CN107503680A - 一种地面大直径快速成孔钻井设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面大直径快速成孔钻井设备及其方法，包括布置在井口处内壁的外套管，在外套管的顶部装配有井口法兰，其特征在于，在井口法兰中间同轴固定有内套管，内套管的外径小于外套管的内径，在内套管底段部套设有跟管增压机构，在内套管内同轴设有钻杆，钻杆的外径小于内套管的内径，在钻杆内设有压缩空气通道，钻杆与内套管之间的环形空间为岩屑反排通道，在钻杆的顶部设有井口密封装置，在井口密封装置上设有岩屑排渣口，所述井口密封装置与内套管螺纹连接，在钻杆的底部连接有气动潜孔锤，气动潜孔锤位于跟管增压机构下方；从而提高钻井工人的工作效率，进一步提高矿山抢险救援效率。

Description

一种地面大直径快速成孔钻井设备及其方法

技术领域

本发明属于地面钻井抢险技术领域，特别涉及一种地面大直径快速成孔钻井设备及其方法。

背景技术

目前，地面快速钻井已经成为矿山抢险救援的一项新技术，为矿山抢险救援打通了一个“生命通道”，尤其是智利矿难和我国平邑矿难的完美救援，证明该技术是快速、效果明显的。但是“生命通道”的打通只是矿山抢险救援关键的一步，若要救出被困人员，还需要“逃生通道”即大直径井（井径不小于φ650mm）的建立。目前，“逃生通道”的主要工艺是正循环气动潜孔锤钻井技术和反循环气动潜孔锤钻井技术。前者需要风量大，需投入8-10台空压机，成本高；后者需要配置全套专用机具，且对地层条件要求较高，实施难度大，且成本也较高。鉴于此，研究一套全新快速施工大直径“逃生通道”成井技术及其设备具有重要实际意义。

发明内容

本发明目的是为解决上述现有技术中存在的问题而提出了一种地面大直径快速成孔钻井设备及其方法。为达到上述目的所采取的技术方案是：

一种地面大直径快速成孔钻井设备，包括布置在井口处内壁的外套管，在外套管的顶部装配有井口法兰，在井口法兰中间同轴固定有内套管，内套管的外径小于外套管的内径，在内套管底段部套设有跟管增压机构，在内套管内同轴设有钻杆，钻杆的外径小于内套管的内径，在钻杆内设有压缩空气通道，钻杆与内套管之间的环形空间为岩屑反排通道，在钻杆的顶部设有井口密封装置，在井口密封装置上设有岩屑排渣口，所述井口密封装置与内套管螺纹连接，在钻杆的底部连接有气动潜孔锤，气动潜孔锤位于跟管增压机构下方。

优选的，所述跟管增压机构包括同轴套设在内套管外侧的活动套管，活动套管的直径大于内套管的直径，在活动套管的内底部同轴设有栅格底板，所述栅格底板包括套设在钻杆外侧固定短管，固定短管的直径大于钻杆的直径，在固定短管与活动套管内壁之间绕周向焊接有多个径向挡板；在活动套管顶部一体设有密封盖，所述密封盖与钻杆外壁滑动连接，在活动套管内的钻杆上焊接有用于对活动套管限位的承托环。

优选的，在钻杆和气动潜孔锤之间安装有潜孔锤冲击器，所述潜孔锤冲击器顶部与钻杆底部螺纹连接，潜孔锤冲击器底部与气动潜孔锤顶部螺纹连接。

优选的，跟管增压机构在自身重力作用下坐落在潜孔锤冲击器顶部，当跟管增压机构位于最顶位置时，承托环与密封盖之间的距离为一节内套管的长度。

优选的，所述钻杆为方钻杆，在内套管顶部设有套管吊卡，套管吊卡位于井口法兰上方，在井口法兰与内套管外壁之间设有密封圈。

优选的，所述井口密封装置为三级密封机构。

一种使用如上所述的地面大直径快速成孔钻井设备进行的钻井方法，包括如下步骤：

A：首先在井口处内壁安装外套管，然后将气动潜孔锤、潜孔锤冲击器和钻杆下放至外套管内底部，然后将内套管和跟管增压机构下放，让跟管增压机构与潜孔锤冲击器顶部相接触为止；

B：安装井口法兰和井口密封装置，在井口密封装置上安装岩屑排渣口；

C：将钻杆上部与顶部驱动装置连接，同时与空压机通过高压软管连接，开动钻机和空压机，压缩空气由压缩空气通道进入气动潜孔锤，驱动气动潜孔锤做功，带动气动潜孔锤和钻头回转而进行冲击回转碎岩钻进；压缩空气依次经压缩空气通道、气动潜孔锤、钻头进入井底，然后带动岩屑经潜孔锤冲击器与井壁环空、跟管增压机构、岩屑反排通道、岩屑排渣口返至地面；

D：在气动潜孔锤和钻头前进的过程中，跟管增压机构在自身重力作用下始终坐落在潜孔锤冲击器顶部而一起向下运动，当向下运动一节内套管长度时，承托环对密封盖起到限位作用，然后从井口下放一节内套管，跟管增压机构重新获得一节内套管长度的移动范围，依次类推直至完成钻井。

优选的，在步骤B中，在内套管顶部安装套管吊卡。

本发明所具有的有益效果为：（1）利用在钻杆外侧套设内套管而形成的岩屑反排通道，大大减小了原来环形空间的大小，在保持岩屑反排最低风速15m/s的前提下，越小的岩屑反排通道需风量越小，这样对底面空压机要求的数量也由常规的8-10台减少至3台，在进行矿山救援时，需要的井场设备较少，可以快速完成井场布置及钻井，对狭小的救援现场具有更强的适应性和经济性。

（2）跟管增压机构的活动套管9的直径大于内套管6的直径，在岩屑流量相同的情况下，活动套管9流速慢，压强大，内套管6流速快，压强小，从而保证了压强差，实现对岩屑的快速反排；同时在钻井的过程中，跟管增压机构可以随时跟进，始终保持这种压强差，在矿山救援的过程中，可以大量缩短救援时间，提高救援效率。

（3）井口密封装置的设置，在实际的钻进操作过程中，减小上返空气对钻井工人的危害及施工效率的干扰，可以为钻井工人提供良好的井口操作环境，从而提高钻井工人的工作效率，进一步提高矿山抢险救援效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为栅格底板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1和图2所示，一种地面大直径快速成孔钻井设备，包括布置在井口处内壁的外套管7，在外套管7的顶部装配有井口法兰1，在井口法兰1中间同轴固定有内套管6，内套管6的外径小于外套管7的内径，在内套管6底段部套设有跟管增压机构，在内套管6内同轴设有钻杆5，钻杆5的外径小于内套管6的内径，在钻杆5内设有压缩空气通道15，钻杆5与内套管6之间的环形空间为岩屑反排通道14，在钻杆5的顶部设有井口密封装置3，所述井口密封装置3为三级密封机构，在井口密封装置3上设有岩屑排渣口4，所述井口密封装置3与内套管6螺纹连接，在钻杆5的底部连接有气动潜孔锤12，气动潜孔锤12位于跟管增压机构下方。

所述跟管增压机构包括同轴套设在内套管6外侧的活动套管9，活动套管9的直径大于内套管6的直径，在活动套管9的内底部同轴设有栅格底板10，如图2所示，所述栅格底板10包括套设在钻杆5外侧固定短管16，固定短管16的直径大于钻杆5的直径，在固定短管16与活动套管9内壁之间绕周向焊接有多个径向挡板17而形成栅格通道；在活动套管9顶部一体设有密封盖8，所述密封盖8与钻杆5外壁滑动连接，在活动套管9内的钻杆5上焊接有用于对活动套管9限位的承托环13。

为了进一步对岩屑进行击碎便于反排，在钻杆5和气动潜孔锤12之间安装有潜孔锤冲击器11，所述潜孔锤冲击器11顶部与钻杆5底部螺纹连接，潜孔锤冲击器11底部与气动潜孔锤12顶部螺纹连接；此时，跟管增压机构在自身重力作用下坐落在潜孔锤冲击器11顶部，当跟管增压机构位于最顶位置时，承托环13与密封盖8顶部之间的距离为一节内套管6的长度。

所述钻杆5也可以为方钻杆，在内套管6顶部设有套管吊卡2，套管吊卡2位于井口法兰1上方，在井口法兰1与内套管外6壁之间设有密封圈。

一种使用上所述的地面大直径快速成孔钻井设备进行的钻井方法，包括如下步骤：

A：首先在井口处内壁安装外套管7，然后将气动潜孔锤12、潜孔锤冲击器11和钻杆5下放至外套管7内底部，然后将内套管6和跟管增压机构下放，让跟管增压机构与潜孔锤冲击器11顶部相接触为止；

B：安装井口法兰1和井口密封装置3，在井口密封装置3上安装岩屑排渣口4；

C：将钻杆5上部与顶部驱动装置连接，同时与空压机通过高压软管连接，开动钻机和空压机，压缩空气由压缩空气通道15进入气动潜孔锤12，驱动气动潜孔锤12做功，带动气动潜孔锤12和钻头回转而进行冲击回转碎岩钻进；压缩空气依次经压缩空气通道15、气动潜孔锤12、钻头进入井底，然后带动岩屑经潜孔锤冲击器与井壁环空、跟管增压机构、岩屑反排通道14、岩屑排渣口4返至地面；

D：在气动潜孔锤23和钻头前进的过程中，跟管增压机构在自身重力作用下始终坐落在潜孔锤冲击器22顶部而一起向下运动，当向下运动一节内套管6长度时，承托环13对密封盖8起到限位作用，然后从井口下放一节内套管6，跟管增压机构重新获得一节内套管6长度的移动范围，依次类推直至完成钻井。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种地面大直径快速成孔钻井设备，包括布置在井口处内壁的外套管，在外套管的顶部装配有井口法兰，其特征在于，在井口法兰中间同轴固定有内套管，内套管的外径小于外套管的内径，在内套管底段部套设有跟管增压机构，在内套管内同轴设有钻杆，钻杆的外径小于内套管的内径，在钻杆内设有压缩空气通道，钻杆与内套管之间的环形空间为岩屑反排通道，在钻杆的顶部设有井口密封装置，在井口密封装置上设有岩屑排渣口，所述井口密封装置与内套管螺纹连接，在钻杆的底部连接有气动潜孔锤，气动潜孔锤位于跟管增压机构下方。

2.根据权利要求1所述的地面大直径快速成孔钻井设备，其特征在于，所述跟管增压机构包括同轴套设在内套管外侧的活动套管，活动套管的直径大于内套管的直径，在活动套管的内底部同轴设有栅格底板，所述栅格底板包括套设在钻杆外侧固定短管，固定短管的直径大于钻杆的直径，在固定短管与活动套管内壁之间绕周向焊接有多个径向挡板；在活动套管顶部一体设有密封盖，所述密封盖与钻杆外壁滑动连接，在活动套管内的钻杆上焊接有用于对活动套管限位的承托环。

3.根据权利要求2所述的地面大直径快速成孔钻井设备，其特征在于，在钻杆和气动潜孔锤之间安装有潜孔锤冲击器，所述潜孔锤冲击器顶部与钻杆底部螺纹连接，潜孔锤冲击器底部与气动潜孔锤顶部螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的地面大直径快速成孔钻井设备，其特征在于，跟管增压机构在自身重力作用下坐落在潜孔锤冲击器顶部，当跟管增压机构位于最顶位置时，承托环与密封盖之间的距离为一节内套管的长度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的地面大直径快速成孔钻井设备，其特征在于，所述钻杆为方钻杆，在内套管顶部设有套管吊卡，套管吊卡位于井口法兰上方，在井口法兰与内套管外壁之间设有密封圈。

6.根据权利要求1至4任一项所述的地面大直径快速成孔钻井设备，其特征在于，所述井口密封装置为三级密封机构。

7.一种使用如权利要求1至6任一项所述的地面大直径快速成孔钻井设备进行的钻井方法，其特征在于，包括如下步骤：

A：首先在井口处内壁安装外套管，然后将气动潜孔锤、潜孔锤冲击器和钻杆下放至外套管内底部，然后将内套管和跟管增压机构下放，让跟管增压机构与潜孔锤冲击器顶部相接触为止；

B：安装井口法兰和井口密封装置，在井口密封装置上安装岩屑排渣口；

C：将钻杆上部与顶部驱动装置连接，同时与空压机通过高压软管连接，开动钻机和空压机，压缩空气由压缩空气通道进入气动潜孔锤，驱动气动潜孔锤做功，带动气动潜孔锤和钻头回转而进行冲击回转碎岩钻进；压缩空气依次经压缩空气通道、气动潜孔锤、钻头进入井底，然后带动岩屑经潜孔锤冲击器与井壁环空、跟管增压机构、岩屑反排通道、岩屑排渣口返至地面；

D：在气动潜孔锤和钻头前进的过程中，跟管增压机构在自身重力作用下始终坐落在潜孔锤冲击器顶部而一起向下运动，当向下运动一节内套管长度时，承托环对密封盖起到限位作用，然后从井口下放一节内套管，跟管增压机构重新获得一节内套管长度的移动范围，依次类推直至完成钻井。

8.根据权利要求7所述的钻井方法，其特征在于，在步骤B中，在内套管顶部安装套管吊卡。