CN207960553U - 一种超前钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超前钻具，包括内管总成和外管总成，所述外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、座环、扩孔器、外管和钻头；所述内管总成包括捞矛头、回收管、弹卡钳、悬挂杯、到位报信机构、堵塞报信机构和内管，其特征在于：所述内管下端部超出钻头下端部，所述内管下部设置有下拦簧和上拦簧。通过使用本申请所述的超前钻具，提高了掉块的概率，从而保证了岩心的采取率，岩心的完整率也从原有的10％至25％提高到85％至95％。

Description

一种超前钻具

技术领域

本实用新型涉及一种超前钻具。

背景技术

在钻井过程中，钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关。钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一，钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏，在选用钻井工艺方面起着非常重要的作用，特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响，PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破颜工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期。

钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。

但是现有技术状况及存在的缺陷：现在使用的取芯钻具在遇到流沙层或粉煤层时取芯的完整率很低，这是一个多年来一直无法解决的老大难问题，在这个地层取芯率往往只有10％至25％。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种取芯率较高的钻具。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种超前钻具，包括内管总成和外管总成，所述外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、座环、扩孔器、外管和钻头；所述内管总成包括捞矛头、回收管、弹卡钳、悬挂杯、到位报信机构、堵塞报信机构和内管，其特征在于：所述内管下端部超出钻头下端部，所述内管下部设置有下拦簧和上拦簧。

通过使用本申请所述的超前钻具，内管下端部超出钻头下端部，这样就可减少水流对岩心的冲刷，从而保证了岩心的完整率，岩心进了内管以后，由于有二道拦簧拦着，在打捞过程中就可以减少由于震动和负压对岩心所产生的掉块现象，特别是粉煤，在煤层中含有煤层气，在打捞过程中由于压力的逐步减小，煤层气膨胀，把原来完整的岩心变的松散，从而提高了掉块的概率，从而保证了岩心的采取率，岩心的完整率也从原有的10％至25％提高到85％至95％。

作为优选地，所述内管下端部超出钻头下端部20至25mm。这样的设计可以在提高取芯率的同时，控制成本。

作为优选地，所述扩孔器包括上扩孔器和下扩孔器。这样的设计可以保证外管整体的扩孔效果。

作为优选地，所述回收管上端与捞矛头连接，所述回收管下端与弹卡钳连接，所述弹卡钳与弹卡室配合；所述弹卡钳底部设置有弹卡支架，所述弹卡支架底部与接头连接；所述接头上设有与座环配合的悬挂杯，所述悬挂杯与座环悬挂配合。这样的设计可以将内管总成稳定的悬挂在外观总成内。

作为优选地，所述接头上部和下部分别设置有相互连通的上进水孔和下出水孔，所述上进水孔和下出水孔之间为密封环，所述密封环上设置有与密封环配合的密封钢珠。这样的设计可以打通水路。

作为优选地，所述密封环为中部较窄端部较宽的弹性密封环，所述密封钢珠与密封环中部配合挤压滑动。这样的设计可以通过密封钢珠的滑动打通水路。

作为优选地，所述接头下端连接轴连接，所述连接轴上部套接有报信胶圈，所述连接轴中部上下滑动连接有滑套，滑套的上下两端的连接轴上套接有上推力球轴承和下推力球轴承；所述下推力球轴承与连接轴底端之间卡接有弹簧。这样的设计可以通过报信胶圈被滑套挤压而报信。

作为优选地，所述滑套与内管连接，所述内管顶部设有与内管和外管间隙连通的钢球槽，所述钢球槽开口向上，所述钢球槽底部设有防水排气孔，所述防水排气孔内设有钢球，钢球光滑表面与防水排气孔上表面配合形成密闭面。这样的结构避免水或者泥浆通过防水排气孔进入内管污染芯体；同时可以在内管取芯过程中逐步将内管中的空气排空。

作为优选地，所述内管的底端向上包括平直内管壁、锥形内管壁、平直内管壁，所述锥形内管壁为开口较窄内部较宽的锥形内管壁，所述下拦簧和上拦簧设置在锥形内管壁位置。这样的设计，可以通过开口较窄内部较宽的锥形内管壁留住更多的粉末状岩心，进一步提高取芯率。

作为优选地，所述钻头为台阶状钻头。这样的设计可以提高钻进的精度，防止偏心。

本实用新型的优点和有益效果在于：通过使用本申请所述的超前钻具，内管下端部超出钻头下端部，这样就可减少水流对岩心的冲刷，从而保证了岩心的完整率，岩心进了内管以后，由于有二道拦簧拦着，在打捞过程中就可以减少由于震动和负压对岩心所产生的掉块现象，特别是粉煤，在煤层中含有煤层气，在打捞过程中由于压力的逐步减小，煤层气膨胀，把原来完整的岩心变的松散，从而提高了掉块的概率，从而保证了岩心的采取率，岩心的完整率也从原有的10％至25％提高到85％至95％。

附图说明

图1为本实用新型上部分结构示意图；

图2为本实用新型下部分结构示意图；

图3为本实用新型钻头结构示意图；

图4为图1中A处结构放大示意图；

图5为钻头俯视图；

图6为图5中A-A剖视图；

图7为实施例2中填充粉末的铺设流程简图；

图8为图7的延续。

图中：1、弹卡挡头；2、捞矛头；8、回收管；11、弹卡室；12、弹卡钳；14、弹卡架；15、密封钢珠；16、悬挂环；17、座环；18、密封环；19、上扩孔器；20、接头；22、挡板；24、报信胶圈；25、上推力球轴承；26、连接轴；27、滑套；28、下推力球轴承；29、弹簧；34、钢珠；35、钢球槽；36、外管；37、内管；38、扶正环；39、上拦簧；40、下扩孔器；41、下拦簧；43、钻头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1-图2所示，一种超前钻具，包括内管37总成和外管36总成，所述外管36总成包括弹卡挡头1、弹卡室11、座环17、扩孔器、外管36和钻头43；所述内管37总成包括捞矛头2、回收管8、弹卡钳12、悬挂杯16、到位报信机构、堵塞报信机构和内管37，所述内管37下端部超出钻头43下端部，所述内管37下部设置有下拦簧41和上拦簧39。

所述内管37下端部超出钻头43下端部20至25mm。

所述扩孔器包括上扩孔器19和下扩孔器40。

所述回收管8上端与捞矛头2连接，所述回收管8下端与弹卡钳12连接，所述弹卡钳12与弹卡室11配合；所述弹卡钳12底部设置有弹卡架14，所述弹卡支架底部与接头20连接；所述接头20上设有与座环17配合的悬挂杯16，所述悬挂杯16与座环17悬挂配合。

所述接头20上部和下部分别设置有相互连通的上进水孔和下出水孔，所述上进水孔和下出水孔之间为密封环18，所述密封环18上设置有与密封环18配合的密封钢球15。

所述密封环18为中部较窄端部较宽的弹性密封环18，所述密封钢球15与密封环18中部配合挤压滑动。

所述接头20下端连接轴26连接，所述连接轴26上部套接有报信胶圈24，所述连接轴26中部上下滑动连接有滑套27，滑套27的上下两端的连接轴26上套接有上推力球轴承25和下推力球轴承28；所述下推力球轴承28与连接轴26底端之间卡接有弹簧29。

所述滑套27与内管37连接，所述内管37顶部设有与内管37和外管36间隙连通的钢球槽35，所述钢球槽35开口向上，所述钢球槽35底部设有防水排气孔，所述防水排气孔内设有钢球34，钢球34光滑表面与防水排气孔上表面配合形成密闭面。

所述内管37的底端向上包括平直内管37壁、锥形内管37壁、平直内管37壁，所述锥形内管37壁为开口较窄内部较宽的锥形内管37壁，所述下拦簧41和上拦簧39设置在锥形内管37壁位置。

所述钻头43为台阶状钻头43。

实施例1

一种超前钻具，包括内管37总成和外管36总成，所述外管36总成包括弹卡挡头1、弹卡室11、座环17、扩孔器、外管36和钻头43；所述内管37总成包括捞矛头2、回收管8、弹卡钳12、悬挂杯16、到位报信机构、堵塞报信机构和内管37，所述内管37下端部超出钻头43下端部，所述内管37下部设置有下拦簧41和上拦簧39。

所述内管37下端部超出钻头43下端部20至25mm。

所述扩孔器包括上扩孔器19和下扩孔器40。

所述回收管8上端与捞矛头2连接，所述回收管8下端与弹卡钳12连接，所述弹卡钳12与弹卡室11配合；所述弹卡钳12底部设置有弹卡支架，所述弹卡支架底部与接头20连接；所述接头20上设有与座环17配合的悬挂杯16，所述悬挂杯16与座环17悬挂配合。

所述接头20上部和下部分别设置有相互连通的上进水孔和下出水孔，所述上进水孔和下出水孔之间为密封环18，所述密封环18上设置有与密封环18配合的密封钢球15。

所述密封环18为中部较窄端部较宽的弹性密封环18，所述密封钢球15与密封环18中部配合挤压滑动。

所述接头20下端连接轴26连接，所述连接轴26上部套接有报信胶圈24，所述连接轴26中部上下滑动连接有滑套27，滑套27的上下两端的连接轴26上套接有上推力球轴承25和下推力球轴承28；所述下推力球轴承28与连接轴26底端之间卡接有弹簧29。

所述滑套27与内管37连接，所述内管37顶部设有与内管37和外管36间隙连通的钢球槽35，所述钢球槽35开口向上，所述钢球槽35底部设有防水排气孔，所述防水排气孔内设有钢球34，钢球34光滑表面与防水排气孔上表面配合形成密闭面。

所述内管37的底端向上包括平直内管37壁、锥形内管37壁、平直内管37壁，所述锥形内管37壁为开口较窄内部较宽的锥形内管37壁，所述下拦簧41和上拦簧39设置在锥形内管37壁位置。

钻具在使用时，将外管36总成放下至钻进位置，然后再将内管37总成放入外管36内，当悬挂杯16与座环17配合悬挂时(挂杯与座环17组成悬挂机构)，内管37总成下端超出钻头4320-25mm，提前插入松散型土质中；悬挂杯16与座环17配合悬挂的同时，弹卡钳12张开与弹卡室11配合卡紧；弹卡钳12贴在弹卡室11内壁上，这时弹卡钳12上端有弹卡挡头11，可以防止内管37向上窜动，外有弹卡室11，可以限制弹卡钳12进一步张开，在钻进时借助弹卡挡头11上的拨叉，带动弹卡钳12，使内管37总成部分随钻杆一起转动，以免相对运动造成弹卡钳12的磨损；滑套27、弹簧29套和内管37单动，不随钻杆转动，外管36底部还设有扶正环38与内管37配合，防止内管37晃动，提高内管37单动稳定性能；

悬挂杯16与座环17配合悬挂后，冲洗液的通路被阻，迫使冲洗液改变流向，密封钢球15与密封环18中部配合挤压滑动，将上进水孔和下出水孔连接，洗液通道打开，于此同时，底面压力表上的压力会明显上升，泵压变化为5-10个大气压。这时表示内管37总成已经到达钻进位置，可以开始钻进；到位报信机构包括悬挂杯16、座环17、接头20。

当钻杆到一定的位置时，岩心充满内管37，岩心上端对内管37施加向上的推力，内管37带动滑套27向上运行，滑套27挤压报信胶圈24并使之变形，压报警胶圈变形后与外管36紧密接触将阀门下方的通水孔堵塞，造成泵压升高，起到堵塞报警作用，又可以防止烧钻事故，此时可以使用打捞器，打捞岩芯；

由于内管37下端部超出钻头43下端部，这样水流从内外管36之间的间隙出来后，直接从钻头43和外管36与钻洞的空隙流走，就可减少水流对岩心的冲刷，从而保证了岩心的完整率；

岩心进了内管37以后，由于有下拦簧41和上拦簧39双重拦截，在打捞过程中就可以减少由于震动和负压对岩心所产生的掉块现象，特别是粉煤，在煤层中含有煤层气，在打捞过程中由于压力的逐步减小，煤层气膨胀，把原来完整的岩心变的松散，从而提高了掉块的概率，从而保证了岩心的采取率，岩心的完整率也从原有的10％至25％提高到85％至95％。

实施例2

如图3-图8所示，对实施例的进一步优化，所述钻头43为台阶状钻头43，具体而言是一种两阶的钻头43，包括由内而外依次设置的外管连接套101和环形的钻头43，所述外管连接套101和钻头43通过过渡粘结管103连接；所述钻头43由内而外包括第二阶钻头104和第一阶钻头105，所述第一阶钻头105的外径小于所述第二阶钻头104的外径；所述第二阶钻头104和所述第一阶钻头105相连为同轴的台阶状钻头43，所述第二阶钻头104和所述第一阶钻头105均由多个高度相等的切削齿106组成，所述多个切削齿106围绕钻头43轴线均布；

所述切削齿106之间为内外直通主水路107，所述每个切削齿106中心线上设有不通内的副水路108；所述切削齿106端面设有切削面109，所述切削面109上设有多道同心圆弧状分布的切削槽1010。

所述内外直通主水路107由第二阶钻头104延伸至第一阶钻头105，并与第一阶钻头105内壁连通。

所述第一阶钻头105上的切削齿106之间的凹台1017上设置有内排水孔1011，所述内排水孔1011内部与第二阶钻头104内壁连通。

所述副水路108从切削面109延伸至第二阶钻头104或第一阶钻头105的侧壁上，所述副水路108与切削面109上的部分切削槽1010连通。

一种两阶钻头43的制造方法，包括如下步骤：

第一步：胎体物料混合：将金属粉和金刚石粉末按比例混合，获得胎体的填充粉末；胎体指的是第二阶钻头104和第一阶钻头105，外管连接套101和钻头43通过过渡粘结管103不属于胎体。

第二步：铺设第一阶钻头105层：将填充粉末均匀铺设在模具当中，厚度达到第一阶钻头105高度，并对第一阶钻头105层进行预压，预压压强为20/3Mpa；

第三步：铺设第二阶钻头104层：将填充粉末继续均匀铺设在模具当中，厚度达到第二阶钻头104高度，并对第二阶钻头104层进行预压，预压压强为20/3Mpa；

第四步：铺设过渡粘结管层1021和放置外管连接套101：将过渡粘结管103填充粉末继续均匀铺设在模具当中，并将外管连接套101定位放置在过渡粘结管层1021上；

第五步：施加预压压力：对外管连接套101施加10～20KN压力；

第六步：保温扩散：保持第五步中的压力，并通过感应加热圈对模具从室温开始以250～300℃/min速度升温，至850℃～900℃；保温1～5分钟，并施加压强为10Mpa的压力；优选此处将温度停留在850℃，保温3分钟，这样的设计，可以在较低的温度和压力下，保证Cu663(青铜粉663)的流动性，保证最后的胎体粘结力。

第七步：加压烧结：快速升温至970℃，并施加压强为20Mpa的压力，保压1～5分钟后开始模具内冷却；此处的高温，高压可以在短时间内保证胎体最后成型的紧密程度，提高钻头43的耐磨程度和使用寿命；

第八步：冷却：冷却至650℃左右时将工件模具中取出，并在室温中冷却；

第九步：加工内排水孔1011，通过钻头43打孔。

步骤一中的金属粉质量分数配方为：WC48％～50％，Ni5％～6％，Co5％～6％，Mn5％，Cu66335％；

金刚石粉质量分数配方为35～40目20％，金刚石40～45目30％，金刚石45～50目30％，金刚石50～60目20％；

胎体的金刚石浓度为90％；

所述过渡粘结管103质量分数配方为：WC30％，Fe25％，Ni5％，Mn5％，Cu66335％；外管连接套101为钢制套筒。

在制作中，模具包括一个外壳体1014，外壳体1014内部为空腔1015，空腔1015中部为芯棒1016，芯棒1016和空腔1015内壁之间的环形空腔1015为填充空间，芯棒1016可以分段设置，不同段的芯棒之间螺纹连接；按照实施例1中的步骤一至步骤九进行加工，可以得到台阶状的钻头43，钻头43的切削齿106、内外直通主水路107、副水路108的机构均通过模具内部结构成型，内排水孔1011是在烧结之后通过机械钻头43打孔而成。

制作完成的钻头43为同轴的台阶状钻头43，在钻头43钻进的过程中，第二阶钻头104和第一阶钻头105的台阶结构可以起到较好的导向性，不容易偏心；当第一阶钻头105已经钻入地质层之后，第二阶钻头104接着钻入地质层，第一阶钻头105的侧壁与地质层之间紧密接触对钻头43的摆动形成限位，两阶钻头43同时钻进时，同向性更强。

将水路设计为通内的内外直通主水路107和不通内的副水路108，以及内排水孔1011，水流从钻头43内大部分通过内外直通主水路107直接排到钻头43外部，部分通过内排水孔1011排到第一阶钻头105上的切削齿106之间的凹台1017上，然后汇入内外直通主水路107排出，在水流排出的过程中流经切削槽1010后进入副水口对钻头43唇面冷却；为了减小对岩心的冲刷，减小了内外直通主水路107的数量，增加了副水口数量。

步骤一至步骤三中胎体的填充粉末包括内切削齿1012粉末和外切削齿1013粉末，所述内切削齿1012粉末配方为：WC50％，Ni5％，Co5％，Mn5％，Cu66335％，金刚石粉35～40目25％，金刚石40～45目25％，金刚石45～50目30％，金刚石50～60目20％；

所述外切削齿1013粉末配方为：WC48％，Ni6％，Co6％，Mn5％，Cu66335％，金刚石35～40目20％，金刚石40～45目20％，金刚石45～50目30％，金刚石50～60目30％；

外切削齿1013粉末相对于外切削齿1013粉末提高了金刚石大颗粒的比例，略减低了胎体的一点硬度，使得外切削齿1013与地质层接触时，更加的耐磨，快速的切削，提高钻进的效率。

通过实际使用，这样的粉末配比可以提高百分之十以上的钻头43寿命。

步骤二中，第一阶钻头105层铺设分为内层1018铺设和外层1019铺设，内层1018铺设位置与内切削齿1012位置适配，外层1019铺设位置与外切削齿1013位置适配；步骤三中，第二阶钻头104层铺设分为内层1018铺设和外层1019铺设，内层1018铺设位置与内切削齿1012位置适配，外层1019铺设位置与外切削齿1013位置适配。

步骤二和步骤三中，内切削齿1012粉末和外切削齿1013粉末铺前，通过隔离筒壁1020对铺设空腔1015进行隔离，待内切削齿1012粉末和外切削齿1013粉末铺设达到预期高度后将隔离筒壁1020取出，再进行预压。隔离筒壁1020厚度小于1mm。

所述步骤二中的模具为致密石墨模具。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种超前钻具，包括内管总成和外管总成，所述外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、座环、扩孔器、外管和钻头；所述内管总成包括捞矛头、回收管、弹卡钳、悬挂杯、到位报信机构、堵塞报信机构和内管，其特征在于：所述内管下端部超出钻头下端部，所述内管下部设置有下拦簧和上拦簧。

2.如权利要求1所述的超前钻具，其特征在于：所述内管下端部超出钻头下端部20至25mm。

3.如权利要求2所述的超前钻具，其特征在于：所述扩孔器包括上扩孔器和下扩孔器。

4.如权利要求3所述的超前钻具，其特征在于：所述回收管上端与捞矛头连接，所述回收管下端与弹卡钳连接，所述弹卡钳与弹卡室配合；所述弹卡钳底部设置有弹卡支架，所述弹卡支架底部与接头连接；所述接头上设有与座环配合的悬挂杯，所述悬挂杯与座环悬挂配合。

5.如权利要求4所述的超前钻具，其特征在于：所述接头上部和下部分别设置有相互连通的上进水孔和下出水孔，所述上进水孔和下出水孔之间为密封环，所述密封环上设置有与密封环配合的密封钢珠。

6.如权利要求5所述的超前钻具，其特征在于：所述密封环为中部较窄端部较宽的弹性密封环，所述密封钢珠与密封环中部配合挤压滑动。

7.如权利要求6所述的超前钻具，其特征在于：所述接头下端连接轴连接，所述连接轴上部套接有报信胶圈，所述连接轴中部上下滑动连接有滑套，滑套的上下两端的连接轴上套接有上推力球轴承和下推力球轴承；所述下推力球轴承与连接轴底端之间卡接有弹簧。

8.如权利要求7所述的超前钻具，其特征在于：所述滑套与内管连接，所述内管顶部设有与内管和外管间隙连通的钢球槽，所述钢球槽开口向上，所述钢球槽底部设有防水排气孔，所述防水排气孔内设有钢球，钢球光滑表面与防水排气孔上表面配合形成密闭面。

9.如权利要求8所述的超前钻具，其特征在于：所述内管的底端向上包括平直内管壁、锥形内管壁、平直内管壁，所述锥形内管壁为开口较窄内部较宽的锥形内管壁，所述下拦簧和上拦簧设置在锥形内管壁位置。

10.如权利要求9所述的超前钻具，其特征在于：所述钻头为台阶状钻头。