TWM553756U - 旋轉衝擊式鑽井設備 - Google Patents

Abstract

本創作係關於一種旋轉衝擊式鑽井設備，其包括：一鑽井液；一鑽柱，其包含有一衝擊裝置於一鑽鋌與一鑽頭之間，且衝擊裝置係藉由該鑽井液驅動，以帶動該鑽頭進行上下往返衝擊作動；一旋轉驅動裝置，驅動該鑽柱旋轉，以帶動該鑽頭進行旋轉鑽進；以及一循環處理裝置，其係提供該鑽井液循環通過該鑽柱，並對該鑽井液進行淨化處理。據此，本創作之旋轉衝擊式鑽井設備可實現旋轉鑽井與頓鑽衝擊鑽井之工法結合。

Description

旋轉衝擊式鑽井設備

本創作係有關於一種鑽井設備，尤指一種可結合旋轉鑽及衝擊式頓鑽工法之鑽井設備。

傳統旋轉鑽井是常見的鑽井方法之一，其採用地表機械式轉盤驅動鑽柱，以帶動最前端鑽頭進行岩石壓碎破岩，達到鑽進效果，其中壓碎破岩原理係利用鑽鋌自身重量與地心引力自然下壓，由鑽齒壓裂碎岩，並利用旋轉增加破岩能力，後續由地表泥漿泵泵送高固相泥漿並攜帶岩屑洗出至地表過濾系統。然而，採用傳統的旋轉鑽井方式鑽進硬質地層時，通常沒有足夠的扭矩來破碎岩石，且岩石對於鑽頭和鑽具的磨損很嚴重，導致旋轉剪切破碎的方法效率很低，甚至鑽頭可能瞬間停止轉動。此外，旋轉鑽井方式鑽進硬質地層時需要較高的轉速，因而增加了鑽具與井孔孔壁的碰撞機會，因此容易出現孔壁坍塌等事故。

頓鑽鑽井是另一種適用於淺井鑽井之傳統鑽井方法，其利用一重錘攜帶破岩鑽頭，採自由落體方式，衝擊破岩，由捲揚系統將重錘反覆由井底提升至一定區間高度，再行自由落體衝擊，岩屑洗出採活動撈桶撈出。雖然頓鑽鑽井鑽鑿堅硬地層更為有利，且具有設備簡單、操作容易、鑽井成本低等優點，但其鑽井速度低，且無法用於鑽較深的井和高壓油氣井等。

有鑑於此，發展一種可廣泛應用且大幅提高鑽井效率之新式鑽井設備，在此產業中極具需求及發展潛力。

本創作之主要目的在於提供一種旋轉衝擊式鑽井設備，其實現旋轉鑽井與頓鑽衝擊鑽井之工法結合，可大幅提高鑽井效率，並適用於各種地層之鑽鑿，同時可確保工作穩定性，降低鑽進過程中發生岩屑阻卡、井崩等問題。

為達上述目的，本創作揭露一種旋轉衝擊式鑽井設備，其包括：一鑽井液；一鑽柱，其包含有一衝擊裝置於一鑽鋌與一鑽頭之間，該衝擊裝置之上端及下端係分別對應該鑽鋌及該鑽頭，且由上而下依序包含一噴嘴、一閥件、一沖錘及一底接頭，該衝擊裝置係藉由該鑽井液驅動該沖錘，使連接該沖錘之該底接頭帶動該鑽頭進行上下往返衝擊作動，其中，當該鑽井液經由該噴嘴朝該閥件噴射時，該噴嘴與該閥件間之一閥程空間會降壓，導致該閥件向上朝該噴嘴滑動，而流經該閥件之該鑽井液於進入該沖錘內後，會由該沖錘內之一噴射口噴向該沖錘內之一承噴口，使得該沖錘內之上腔壓力低於下腔壓力，導致該沖錘向上滑動至該閥件，以閉合該閥件與該沖錘間之液流通道，而該沖錘之該上腔因該鑽井液之水擊作用而壓力上升，導致該閥件與該沖錘向下運動；一旋轉驅動裝置，驅動該鑽柱旋轉，以帶動該鑽頭進行旋轉鑽進；以及一循環處理裝置，其係提供該鑽井液循環通過該鑽柱，並對該鑽井液進行淨化處理。

據此，本創作之旋轉衝擊式鑽井設備可利用鑽井液驅動沖錘進行上下往復運動，使衝擊載荷作用於鑽頭，並藉由旋轉驅動裝置提供扭矩力，於井下實現同頓鑽鑽井工法之衝擊破岩又具備高固相鑽井液(泥漿)旋轉鑽井效果。

於本創作中，該旋轉衝擊式鑽井設備較佳係使用低固相鑽井液作為工作流體，更佳係使用固相含量為5 wt%以下之泥漿。例如，本創作之一具體實施例係採用具有下述特性之鑽井液做為工作流體：固相含量5 wt%以下、含砂量2wt%以下、密度0.98g/cm³~1.4g/cm³、表現黏度5mPa.S~50mPa.S、漏斗黏度22s~65s、泥餅黏附係數0.4以下。據此，本創作採用低固相含量之鑽井液可確保工作穩定性，並降低卡鑽等問題。

於本創作中，該循環處理裝置可包括一鑽井液槽、一鑽井液泵、一排送道、一返回道及一淨化器，該鑽井液泵係由該鑽井液槽吸取該鑽井液，並將該鑽井液經由該排送道輸送至該鑽柱，而流出該鑽頭並向上返回地面之該鑽井液係經由該返回道進入該淨化器，接著再進入該鑽井液槽中。據此，該鑽井液可藉由該循環處理裝置，通過鑽柱內部而輸送至井底，以進行循環洗井，並同時驅動衝擊裝置進行上下往返沖擊作動。

於本創作中，該沖錘可包括一第一活塞、一錘體及一第二活塞，其中，該第一活塞位於該閥件與該錘體之間，並設有該噴射口，而該錘體位於該第一活塞與該第二活塞之間，並設有該承噴口；而底接頭可包括一傳功軸、一傳功座及一花鍵軸，其中，該傳功軸之兩端分別連接該沖錘及該傳功座，而該花鍵軸位於該傳功座與該鑽頭之間。據此，泵送至衝擊裝置內腔之鑽井液可將壓力能量導至活塞，並推動腔室朝傳功軸做功，後由花鍵軸攜帶鑽頭產生同向位沖擊，同時利用反作用力進行壓力返儲，達成沖擊循環機制。

於本創作中，該鑽頭可為一取心鑽頭，且該鑽柱更可包含一取心管於衝擊裝置與取心鑽頭之間。據此，本創作之鑽井設備亦可應用於鑽探取心工法，其可透過與取心鑽頭相結合之取心管夾取岩樣，且衝擊裝置所產生之衝擊效果有利於減少取心鑽頭與所取岩心磨擦的時間，避免破壞岩心結構，並加速取心鑽進的速率。

為讓上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

請以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之其他優點與功效。惟需注意的是，以下圖式均為簡化之示意圖，圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更，且元件佈局狀態可更為複雜。本創作亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

請參見圖1，其為本創作一具體實施例之鑽井設備1000架構示意圖。本具體實施例之鑽井設備1000包括一鑽井液10、一鑽柱30、一旋轉驅動裝置50及一循環處理裝置70，其中該旋轉驅動裝置50係用以驅動該鑽柱30旋轉鑽進地層G，而該循環處理裝置70則用以驅動該鑽井液10循環通過該鑽柱30，並對鑽井液30進行淨化處理。更進一步說，為避免鑽進時所產生的大量岩屑影響鑽進效率，本創作之鑽井設備1000利用循環處理裝置70，以提供鑽井液10循環通過該鑽柱30，並對鑽井液10進行淨化處理。如圖1所示，本具體實施例之循環處理裝置70包括一鑽井液槽71、一鑽井液泵73、一排送道75、一返回道77及一淨化器79，鑽井液泵71係由鑽井液槽71吸取鑽井液10，並將鑽井液10經由排送道75輸送至鑽柱30，而向井下穿過鑽柱30之鑽井液10會從鑽柱30底端流出，並攜帶鑽屑，接著沿鑽柱30與井孔80內壁間之環形空間801將鑽屑向上運送至地面，而返回地面之鑽井液10會經由返回道77進入淨化器79，以進行鑽井液的淨化處理，接著再回到鑽井液槽71，並重複上述過程，以維持鑽進過程中鑽井液10之循環。

本創作之一特點在於，該鑽柱30包含有衝擊裝置37於鑽鋌35與鑽頭39之間，其中該衝擊裝置37可藉由鑽井液10驅動，以帶動鑽頭39進行上下往返衝擊作動，進而實現旋轉鑽井與頓鑽衝擊鑽井之工法結合。更具體地說，該衝擊裝置37較佳是採用泥漿作為提供驅動動力之鑽井液10，相較於採用空氣或泡沫作為工作流體之井下衝擊裝置，由於泥漿可洗出岩屑，故可改善空氣或泡沫衝擊裝置隨著鑽井深度增加而面臨井崩、岩屑卡住鑽桿與鑽頭造成事故的問題。此外，泥漿具備泥漿柱壓，可有效抵擋井下高壓地層水體或氣體大量湧入井中發生事故，同時井壁因泥漿平衡壓力，不易發生崩落，即便長時間未進行鑽鑿，依舊可以有效保護井孔避免塌陷，井孔緊縮，因此，相較於善空氣或泡沫衝擊裝置，使用泥漿作為工作流體可提高鑽井安全性，尤其，泥漿適用於所有地層，且依據地層特性(高溫、高壓水充沛)可調製具適性之泥漿，故相較於空氣或泡沫衝擊裝置僅適用於特定地層之限制，泥漿驅動衝擊裝置之設計更能廣泛地被應用。

更詳細地說，本具體實施例之鑽柱30由上而下包含有依序組接之一方鑽桿31、一鑽桿33、一鑽鋌35、一衝擊裝置37及一鑽頭39，其中方鑽桿31插入旋轉驅動裝置50，藉此該旋轉驅動裝置50可通過旋轉方鑽桿31來驅動鑽柱30旋轉鑽井，而衝擊裝置37則可同時帶動鑽頭39進行衝擊式頓鑽鑽井。

請參見圖2，以進一步說明該衝擊裝置37之主要構件及作動機制。如圖2所示，本具體實施例之衝擊裝置37由上而下依序包含有一噴嘴372、一閥件373、一沖錘374及一底接頭378，當閥件373及沖錘374位於其下限位置處時，閥件373與噴嘴372間距離一閥程距離A，而沖錘374與閥件373間則距離一活動距離B，其中該些組成構件是容置於一外殼371內，並藉由下述機制帶動鑽頭39進行上下往返衝擊作動：經過鑽桿33進入衝擊裝置37的鑽井液會由噴嘴372朝閥件373噴射出，高速射流的卷吸作用會使噴嘴372與閥件373間的閥程空間S降壓，導致閥件373向上朝噴嘴372滑動一閥程距離A，而鑽井液將繼續流過閥件373內孔並進入沖錘374內腔；進入沖錘374內的鑽井液，經沖錘374內的噴射口374a向下噴向沖錘374內的承噴口374b，同樣由於高速射流的卷吸作用會使沖錘374內之上腔壓力低於下腔壓力，因而導致沖錘374向上滑動A+B距離，使得沖錘374與閥件373接觸，以閉合閥件373與沖錘374間之液流通道，導致高速液流被迅速阻斷產生水擊，使沖錘374之上腔壓力上升，以藉由沖錘374內之上下腔壓推動沖錘374及閥件373向下運動，其中閥件373向下滑動閥程距離A後抵達下限位而停止運動，沖錘374則繼續向下運動而沖擊到底接頭378，以將沖擊能量輸出，完成一個工作週期，而衝擊裝置38內恢復到起始狀態的各構件接著再重複上述作動而進入下一個工作週期，如此循環地進行上下往返衝擊作動。

於本具體實施例中，該沖錘374包含有第一活塞3741、一錘體3743及第二活塞3745，其中第一活塞3741係位於閥件373與錘體3743之間，且下端處設有噴射口374a，而錘體3743則位於第一活塞3741與第二活塞3745之間，且上端處設有承噴口374b。據此，當鑽井液由噴射口374a高速噴出時，錘體3743腔內壓力會下降，而液流會向下流動至第二活塞3745底部形成高壓，導致沖錘374內的下腔壓力大於上腔壓力，進而藉由上下腔壓推動沖錘374向上運動。

於本具體實施例中，該底接頭378包含有一傳功軸3781、一傳功座3783及一花鍵軸3785，其中傳功軸3781之兩端分別連接沖錘374及傳功座3783，而花鍵軸3785之兩端則分別連接傳功座3783及鑽頭39。據此，該沖錘374可將沖擊能量傳送至傳功軸3781作工，並由花鍵軸3785攜帶鑽頭39產生同向位沖擊。

為避免大顆粒岩屑或粒狀泥球造成衝擊裝置37堵塞而失去作工，該鑽井液較佳為固相含量約5 wt%以下之泥漿，以維持衝擊裝置37之作工品質。在此，本具體實施例是選用具備下述特性之泥漿作為鑽井液：固相含量5 wt%以下、含砂量2wt%以下、密度0.98g/cm³~1.4g/cm³、表現黏度5mPa.S~50mPa.S、漏斗黏度22s~65s、泥餅黏附係數0.4以下。

此外，請參見圖3，其為本創作另一具體實施例之鑽柱30局部結構示意圖。如圖3所示，本具體實施例之鑽柱30更包含一取心管38於衝擊裝置37與鑽頭39之間，且與取心管38結合之鑽頭39係採用取心鑽頭。藉此，該中空鑽頭39可於地層G中進行鑽孔，並透過取心管38夾取岩樣G1，將岩樣G1取出至地表，以實現鑽探取心工法。更進一步說明，於進行鑽探取心工法時，可配合泥漿做為工作流體與取心，將地表下砂、泥、岩樣取出，並透過衝擊裝置37之衝擊效果，有效減少鑽頭39與岩心磨擦的時間，避免岩心漏失，並提升取心率至90%以上。

上述的實施例僅用來例舉本創作的實施態樣，以及闡釋本創作的技術特徵，並非用來限制本創作的保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本創作所主張的範圍，本創作的權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1000‧‧‧鑽井設備
10‧‧‧鑽井液
30‧‧‧鑽柱
31‧‧‧方鑽桿
33‧‧‧鑽桿
35‧‧‧鑽鋌
37‧‧‧衝擊裝置
371‧‧‧外殼
372‧‧‧噴嘴
373‧‧‧閥件
374‧‧‧沖錘
374a‧‧‧噴射口
374b‧‧‧承噴口
3741‧‧‧第一活塞
3743‧‧‧錘體
3745‧‧‧第二活塞
378‧‧‧底接頭
3781‧‧‧傳功軸
3783‧‧‧傳功座
3785‧‧‧花鍵軸
38‧‧‧取心管
39‧‧‧鑽頭
50‧‧‧旋轉驅動裝置
70‧‧‧循環處理裝置
71‧‧‧鑽井液槽
73‧‧‧鑽井液泵
75‧‧‧排送道
77‧‧‧返回道
79‧‧‧淨化器
80‧‧‧井孔
801‧‧‧環形空間
A‧‧‧閥程距離
B‧‧‧活動距離
G‧‧‧地層
G1‧‧‧岩樣
S‧‧‧閥程空間

圖1為本創作一具體實施例之旋轉衝擊式鑽井設備架構示意圖； 圖2為本創作一具體實施例之衝擊裝置結構示意圖；及 圖3為本創作另一具體實施例之鑽柱局部結構示意圖。

1000‧‧‧鑽井設備

10‧‧‧鑽井液

30‧‧‧鑽柱

31‧‧‧方鑽桿

33‧‧‧鑽桿

35‧‧‧鑽鋌

37‧‧‧衝擊裝置

39‧‧‧鑽頭

50‧‧‧旋轉驅動裝置

70‧‧‧循環處理裝置

71‧‧‧鑽井液槽

73‧‧‧鑽井液泵

75‧‧‧排送道

77‧‧‧返回道

79‧‧‧淨化器

80‧‧‧井孔

801‧‧‧環形空間

G‧‧‧地層

Claims (8)

1. 一種旋轉衝擊式鑽井設備，包括： 一鑽井液； 一鑽柱，其包含有一衝擊裝置於一鑽鋌(drill collar)與一鑽頭之間，該衝擊裝置之上端及下端係分別對應該鑽鋌及該鑽頭，且由上而下依序包含一噴嘴、一閥件、一沖錘及一底接頭，該衝擊裝置係藉由該鑽井液驅動該沖錘，使連接該沖錘之該底接頭帶動該鑽頭進行上下往返衝擊作動，其中，當該鑽井液經由該噴嘴朝該閥件噴射時，該噴嘴與該閥件間之一閥程空間會降壓，導致該閥件向上朝該噴嘴滑動，而流經該閥件之該鑽井液於進入該沖錘內後，會由該沖錘內之一噴射口噴向該沖錘內之一承噴口，使得該沖錘內之上腔壓力低於下腔壓力，導致該沖錘向上滑動至該閥件，以閉合該閥件與該沖錘間之液流通道，而該沖錘之該上腔因該鑽井液之水擊作用而壓力上升，導致該閥件與該沖錘向下運動； 一旋轉驅動裝置，驅動該鑽柱旋轉，以帶動該鑽頭進行旋轉鑽進；以及 一循環處理裝置，其係提供該鑽井液循環通過該鑽柱，並對該鑽井液進行淨化處理。
2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該沖錘包括一第一活塞、一錘體及一第二活塞，該第一活塞位於該閥件與該錘體之間，並設有該噴射口，而該錘體位於該第一活塞與該第二活塞之間，並設有該承噴口。
3. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該鑽井液為泥漿。
4. 如申請專利範圍第3項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該鑽井液之固相含量為5 wt%以下。
5. 如申請專利範圍第4項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該鑽井液之含砂量為2wt%以下，密度為0.98g/cm³~1.4g/cm³，表現黏度為5mPa.S~50mPa.S，漏斗黏度為22s~65s，且泥餅黏附係數為0.4以下。
6. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該鑽頭為一取心鑽頭，且該鑽柱更包含有一取心管於該衝擊裝置與該取心鑽頭之間。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該底接頭包括一傳功軸、一傳功座及一花鍵軸，該傳功軸之兩端分別連接該沖錘及該傳功座，而該花鍵軸位於該傳功座與該鑽頭之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之旋轉衝擊式鑽井設備，其中，該循環處理裝置包括一鑽井液槽、一鑽井液泵、一排送道、一返回道及一淨化器，該鑽井液泵係由該鑽井液槽吸取該鑽井液，並將該鑽井液經由該排送道輸送至該鑽柱，而流出該鑽頭並向上返回地面之該鑽井液係經由該返回道進入該淨化器，接著再進入該鑽井液槽中。