一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合及定向钻进方法

摘要

本发明公开一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合及定向钻进方法，包括依次连接的定向钻头、外螺旋液动螺杆钻具、泥浆脉冲随钻测量装置以及依次重复交替连接的偏心螺旋孔眼修复钻具和整体螺旋钻杆。偏心螺旋孔眼修复钻具往复回转时正反向翼片能充分排渣并对钻孔修复；在破碎地层段可先定向后回转扫孔，对破碎带孔壁磨削修复，并将破碎煤岩块体和颗粒搅拌、碾压和磨碎；复合定向钻进时，改变转速、泵压、钻速实现轨迹控制；钻遇塌孔憋压段逐级退钻扫孔，多根偏心螺旋孔眼修复钻具逐级接替作用，无须整个钻孔提钻扫孔即可保证整个钻孔通畅。本发明能有效解决破碎地层排渣问题，提高钻孔成孔率和成孔深度，实现钻孔轨迹定向控制，满足定向钻孔施工要求。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿井下钻探技术领域，具体涉及一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合及定向钻进方法。

背景技术

煤矿井下定向钻进技术由于钻孔轨迹可控、在目标地层有效延伸实现长钻孔施工而广泛应用。在破碎煤层或岩层定向钻进时，由于地层破碎塌孔往往无法钻进成孔，还可能出现卡钻或埋钻事故。针对这一问题，目前常采用宽翼片螺旋钻杆或三棱(螺旋)钻杆复合定向钻进方式施工、提钻回转扩孔扩大钻孔直径或注水泥浆加固等技术方案处理。其中，通过宽翼片螺旋钻杆或三棱(螺旋)钻杆配套液动螺杆钻具以及随钻测量装置复合钻进施工，是利用钻杆的螺旋翼片或三棱结构回转时增强排渣效果，从而提高成孔率；但是对于塌孔时产生的一些较大和较硬煤岩块，由于受到宽翼片螺旋钻杆或三棱(螺旋)钻杆结构限制，螺旋槽浅，一般仅有3-5mm，无法有效碾压破碎，当孔内钻渣堆积后，就会出现钻进压力和泥浆泵压等参数急剧升高的异常情况，导致无法正常施工，需要反复活动钻具并冲孔使钻进参数正常后才能钻进，而且效果往往并不理想；而采用提钻扩孔方式工序复杂、工程量大，钻遇多个破碎带时需要反复处理，费时费力，另外孔径增大也会造成钻孔稳定性变差；注水泥浆加固方式对于深孔注浆量大、注浆效果差。

为有效解决破碎地层定向成孔问题，研究采用偏心螺旋孔眼修复钻具配套液动螺杆钻具和随钻测量系统进行定向钻进方法进行施工，能够有效解决地层破碎带排渣和孔壁修复问题，提高钻孔成孔率和成孔深度；同时还满足目前常用套铣钻具打捞工艺要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合及定向钻进方法，解决地层破碎带有效排渣和孔壁修复问题，以提高钻孔成孔率和成孔深度。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种偏心螺旋孔眼修复钻具，包括中空的钻具本体、设在钻具本体外壁的偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片以及分别位于钻具本体两端的公接头和母接头；

所述偏心正向螺旋翼片的螺旋方向为顺时针方向，偏心反向螺旋翼片的螺旋方向为逆时针方向；偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片均为两个，两个偏心正向螺旋翼片之间的周向夹角为90°，两个偏心反向螺旋翼片之间的周向夹角为90°；两个偏心正向螺旋翼片分别与两个偏心反向螺旋翼片轴向位置相对应；偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片与钻具本体中心轴线夹角均为15-30°；偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片的翼片高度均大于20mm；

偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片的一侧边缘均设置复合片切削齿，偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片的另一侧均设置保径齿，偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片的的保径齿相邻，偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片的的切削齿分别靠近钻具本体的两端。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述钻具本体的中空结构；所述公接头外壁和母接头内壁均设有螺纹。

一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合，包括依次连接的定向钻头、外螺旋液动螺杆钻具、泥浆脉冲随钻测量装置以及依次重复交替连接的所述的偏心螺旋孔眼修复钻具和整体螺旋钻杆；

所述外螺旋液动螺杆钻具包括螺旋外管体及其连接的弯外管，还包括设在螺旋外管体和弯外管内且依次连接的转子、传动轴和主轴；所述主轴伸出弯外管并与所述定向钻头连接；

所述泥浆脉冲随钻测量装置包括无磁螺旋外管以及设在无磁螺旋外管内的泥浆脉冲装置，通过泥浆脉冲装置发送和传输数据信号；所述无磁螺旋外管一端与所述螺旋外管体连通；无磁螺旋外管的另一端和其相邻的偏心螺旋孔眼修复钻具的公接头连接；

多个偏心螺旋孔眼修复钻具与多个整体螺旋钻杆依次重复交替连接；所述整体螺旋钻杆为中空结构。

具体的，所述偏心螺旋孔眼修复钻具中，靠近钻孔底的一端为钻具本体下部，靠近钻孔口的一端为钻具本体上部，每个偏心螺旋孔眼修复钻具的偏心反向螺旋翼片设在钻具本体下部，偏心正向螺旋翼片设在钻具本体上部。

具体的，所述偏心螺旋孔眼修复钻具回转时，偏心反向螺旋翼片和偏心正向螺旋翼片旋转所形成的圆形轨迹的直径略大于外螺旋液动螺杆钻具、泥浆脉冲随钻测量装置以及整体螺旋钻杆的外径；偏心螺旋孔眼修复钻具的偏心反向螺旋翼片或偏心正向螺旋翼片与钻具本体的径向尺寸不大于定向钻头的外径。

具体的，相邻所述偏心螺旋孔眼修复钻具之间的间距为20-80m。

具体的，所述外螺旋液动螺杆钻具的外螺旋管体上的螺旋槽深度为5mm。

一种破碎地层定向钻进方法，该方法采用所述的破碎地层多级孔壁修复钻具组合实现，包括以下步骤：

一、当钻进孔段位于稳定地层时：

步骤a1，破碎地层多级孔壁修复钻具组合中的所有外管均不回转，调整外螺旋液动螺杆钻具的弯外管控制定向钻头的钻孔轨迹，中心流道的冲洗液驱动外螺旋液动螺杆钻具带动定向钻头进行滑动定向钻进；

步骤a2，每当滑动定向钻进6-12m后，慢速回转破碎地层多级孔壁修复钻具组合进行来回回转扫孔，偏心螺旋孔眼修复钻具对孔壁起到刮削作用实现对孔壁修复，同时，孔内沉积钻渣被偏心螺旋孔眼修复钻具充分碾压和研磨后随着冲洗液排出孔外；

二、当钻遇破碎地层时，采用滑动定向钻进和回转扫孔钻进：

采用滑动定向钻进方式每钻进一行程或一根钻杆后，后退一行程或一根钻杆来回回转扫孔，通过钻具组合回转使孔内塌孔或切削钻渣充分排出，钻进参数正常后继续下一行程滑动定向钻进，如此反复，逐段钻进；

三、当钻遇破碎地层无法定向钻进时，采用回转扫孔钻进：

通过钻具组合来回的回转扫孔，偏心螺旋孔眼修复钻具对破碎地层孔壁来回磨削修复，并将破碎煤岩块体充分搅拌、碾压和磨碎，再通过添加冲洗液提高冲洗介质的排渣能力，实现破碎地层正常钻进；每钻进一行程后，来回回转扫孔，充分排渣后继续下一行程钻进；

四、当钻遇塌孔憋压段时：

回转钻具组合，钻孔逐段前后来回反复扫孔，通过偏心螺旋孔眼修复钻具回转作用下偏心反向螺旋翼片和偏心正向螺旋翼片扫孔排渣并对钻孔修复；

钻遇压力异常时缓慢退钻，直到钻孔内钻具退出至上一段破碎区域且钻进参数正常后，用多个偏心螺旋孔眼修复钻具实现全孔段扫孔，再重新通水并回转钻具扫孔下钻；

通过多根偏心螺旋孔眼修复钻具逐级接替扫孔，无须整个钻孔全孔段提钻扫孔即可保证整个钻孔通畅，压力正常即可重新扫孔下钻。

具体的，采用回转扫孔钻进时，通过调整钻具组合的回转转速、泥浆泵排量大小和钻进时给进速度实现钻孔轨迹倾角的增加或减小来实现钻孔轨迹的控制。

具体的，若需增加倾角，则采用小的泥浆泵排量，并增加钻进给进速度，由于切削破碎及坍塌垮落煤岩块和颗粒未及时排出造成堆积，对前端外螺旋液动螺杆钻具起到支撑或垫起作用，倾角逐渐产生增加趋势；若需要减小倾角，则增大钻具组合回转速度、降低钻进速度，同时增大泥浆泵排量，在慢速钻进中孔底钻渣充分排出，钻具组合自重作用下对地层充分起到向下的切削作用，倾角产生逐渐降低趋势。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明采用多级孔壁修复定向钻具组合钻进施工，由于螺旋翼片高度大，对煤岩块体和颗粒碾压和研磨效果好，能够有效解决地层破碎带排渣和孔壁修复问题，可提高破碎地层定向钻孔成孔率和成孔深度，且破碎地层条件也能实现轨迹定向控制。

(2)本发明多级孔壁修复定向钻具组合连接灵活应用，满足不同地层情况的需要，多根偏心螺旋孔眼修复钻具逐级接替作用，当出现异常时，无须全孔段提钻扫孔即可保证整个钻孔通畅。

(3)本发明偏心螺旋孔眼修复钻具的偏心正向螺旋翼片和偏心反向螺旋翼片结构简单、尺寸小，当偏心螺旋孔眼修复钻具回转时，偏心反向螺旋翼片和偏心正向螺旋翼片旋转所形成的圆形轨迹的直径接近定向钻头外径从而具有孔壁修复作用；同时偏心反向螺旋翼片或偏心正向螺旋翼片与钻具本体的径向尺寸不大于定向钻头的外径，满足目前常用套铣打捞规格尺寸要求，出现卡钻事故时不影响套铣打捞工艺实施。

附图说明

图1是本发明钻具组合整体结构及其施工示意图。

图2是本发明偏心螺旋孔眼修复钻具结构示意图。

图3是本发明破碎带憋压扫孔钻进示意图。

附图标记含义：

1.定向钻头，2.外螺旋液动螺杆钻具，3.泥浆脉冲随钻测量装置，4.偏心螺旋孔眼修复钻具，5.整体螺旋钻杆，6.破碎或垮塌煤岩体，7.破碎地层，8.稳定地层；41.钻具本体，42.偏心正向螺旋翼片，43.偏心反向螺旋翼片，44.公接头，45.母接头，46.切削齿，47.保径齿。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

如图2所示，本实施例提供一种偏心螺旋孔眼修复钻具，包括中空的钻具本体41、设在钻具本体41外壁的偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43以及分别位于钻具本体41两端的公接头44和母接头45。

偏心正向螺旋翼片42的螺旋方向为顺时针方向，偏心反向螺旋翼片43的螺旋方向为逆时针方向；偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43均为两个，两个偏心正向螺旋翼片42之间的周向夹角为90°，两个偏心反向螺旋翼片43之间的周向夹角为90°；两个偏心正向螺旋翼片42分别与两个偏心反向螺旋翼片43轴向位置相对应；偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43与钻具本体41中心轴线夹角均为15-30°；偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43的翼片高度均大于20mm。

偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43的一侧边缘均设置复合片切削齿46，偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43的另一侧均设置保径齿47，偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43的的保径齿47相邻，偏心正向螺旋翼片42和偏心反向螺旋翼片43的的切削齿46分别靠近钻具本体41的两端；起到前进和后退扫孔时碾压破碎、搅渣和孔壁修复作用。

钻具本体41的中空结构用以使冲洗介质通过中心通孔。

公接头44外壁和母接头45内壁均设有螺纹，用以与两端的整体螺旋钻杆丝扣连接。

实施例2：

如图1至3所示，本实施例提供一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合，包括依次连接的定向钻头1、外螺旋液动螺杆钻具2、泥浆脉冲随钻测量装置3以及依次重复交替连接的偏心螺旋孔眼修复钻具4和整体螺旋钻杆5。

外螺旋液动螺杆钻具2包括螺旋外管体及其连接的弯外管，还包括设在螺旋外管体和弯外管内且依次连接的转子、传动轴和主轴；主轴伸出弯外管并与定向钻头1连接。本实施例中的外螺旋液动螺杆钻具2为常规的外螺旋液动螺杆钻具结构。

泥浆脉冲随钻测量装置3包括无磁螺旋外管以及设在无磁螺旋外管内的泥浆脉冲装置，通过泥浆脉冲装置发送和传输数据信号；无磁螺旋外管一端与螺旋外管体连通；无磁螺旋外管的另一端和其相邻的偏心螺旋孔眼修复钻具4连接。泥浆脉冲随钻测量装置3为常规结构的泥浆脉冲随钻测量装置。

多个偏心螺旋孔眼修复钻具4与多个整体螺旋钻杆5依次重复交替连接；整体螺旋钻杆5为中空结构。

偏心螺旋孔眼修复钻具4中，靠近钻孔底的一端为钻具本体下部，靠近钻孔口的一端为钻具本体上部，每个偏心螺旋孔眼修复钻具4的偏心反向螺旋翼片43设在钻具本体下部，偏心正向螺旋翼片42设在钻具本体上部。

偏心螺旋孔眼修复钻具4回转时，偏心反向螺旋翼片43和偏心正向螺旋翼片42旋转所形成的圆形轨迹的直径略大于外螺旋液动螺杆钻具2、泥浆脉冲随钻测量装置3以及整体螺旋钻杆5的外径；偏心螺旋孔眼修复钻具4的偏心反向螺旋翼片43或偏心正向螺旋翼片42与钻具本体41的径向尺寸不大于定向钻头1的外径。

相邻偏心螺旋孔眼修复钻具4之间的间距为20-80m。

外螺旋液动螺杆钻具2的外螺旋管体上的螺旋槽深度为5mm。

实施例3：

本实施例提供一种破碎地层定向钻进方法，当钻进孔段位于稳定地层时，包括以下步骤：

步骤a1，破碎地层多级孔壁修复钻具组合中的所有外管均不回转，调整外螺旋液动螺杆钻具的弯外管控制定向钻头的钻孔轨迹，中心流道的冲洗液驱动外螺旋液动螺杆钻具带动定向钻头进行滑动定向钻进；滑动定向钻进过程中按照设计轨迹进行施工并在稳定地层合适位置向上钻进预留分支点；

步骤a2，每当滑动定向钻进6-12m后，慢速回转破碎地层多级孔壁修复钻具组合进行来回回转扫孔，偏心螺旋孔眼修复钻具对孔壁起到刮削作用实现对孔壁修复，同时，孔内沉积钻渣被偏心螺旋孔眼修复钻具充分碾压和研磨后随着冲洗液排出孔外。

实施例4：

本实施例提供一种破碎地层定向钻进方法，当钻遇破碎地层时，采用滑动定向钻进和回转扫孔钻进：

采用滑动定向钻进方式每钻进一行程或一根钻杆后，后退一行程或一根钻杆来回回转扫孔，通过钻具组合回转使孔内塌孔或切削钻渣充分排出，钻进参数正常后继续下一行程滑动定向钻进，如此反复，逐段钻进。

实施例5：

本实施例提供一种破碎地层定向钻进方法，当钻遇破碎地层无法定向钻进时，采用回转扫孔钻进：

通过钻具组合来回的回转扫孔，偏心螺旋孔眼修复钻具对破碎地层孔壁来回磨削修复，并将破碎煤岩块体充分搅拌、碾压和磨碎，再通过添加冲洗液提高冲洗介质的排渣能力，实现破碎地层正常钻进；每钻进一行程后，来回回转扫孔，充分排渣后继续下一行程钻进。

采用回转扫孔钻进时，通过调整钻具组合的回转转速、泥浆泵排量大小和钻进时给进速度实现钻孔轨迹倾角的增加或减小来实现钻孔轨迹的控制。

具体的：若需增加倾角，则采用小的泥浆泵排量，并增加钻进给进速度，由于切削破碎及坍塌垮落煤岩块和颗粒未及时排出造成堆积，对前端外螺旋液动螺杆钻具起到支撑或垫起作用，倾角逐渐产生增加趋势；若需要减小倾角，则增大钻具组合回转速度、降低钻进速度，同时增大泥浆泵排量，在慢速钻进中孔底钻渣充分排出，钻具组合自重作用下对地层充分起到向下的切削作用，倾角产生逐渐降低趋势。

实施例6：

本实施例提供一种破碎地层定向钻进方法，如图3所示，当钻遇塌孔憋压段时：

回转钻具组合，钻孔逐段前后来回反复扫孔，通过偏心螺旋孔眼修复钻具回转作用下偏心反向螺旋翼片和偏心正向螺旋翼片扫孔排渣并对钻孔修复；

钻遇压力异常时缓慢退钻，直到钻孔内钻具退出至上一段破碎区域且钻进参数正常后，用多个偏心螺旋孔眼修复钻具实现全孔段扫孔，再重新通水并回转钻具扫孔下钻；

通过多根偏心螺旋孔眼修复钻具逐级接替扫孔，无须整个钻孔全孔段提钻扫孔即可保证整个钻孔通畅，压力正常即可重新扫孔下钻。