轮钻进的使用范围；二是内管超前冲击回转钻进，不但提高了钻进效率，也克服了前苏联单管中空牙轮钻头钻进采取率很低的弊端；三是超大口径或浅孔硬岩钻进，因钻头尅取面积减少，也可进一步提高钻效。液动锤-双牙轮组合钻具除具标准组合钻具的特点外，一般适应的孔径更大、钻效更高，同时液动锤超时工作性能下降时，仍能双牙轮正常钻进。

目前制作花键套牙轮钻头的方法有两种，一是选用合适的同径牙轮钻头，切除和打磨掉牙轮尖部，再和加工好的花键套连接头连接构成带花键套的中空牙轮钻头组合体。切除和打磨掉牙轮尖部要特别注意两点，首先要严格控制加工过程中的温度，保证牙轮密封件温度不超过100℃，避免高温对牙轮轴承密封和储油囊破坏；其次是切割牙轮时不能90°切除，而是大致按钻具轴线切割，以花键轴内钻头推进去，拧转一定角度锁住后，牙轮对准轴底能自传为准。二是直接设计制作花键套牙轮钻头。其方法是：1、钻头母体材料选用20CrNiMo整体锻造热处理加工。2、牙轮一般选择小一级牙轮制作，在不影响钻头使用的前提下，将牙轮前尖不参与碎岩的硬质合金齿去掉，或条件允许的情况下定做专用扩孔牙轮，减小牙轮前部尺寸，增大钻头体强度。3、钻头生产工艺。首先控制牙轮钻头加工过程中的温度，在整体牙轮钻头解体过程中采用冷解剖特殊工艺或采用未组装的单片牙轮掌，焊接过程实行严格的水循环温度控制。其次要严格控制钻头加工精度。钻头加工精度是影响钻头使用的极为重要的因素。为了防止钻头在焊接过程中的变形，需设计专用钻头组焊工装，保证钻头螺丝、钻头直径和导向体的同轴度，同时保证钻头直径公差在允许范围内；在钻头焊接过程中实行严格的变形控制，防止焊接时牙轮径向变形。

有本实施例产生了一种新的钻井方法---分动复合钻进技术。分动复合钻进技术的要点和实施步骤为：首先根据钻井直径、岩层软硬、设备现状、地质要求确定组合钻具的形式、型号（确定液动锤型号；液动锤选型应以水泵的压力和流量上限确定）以及上部钻杆的组合。其次是内钻头和牙轮钻头的设计或选型，确定中空牙轮钻头内径和内钻头外径以及加工制作。钻头的选用主要依据地层条件、钻头的成本和现有可行条件。本钻具主要优点是硬岩钻进效率高，比如选择以216优质镶齿牙轮为切削具，钻头型号IADC537、617、637。尅取面积一般外钻头占三分之二，内钻头占三分之一，或者以钻头直径计算，外钻头占五分之二，内钻头占五分之三。第三，钻进规程参数的确定。本钻具钻进钻压要远小于三牙轮全面钻进钻压，孔径Φ216mm钻进，推荐钻压为：30～70KN，实际钻压根据钻进时地层具体情况进行调整。本钻具钻进转速一般也明显小于全面牙轮钻进转速，推荐转速范围60～90r/min。钻头使用过程中，钻压和转速范围不能同时使用上限，否则，钻进过程会产生严重的憋跳，容易造成孔内事故。泥浆流速与泵量成正比，泵量越大，泥浆携带岩粉的能力越强，孔底清渣效果越好。根据实践和理论计算，Φ216钻孔泵量推荐范围15～25/s。

综上所述，牙轮-潜孔锤分动复合钻进技术有四大特点。首先它是成熟有效的技术。牙轮钻进、潜孔锤钻进、绳索取芯钻进、空气钻进等都是当前提高钻效最常用技术。第二，它是钻探领域的重大技术创新。它是在应用国际领先新型高效液动锤的基础上，集成创新分动复合钻进技术，实现了一套钻柱，两个钻头用不同钻进方法钻进的新技术。第三，它有较广阔的应用前景。目前中国大口径牙轮钻头市场容量28亿人民币，其浅井和更大孔径固井孔段工作量巨大，特别本钻具做开工钻具使用效果非常好。第四，它是亟待研究开发的新技术。 

Claims (10)

1.一种牙轮、潜孔锤组合钻具，包括潜孔锤、花键套接头、花键轴接头、中空牙轮外钻头、先导内钻头，其特征在于，所述花键套接头上连作为钻杆柱的所述潜孔锤外管，花键套接头下连用于回转扩孔钻进的所述中空牙轮外钻头，所述花键轴接头通过其设置的外花键连接花键套接头承接钻杆柱扭矩，所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动承接潜孔锤内部冲锤往复冲击，所述先导内钻头连接花键轴接头底部实现冲击回转钻进。

2.根据权利要求1所述的一种牙轮、潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述中空牙轮外钻头牙轮齿尖对应先导内钻头的细颈处，所述中空牙轮外钻头齿尖底部尅取内直径小于先导内钻头直径。

3.根据权利要求1所述的一种牙轮、潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述潜孔锤是液动潜孔锤或气动潜孔锤中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种牙轮、潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述先导内钻头是岩芯管取芯钻头或潜孔冲击钻头的一种。

5.根据权利要求1所述的一种牙轮、潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述花键套接头与潜孔锤外管的连接是螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种牙轮、潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述花键轴接头通过其外花键与花键套接头的键槽相配合上下滑动是限位滑动，限位滑动的距离是20毫米至50毫米。

7.根据权利要求1所述的一种牙轮-潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述潜孔锤包括在连接头上方顺序安装的传功座套、传功座、活塞、冲锤，传功座用于将活塞和冲锤的击打力传递到花键轴接头上。

8.根据权利要求3所述的一种牙轮-潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述气动潜孔锤是双壁管正循环潜孔锤或贯通式反循环气动潜孔锤。

9.根据权利要求3所述的一种牙轮-潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述液动潜孔锤是钻杆柱连接或绳索取芯钻杆柱连接液动潜孔锤。

10.根据权利要求1所述的一种牙轮-潜孔锤组合钻具，其特征在于，所述花键套接头与中空牙轮外钻头的连接是螺纹连接。

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