CN209653959U - 一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具，包括钻具的外壁，外壁内设有锥形接口、冲击锤以及铁砧，锥形接口位于外壁的最上端，其下端设有锥形出口；冲击锤位于锥形出口的下端，其下端和外壁形成接触式连接，上端通过上密封块和外壁的内侧壁形成连接，在上密封块底部和冲击锤下端的上部之间形成一缓压腔；冲击锤的最上端和锥形出口之间形成一第一冲击腔体；在冲击锤下端设有一铁砧；该钻具可在保持冲击钻进方法对坚硬脆性岩体高效性的同时，采用孔底旋转驱动，保证冲击钻进过程中孔底岩体破碎的均匀性，取代转盘旋转驱动，减少钻杆对孔壁稳定性的破坏。

Description

一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具

技术领域

本实用新型涉及干热岩钻探领域，尤其涉及一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具。

背景技术

目前国内外还没有专门针对干热岩深孔钻探过程中常遇的坚硬脆性岩体的钻具。该类岩体抗冲击能力弱，但抗剪切与耐磨性强，不适合以切削为碎岩机理的旋转钻进。目前在深度较大的干热岩钻探过程中，主要采用液动冲击锤钻具、螺杆马达钻具、涡轮钻具及其组合等，均在孔底由钻井液驱动。这些钻具在干热岩钻探中发现的问题如下：

1、转盘+液动冲击锤钻探工艺：该工艺对浅孔、孔壁稳定的深孔中遇到的坚硬脆性岩体的钻进具有很高的钻进效率。但当孔深超过一定的深度时，钻杆、钻铤等在转盘的带动下与孔壁发生摩擦，较易造成孔壁的失稳而发生卡钻、埋钻事故。

2、螺杆马达钻具或涡轮钻具：这两种钻具在深孔较坚硬、较软岩体的钻进具有很高的钻进效率，由于钻具在钻井液驱动下高速旋转切削岩体，从而不需转盘的带动旋转，钻杆、钻铤等在孔中只作上下运动，与孔壁摩擦较少，不易对孔壁的稳定性造成破坏从而降低钻探事故发生机率。但对坚硬岩体的钻进效率低，钻头磨损迅速。

3、螺杆马达+液动锤复合钻进：为保持冲击钻具对坚硬脆性岩体的高效性，并减少转盘对孔壁稳定性的影响，采用螺杆马达提供旋转动力，液动锤提供冲击力。该工艺存在两种钻具之间匹配难的问题，且两种钻具串联，对泥浆泵的功率要求增加。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决上述问题，提出了一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具，该钻具可在保持冲击钻进方法对坚硬脆性岩体高效性的同时，采用孔底旋转驱动，保证冲击钻进过程中孔底岩体破碎的均匀性，取代转盘旋转驱动，减少钻杆对孔壁稳定性的破坏。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具，包括钻具的外壁，所述外壁内设有锥形接口、冲击锤以及铁砧，所述锥形接口位于外壁的最上端，其下端设有锥形出口；所述冲击锤位于锥形出口的下端，其下端和外壁形成接触式连接，上端通过上密封块和所述外壁的内侧壁形成滑动密封式连接，在上密封块底部和冲击锤下端的上部之间形成一缓压腔；以及冲击锤的最上端和锥形出口之间形成一可供冲击锤的冲击头上下冲击的第一冲击腔体；在冲击锤下端设有一铁砧，在冲击锤的底部和铁砧之间设有第二冲击腔体，所述第二冲击腔体内设有液动锤；所述铁砧外壁通过下密封块形成连接，并且形成铁砧的外壁可沿着下密封块的内壁上下滑动的结构；

作为本实用新型之改进，所述下密封块的上端设有橡胶垫。

本实用新型的钻具总体功能分为两部分，上部分借鉴液动锤原理，对钻头提供高频冲击力，达到快速有效破碎硬脆岩体的目的。下部借鉴螺杆马达的驱动原理，钻头冲击破碎底部岩体后，上行时做小角度偏转，保证钻头底部凸齿均匀地对孔底岩石进行破碎。

附图说明

图1所示的是本实用新型的初始状态结构图；

图2所示的是本实用新型的冲击前结构图；

图3所示的是本实用新型冲击时的结构图；

图4所示的是本实用新型冲击后的结构图；

其中：1、外壁；2、锥形接口；3、上密封块；4、缓压腔；5、冲击锤；6、橡胶垫；7、下密封块；8、铁砧；9、锥形出口；10、第一冲击腔体；11、第二冲击腔体；12、液动锤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。

由图1可知，一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具，包括钻具的外壁1，在外壁1内设有锥形接口2、冲击锤5以及铁砧8。

上述结构中，锥形接口2位于外壁1的最上端，其下端设有锥形出口9；冲击锤5位于锥形出口9的下端，其下端和外壁1形成接触式连接，上端通过上密封块3和外壁1的内侧壁形成滑动密封式连接；在上密封块3的底部和冲击锤5的下端的上部之间形成一缓压腔4；以及冲击锤5的最上端和锥形出口9之间形成一可供冲击锤5的冲击头上下冲击的第一冲击腔体10；在冲击锤5的下端设有一铁砧8，在冲击锤5的底部和铁砧8之间设有第二冲击腔体11，在第二冲击腔体11内设有液动锤12；铁砧8外壁通过下密封块7形成连接，并且形成铁砧8的外壁可沿着下密封块7的内壁上下滑动的结构；以及在下密封块7的上端设有橡胶垫6。下面针对上述结构展开具体说明。

本实用新型中钻具的外壁1，期材质选用优质的无缝钢管；锥形接口2其材质选用优质钢，上方可与钻杆采用丝扣连接；下部设有锥形出口9；上密封块3其材质选用优质钢，作用是对冲击锤5上下进行压力隔离；在缓压腔4内注入常压空气，当冲击锤5上行时，缓压腔4空气压缩、下行时，缓压,空气膨胀；冲击锤5材质选用优质钢，对钻头提供高频冲击力；橡胶垫6的主要作用是：铁砧8在冲击力作用下行至底部时，对其形成密封。下密封块7的材质选用优质钢，其作用有两方面，一是作为铁砧8下方螺杆的外壁缸套；二是对铁砧8的行程起限制作用；铁砧8下方开口成锥形，用于连接钻头，作用有两个方面，一是将冲击锤5的冲击力传至钻头；二是在其上行过程中，在钻井液的作用下带着钻头转动。本实用新型在使用时，具体分为初始状态、冲击前、冲击时以及冲击后四个阶段，下面结合附图进行详细说明。

结合图1可知，初始状态：钻具采用钻杆送至孔底，冲击锤5在自重作用下处于最低位置，上密封块3对冲击锤5起支承作用；铁砧8在钻头的顶托作用下处于最高位置。开动泥浆泵后，液动锤12上方压强P1略高于下方压强P2(在第一冲击腔体10内)，但液动锤12下部表面积远大于上部表面积，因此钻井液在液动锤12上、下表面上产生的压力差，推动液动锤12上行，直至达图2所示位置。

结合图2可知，冲击前：液动锤12上方的锥形凸起堵住上方钻杆口，钻杆内钻井液在突然停止流动的状态下，产生水击P3，钻井液对液动锤12产生一个巨大的冲击力，液动锤12下行冲击铁砧8。

结合图3可知，冲击时：铁砧8在液动锤12冲击作用下将冲击能传递给钻头，当铁砧8下行到底部时，铁砧8的螺杆柱周围的螺旋孔被橡胶垫6与下密封块7密封，在第二冲击腔体11内造成异常高压P4，再次将液动锤12抬升。

结合图4可知，冲击后：钻头在孔底岩体冲击反弹作用力下带动铁砧8上行，并在上行的同时，钻井液沿铁砧8的螺杆柱周围的螺旋孔旋流，钻井流的流向不断发生变化，对螺杆产生较大的旋转力，带动钻头旋转一定的角度，直至回到图2状态。

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变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具，包括钻具的外壁，所述外壁内设有锥形接口、冲击锤以及铁砧，其特征在于，所述锥形接口位于外壁的最上端，其下端设有锥形出口；所述冲击锤位于锥形出口的下端，其下端和外壁形成接触式连接，上端通过上密封块和所述外壁的内侧壁形成滑动密封式连接，在上密封块底部和冲击锤下端的上部之间形成一缓压腔；以及冲击锤的最上端和锥形出口之间形成一可供冲击锤的冲击头上下冲击的第一冲击腔体；在冲击锤下端设有一铁砧，在冲击锤的底部和铁砧之间设有第二冲击腔体，所述第二冲击腔体内设有液动锤；所述铁砧外壁通过下密封块形成连接，并且形成铁砧的外壁可沿着下密封块的内壁上下滑动的结构。

2.如权利要求1所述的一种深孔坚硬脆性岩石钻探用冲击回转钻具，其特征在于，所述下密封块的上端设有橡胶垫。