钻井法凿井垂直钻进钻具

摘要

本发明公开一种钻井法凿井垂直钻进钻具，属于钻井机械技术领域。为提高钻头的破岩效率，进而提高钻机的钻进速度而发明。所述钻井法凿井垂直钻进钻具，包括自主定中导向器、加压推进液压缸、50°井底角钻头；其中，所述加压推进液压缸安装在所述自主定中导向器和所述50°井底角钻头之间。本发明适用于钻井法凿井。

权利要求

1.一种钻井法凿井垂直钻进钻具，其特征在于，包括自主定中导向器(9)、加压推进液压缸(10)、钻头(11)；其中，所述加压推进液压缸(10)安装在所述自主定中导向器(9)和所述钻头(11)之间；

所述自主定中导向器(9)包括导向滚柱(93)、导筒(94)、导向架(96)、支撑臂(92)、支撑靴(98)和探测支撑液压缸(97)；其中所述导向架(96)通过导向滚柱(93)与导筒(94)连接在一起，所述导向滚柱(93)由预紧固定装置(95)定位并预紧；

所述导向架(96)上均布有三个以上支撑臂(92)，支撑靴(98)的滑杆(91)插入所述导向架(96)上的支撑臂(92)中，所述支撑靴(98)的滑杆(91)内安装有探测支撑液压缸(97)；

所述支撑臂(92)通过拉杆(99)连接在一起；

所述探测支撑液压缸(97)包括探测液压缸和支撑液压缸；其中

所述支撑液压缸包括：缸体(975)、支撑缸盖(973)、缸底(978)、支撑活塞(977)、支撑活塞杆(974)；所述支撑缸盖(973)和缸底(978)分别设在所述缸体(975)的两端；所述支撑活塞(977)设在所述缸体(975)内，所述支撑活塞杆(974)与所述支撑活塞(977)相连；

所述活塞杆(974)的端部设有支撑靴(98)；

所述探测液压缸包括：缸底(978)、支撑活塞(977)、支撑活塞杆(974)、探测杆(976)和探测缸盖(972)；所述探测杆(976)安装在所述支撑活塞杆(974)中间，并且穿过所述支撑活塞(977)插入所述缸底(978)中；所述支撑活塞杆(974)的中间有一轴向通孔，所述缸底(978)中间有一个轴向盲孔，所述探测杆(976)上有探测活塞一(9761)和探测活塞二(9762)分别与上述两个孔配合；所述探测杆(976)的外端有一探测板(971)；

所述钻头(11)为50°井底角钻头。

2.根据权利要求1所述的钻井法凿井垂直钻进钻具，其特征在于：所述导向架(96)上均布有八个所述支撑臂(92)。

3.根据权利要求1所述的钻井法凿井垂直钻进钻具，其特征在于：所述加压推进液压缸(10)的缸体固定在导向架(96)上，并与井筒中心轴线平行布置，加压推进液压缸(10)的活塞杆上安装有滚轮(15)，所述滚轮(15)支撑在所述钻头(11)上端面的环形导轨(16)上。

说明书

钻井法凿井垂直钻进钻具

技术领域

[0001] 本发明属于钻井机械技术领域，涉及一种钻井钻具，具体地说是一种钻井法凿井的垂直钻进钻具。

背景技术

[0002] 目前，矿山竖井凿井主要有两种方法，一是钻井法，另一是冷冻法。经过多年的发展，钻井法施工的设备技术已经比较成熟。钻井法相比冷冻法最突出的优点是安全性好，钻井法施工机械化及自动化程度高，作业条件好，劳动强度低，工人不下井，属本质安全型。另外钻井法还具有井壁质量高、工程造价低、节约资源以及可靠性高等特点。然而，随着井筒直径和井筒深度的增加，钻井法也暴露出一些问题，其中最主要问题是钻进速度慢，井筒直径越大，钻进速度越慢，严重影响了矿山建设的速度。

[0003] 现在使用的竖井钻机主要有两种，一种是绞车提升固定转盘式竖井钻机，另一种是液压缸提升动力头式竖井钻机，其工作方式基本相同，即通过旋转机构(转盘或动力头)驱动钻杆，带动钻头旋转进行破岩，二者均采用压气反循环减压钻进。图1所示为液压缸提升动力头式钻机的结构原理，井架上安装有提升液压缸1和动力头2，动力头2通过钻杆3带动钻头5旋转进行破岩，导向器4浮动安装在钻头5上方，其作用是防止钻头出现大的摆动，破碎的岩屑随泥浆经钻头中间的吸收口和钻杆中心孔排出，并经出浆管6和出浆槽7排入沉淀池8中，沉淀后的泥浆流回井筒循环使用，沉淀的岩屑经净化后清除。为了保证钻井的垂直度，必须采用减压钻进(取钻头在泥浆中重量的30-60％为钻压)，即依靠钻头的重力进行导向。为了在钻进时保护井帮稳定，需要采用高性能泥浆，泥浆的静液压力和泥浆在井帮上形成的泥皮(造壁作用)，对井帮起到临时支护的作用。钻机钻进至设计直径和深度后，通过精确测井证明其有效直径能满足要求后，将地面预先制作的井壁下沉并进行壁后充填固井，完成作业。

[0004] 由于钻井会出现偏斜，同样偏斜度的情况下，随着井筒深度的增加，井筒的有效直径会减小，而为了保证有效的井筒直径，通常会加大钻井直径，进而增加了钻井工作量，因此，钻井过程中，控制井筒的偏斜度非常重要。

[0005] 研究表明，造成钻机钻进速度慢的主要原因有如下几点。

[0006] (1)钻压不足。受制于钻机的提升能力，钻头的重量一般控制在300t以内，为确保钻井的垂直度，必须减压钻进，因此，造成钻压不足，滚刀齿尖不能有效切入岩体达到体积破碎的目的。

[0007] (2)重复破碎。为了保持钻进的稳定性，岩石钻进一般采用平底钻头或小于35°井底角的锥形钻头，岩屑吸收口一般设计在钻头中心，由于钻进过程形成的工作面过于平缓，破碎的岩屑要向钻头中心运动是十分困难的，岩屑经反复破碎成粉末后才能被泥浆带走，由此造成岩屑重复破碎，严重影响钻进效率。

[0008] (3)导向器结构问题。钻机之所以采用减压钻进，是因为安装在钻头上方的导向器并不能真正地进行导向，导向器的直径是固定的，且比钻头直径小约100mm，仅能起到防止钻头大幅摆动的作用，由此导致钻进过程中钻头十分不稳定，破岩效率降低。

[0009] 当前，提高大直径井筒的钻进速度是急需解决的一个技术难题。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种钻井法凿井的垂直钻进钻具，在不改变现有钻机总体结构的前提下，能够提高钻头的破岩效率，进而提高钻机的钻进速度。

[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0012] 一种钻井法凿井垂直钻进钻具，其特征在于，包括自主定中导向器、加压推进液压缸、钻头；其中，所述加压推进液压缸安装在所述自主定中导向器和所述钻头之间。

[0013] 可选地，所述自主定中导向器包括导向滚柱、导筒、导向架、支撑臂、支撑靴和探测支撑液压缸；其中

[0014] 所述导向架通过导向滚柱与导筒连接在一起，所述导向滚柱由预紧固定装置定位并预紧；

[0015] 所述导向架上均布有三个以上支撑臂，支撑靴的滑杆插入所述导向架上的支撑臂中，所述支撑靴的滑杆内安装有探测支撑液压缸；

[0016] 所述支撑臂通过拉杆连接在一起。

[0017] 可选地，所述探测支撑液压缸包括探测液压缸和支撑液压缸；其中[0018] 所述支撑液压缸包括：缸体、支撑缸盖、缸底、支撑活塞、支撑活塞杆；所述支撑缸盖和缸底分别设在所述缸体的两端；所述支撑活塞设在所述缸体内，所述支撑活塞杆与所述支撑活塞相连；所述活塞杆的端部设有支撑靴；

[0019] 所述探测液压缸包括：缸底、支撑活塞、支撑活塞杆、探测杆和探测缸盖；所述探测杆安装在所述支撑活塞杆中间，并且穿过所述支撑活塞插入所述缸底中；所述支撑活塞杆的中间有一轴向通孔，所述缸底中间有一个轴向盲孔，所述探测杆上有探测活塞一和探测活塞二分别与上述两个孔配合；所述探测杆的外端有一探测板。

[0020] 可选地，所述钻头为50°井底角钻头。

[0021] 可选地，所述导向架上均布有八个所述支撑臂。

[0022] 可选地，所述加压推进液压缸的缸体固定在导向架上，并与井筒中心轴线平行布置，加压推进液压缸的活塞杆上安装有滚轮，所述滚轮支撑在所述钻头上端面的环形导轨上。

[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] 相对于现有技术中的固定直径的导向器，本发明实施例中通过采用自主定中导向器，能够将钻头自动定位于井筒中心，并在自主定中导向器与钻头之间安装加压推进液压缸，以自主定中导向器为支点对钻头施加推力，助推钻头破岩，可提高钻头的破岩效率，进而提高钻机的钻井速度。

附图说明

[0025] 图1是现在使用的液压缸提升动力头式钻机的结构原理图；

[0026] 图2是使用本发明垂直钻井钻具的液压缸提升动力头式钻机的结构原理图；

[0027] 图3是本发明垂直钻井钻具机械结构的主视图；

[0028] 图4是本发明垂直钻井钻具机械结构的俯视图；

[0029] 图5是图3中探测支撑液压缸的结构原理图。

[0030] 图中1.提升液压缸，2.动力头，3.钻杆，4.导向器，5.35°井底角钻头，6.出浆管，7.出浆槽，8.沉淀池，9.自主定中导向器，10.加压推进液压缸，11.50°井底角钻头，12.电缆同步绞车，13.动力与信号电缆，14.液压站，15.滚轮，16.环形导轨，91.滑杆，
92.支撑臂，93.导向滚柱，94.导筒，95.预紧固定装置，96.导向架，97.探测支撑液压缸，
98.支撑靴，99.拉杆，971.探测板，972.探测缸盖，973.支撑缸盖，974.支撑活塞杆，975.缸体，976.探测杆，977.支撑活塞，978.缸底，9761.探测活塞一，9762.探测活塞二。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

[0032] 应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 如图2所示，本发明.一种钻井法凿井垂直钻进钻具实施例，包括自主定中导向器9、加压推进液压缸10、钻头11；其中，所述加压推进液压缸10安装在所述自主定中导向器
9和所述钻头11之间。

[0034] 本发明实施例中通过采用自主定中导向器，能够将钻头自动定位于井筒中心，并在自主定中导向器与钻头之间安装加压推进液压缸，以自主定中导向器为支点对钻头施加推力，助推钻头破岩，可提高钻头的破岩效率，进而提高钻机的钻井速度。

[0035] 可选地，本发明钻井法凿井垂直钻进钻具一实施例中，所述自主定中导向器9包括导向滚柱93、导筒94、导向架96、支撑臂92、支撑靴98和探测支撑液压缸97；其中，所述导向架96通过导向滚柱93与导筒94连接在一起，所述导向滚柱93由预紧固定装置95定位并预紧；所述导向架96上均布有三个以上支撑臂92，支撑靴98的滑杆91插入所述导向架96上的支撑臂92中，所述支撑靴98的滑杆91内安装有探测支撑液压缸97；所述支撑臂92通过拉杆99连接在一起。

[0036] 可选地，本发明钻井法凿井垂直钻进钻具一实施例中，所述探测支撑液压缸97包括探测液压缸和支撑液压缸；其中，所述支撑液压缸包括：缸体975、支撑缸盖973、缸底978、支撑活塞977、支撑活塞杆974；所述支撑缸盖973和缸底978分别设在所述缸体975的两端；所述支撑活塞977设在所述缸体975内，所述支撑活塞杆974与所述支撑活塞977相连；所述活塞杆974的端部设有支撑靴98；所述探测液压缸包括：缸底978、支撑活塞977、支撑活塞杆974、探测杆976和探测缸盖972；所述探测杆976安装在所述支撑活塞杆974中间，并且穿过所述支撑活塞977插入所述缸底978中；所述支撑活塞杆974的中间有一轴向通孔，所述缸底978中间有一个轴向盲孔，所述探测杆976上有探测活塞一9761和探测活塞二9762分别与上述两个孔配合；所述探测杆976的外端有一探测板971。

[0037] 可选地，本发明钻井法凿井垂直钻进钻具一实施例中，加大了钻头的井底角，具体来讲，所述钻头(11)为50°井底角钻头。这样，破碎下来的岩屑在重力的作用下，沿工作面径向自动向井筒中心滚动，及时被钻头中间的吸收口吸收排除，避免岩屑重复破碎。

[0038] 所述50°井底角的钻头与目前的35°井底角钻头结构基本相同，只是钻头的锥角由原来的110°减小到现在的80°。

[0039] 可选地，本发明钻井法凿井垂直钻进钻具一实施例中，所述加压推进液压缸10的缸体固定在导向架96上，并与井筒中心轴线平行布置，加压推进液压缸10的活塞杆上安装有滚轮15，所述滚轮15支撑在所述钻头11上端面的环形导轨16上。

[0040] 下面对本发明钻井法凿井垂直钻进钻具进行详细说明。

[0041] 如图2所示，本发明垂直钻井钻具主要包括自主定中导向器9、加压推进液压缸10、50°井底角钻头11、电缆同步绞车12，动力与信号电缆13，液压站14、滚轮15和环形导轨16等部分。

[0042] 如图3、图4所示，所述自主定中导向器9由导筒94、导向架96、支撑臂92、导向滚柱93、预紧固定装置95、滑杆91、支撑靴98、探测支撑液压缸97和拉杆99等主要零部件组成，所述导向架96通过导向滚柱93与导筒94连接在一起，导向滚柱93由预紧固定装置95定位并预紧，导向架96可沿导筒94上下滑动；导向架96上均布有八个支撑臂92，支撑靴98的滑杆91插入导向架96的支撑臂92中，支撑靴98的滑杆91内安装有探测支撑液压缸
97，支撑靴98通过探测支撑液压缸97的伸缩沿导向架96的支撑臂92运动；支撑臂92通过拉杆99连接在一起；所述加压推进液压缸10的缸体固定在导向架96上，并与井筒中心轴线平行布置，其活塞杆上安装有滚轮15，所述滚轮15支撑在所述50°井底角钻头11上端面的环形导轨16上。

[0043] 参见图5，所述探测支撑液压缸97由缸体975、支撑缸盖973、缸底978、支撑活塞977、支撑活塞杆974、探测杆976和探测缸盖972等组成，其中缸体975、支撑缸盖973、缸底978、支撑活塞977、支撑活塞杆974组成支撑液压缸，缸底978、支撑活塞977、支撑活塞杆974、探测杆976和探测缸盖972组成探测液压缸。探测杆976安装在支撑活塞杆974中间，并且穿过支撑活塞977插入缸底978中，支撑活塞杆974的中间有一轴向通孔，缸底978中间有一个轴向盲孔，探测杆976上有两个探测活塞(凸肩)，即探测活塞一9761和探测活塞二9762分别与上述两个孔配合；探测杆976的外端有一探测板971。当探测活塞二9762的端部通入压力油时，探测杆976外伸，当探测板971接触到井帮时，系统压力升高，达到调定压力时，操纵阀(图中未示)关闭，探测杆976停止运动，此时，压力油从支撑活塞杆974上的油口B进入支撑活塞腔，支撑活塞杆974外伸，带动支撑靴98一起靠近井帮，当支撑活塞杆974移动到与探测杆976移动的距离相同时，探测活塞一9761将进油口B封闭，支撑活塞杆974停止运动；按设计程序，探测杆976和支撑活塞杆974依次动作，直至八个支撑靴98均支撑到井帮上，此时，八个支撑活塞腔的进油口A同时打开进油，全部支撑靴98按设计压力支撑在井帮上，将钻头定位于井筒中心。

[0044] 进一步地，支撑活塞杆腔和探测杆腔都安装有回复弹簧(图中未示)，在断电的情况下能自动回缩，使支撑靴98和探测板971脱离井帮，方便起钻。

[0045] 本实施例中，所述探测支撑液压缸有两个作用，一是探测支撑靴与井帮之间的距离，进而引导支撑靴移动相应的距离，保证钻头处于井筒中心位置；二是将支撑靴撑紧在井帮上，为推进加压系统提供支撑点。所述预紧固定装置的作用是支承定位导向滚柱，并推动导向滚柱紧压导筒，防止因磨损导致导筒与导向滚柱间产生间隙。所述拉杆连接在导向架的支撑臂之间，确保导向架的整体稳固。

[0046] 本实施例中，加压推进系统由八个加压推进液压缸组成，八个加压推进液压缸同步推进，助推钻头破岩。所述加压推进液压缸的一端固定在导向架上，另一端通过滚轮运行在钻头环形导轨上，当加压推进液压缸活塞腔进油时，加压推进系统以自主定中导向器为支点向下推进，对钻头施加压力。所述加压推进液压缸的推力和运行速度由地面控制中心通过信号电缆控制。

[0047] 优选地，根据理论计算，由于泥浆的粘滞作用，300t的钻头通过钻杆悬吊在井筒泥浆中，在导向器处施加50kg的水平推力是不足以让钻头产生摆动的，据此可进行探测液压缸的设计。本发明实施例中，取探测液压缸系统的调定压力为2MPa，探测活塞的直径为16mm，探测杆的直径为10mm。

[0048] 进一步地，本发明实施例中，取支撑液压缸系统的调定压力为31.5MPa，支撑活塞977的直径为160mm时，每个支撑靴可提供近65t的支撑力。

[0049] 优选地，所述加压推进液压缸10的行程为1500mm。

[0050] 进一步地，取加压推进液压缸系统的调定压力为31.5MPa，加压推进液压缸的活塞直径为125mm时，每个加压推进液压缸可提供近40t的推力，则钻压可提高到600t左右。

[0051] 所述液压站14由电动机箱、液压泵箱、液压阀箱和控制箱等组成，所述电动机箱、液压泵箱、液压阀箱和控制箱均匀分布在所述自主定中导向器9的导向架96上。液压系统按水下液压系统进行设计，液压站14由地面控制中心通过动力与信号电缆13进行控制。有关液压站的设计与ROV(无人遥控潜水器)相似，在此不赘述。

[0052] 本发明的工作原理是：(1)钻机通过钻杆3将50°井底角钻头11悬吊在井筒的泥浆中，50°井底角钻头11离开井底工作面0.5m处呈自由悬吊状态；(2)自动定中导向器9的探测板971测量出每个支撑靴98与井帮的距离并控制其运动相应的距离；(3)液压系统同时向探测支撑液压缸97的A口供油，使全部八个支撑靴98同时撑紧在井帮上，50°井底角钻头11被约束在井筒中心；(4)启动动力头2通过钻杆3带动50°井底角钻头11旋转向下扫孔0.5m，加压推进液压缸10(有效行程1.5m)同步跟进，50°井底角钻头11接触井底工作面后，加压推进液压缸10开始向下推进，助推钻头破岩，其推力和推进速度由地面控制中心通过信号电缆13控制，钻进1m为一个工作循环；(5)50°井底角钻头11钻进1m后，加压推进液压缸10的活塞杆1.5m已全部伸出，停止钻进，将50°井底角钻头11提离井底工作面0.5m，加压推进液压缸10同步缩回0.5m；(6)自动定中导向器9的支撑靴98在探测支撑液压缸97的作用下缩回脱离井帮，加压推进液压缸10继续回缩，引导自动定中导向器9向下运动1m，开始下一作业循环。

[0053] 使用本发明钻井法凿井垂直钻进钻具，能够将钻头自动定位于井筒中心，并依靠探测支撑液压缸将自主定中导向器撑紧在井帮上，依靠加压推进液压缸对钻头施加推力，助推钻头破岩，可提高钻头的破岩效率，加之采用50°井底角的钻头，加大了井底工作面的倾角，这样，破碎下来的岩屑在重力的作用下，沿工作面径向自动向井筒中心滚动，及时被钻头中间的吸收口吸收排除，避免岩屑重复破碎，可提高破岩效率，进而提高钻机的钻井速度。

[0054] 本发明钻井法凿井垂直钻进钻具实施例中，自主定中导向器的应用，克服了原钻机减压钻进造成的钻压不足的缺点，钻头的重量可以全部变为钻压；由于有了加压推进系统，可增加约300t推力，钻压从原来最大180t提高到近600t，彻底解决钻压不足问题；自主定中导向器的应用，使钻头在钻进过程中变得很稳定，因此，可以将钻头的井底角从35°增加到50°，这样，钻进过程中破碎的岩屑，可以靠自重沿工作面自动滚落到井中心，及时被钻头中间的吸收口吸收带走，防止了岩屑的重复破碎，提高了钻头的破岩效率，进而提高了钻机的钻进速度。

[0055] 应当明确，上述实施例是对本发明的说明，而不是对本发明的限定，任何简单的变换方案均属于本发明的保护范围。