一種雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具及造斜方法

2023-12-09 21:04:06 3

專利名稱：一種雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具及造斜方法
技術領域：
本發明涉及定向連續取芯造斜領域，具體為一種雙管外導內鑽定向連續取芯造 斜機具及其造斜方法，主要是適用於水電勘測工程的定向鑽孔連續取芯造斜。
背景技術：
定向鑽進技術已在我國石油、煤炭、地礦、市政等行業得到廣泛應用。定向鑽孔就 是按照一定目的要求，沿著設計軌跡進行鑽進的一項技術。定向鑽進技術起源於20世紀 初。隨著國際鑽井三大技術(MWD隨鑽測量技術、高效PDC鑽頭、長壽命導向螺杆鑽具)的應 用，定向鑽進技術得到了飛速發展。我國在石油、煤炭、地礦、冶金等勘探行業定向鑽進技術 已經普遍應用。而我國水電勘探行業定向鑽孔因受「連續取芯造斜」技術瓶頸的制約，至今 尚未開展應用。為填補我國水電勘探定向鑽進技術應用空白，2007年定向鑽進技術被列為 中國水電顧問集團公司重點科技開發項目，並由中南勘測設計研究院承擔。目前定向鑽進造斜工藝主要採用機械連續造斜器造斜、螺杆鑽具連續造斜等，但 所有這些造斜工藝目前均不能進行連續取芯造斜。水電勘測鑽孔對巖心的採取要求很高， 並要求必須全孔連續鑽孔取芯。為此，作為水電勘測工程鑽孔應用定向鑽進技術，解決「連 續取芯造斜」技術應是關鍵所在。定向鑽進導向的準確性主要取決於孔內造斜機具的定向方法與精度。目前我國定 向鑽進孔內造斜機具的定向主要藉助高精度的測量儀器通過計算來完成，其操作繁瑣且往 往因儀器方位精度誤差而造成定位不準。由於定向鑽孔軸線軌跡一般為空間曲線型，定向 鑽進過程中鑽杆孔內承受著壓縮、扭轉和彎曲等複雜的載荷。毫無疑問，定向鑽進對鑽杆及 接頭管材性能(柔性和強度)、加工精度、表面處理等提出了更高的要求。

發明內容
針對現有定向鑽進造斜機具不是能實現連續取芯造斜的技術難題，本發明旨在提 供一種雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具及其造斜方法，可利用該造斜機具在定向鑽 孔造斜段鑽進中，外管用於導向，內管用作取芯，通過外管定嚮導斜來實現進行定向連續 取芯造斜鑽進，能較好的解決目前定向鑽進造斜工藝不能連續取芯的技術難題。為實現上述目的，本發明所採用的技術方案是所述雙管外導內鑽定向連續取芯 造斜機具，其特點是，包括外管，該外管下接導向管靴；所述外管內套裝有內管，該內管下接 孔內水壓定向器，該孔內水壓定向器的下端通過一中間接頭與一彈性接頭的上端相連通； 所述孔內水壓定向器上端與一中空的通水接頭相連，該通水接頭另一端與一鑽杆相連；所 述彈性接頭下端與一公接頭相連，該公接頭下端與一巖心管相連，該巖心管的下端與一金 剛石鑽頭連接在一起；
所述孔內水壓定向器的結構為，所述通水接頭與中間接頭之間由一通水夾套相連，該 通水夾套內腔設有根據通水接頭中空腔的水壓大小而使通水接頭的中空腔和中間接頭的 中空腔連通或通路關閉的開合裝置；所述彈性鑽杆接頭的結構為，所述中間接頭的下端連接一凸連接盤；所述公接頭的上 端連接一凹連接盤；該凸連接盤與凹連接盤之間通過高強橡膠墊連接，且該凸連接盤的朝 向凹連接盤的端面向外凸出，該凹連接盤的朝向凸連接盤的端面向內凹進，兩者凸出與凹 進的程度相匹配；該凸連接盤與凹連接盤通過一組高強螺栓及高強螺母鎖緊。進一步地，所述開合裝置的結構為，所述通水接頭與所述通水夾套結合處內側設 有一限位套，該限位套朝向通水夾套一端為細頸軸，該限位套的細頸軸上裝有可相對該細 頸軸轉動的偏心重錘，該偏心重錘的偏心端內活動連接有重錘銷，所述通水夾套內壁上設 有當通水接頭內水壓大於某壓力值P時與所述重錘銷相配合連接的限位孔，所述限位套的 細頸軸端與一通水活塞相連，該通水活塞的活塞杆上裝有彈簧；所述通水夾套內側開有當 通水接頭內水壓不小於某壓力值P時通水接頭的中空腔和中間接頭的中空腔連通，當通水 接頭內水壓小於某壓力值P時通水接頭的中空腔和中間接頭的中空腔之間通路關閉的通 水孔。所述彈性鑽杆接頭由40CrMnMO合金鋼製成，且對其進行嚴格的熱處理。為了使得彈性接頭能在彈性變形條件下實現安全有效傳遞鑽進扭矩和鑽進壓力， 所述高強螺栓採用9. 8級高強螺栓。為了便於快速安裝到位，所述孔內水壓定向器與外管之間設有定位鍵槽。進一步地，為了便於通水接頭內水推動限位套移動，所述限位套朝向通水接頭的 一端為空腔，所述壓力值P的大小為通水接頭內水推動限位套右移至重錘銷插入限位孔內 時的水壓力。所述鑽杆優選為高強彈性地質鑽杆。一種採用如上所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具的取芯造斜方法，包括 如下步驟
a、導斜參數選擇；按照定向鑽孔設計軌跡要求，計算確定導斜角並選定導向靴管；進 行孔內水壓定向器地表水壓定向試驗，由鑽孔水位計算確定孔內水壓定向器工作水壓參 數；
b、雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具下入安裝到位；
C、孔內導斜定向；按設計導向方位角要求，通過孔內水壓定向器測定並調整孔底導向 靴管的方位角；孔口固定外管導向鑽具組；
d、鑽進取芯；下放內管並測量計算安裝到位，連接鑽杆，進行定向連續取芯造斜鑽進；
e、提出內管；取出管內芯樣，按要求裝箱編號、拍照；
f、定向擴孔；下入上接彈性接頭並帶內導向的擴孔鑽具組，測量與計算確認下入到位， 對已完成的造斜段進行擴孔鑽進；進行鑽孔測斜，根據測斜數據計算出鑽孔軌跡，確定下一 個造斜段鑽進相關參數。本發明就是在定向鑽孔造斜段鑽進中，採用一組專門用作定向連續取芯造斜鑽進 的鑽具組，內管取芯鑽具通過外管定嚮導斜來進行連續定向取芯造斜鑽進。與現有技術相比，本發明很好的解決了定向鑽孔連續取芯造斜技術難題，將作為 我國水電勘測工程定向鑽孔連續取芯造斜一種首選設備與工藝，也可作為其他行業要求連 續取芯造斜定向鑽孔的一種輔助工法。
以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的闡述。

圖1是本發明一種實施例的機構原理圖，其中圖1 (a)是上半段，圖1 (b)為下半 段；
圖2是本發明所述孔內水壓定向器的結構原理圖； 圖3是本發明所述彈性接頭的結構原理圖； 圖4是圖3的A-A截面示意圖。在圖中
1-通水接頭；2_中間接頭；3-限位套；4-偏心重錘；5-重錘銷；6-通水活塞；7-彈簧；9-通水孔；10-限位孔；11-通水夾套；29-內管；30-外管；31-定位鍵槽；32-導向管靴；33-巖心管；34_卡簧；35-金剛石鑽頭36-公接頭；40-孔內水壓定向器；41-凸連接盤；42-凹連接盤；43-高強螺母；44-高強螺栓；45-高強橡膠墊50-彈性接頭。
具體實施例方式一種雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，如圖1 (a)和圖1 (b)所示，包括外管 30，該外管30下接導向管靴32 ；所述外管30內套裝有內管29，該內管29下接孔內水壓定 向器40，該孔內水壓定向器40的下端通過一中間接頭2與一彈性接頭50的上端相連通； 所述孔內水壓定向器40上端與一中空的通水接頭1相連，該通水接頭1另一端與一鑽杆相 連；所述彈性接頭50下端與一公接頭36相連，該公接頭36下端與一巖心管33相連，該巖 心管33的下端通過卡簧34與一金剛石鑽頭35連接在一起；所述孔內水壓定向器40與外 管30之間設有定位鍵槽31。所述鑽杆優選為高強彈性地質鑽杆。所述孔內水壓定向器40的結構為，所述通水接頭1與中間接頭2之間由一通水夾 套11相連，該通水夾套11內腔設有根據通水接頭1中空腔的水壓大小而使通水接頭1的 中空腔和中間接頭2的中空腔連通或通路關閉的開合裝置；如圖2所示，所述開合裝置的結 構為，所述通水接頭1與所述通水夾套11結合處內側設有一限位套3，該限位套3朝向通水 夾套11 一端為細頸軸，該限位套3的細頸軸上裝有可相對該細頸軸轉動的偏心重錘4，該 偏心重錘4的偏心端內活動連接有重錘銷5，所述通水夾套11內壁上設有當通水接頭1內 水壓大於某壓力值P時與所述重錘銷5相配合連接的限位孔10，所述限位套3的細頸軸端 與一通水活塞6相連，該通水活塞6的活塞杆上裝有彈簧7 ；所述通水夾套11內側開有當 通水接頭1內水壓不小於某壓力值P時通水接頭1的中空腔和中間接頭2的中空腔連通， 當通水接頭1內水壓小於某壓力值P時通水接頭1的中空腔和中間接頭2的中空腔之間通 路關閉的通水孔9。所述限位套3朝向通水接頭1的一端為空腔。 所述彈性鑽杆接頭50由40CrMnMo合金鋼製成，如圖3和圖4所示，所述彈性鑽杆 接頭50的結構為，所述中間接頭2的下端連接一凸連接盤41 ；所述公接頭36的上端連接一凹連接盤42 ；該凸連接盤41與凹連接盤42之間通過高強橡膠墊45連接，且該凸連接盤 41的朝向凹連接盤42的端面向外凸出，該凹連接盤42的朝向凸連接盤41的端面向內凹 進，兩者凸出與凹進的程度相匹配；該凸連接盤41與凹連接盤42通過一組高強螺栓44及 高強螺母43鎖緊。所述高強螺栓44採用9. 8級高強螺栓。一種採用如圖1所示的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具的取芯造斜方法，包 括如下步驟
a、導斜參數選擇；按照定向鑽孔設計軌跡要求，計算確定導斜角並選定導向靴管；進 行孔內水壓定向器地表水壓定向試驗，由鑽孔水位計算確定孔內水壓定向器工作水壓參 數；
b、雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具下入安裝到位；組裝並下入外管30；測量與計 算確認安裝到位，然後組裝並下入內管四，測量與計算確認孔內水壓定向器40與外管30的 定位鍵槽31裝配到位；
c、孔內導斜定向；按設計導向方位角要求，通過孔內水壓定向器40測定並調整孔底導 向靴管36的方位角；外管30導向鑽具組孔口採用機械壓、夾緊固定；
d、鑽進取芯；慢慢下放內管四並測量計算安裝到位，連接鑽杆，輕壓慢轉內管四進行 定向連續取芯造斜鑽進；
e、提出內管四；取出管內芯樣，按要求裝箱編號、拍照；
f、定向擴孔；下入上接彈性接頭並帶內導向的擴孔鑽具組，測量與計算確認下入到位， 輕壓慢轉對已完成的造斜段進行擴孔鑽進；進行鑽孔測斜，根據測斜數據計算出鑽孔軌跡， 確定下一個造斜段鑽進相關參數。所述外管30採用Φ71高強彈性繩索取芯鑽杆，接頭外徑Φ73πιπι，內徑Φ60πιπι。 外管30下接導斜管靴32。所述內管四採用Φ 42高強彈性地質鑽杆，接頭外徑Φ 43mm，內徑Φ 22mm。內管 29下接孔內水壓定向器40、彈性接頭50和Φ 56雙管單動取芯金剛石鑽具。雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具採用Φ42高強彈性地質鑽杆，下接帶彈性 接頭的內導式擴孔金剛石鑽頭35。中南勘測設計研究院經過技術攻關，成功研製出了雙管外導內鑽定向連續取芯造 斜機具，可廣泛應用於水電勘測工程定向鑽孔。
權利要求
1.一種雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，包括外管(30)，該外管 (30)下接導向管靴(32)；所述外管(30)內套裝有內管(29)，該內管(29)下接一孔內水壓 定向器(40)，該孔內水壓定向器(40)的下端通過一中間接頭(2)與一彈性接頭(50)的上端 相連通；所述孔內水壓定向器(40)上端與一中空的通水接頭(1)相連，該通水接頭(1)另一 端與一鑽杆相連；所述彈性接頭(50)下端與一公接頭(36)相連，該公接頭(36)下端與一巖 心管(33 )相連，該巖心管(33 )的下端與一金剛石鑽頭(35 )連接在一起；所述孔內水壓定向器(40)的結構為，所述通水接頭(1)與中間接頭(2)之間由一通水 夾套(11)相連，該通水夾套(11)內腔設有根據通水接頭(1)中空腔的水壓大小而使通水接 頭(1)的中空腔和中間接頭(2)的中空腔連通或通路關閉的開合裝置；所述彈性鑽杆接頭(50)的結構為，所述中間接頭(2)的下端連接一凸連接盤(41)；所 述公接頭(36)的上端連接一凹連接盤(42);該凸連接盤(41)與凹連接盤(42)之間通過高 強橡膠墊(45)連接，且該凸連接盤(41)的朝向凹連接盤(42)的端面向外凸出，該凹連接 盤(42)的朝向凸連接盤(41)的端面向內凹進，兩者凸出與凹進的程度相匹配；該凸連接盤 (41)與凹連接盤(42)通過一組高強螺栓(44)及高強螺母(43)鎖緊。
2.根據權利要求1所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，所述開 合裝置的結構為，所述通水接頭(1)與所述通水夾套(11)結合處內側設有一限位套(3)，該 限位套(3)朝向通水夾套(11)一端為細頸軸，該限位套(3)的細頸軸上裝有可相對該細頸 軸轉動的偏心重錘(4)，該偏心重錘(4)的偏心端內活動連接有重錘銷(5)，所述通水夾套 (11)內壁上設有當通水接頭(1)內水壓大於某壓力值P時與所述重錘銷(5)相配合連接的 限位孔(10)，所述限位套(3)的細頸軸端與一通水活塞(6)相連，該通水活塞(6)的活塞杆 上裝有彈簧(7);所述通水夾套(11)內側開有當通水接頭(1)內水壓不小於某壓力值P時 通水接頭(1)的中空腔和中間接頭(2)的中空腔連通，當通水接頭(1)內水壓小於某壓力值 P時通水接頭(1)的中空腔和中間接頭(2)的中空腔之間通路關閉的通水孔(9)。
3.根據權利要求1所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，所述彈 性鑽杆接頭(50)由40CrMnMo合金鋼製成。
4.根據權利要求1所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，所述高 強螺栓(44)採用9. 8級高強螺栓。
5.根據權利要求1所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，所述孔 內水壓定向器(40 )與外管(30 )之間設有定位鍵槽(31)。
6.根據權利要求1所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，所述鑽 杆為高強彈性地質鑽杆。
7.根據權利要求2所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具，其特徵在於，所述限 位套(3)朝向通水接頭(1)的一端為空腔。
8.一種採用權利要求1-7之一所述的雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具的取芯造 斜方法，其特徵在於，包括如下步驟a、導斜參數選擇；按照定向鑽孔設計軌跡要求，計算確定導斜角並選定導向靴管；進 行孔內水壓定向器地表水壓定向試驗，由鑽孔水位計算確定孔內水壓定向器工作水壓參 數；b、雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具下入安裝到位；C、孔內導斜定向；按設計導向方位角要求，通過孔內水壓定向器(40)測定並調整孔底 導向靴管(36)的方位角；固定外管(30)導向鑽具組孔口 ；d、鑽進取芯；下放內管並測量計算安裝到位，連接鑽杆，進行定向連續取芯造斜鑽進；e、提出內管；取出管內芯樣，按要求裝箱編號、拍照；f、定向擴孔；下入上接彈性接頭並帶內導向的擴孔鑽具組，測量與計算確認下入到位， 對已完成的造斜段進行擴孔鑽進；進行鑽孔測斜，根據測斜數據計算出鑽孔軌跡，確定下一 個造斜段鑽進相關參數。
全文摘要
本發明公開了一種雙管外導內鑽定向連續取芯造斜機具及其造斜方法，屬於定向連續取芯造斜領域,在定向鑽孔造斜段鑽進中，本發明採用一組專門用作定向連續取芯造斜鑽進的鑽具組，內管取芯鑽具通過外管定嚮導斜來進行定向連續取芯造斜鑽進。較好的解決了國內目前定向鑽進造斜工藝不能取芯的技術難題，為水電勘測工程進行定向鑽孔實現全孔取芯發明了一種實用設備及造斜方法。同時也為我國其他行業對要求連續取芯造斜的定向鑽孔提供了一種借鑑。
文檔編號E21B7/28GK102080503SQ20111002534
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者陳安重 申請人:中國水電顧問集團中南勘測設計研究院