一种螺旋式钻头及一种泡沫钻进装置和泡沫钻进工艺

摘要

本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种螺旋式钻头以及一种使用了这种钻头的泡沫钻进装置和一种使用这种泡沫钻进装置的新型泡沫钻进方法。为解决在钻探过程中充分冷却钻头同时增加钻头强度以延长钻头的使用寿命并节约钻进过程中冷却用水的问题，本发明提供了一种螺旋式钻头，该螺旋时钻头具有多个螺旋式水口，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽和注水口构成，所述螺旋式水流槽在钻头唇面部分为部分断面形状，所述注水口为底喷式注水口，所述螺旋式水流槽在钻头唇面部分的厚度优选为沿钻头半径方向占到钻头唇面厚度1/2~2/3。本发明提供的螺旋式钻头在钻进时钻头唇面可以得到充分的冷却，同时唇面的强度也得到了增强，延长了钻头的使用寿命，节约了钻探工程的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种螺旋式钻头以及一种使用了这种钻头的泡沫钻进装置和一种使用这种泡沫钻进装置的新型泡沫钻进方法。

背景技术

众所周知，钻头在钻进过程中可以达到的温度非常高，导致钻头，尤其是钻头唇面部分常常因为温度过高而过快烧损。目前在解决钻头在钻探过程中降温防损的问题时，通常在钻头上设置多个侧面式或者底喷式水口，在钻探工程中通过对钻头提供冷却液体以降低钻头的温度，相比较而言，采用底喷式水口能够使冷却液体更充分的流过钻头，冷却效果较好。在水口数量的选择上，为达到更好的冷却效果，水口数量越多越好，但从保证钻头强度方面考虑，目前通常选择的水口数量为8~14个。在水口形状的选择上，目前对水口形状的设计有直水口或者螺旋式水流槽，但是采用直水口时冷却液体不能充分流过钻头，因此冷却效果较差，钻头烧损较快；而采用螺旋式水流槽时，冷却液可以更大面积的流过钻头，冷却效果较好。对于螺旋式水流槽的钻头，目前常用形式是水口在钻头唇面的形状为全断面形，但是采用这种形式时，冷却液体的水流还是不能流过钻头的唇面部分，仍难以达到最佳冷却效果；且采用这种形式时钻头的强度较小，因此在钻探过程中钻头尤其是钻头的唇面部分任然烧损较快。

泡沫钻进技术，在我国80年代开始应用，主要应用于石油钻井、深水井等深井钻进中，在工程地质勘察中也有应用，解决在钻进过程中钻头的冷却和润滑以降低烧损率。目前通用的泡沫钻进装置，是在常规冲洗液钻机装置和器具的基础上增加了空压机、计量泵、增压装置等，具体结构在题为《空气泡沫钻技术及其应用研究》（中国科技论文在线）一文中公开。这种装置的节水效果教普通冲洗液钻进装置明显。然而，如果一个勘探孔的孔深为30m，平均钻速为1.5m/h，则纯钻时间为20小时，若采用常规的泡沫钻进时，也即采用普通泡沫清洗液和普通钻头时，由于普通泡沫清洗液发泡效果较差，因此钻进过程需用水量为20×60×15=18000L=18T,则在常规的泡沫钻探过程中用水量至少需要要15 L/min以上，用水量很大；但若水量减少，将导致钻头烧毁。并且，由于普通泡沫清洗液发泡效果较差，因此其对钻头的润滑作用也较差，钻头烧损速度仍然较快。在满足正常工况（水量充足）的情况下，此方法的成孔率最多可达到90%。

现有技术中，有人公开了泡沫液CN200710118082.X及其用于钻井的方法，还有用于空气泡沫钻井的发泡剂（CN85105173）。

然而，由于近年来风力发电的迅速发展，高山地区风力发电的工程地质勘察缺水问题突显。因风电厂风机机位常位于风量良好的山顶，地质勘探工作常因水源难以寻找，勘探用水运输困难，导致施工成本急剧增高。因此，水资源缺乏的条件下对钻进过程中的钻头冷却及润滑成了急需解决的问题。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是：在钻探过程中充分冷却钻头的同时增加钻头的强度以延长钻头的使用寿命并节约钻进过程中冷却用水的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种螺旋式钻头。

本发明提供的一种螺旋式钻头，具有多个螺旋式水口，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽和注水口构成，所述螺旋式水流槽在钻头唇面部分为部分断面形状。

采用上述方案，在钻进过程中冷却液体可以通过注水口流进设置在钻头的螺旋式水流槽，使冷却液体充分的流过钻头唇面部分，在保证钻头得到充分有效地冷却的同时又增强了钻头的强度，延长了钻头的使用寿命；同时由于冷却液体可以更大面的流经钻头，因此也相对减少了钻进过程中的冷却用水量，节约了冷却用水。

进一步的，所述注水口为开设在螺旋式水流槽的底面上。

通过该进一步改进，可以进一步改善钻头冷却效果，使钻头及时得到充分的冷却。

进一步的，所述螺旋式水流槽在钻头唇面部分的厚度为沿钻头半径方向占到钻头唇面厚度1/2~2/3。

在该进一步改进方案中，将所述螺旋式水流槽在钻头唇面部分的厚度选择在沿钻头半径方向占到钻头唇面厚度的1/2~2/3时可以更加有效的保证钻头唇面的强度，使钻头唇面在钻进时不容易崩损，延长了钻头的使用寿命。

进一步的，所述螺旋式水口数量为12个。

通过该进一步改进，进一步改善钻头冷却效果，使钻头及时得到充分的冷却；同时还保证了钻头的强度，延长了钻头的使用寿命。

进而，本发明提供了一种泡沫钻进装置，包括泡沫池、回水管、钻机和排液槽，其特征在于，所述泡沫池通过回水管连接一多功能柱塞泵，所述多功能柱塞泵通过液体流量计与一泡沫混合器连接，所述泡沫混合器通过气体流量计及单向阀与一空气压缩机连接，所述泡沫混合器通过压力表及单向阀连接钻机，所述钻机采用了本发明所述的螺旋式钻头，所述螺旋式钻头通过钻杆与所述钻机连接，所述钻机连接所述排液槽，所述排液槽连接所述泡沫池。

在以上基础上，本发明还提供了一种新型的泡沫钻进方法，包括以下步骤：

A.组装上述本发明所提供的的泡沫钻进装置；

B.配置一种新型泡沫冲洗液，所述新型泡沫冲洗液为在普通泡沫冲洗液中加入起泡剂得到；

C.应用步骤A所述的泡沫钻进装置和步骤B所述的新型泡沫冲洗液进行钻进。

进一步的，所述步骤A中的起泡剂为普通民用洗衣粉。

进一步的，所述普通民用洗衣粉的含量为0.3%~0.5%。

进一步的，所述多功能柱塞泵流量≧3L/min，压力≧5kg/cm²。

进一步的，所述空气压缩机的风量为1.8m³/min、压力为5kg/cm²。

采用本发明提供的泡沫钻进装置及新型钻进工艺所具有的有益效果是：在普通钻进装置中增加多功能柱塞泵和空气压缩机，在钻进时启动柱塞泵和空气压缩机，将3L/min-5L/min的泡沫液在发泡装置中与空气混合形成空气泡沫清洗介质，可以改善发泡效果，增加泡沫冲洗液的润滑性，改善了钻进过程中对钻头的润滑效果；同时，由于对钻头的改进，使得冲洗介质在钻头高速钻进过程中能更大面地沿钻头唇面流过，大大改善了对钻头的冷却效果，降低了钻头的烧损率，延长了钻头的使用寿命。并且，采用本发明工艺方法后，钻探过程中的用水量为20×60×（3～5）=3600L～6000L=3.6T～6T，至少节约用水12T/（30m）孔，节水效果十分明显，这使得在水资源缺乏的工况下进一步保证了对钻头的润滑和冷却，降低了钻头的烧损率，延长了钻头的使用寿命。在此基础上，由于所述新型泡沫冲洗液发泡十分充分，因此在钻头的高速运转下更容易产生雾化，而该雾化泡沫冲洗液中混合了岩粉，其对破碎地层能起到较好的粘滞与填充作用，减弱了岩粉浆液对孔壁的冲刷，孔壁稳定性增加，大幅降低孔内事故率，大大提高了成孔率，成孔率可达99%以上。

附图说明

图1为螺旋式钻头的唇面部分在钻进状态下的正面示意图。

图2为为螺旋式钻头在钻进状态下的左视图。

图3 为本发明工艺方法所采用的的泡沫钻进装置的总体系统图。

其中：1-泡沫池；2-回水管；3-多功能柱塞泵；4-液体流量计；5-泡沫混合器；6-气体流量计；7、10-单向阀；8-空气压缩机；9-压力表；11-钻机；12-钻杆；14-排液槽；13-底喷螺旋式钻头；15-螺旋式水流槽；16-注水口；17-钻进时钻头内腔；18-钻进时冷却液体流向；19-钻杆壁；20-水流槽唇面厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

根据图1、图2所示，一种螺旋式钻头，具有多个螺旋式水口，所述螺旋式水口由螺旋式水流槽15和注水口16构成，所述螺旋式水流槽15在钻头唇面部分为部分断面形状。所述注水口16为开设在螺旋式水流槽15的底面上。所述螺旋式水流槽15在钻头唇面部分的厚度20优选为沿钻头半径方向占到钻头唇面厚度1/2~2/3。所述螺旋式水口数量优选为12个。

如图3所示，包括泡沫池1、回水管2、钻机11和排液槽14，所述泡沫池1通过回水管2连接一多功能柱塞泵3，所述多功能柱塞泵3通过液体流量计4与一泡沫混合器5连接，所述泡沫混合器5通过气体流量计6及单向阀7与一空气压缩机8连接，所述泡沫混合器5通过压力表9及单向阀10连接钻机11，所述钻机11采用了权利要求1~4所述的螺旋式钻头13，所述螺旋式钻头13通过钻杆12与所述钻机11连接，所述钻机11连接所述排液槽14，所述排液槽14连接所述泡沫池1。

利用上述钻进装置进行钻进时，采用如下工艺方法：组装本发明提供的泡沫钻进装置，并配置一种新型泡沫冲洗液，该新型泡沫冲洗液为在普通泡沫冲洗液中加入起泡剂得到，该起泡剂含量为0.3%~0.5%的普通高泡民用洗衣粉；启动多功能柱塞泵，设定流量≧3L/min，压力≧5kg/cm²，并启动空气压缩机，设定风量为1.8m³/min、压力为5kg/cm²，将3L/min-5L/min的上述泡沫冲洗液，在发泡装置中与空气混合形成空气泡沫清洗介质；启动所述泡沫钻进装置进行钻进。