一种砂砾石地层钻进装置和钻进工艺

技术领域

本发明涉及一种砂砾石地层钻进装置和钻进工艺，属于地质钻探技术领域。

背景技术

砂砾石地层中常规的绳索取心方法会遇到许多施工难题。首先，砂砾石地层多为松散，胶结性差，软硬互层频繁，砾径大小不等，钻探施工中极易出现超径、坍塌、糊钻等事故，引发钻进中埋钻、卡钻、夹钻、钻杆折断等孔内事故。目前国内在砂砾石地层中多采用常规的绳索取心钻进工艺，其外环状通水间隙较小，排屑不通畅，发生岩屑下沉于孔底，引起二次破碎；钻头外出刃小，排屑不迅速，容易发生糊钻，影响继续钻进；钻进过程中，常常出现钻杆内壁结泥皮，内管打捞遇阻，岩心采取率低，钻头寿命低，弹卡总成回收管内易沉淀有岩屑，阻止弹卡收缩，使打捞回收岩心管失败等问题。

发明内容

本发明目的是提供一种砂砾石地层钻进装置和钻进工艺，提高了砂砾岩地层中钻进效率，岩心采取率高，减少事故发生，安全钻进，解决了背景技术中存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种砂砾石地层钻进装置，包含套管一、套管二、钻杆和钻具，套管二设置在套管一内，套管一和套管二与砂砾石地层之间均设有水泥浆；钻具和钻杆均设置在套管二内，钻具的顶端与钻杆连接；钻具包含弹卡总成回收管、弹卡板、弹卡座、转接头、悬挂接头、悬挂环、外管、内管和扶正器，外管和内管均为管状结构，弹卡总成回收管、弹卡板、弹卡座、转接头、悬挂接头和内管依次设置在外管内；所述弹卡总成回收管上沿圆周方向均匀设置多个水槽；弹卡座上设置多个弹卡板，弹卡座下端通过转接头与悬挂接头连接，悬挂接头与外管之间设有悬挂环；所述悬挂环为圆环状，沿圆周方向均匀设置多个通水槽；所述外管上设置扶正器，扶正器上轴向设置多个预留槽，预留槽内设有耐磨块；所述外管顶端与钻杆连接，底端设有钻头，钻头的外径与扶正器的外径相匹配。

所述扶正器截面为环状结构，内环为圆形，外环为正方形、六方形或八方形，各角处均设置预留槽；外环为方形，有效维持钻具稳定的回转，并且增大通水面积，有利于冲洗液流通，快速排出岩屑。

所述扶正器数量为两个，分别为上扶正器和下扶正器，钻具顶端与下部钻杆之间设有上扶正器，钻具底端与钻头之间设有下扶正器。

所述钻杆由上部钻杆和下部钻杆组成，上部钻杆和下部钻杆的外径相同，上部钻杆的内径小于下部钻杆的内径，上部钻杆和下部钻杆螺纹连接；上部钻杆采用增强的钻杆柱，下部钻杆采用轻型的钻杆柱，有效减轻钻机的提升重量，钻进中有效防止钻杆柱折断。所述钻杆设有负角度螺纹，螺纹结构为不对称型，螺纹表面硬化处理，增强钻杆的抗扭和抗拉强度，有效防止卡钻和折断钻杆的事故，保证钻孔的高效安全钻进，增加钻进的纯钻进时间。所述钻杆表面涂抹铵盐高效润滑脂，在钻杆表面能形成一层牢固的薄膜，减少钻杆的扭距，同时也有润滑金刚石的作用，大幅度降低了钻杆与孔壁的摩擦力，节约地表的动力，有效防止钻杆折断事故。

多个所述弹卡板呈伞状设置在弹卡座上，弹卡板数量为3-6个，多个弹卡板使弹卡总成在弹卡室内均匀受力，有效增加弹卡总成回转时的稳定性。

所述弹卡总成回收管上设有2-8个水槽，促进岩屑随时被冲洗液带走，有效防止了泥沙等在弹卡总成回收管处的沉淀，使弹卡总成回收管的动作更加灵活方便。

所述悬挂环上设有4-10个通水槽，相邻通水槽之间形成刮台，开有通水槽的悬挂环增加了弹卡总成在钻杆柱间的环状空间，减少提升和下放内管总成的阻力，同时悬挂环的刮台在提升下放时可刮削钻杆柱的泥皮，保证绳索取心钻具打捞的成功率，减少非纯钻时间，提高钻进时间利用率。

所述钻头设有超大的外通水槽和复合片增强钻头外径，超大外通水槽具有钻进时能通畅排岩屑和粗大砂粒，有效防止二次破碎岩屑影响钻进效率。复合片增强钻头外径有效防止钻头缩径减少外通水槽的过水面积、形成岩粉沉淀、影响钻进效率，甚至发生糊钻事故。

本发明在弹卡总成回收管上沿圆周方向均匀设置多个水槽，在悬挂环沿圆周方向均匀设置多个通水槽，可以增大孔壁与钻具的外管之间间隙，在孔壁与钻具的外管之间形成较大的外环状间隙。特别是对于砂砾石地层，本发明较大的外环状间隙，才能创造良好的通水条件。

根据砂砾石地层条件，可以将钻具更换不同直径的钻头。

一种砂砾石地层钻进工艺，采用上述钻进装置，包含如下步骤：

①首先在砂砾石地层用外径较大钻头钻进5m，然后下入套管一；在套管一和砂砾石地层之间用水泥浆固定套管一；

②更换外径较小钻头，在套管一内钻进150m，下入套管二，在套管二和砂砾石地层之间用水泥浆固定套管二，套管一和套管二形成一个固定钻井；

③钻杆由上部钻杆和下部钻杆组合而成，上部钻杆和下部钻杆之间通过螺纹连接；在上部钻杆和下部钻杆表面涂抹铵盐型润滑脂；

④在钻具顶端与下部钻杆之间设有上扶正器，钻具底端与钻头之间设有下扶正器；

⑤在套管二内放入钻杆和钻具，钻进至终孔。

本发明的有益效果是：钻杆加工精度高，钻进中保持动平衡，钻杆内外表面光滑，有利于岩屑通过，减少了岩屑的流动阻力；在孔壁与钻具的外管之间形成较大的外环状间隙，促使岩粉迅速排到地表，防止岩屑在孔内沉淀，引起糊钻和烧钻事故；弹卡总成回收管的多个水槽，有效防止泥沙的沉淀；悬挂环四周开有通水槽，增加冲洗液通过的面积，减少提升阻力；扶正器截面外环呈方形，钻井液流通顺畅。本发明提高了砂砾岩地层中钻进效率，岩心采取率高，减少事故发生，安全钻进。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明套管一和套管二剖视图；

图3为本发明局部剖视图；

图4为本发明钻杆剖视图；

图5为本发明钻具结构示意图；

图6为本发明弹卡总成回收管结构示意图；

图7为本发明悬挂环结构示意图；

图8为本发明六方形扶正器结构示意图；

图9为本发明八方形扶正器结构示意图；

图10为本发明正方形扶正器结构示意图；

图11为本发明耐磨块结构示意图；

图中：外环状间隙1、弹卡总成回收管2、弹卡板3、悬挂环4、外管5、钻头6、钻具7、内管8、耐磨块9、预留槽11、弹卡座12、转接头13、悬挂接头14、水槽15、通水槽16、钻杆17、上部钻杆171、下部钻杆172、上扶正器18、下扶正器19、套管一20、水泥浆21、套管二22、砂砾石地层23。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明。

一种砂砾石地层钻进装置，包含套管一20、套管二22、钻杆17和钻具7，套管二22设置在套管一20内，套管一20和套管二22与砂砾石地层23之间均设有水泥浆21；钻具7和钻杆17均设置在套管二22内，钻具7的顶端与钻杆17连接；钻具7包含弹卡总成回收管2、弹卡板3、弹卡座12、转接头13、悬挂接头14、悬挂环4、外管5、内管8和扶正器，外管5和内管8均为管状结构，弹卡总成回收管2、弹卡板3、弹卡座12、转接头13、悬挂接头14和内管8依次设置在外管5内；所述弹卡总成回收管2上沿圆周方向均匀设置多个水槽15；弹卡座上设置多个弹卡板3，弹卡座下端通过转接头与悬挂接头连接，悬挂接头与外管5之间设有悬挂环4；所述悬挂环4为圆环状，沿圆周方向均匀设置多个通水槽16；所述外管上设置扶正器，扶正器上轴向设置多个预留槽11，预留槽11内设有耐磨块9；所述外管顶端与钻杆17连接，底端设有钻头6，钻头的外径与扶正器的外径相匹配。

所述扶正器截面为环状结构，内环为圆形，外环为正方形、六方形或八方形，各角处均设置预留槽；外环为方形，有效维持钻具稳定的回转，并且增大通水面积，有利于冲洗液流通，快速排出岩屑。

所述扶正器数量为两个，分别为上扶正器和下扶正器，钻具7顶端与下部钻杆172之间设有上扶正器18，钻具7底端与钻头6之间设有下扶正器19。

所述钻杆17由上部钻杆171和下部钻杆172组成，上部钻杆171和下部钻杆172 的外径相同，上部钻杆171的内径小于下部钻杆172 的内径，上部钻杆171和下部钻杆172螺纹连接；上部钻杆171采用加强型CS113钻杆，下部钻杆172采用轻型的CS113钻杆，有效减轻钻机的提升重量，钻进中有效防止钻杆柱折断。所述钻杆设有负角度螺纹，螺纹结构为不对称型，螺纹表面硬化处理，增强钻杆的抗扭和抗拉强度，有效防止卡钻和折断钻杆的事故，保证钻孔的高效安全钻进，增加钻进的纯钻进时间。所述钻杆17表面涂抹铵盐高效润滑脂，在钻杆表面能形成一层牢固的薄膜，减少钻杆的扭距，同时也有润滑金刚石的作用，大幅度降低了钻杆与孔壁的摩擦力，节约地表的动力，有效防止钻杆折断事故。

多个所述弹卡板呈伞状设置在弹卡座上，弹卡板数量为3-6个，多个弹卡板使弹卡总成在弹卡室内均匀受力，有效增加弹卡总成回转时的稳定性。

所述弹卡总成回收管上设有2-8个水槽，促进岩屑随时被冲洗液带走，有效防止了泥沙等在弹卡总成回收管处的沉淀，使弹卡总成回收管的动作更加灵活方便。

所述悬挂环上设有4-10个通水槽，相邻通水槽之间形成刮台，开有通水槽的悬挂环增加了弹卡总成在钻杆柱间的环状空间，减少提升和下放内管总成的阻力，同时悬挂环的刮台在提升下放时可刮削钻杆柱的泥皮，保证绳索取心钻具打捞的成功率，减少非纯钻时间，提高钻进时间利用率。

所述钻头6设有超大的外通水槽和复合片增强钻头外径，超大外通水槽具有钻进时能通畅排岩屑和粗大砂粒，有效防止二次破碎岩屑影响钻进效率。复合片增强钻头外径有效防止钻头缩径减少外通水槽的过水面积、形成岩粉沉淀、影响钻进效率，甚至发生糊钻事故。

本发明的外环状间隙1为3.1-10mm。弹卡总成回收管的水槽数量依据砂砾石排屑量的大小设计，排屑量大可多开几个水槽，排屑量小可少开几个水槽，一般水槽的数量为2-8个。弹卡板的数量按照砂砾地层中钻进所需钻压数值而定，钻压数量越大，所需的弹卡板数量越多，一般为3-6个。悬挂环四周通水槽的数量是依据砂砾石地层排屑量的多少来设计，排屑量大则四周通水槽设计数量多，相反则数量少，一般为4-10个。扶正器7按照钻头6的外径而设计。扶正器的截面外环是方形的，可以是正方形、六方形、八方形。

一种砂砾石地层钻进工艺，采用上述钻进装置，包含如下步骤：

①首先在砂砾石地层用直径为152mm的合金钻头钻进5m，然后下入直径为146mm的套管一；在套管一和砂砾石地层23之间用水泥浆21固定套管一20；

②更换直径为133mm的钻头，在套管一20内钻进150m，下入直径为127mm的套管二，在套管二和砂砾石地层23之间用水泥浆21固定套管二，套管一20和套管二22形成一个固定钻井；

③钻杆17由上部钻杆171和下部钻杆172组合而成，上部钻杆171和下部钻杆172之间通过螺纹连接；在上部钻杆和下部钻杆表面涂抹铵盐型润滑脂，上部钻杆为直径为101mm的加厚高强度绳索取心钻杆，下部钻杆为直径为101mm的轻型高强度绳索取心钻杆；

④在钻具7顶端与下部钻杆172之间设有上扶正器18，钻具7底端与钻头6之间设有下扶正器19；

⑤在直径为127mm的套管二内放入直径为101mm的高强度绳索取心钻杆和安装直径为113mm超径增强复合片钻头的直径为101mm的快速排屑绳索取心钻具，钻进至终孔。

本发明使用时，首先按孔深和砂砾石地层条件设计和安装好两级套管，即套管一和套管二；按钻进顺序，向孔内放入安装有超径增强砂砾石地层复合片取心钻头的快速排屑砂砾石地层绳索取心钻具和加强螺纹型绳索取心钻杆；在绳索取心钻杆外表面涂抹润滑脂；为适应钻头、钻具和钻杆三者与孔壁之间超大外环状空间，钻进时的冲洗液量要相应增大，保证超大外环状空间中冲洗液的上返速度；为适应砂砾石地层的可钻性，钻进时钻压相对常规地层有所减少；为适应砂砾石地层的不稳定性，钻进时钻机的转速为低速到中速范围；钻进过程中不断清除冲洗液中的岩屑，应采用除砂器和除泥器，以减少冲洗液中的含砂量，减少钻杆内壁结泥皮的影响，保证钻具在打捞工序时的成功率；钻进深孔时，为减少钻机提升负荷和防止绳索取心钻杆折断，采用复合钻杆技术，即钻孔下部用同规格的常规高强度绳索取心钻杆，上部采用内加厚高强度砂砾石层绳索取心钻杆。