CN207813498U - 一种可调节分流偏重协同作用式钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调节分流偏重协同作用式钻具，是由可调节偏重钻铤、调节单动机构、防冲刷机构、外管、内管、分流元件、扩孔器、岩心卡取机构和钻头组成，可调节偏重钻铤、调节单动机构、内管、分流元件、岩心卡取机构依次螺纹连接在一起，防冲刷机构位于调节单动机构下部，与其螺纹连接，可调节偏重钻铤、外管、扩孔器和钻头依次螺纹连接在一起。本实用新型可实现保直和纠斜两种功能，两种功能之间转换实现方便，实用性强，可用于地质岩心钻探、水文水井施工和石油钻井等多种领域，适用范围广泛，结合孔底分流作用，偏重钻铤的离心力和加重钻具的钟摆力三种原理用于钻孔纠斜，效果显著，纠斜效率高。

Description

一种可调节分流偏重协同作用式钻具

技术领域

本实用新型涉及钻井工程中钻孔保直纠斜领域，特别涉及一种可调节分流偏重协同作用式钻具。

背景技术

在钻井工程的工程施工中，由于自然因素和技术因素的影响，实际的钻孔轨迹往往偏离设计轨迹，这种现象称为钻孔弯曲或钻孔偏斜。钻孔偏离设计轨迹(弯曲)造成的直接后果是影响地质资料的准确性和矿床储量的计算，或根本达不到预期的地质目的，造成钻孔报废，产生重大经济损失。因此规定钻孔弯曲程度是评价钻探工程质量的六项基本指标之一。

同时，钻孔弯曲对钻进施工的危害也很大。弯曲的钻孔将增大钻具与孔壁的摩擦阻力，也容易引起钻杆折断和无用功耗增大。在弯曲严重的孔段，常因钻杆的剧烈敲击而造成不完整岩矿层的孔壁坍塌，引起卡、埋钻事故。而且在弯曲钻孔中发生的事故比较复杂，不易处理。钻孔弯曲还可以导致深井泵无法下入水井或过早损坏，钻孔桩施工会引起桩基倾斜，降低桩基承载力等问题。

采用合理的钻具结构，可以保证较高的同心度，提高钻具的刚性，减小钻具与孔壁的间隙，实现孔底加压，增强钻具的稳定性和导正作用以改善下部钻具的弯曲形态等手段都可以提高钻具的防斜能力，常用的防斜钻具主要有三种，分别为钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具，它们都具有一定的缺陷。钟摆钻具质量大，防斜能力低；偏重钻具对设备要求较高；满眼钻具不具备纠斜能力。可见，它们三者都不太实用，难以满足我国钻井工程的高速发展的需要。因此，研究纠斜效果好、功能齐全、具有广泛实用性的纠斜钻具，便具有十分重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的是要解决上述现有钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具在钻孔纠斜时具有的一些缺陷：钟摆钻具质量大，防斜能力低，偏重钻具对设备要求较高，满眼钻具不具备纠斜能力，且三者实用性低，纠斜效果差等问题，而提供一种可调节分流偏重协同作用式钻具。

本实用新型是由可调节偏重钻铤、调节单动机构、防冲刷机构、外管、内管、分流元件、扩孔器、岩心卡取机构和钻头组成，可调节偏重钻铤、调节单动机构、内管、分流元件、岩心卡取机构依次螺纹连接在一起，防冲刷机构位于调节单动机构下部，与其螺纹连接，可调节偏重钻铤、外管、扩孔器和钻头依次螺纹连接在一起。

可调节偏重钻铤包括异径接头、加重块、钻铤壳体和钻铤下接头，加重块插在钻铤壳体内部设置的定位槽中，异径接头、钻铤壳体和钻铤下接头依次螺纹连接，异径接头上部螺纹连接钻杆，钻铤下接头下部螺纹连接外管和心轴；

调节单动机构包括心轴、调节螺母、密封圈、轴承上接头、轴承、轴承支套、垫片、螺母和轴承套，调节螺母旋入心轴上部螺纹一段距离，心轴上部与钻铤下接头下部螺纹连接，密封圈位于轴承上接头内壁凹槽中，轴承上接头、轴承、轴承支套和垫片从上到下依次套在心轴上，之后用螺母螺纹连接心轴从而将它们固定在心轴上，轴承上接头与轴承套螺纹连接，轴承套下部螺纹连接内管和球阀座；

防冲刷机构包括球阀和球阀座，球阀位于球阀座上部斜槽中，球阀座与轴承套下部螺纹连接；

外管上部与钻铤下接头下部螺纹连接，下部与扩孔器螺纹连接；

内管上部与轴承套下部螺纹连接，下部与分流元件螺纹连接；

分流元件包括薄壁部分和厚壁部分，分流元件上部与内管下部螺纹连接，下部与卡簧座螺纹连接；

扩孔器上部与外管下部螺纹连接，下部与钻头螺纹连接；

岩心卡取机构包括卡簧挡圈、卡簧和卡簧座，卡簧挡圈和卡簧从上到下依次位于卡簧座内部，卡簧座与分流元件螺纹连接；

钻头上部与扩孔器下部螺纹连接。

本实用新型的工作原理和过程：

1、开始钻进前，先在地表将钻具组装好，调整调节螺母的位置可以调整卡簧座与钻头之间的间隙，同时，可调节偏重钻铤中放置的加重块数量和薄壁部分与厚壁部分厚度差不同的分流元件的选择应根据不同钻孔的具体纠斜要求确定，可调节偏重钻铤放置加重块的一侧与未放置加重块的一侧，即重边和轻边的重量差在0％～20％之间；

2、钻具在下放过程中，孔内的钻井液经卡簧座充满内管，打开球阀，经通道流进内管与外管的环空中，排出内管中的原有气体，钻具到达孔底后，启动泥浆泵，钻井液从钻杆内部，经异径接头、流通通道进入调节单动机构和内管与外管的环空中，经分流元件的薄壁部分与厚壁部分被分成薄侧流量大、厚侧流量小的两股半环形流，这两股流体经钻头的水口分别从钻头两侧喷出，辅助碎岩，清洁孔底，携带岩屑，流量大侧碎岩和排渣效果好，流量小侧效果差，因此钻孔轨迹会朝着流量大侧偏移，因为分流元件连接在内管以下，由于调节单动机构的作用，分流元件始终保持静止状态，不会跟着外管一起回转，因此可以提供稳定的不均匀流，只要下放钻具前调整好位置，就可以达到纠斜的目的；

3、在钻进过程中，心轴、调节螺母、密封圈、轴承上接头、轴承、轴承支套、垫片、螺母和轴承套构成了调节单动系统，既可以调节卡簧座与钻头之间的间隙，又可以使心轴及以上随钻杆回转，轴承上接头及以下部分则保持静止不动；

4、同时，因为可调节偏重钻铤重量大于孔底所需钻压，中和点位于可调节偏重钻铤上，在钻具与孔壁的切点以下，由于钻具引起的横向分力，即钟摆力(减斜)力，会将钻头推向孔壁下方，加之由于可调节偏重钻铤的存在，在钻具回转时，因偏重而产生一个朝向重边的离心力，且转速愈高离心力愈大，钻进时，当偏重一边朝向孔壁下侧帮时，离心力与钟摆力方向一致，可以对孔壁产生较大的冲击纠斜力，使钻孔倾角逐渐减小，同时，由于这种周期性的旋转不平衡性，使下部钻柱发生强迫振动，这种弹性的横向振动，会增大钻头切削孔壁下侧的能力，此外，由于离心力的作用，使可调节偏重钻铤的重边在旋转时永远贴向孔壁，这样就使下部钻柱具有公转的运动特性，消除了自转时对孔斜的影响，从而在直孔中更具有防斜作用；

5、在直孔中需要保直防斜时，卸下分流元件，依靠钟摆力(减斜)力和离心力的共同作用，便可以达到保直防斜的目的。

本实用新型的有益效果：

本实用新型结构合理、安全可靠，安装、拆卸方便，成本相对较低，可实现保直和纠斜两种功能，两种功能之间转换实现方便，实用性强。可用于地质岩心钻探、水文水井施工和石油钻井等多种领域，适用范围广泛。结合孔底分流作用，偏重钻铤的离心力和加重钻具的钟摆力三种原理用于钻孔纠斜，效果显著，纠斜效率高。

附图说明

图1是本实用新型的结构剖视图；

图2是本实用新型A-A′处的截面剖视图；

图3是本实用新型B-B′处的截面剖视图；

图4是本实用新型第一部分的结构剖视图；

图5是本实用新型第二部分的结构剖视图；

图6是本实用新型第三部分的结构剖视图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实用新型是由可调节偏重钻铤1、调节单动机构2、防冲刷机构3、外管4、内管5、分流元件6、扩孔器7、岩心卡取机构8和钻头9组成，可调节偏重钻铤1、调节单动机构2、内管5、分流元件6、岩心卡取机构8依次螺纹连接在一起，防冲刷机构3位于调节单动机构2下部，与其螺纹连接，可调节偏重钻铤1、外管4、扩孔器7和钻头9依次通过螺纹连接在一起；

可调节偏重钻铤1包括异径接头11、加重块12、钻铤壳体13和钻铤下接头14，加重块12插在钻铤壳体13内部设置的定位槽16中，异径接头11、钻铤壳体13和钻铤下接头14依次螺纹连接，异径接头11上部螺纹连接钻杆，钻铤下接头14下部螺纹连接外管4和心轴21；

调节单动机构2包括心轴21、调节螺母22、密封圈23、轴承上接头24、轴承25、轴承支套26、垫片27、螺母28和轴承套29，调节螺母22设置在心轴21上部，心轴21上部与钻铤下接头14下部螺纹连接，密封圈23位于轴承上接头24内壁凹槽中，轴承上接头24、轴承25、轴承支套26和垫片27从上到下依次套在心轴21上，并通过螺母28螺纹连接心轴21从而将它们固定在心轴21上，轴承上接头24与轴承套29螺纹连接，轴承套29下部螺纹分别连接内管5和球阀座32；

防冲刷机构3包括球阀31和球阀座32，球阀31位于球阀座32上部斜槽中，球阀座32与轴承套29下部螺纹连接；

外管4上部与钻铤下接头14下部螺纹连接，下部与扩孔器7螺纹连接；

内管5上部与轴承套29下部螺纹连接，下部与分流元件6螺纹连接；

分流元件6包括薄壁部分61和厚壁部分62，分流元件6上部与内管5下部螺纹连接，下部与卡簧座83螺纹连接；

扩孔器7上部与外管4下部螺纹连接，下部与钻头9螺纹连接；

岩心卡取机构8包括卡簧挡圈81、卡簧82和卡簧座83，卡簧挡圈81和卡簧82从上到下依次位于卡簧座83内部，卡簧座83与分流元件6螺纹连接；

钻头9上部与扩孔器7下部螺纹连接。

本实用新型的工作原理和过程：

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，根据钻孔(井)施工的实际需要类型(保直或纠斜)和程度等，选择相应的钻具结构(有无分流元件、全面或取心钻头)、加重块放置的数量和薄壁部分与厚壁部分厚度差适合的分流元件。

根据孔(井)径及施工设备情况，选择适合尺寸的可调节分流偏重协同作用式钻具，应用于地质岩心钻探和水文水井施工的钻具尺寸规格外直径分别为89mm、114mm、131mm和140mm，应用于石油钻井的钻具尺寸规格外直径为5in、6in、7in、8in、9in、10in、11in。

可调节分流偏重协同作用式钻具使用前，先在地表将钻具组装好，调整调节螺母22的位置可以调整卡簧座83与钻头9之间的间隙，同时，可调节偏重钻铤1中放置的加重块12数量和薄壁部分61与厚壁部分62厚度差不同的分流元件6的选择应根据不同钻孔的具体纠斜要求确定，可调节偏重钻铤1放置加重块12的一侧与未放置加重块12的一侧，即重边和轻边的重量差在0％～20％之间；

钻具在下放过程中，孔内的钻井液经卡簧座83充满内管5，打开球阀31，经通道33流进内管4与外管5的环空中，排出内管4中的原有气体，钻具到达孔底后，启动泥浆泵，钻井液从钻杆内部，经异径接头11、流通通道15进入调节单动机构1和内管4与外管5的环空中，经分流元件6的薄壁部分61与厚壁部分62被分成薄侧流量大、厚侧流量小的两股半环形流，这两股流体经钻头9的水口分别从钻头两侧(C和C′)喷出，辅助碎岩，清洁孔底，携带岩屑，流量大侧碎岩和排渣效果好，流量小侧效果差，因此钻孔轨迹会朝着流量大侧偏移，因为分流元件6连接在内管4以下，由于调节单动机构2的作用，分流元件6始终保持静止状态，不会跟着外管5一起回转，因此可以提供稳定的不均匀流，只要下放钻具前调整好位置，就可以达到纠斜的目的；

在钻进过程中，心轴21、调节螺母22、密封圈23、轴承上接头24、轴承25、轴承支套26、垫片27、螺母28和轴承套29构成了调节单动系统2，既可以调节卡簧座83与钻头9之间的间隙，又可以使心轴21及以上随钻杆回转，轴承上接头24及以下部分则保持静止不动；

同时，因为可调节偏重钻铤重量大于孔底所需钻压，中和点位于可调节偏重钻铤1上，在钻具与孔壁的切点以下，由钻具重量引起的横向分力，即钟摆力(减斜)力，会将钻头9推向孔壁下方，加之由于可调节偏重钻铤1的存在，在钻具回转时，因偏重而产生一个朝向重边的离心力，且转速愈高离心力愈大，钻进时，当偏重一边朝向孔壁下侧帮时，离心力与钟摆力方向一致，可以对孔壁产生较大的冲击纠斜力，使钻孔倾角逐渐减小，同时，由于这种周期性的旋转不平衡性，使下部钻柱发生强迫振动，这种弹性的横向振动，会增大钻头切削孔壁下侧的能力，此外，由于离心力的作用，使可调节偏重钻铤1的重边在旋转时永远贴向孔壁，这样就使下部钻柱具有公转的运动特性，消除了自转时对孔斜的影响，从而在直孔中更具有防斜作用；

在直孔中需要保直防斜时，卸下分流元件6，依靠钟摆力(减斜)力和离心力的共同作用，便可以达到保直防斜的目的。

Claims (1)

1.一种可调节分流偏重协同作用式钻具，其特征在于：是由可调节偏重钻铤(1)、调节单动机构(2)、防冲刷机构(3)、外管(4)、内管(5)、分流元件(6)、扩孔器(7)、岩心卡取机构(8)和钻头(9)组成，可调节偏重钻铤(1)、调节单动机构(2)、内管(5)、分流元件(6)、岩心卡取机构(8)依次螺纹连接在一起，防冲刷机构(3)位于调节单动机构(2)下部，与其螺纹连接，可调节偏重钻铤(1)、外管(4)、扩孔器(7)和钻头(9)依次螺纹连接在一起；

可调节偏重钻铤(1)包括异径接头(11)、加重块(12)、钻铤壳体(13)和钻铤下接头(14)，加重块(12)插在钻铤壳体(13)内部设置的定位槽(16)中，异径接头(11)、钻铤壳体(13)和钻铤下接头(14)依次螺纹连接，异径接头(11)上部螺纹连接钻杆，钻铤下接头(14)下部螺纹连接外管(4)和心轴(21)；

调节单动机构(2)包括心轴(21)、调节螺母(22)、密封圈(23)、轴承上接头(24)、轴承(25)、轴承支套(26)、垫片(27)、螺母(28)和轴承套(29)，调节螺母(22)设置在心轴(21)上部，心轴(21)上部与钻铤下接头(14)下部螺纹连接，密封圈(23)位于轴承上接头(24)内壁凹槽中，轴承上接头(24)、轴承(25)、轴承支套(26)和垫片(27)从上到下依次套在心轴(21)上，然后通过螺母(28)螺纹连接心轴(21)从而将它们固定在心轴(21)上，轴承上接头(24)与轴承套(29)螺纹连接，轴承套(29)下部螺纹连接内管(5)和球阀座(32)；

防冲刷机构(3)包括球阀(31)和球阀座(32)，球阀(31)位于球阀座(32)上部斜槽中，球阀座(32)与轴承套(29)下部螺纹连接；

外管(4)上部与钻铤下接头(14)下部螺纹连接，下部与扩孔器(7)螺纹连接；

内管(5)上部与轴承套(29)下部螺纹连接，下部与分流元件(6)螺纹连接；

分流元件(6)包括薄壁部分(61)和厚壁部分(62)，分流元件(6)上部与内管(5)下部螺纹连接，下部与卡簧座(83)螺纹连接；

扩孔器(7)上部与外管(4)下部螺纹连接，下部与钻头(9)螺纹连接；

岩心卡取机构(8)包括卡簧挡圈(81)、卡簧(82)和卡簧座(83)，卡簧挡圈(81)和卡簧(82)从上到下依次位于卡簧座(83)内部，卡簧座(83)与分流元件(6)螺纹连接；

钻头(9)上部与扩孔器(7)下部螺纹连接。