泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺

摘要

本发明涉及一种泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺。钻具为同轴式三通道结构，内层钻杆设有中心通道，内层钻杆与中间层钻杆之间构成第二个通道，中间层钻杆与外层钻杆之间构成第三个通道，钻井中三通道钻具与孔壁之间形成了第四个通道，供泥浆和压缩空气独立循环。钻具外管采用螺纹连接，二层内管插接，连接强度高，密封性能好，拧卸方便。压缩空气驱动井底潜孔锤冲击碎岩，可使硬岩钻井效率提高十倍以上；且压缩空气在井下钻具内封闭循环，不受井深和围压变化的影响，风压和供气量大幅度降低，并避免井口污染，实现节能环保和低成本钻井。空气钻井的同时使用泥浆钻井，实现对井壁的有效保护，对各种复杂地层适应性增强，确保钻井安全。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于油气资源勘探及开发、地热钻井及水文水井钻具 ，尤其是泥浆循环护壁、空气潜孔锤钻井同步作业的同轴式三通道钻 具及钻井工艺。

背景技术：

油气资源勘探及开发、地热钻井及水文水井等中等口径钻井工程中， 采用常规钻井方法钻遇硬岩地层时，钻井效率急剧下降，致使钻井成 本升高，钻井施工周期延长，已成为目前国内外钻井界亟待解决的技 术难题。近些年来，为较大幅度提高钻井效率，国内外开展了空气潜 孔锤钻井工艺技术的研究与应用，应用实践表明，在硬岩地层钻井中 效率提高十倍以上，在国内外已取得了显著工程效果。由于采用的是 空气潜孔锤正循环钻井工艺，当井深增大、井内有水时，井底的围压 也随之增大，使压缩空气的风压增高，压缩空气的体积被压缩。为保 持空气潜孔锤的正常钻进，随钻井深度的增加、井底围压的增高需不 断增加压缩空气的供给量，以补充被压缩的压缩空气体积，导致了压 缩空气流量巨增，配套的空压机设备数量增多，并需配备增压机以提 高风压。致使空压机、增压机设备投资大、能耗高、占地面积大、对 环境的污染严重，而且无法使用有效的泥浆洗井护壁工艺。当地层条 件较复杂、井内水量较大、井壁稳定性较差时，空气钻井方法难以应 用和实施，限制了空气潜孔锤钻井工艺技术的应用和推广。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种泥浆护壁空气潜 孔锤钻具；

本发明的另一目的是提供一种泥浆护壁空气潜孔锤的钻井工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

泥浆护壁空气潜孔锤钻具，钻具为同轴式三通道结构，内层钻杆5设有 中心通道20，内层钻杆5与中间层钻杆4之间构成的内环间隙通道为第 二层通道，中间层钻杆4与外层钻杆3之间构成的外环间隙通道为第三 层通道，钻井中三通道钻具在井内与孔壁之间形成了井壁外环间隙通 道21，在钻井过程中共形成了四个流体通道。

所述的同轴式三通道钻具，是由外层钻杆上接头1通过螺纹与外层钻杆 3的上端连接，外层钻杆3下端通过螺纹与外层钻杆下接头7的上端连接 ，外层钻杆下接头7的下端通过螺纹与潜孔锤上接头8的上端连接，潜 孔锤外管13上端通过螺纹与其上接头8的下端连接，潜孔锤外管13下端 通过螺纹连接花键套18；中间层钻杆4和内层钻杆5分别固定在外层钻 杆3内，钻井中拧卸钻杆时相连接 的二根中间层钻杆4和二根内层钻杆5之间均为插接方式连接，中间层 钻杆上接头2下端通过螺纹与中间层钻杆4上端连接，中间层钻杆4下端 通过螺纹与中间层钻杆下接头6上端连接，中间层钻杆下接头6下端与 潜孔锤上接头8为插接连接，心管9插入内缸上端盖10内并固定，内缸 上端盖10装在内缸11的上端面，内缸11、隔套14和衬套16依次装在外 缸12的内圆柱面内，活塞15装于内缸11和衬套16内，钻头19以花键插 入花键套18的花键槽内，用半圆卡17卡在钻头19上部的环槽内，限制 钻头沿花键向下滑出，实现钻头19的轴向定位。

泥浆循环护壁空气潜孔锤钻井工艺，包括以下步骤：

a、连接井内的钻具，包括空气潜孔锤及钻头和同轴式三通道钻杆，同 轴式三通道钻具构成了相互封闭的三个流体通道，既钻具内层钻杆5的 内孔中心通道20，由中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道， 由外层钻杆3与中间层钻杆4构成的外环间隙通道，外层钻杆3与井壁之 间构成了井壁外环间隙通道，共形成四个流体通道；

b、钻井过程中每二个流体通道构成一种流体由地面至井底进行独立循 环的流体通道，因此井内共有二个分别供压缩空气和泥浆二种动力介 质独立循环的流体通道，钻井过程中使用二种不同流体的动力循环介 质，既由泥浆泵供给的泥浆流体动力介质和由空气压缩机供给的压缩 空气流体动力介质；

c、钻井中由空气压缩机输出的压缩空气经外层钻杆3与中间层钻杆4构 成的外环间隙通道，进入空气潜孔锤内驱动潜孔锤工作，产生的高频 高能冲击力，直接作用于钻头，实现对井底岩石的高效碎岩钻进；

d、驱动潜孔锤工作后的废气经由潜孔锤内部通道进入三通道钻具的中 间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道，将废气排放至大气中。 压缩空气在井内的循环与工作完全处于封闭状态，呈独立循环系统， 不与井内接触与联通，使压缩空气不受井内流体围压及波动的影响；

e、在空气潜孔锤钻井的同时，由泥浆泵输出的泥浆冲洗液经井内的同 轴式三通道钻具的内孔中心通道20进入井底，冷却钻头球齿后携带岩 粉和岩屑沿着外层钻杆3与井壁之间的井壁外环间隙通道排至井口，进 入地面泥浆池。

有益效果：（1）空气潜孔锤的高频、高能冲击能量以冲击回转碎岩方 式钻进，使井底岩石实现体积碎岩，可使硬岩钻井效率较目前常规钻 井方法提高十倍以上；（2）压缩空气在三通道钻具内实现封闭循环， 不受井深增加、井内围压变化等的影响，风压和耗气量大幅度降低， 空压机设备数量减少，耗油量大幅节省，实现节能环保和低成本钻井 ；（3）空气钻井的同时又恢复使用泥浆护壁，实现对井壁的有效保护 ，对各种复杂地层条件的适应性增强，利于该技术的广泛推广应用； （4）钻具采用同轴式连接方式，连接强度高，拧卸方便、迅速，密封 性好； （5）压缩空气封闭循环避免了现有空气钻井的粉尘污染，利于环境保 护。钻井过程中上下二根三通道钻杆连接时，只需拧卸上面三通道钻 杆的外层钻杆下接头7与下面三通道钻杆的外层钻杆上接头1的螺纹， 两根钻杆的中间层钻杆4和内层钻杆5之间均为插接连接方式，中间层 钻杆4与内层钻杆5则自动完成了连接。采用此种连接方式，钻杆拧卸 方便、快捷、可靠，且钻杆的密封性好、制造成本低，钻杆的拧卸方 式与普通钻杆相同。

附图说明：

附图1为泥浆护壁空气潜孔锤钻具结构图

附图2为图1A—A,B—B剖面图

附图3为泥浆循环护壁空气潜孔锤钻井工艺原理图

1外层钻杆上接头；2中间层钻杆上接头；3外层钻杆；4中间层钻杆； 5内层钻杆；6中间层钻杆下接头；7外层钻杆下接头；8潜孔锤上接头 ；9心管；10内缸上端盖；11内缸；12外缸；13外管；14隔套；15活塞 ；16衬套；17半圆卡；18花键套；19钻头；20中心通道；21井壁外环 间隙通道。

具体实施方式:

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

泥浆护壁空气潜孔锤钻具，钻具为同轴式三通道结构，内层钻杆5设有 中心通道20，内层钻杆5与中间层钻杆4之间构成的内环间隙通道为第 二层通道，中间层钻杆4与外层钻杆3之间构成的外环间隙通道为第三 层通道，钻井中三通道钻具在井内与孔壁之间形成了井壁外环间隙通 道21，在钻井过程中共形成了四个流体通道。

所述的同轴式三通道钻具，是由外层钻杆上接头1通过螺纹与外层钻杆 3的上端连接，外层钻杆3下端通过螺纹与外层钻杆下接头7的上端连接 ，外层钻杆下接头7的下端通过螺纹与潜孔锤上接头8的上端连接，潜 孔锤外管13上端通过螺纹与其上接头8的下端连接，潜孔锤外管13下端 通过螺纹连接花键套18；中间层钻杆4和内层钻杆5分别固定在外层钻 杆3内，钻井中相连接的二根中间层钻杆4和钻井中相连接的二根内层 钻杆5之间均为插接连接，中间层钻杆上接头2通过螺纹与中间层钻杆 4上端连接，中间层钻杆4下端通过螺纹与中间层钻杆下接头6上端连接 ，中间层钻杆下接头6下端与潜孔锤上接头8为插接连接，心管9插入内 缸上端盖10内并固定，内缸上端盖10装在内缸11的上端面，内缸11、 隔套14和衬套16依次装在外缸12的内圆柱面内，活塞15装于内缸11和 衬套16内，钻头19以花键插入花键套18的花键槽内，用半圆卡17卡在 钻头19上部的环槽内，限制钻头沿花键向下滑出，实现钻头19的轴向 定位。

泥浆循环护壁空气潜孔锤钻井工艺，包括以下步骤：

a、连接井内的钻具，包括空气潜孔锤及钻头和同轴式三通道钻杆，同 轴式三通道钻具构成了相互封闭的三个流体通道，既钻具内层钻杆5的 内孔中心通道20，由中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道， 由外层钻杆3与中间层钻杆4构成的外环间隙通道，外层钻杆3与井壁之 间构成了井壁外环间隙通道，共四个流体通道；

b、钻井过程中每二个流体通道构成一种流体由地面至井底进行独立循 环的流体通道，因此井内共有二个分别供压缩空气和泥浆二种动力介 质独立循环的流体通道，钻井过程中使用二种不同流体的动力循环介 质，既由泥浆泵供给的泥浆动力介质和由空气压缩机供给的压缩空气 流体动力介质；

c、钻井中由空气压缩机输出的压缩空气经外层钻杆3与中间层钻杆4构 成的外环间隙通道，进入空气潜孔锤内驱动潜孔锤工作，产生的高频 高能冲击力，直接作用于钻头，实现对井底岩石的高效碎岩钻进；

d、驱动潜孔锤工作后的废气经由潜孔锤内部通道进入三通道钻具的与 中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道，将废气排放至大气中 。压缩空气在井内的循环与工作完全处于封闭状态，呈独立循环系统 ，不与井内接触与联通，使压缩空气不受井内流体围压的影响；

e、在空气潜孔锤钻井的同时，由泥浆泵输出的泥浆冲洗液经井内的同 轴式三通道钻具的内孔中心通道20进入井底，冷却钻头球齿后携带岩 粉和岩屑沿着外层钻杆3与井壁之间的井壁外环间隙通道排至井口，进 入地面泥浆池。

本发明提出的一种泥浆护壁循环、空气潜孔锤高速钻进式钻井工艺及 同轴式三通道钻具。钻具为同轴式三通道结构，如图1所示：由外层钻 杆3、中间层钻杆4与内层钻杆5构成了同轴式三通道钻杆的三层管壁， 形成了流体的三个通道，既钻具的内孔中心通道20、由中间层钻杆4与 内层钻杆5构成的内环间隙通道、由外层钻杆3与中间层钻杆4构成的外 环间隙通道。钻井中三通道钻具在井内与井壁之间又形成了一个井壁 外环间隙通道，因此三通道钻具在钻井过程中总共形成了四个流体通 道，既钻具中心通道、内环间隙通道、外环间隙通道和井壁外环间隙 通道。除井底的空气潜孔锤及钻头外，同轴式三通道钻具还由多根同 轴式三通道钻杆组成，钻井中三通道钻杆的数量由井深确定，三通道 钻杆之间以螺纹相连接。同轴式三通道钻具的连接方式：上面一根三 通道钻杆的外层钻杆下接头7与下面的一根三通道钻杆的外层钻杆上接 头1通过螺纹相连接；三通道钻杆的中间层钻杆4和内层钻杆5分别固定 在外层钻杆3内，钻井中相连接的二根中间层钻杆4和钻井中相连接的 二根内层钻杆5之间均为插接连接，中间层钻杆上接头2通过螺纹与中 间层钻杆4上端连接，中间层钻杆4下端通过螺纹与中间层钻杆下接头 6上端连接，中间层钻杆下接头6下端 与潜孔锤上接头8为插接连接。钻井过程中拧卸钻杆时，只需拧卸上部 三通道钻杆的外层钻杆下接头7与下部三通道钻杆的外层钻杆上接头1 的螺纹，中间层钻杆4与内层钻杆5则自动完成了连接。采用此种连接 方式，钻杆拧卸方便、快捷、可靠，且钻杆的密封性好、制造成本低 ，且钻杆的拧卸方式与普通钻杆相同。

同轴式三通道钻杆的下接头7以螺纹连接中空式潜孔锤的上接头8，中 空式潜孔锤由潜孔锤上接头8、心管9、内缸上端盖10、内缸11、外缸 12、外管13、隔套14、活塞15、衬套16、半圆卡17、花键套18和钻头 19等构成。潜孔锤上接头8和花键套18均以螺纹与外管13二端的螺纹相 连接，零件9至17装配于外管13内：心管9插入内缸上端盖10内并固定 ，内缸上端盖10装在内缸11的上端面，内缸11、隔套14和衬套16依次 装在外缸12的内圆柱面内，活塞15装于内缸11和衬套16内，并在其内 高频往复运动。钻头19以花键插入花键套18的花键槽内，用半圆卡17 卡在钻头19上部的环槽内，限制钻头沿花键向下滑出，实现钻头19的 轴向定位。

钻井过程中井内共形成四个流体通道，二个通道用于泥浆循环，既泥 浆由中心通道输入，经钻头19的内孔中心通道20由钻头底部的排液孔 排出，进入钻具与井壁之间的外环间隙通道21排至井外。另外二个通 道用于压缩空气的封闭式循环，空气压缩机供给的压缩空气由外层钻 杆3与中间层钻杆4构成的外环间隙通道输入，经潜孔锤上接头上的轴 向进气直孔进入潜孔锤的气缸内，推动活塞15高频往复运动，对钻头 19产生高频高能的冲击作用，实现对井底硬岩层的高效碎岩钻进。工 作后的废气进入外管13与外缸12间的环状通道，再经潜孔锤上接头8左 侧的斜孔进入中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道排至井外 的大气中，完成了压缩空气在井内的封闭循环。压缩空气在井内的封 闭循环从原理上解决了压缩空气在钻井过程中随井深加大、井底围压 增高对压缩空气的影响，从根本上解决了压缩空气体积被压缩、风压 升高、钻井中需不断增加压缩空气流量和压力的技术难题。泥浆循环 系统和压缩空气系统相互封闭、同步作业、独立循环工作。钻井中实 施空气潜孔锤高效碎岩钻井，压缩空气不受井内围压变化的影响，大 幅度减少压缩空气供给量和空压机设备的投资及能耗，同时又可实现 泥浆循环，保护井壁安全，适应各种地层应用，扩大了空气钻井的应 用领域。鉴此，本发明可实施压缩空气封闭循环、中空式空气潜孔锤 高效碎岩钻进和钻井泥浆护壁三种钻井工艺融为一体的钻井新工艺。

泥浆循环护壁空气潜孔锤钻井钻具及工艺原理见图1、图2、图3，井内 钻具部分包括空气潜孔锤及钻头和同轴式三通道钻杆；地面钻具部分 主要为三通道 气水龙头。同轴式三通道钻具构成了相互封闭的三个流体通道，既钻 具内层钻杆5的内孔中心通道20；由中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内 环间隙通道；由外层钻杆3与中间层钻杆4构成的外环间隙通道；同轴 三通道钻具与井壁之间构成了第四个流体通道，既井壁外环间隙通道 。钻井过程中的四个流体通道，每二个流体通道构成一种流体由地面 至井底进行独立循环的相互封闭的流体通道，因此井内共有二个分别 供压缩空气和泥浆二种流体动力介质独立循环的流体通道。钻井过程 中使用二种不同流体的动力循环介质，既由泥浆泵供给的泥浆动力介 质和由空气压缩机供给的压缩空气流体动力介质。

泥浆循环护壁空气潜孔锤钻井工艺技术原理如图3所示：钻井中由空气 压缩机输出的压缩空气经三通道气水龙头右侧的进气胶管，进入三通 道气水龙头的一个环状通道，再经三通道钻具的外层钻杆3与中间层钻 杆4构成的外环间隙通道，进入空气潜孔锤内驱动潜孔锤活塞工作，产 生的高频高能冲击力直接作用于钻头，实现对井底岩石的高效碎岩钻 进。驱动潜孔锤工作后的废气经由潜孔锤内部通道进入三通道钻具的 中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道，再经三通道气水龙头 的另一个环状通道，由三通道气水龙头左侧的排气胶管将废气排放至 大气中。压缩空气在井内的循环与工作完全处于封闭状态，呈独立循 环系统，不与井内接触与联通，使压缩空气不受井内流体围压的影响 ，大幅度降低了压缩空气的工作风压，并使空气潜孔锤始终处于不受 外界影响的稳定工作状态。在空气潜孔锤钻井的同时，由泥浆泵输出 的泥浆冲洗液由三通道气水龙头顶部的弯管进入三通道钻具，经井内 的同轴式三通道钻具的内孔中心通道20、空气潜孔锤和钻头的中心通 道排至井底，冷却钻头球齿，携带钻头钻出的岩粉及岩屑，沿着三通 道钻具与井壁之间的井壁外环间隙通道排至井口，进入地面的泥浆池 。

钻井过程中压缩空气循环系统与泥浆循环系统形成二个独立的流体动 力循环系统：压缩空气循环系统完成对空气潜孔锤的驱动，产生高频 高能的冲击能量，可使硬岩的钻井效率较常规牙轮钻井效率提高十倍 以上，大幅度提高钻井工程效率，降低钻井成本，缩短钻井工程周期 ，并避免了常规空气钻井的粉尘污染，利于环境保护。在空气潜孔锤 钻井的同时同步应用泥浆循环系统，充分利用泥浆冲洗液在钻井中的 功效，可靠地冷却钻头，排除钻出的岩屑与岩粉，平衡井内地层的压 力，有效地保护井壁的安全，润滑钻具，减少回转的阻力等。泥浆循 环护壁空气潜孔锤钻井工艺技术实现了多工艺钻井新技术：融合了空 气潜孔锤高效、快速、低成本碎岩钻进；压缩空气井内封闭循环大幅 度降低风压，保护潜孔锤稳定有效的工作；泥浆循环保护井壁安全， 冷却钻头，排除岩粉屑等多种先进钻井工艺为一体，实现一种多工艺 钻井新技术。