CN113309479A - 一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，涉及钻井技术领域，包括绳索取心钻具循环系统，绳索取心钻具循环系统包括顶驱、钻具、鹅颈管、泥浆管线和泥浆泵；顶驱底部安装有钻具，顶部连接有鹅颈管，鹅颈管通过泥浆管线连接有泥浆泵；还包括反循环排渣系统，反循环排渣系统包括正反循环转换阀，正反循环转换阀安装于鹅颈管与泥浆管线之间，正反循环转换阀能够与鹅颈管以及泥浆管线连通；正反循环转换阀还连接有反循环排渣通道，反循环排渣通道上设置有渣浆泵。本发明还公开一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井方法。本发明能够获取高质量的岩心，且能够快速排出礁灰岩地层孔洞、钻孔内堆积的岩屑，为下一回次的取心钻井创造良好的孔内条件。

Description

一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置及方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别是涉及一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置及方法。

背景技术

礁灰岩地层是浅海勘查常遇地层，该类地层具有一定胶结性但结构脆弱，孔洞发育且有充填物等。取心回次钻进时岩屑充填进地层孔洞中难返出钻孔，当停钻后岩屑及孔洞内充填物返流回钻孔内，常造成下一回次岩心管投放不到位、钻头水眼堵死烧钻不进尺、无法获取新鲜岩心等钻井难题。

礁灰岩地层采用单一的取心技术方法很难达到满意的取心效果。在岛礁勘查中钻遇此类地层采用绳索取心技术+辅助掏砂技术，每回次绳索取心结束后，在绳索取心钻具内下入小直径掏砂钻具，多次提钻打捞孔内沉砂后再投放取心钻具内总成开始下一回次钻进。使用上述技术方法，虽可实现在礁灰岩地层取心，但捞砂过程需频繁提钻耗时费力，钻进效率低；尤其浅海礁灰岩地层钻井，作业船只续航期、窗口期窄。

因此，亟需一种高效取心钻井技术，实现浅海礁灰岩地层的快速取心。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够获取高质量的岩心，且能够快速排出礁灰岩地层孔洞、钻孔内堆积的岩屑，为下一回次的取心钻井创造良好的孔内条件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，包括：

绳索取心钻具循环系统，所述绳索取心钻具循环系统包括顶驱、钻具、鹅颈管、泥浆管线和泥浆泵；所述顶驱的底部安装有所述钻具，所述顶驱的顶部连接有所述鹅颈管，所述鹅颈管远离所述顶驱的一端与所述泥浆管线的顶部连通，所述泥浆管线的底部连接有所述泥浆泵，所述泥浆管线内设置有正循环泥浆通道；

还包括：

反循环排渣系统，所述反循环排渣系统包括正反循环转换阀，所述正反循环转换阀安装于所述鹅颈管与所述泥浆管线之间，所述正反循环转换阀能够与所述鹅颈管以及所述泥浆管线连通；所述正反循环转换阀还连接有反循环排渣通道，所述反循环排渣通道上设置有渣浆泵。

优选的，所述正反循环转换阀上设置有鹅颈管连接口、泥浆管线连接口和排渣接口，所述鹅颈管连接口、所述泥浆管线连接口以及所述排渣接口分别与所述鹅颈管、所述泥浆管线以及所述反循环排渣通道连接。

优选的，所述正反循环转换阀包括壳体、阀板、控制油缸、连杆机构和回转轴；所述鹅颈管连接口、所述泥浆管线连接口以及所述排渣接口均设置于所述壳体上，所述控制油缸以及所述阀板设置于所述壳体内，所述控制油缸的进油口以及回油口均能够与钻井船原油路系统连接，所述控制油缸的活塞杆的末端与所述连杆机构的一端转动连接，所述连杆机构的另一端与所述回转轴连接，所述回转轴转动安装于所述壳体上，所述阀板与所述回转轴固定连接；

当所述控制油缸的活塞杆完全伸出时，所述阀板能够关闭所述反循环排渣通道，所述正循环泥浆通道为打开状态；当所述控制油缸的活塞杆全部收回时，所述阀板能够关闭所述正循环泥浆通道，所述反循环排渣通道为打开状态；当所述控制油缸的活塞杆行程介于最小、最大之间时，所述阀板处于中间状态，所述正循环泥浆通道、所述反循环排渣通道均处于打开状态。

优选的，所述阀板的正面和反面均设置有橡胶密封板。

优选的，所述控制油缸的进油口以及回油口分别通过进油管路以及回油管路与所述钻井船原油路系统连接，所述进油管路以及所述回油管路上均设置有阻尼接头。

优选的，所述进油管路以及所述回油管路还与卸油管路连接，所述卸油管路与所述钻井船原油路系统连接；所述进油管路以及所述回油管路与所述卸油管路的连接管路内均设置有节流截止阀，所述卸油管路内设置有单向阀。

优选的，所述正反循环转换阀通过第一排渣软管与所述渣浆泵的进渣口连接，所述第一排渣软管内设置有所述反循环排渣通道，所述渣浆泵的排渣口连接有第二排渣软管。

优选的，所述第一排渣软管和所述第二排渣软管的内径不小于所述钻具的钻杆柱内通孔的内径。

优选的，所述渣浆泵设置在钻井平台面上，所述渣浆泵的叶轮距海水平面高度不超过3m。

本发明还公开一种基于上述用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置的高效取心钻井方法，包括以下步骤：

步骤a、正循环绳索取心：所述顶驱驱动孔内所述钻具完成一回次进尺，正循环泥浆冷却所述钻具的钻头，将钻满岩心的岩心管提出钻孔；

步骤b、启动反循环抽渣：绳索取心回次结束后，通过所述正反循环控制阀使所述正循环泥浆通道、所述反循环排渣通道均为打开状态，启动所述泥浆泵向所述反循环排渣通道、所述钻具的钻杆柱内注入泥浆排出空气，当所述渣浆泵的排渣口处有泥浆排出时，启动所述渣浆泵；

步骤c、建立反循环抽渣循环过程：当所述第二排渣管末端空气排出以及出浆符合要求后，反循环抽渣循环建立，通过所述正反循环控制阀关闭所述正循环泥浆通道，所述反循环排渣通道完全打开，关停所述泥浆泵；

步骤d、反循环抽渣：所述顶驱带动孔内所述钻具回转，同时上下行走，实施反循环抽渣作业，将钻孔内堆积的岩屑排出钻孔；观察第二排渣管末端排出的液体，当排出的液体中岩渣含量符合要求后，将所述钻具提离孔底，停止所述顶驱回转，关停所述渣浆泵，完成反循环抽渣；

步骤e、转换正循环钻井模式，开始下一回次取心作业：所述正反循环转换阀控制所述反循环排渣通道关闭，所述正循环泥浆通道打开；启动所述泥浆泵向所述钻具的中心注浆清除残留在台阶上的岩屑，从所述顶驱上部将所述钻具投放至孔底，开始下一回次取心钻井作业。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置及方法，设置了反循环排渣系统，在海洋钻井系统顶驱鹅颈管端设置正反循环转换阀，将正循环绳索取心循环通道拓展增加反循环排渣通道，使用同一套井下钻具情况下，可实现正循环绳索取心，亦可实现反循环排渣，为浅海礁灰岩地层勘查提供一种高效取心钻井方法。

2、本发明在正循环绳索取心回次结束后，可快速转换为反循环抽渣模式，彻底清理已钻穿地层孔隙中的堆积物及因地层漏失导致无法排出钻孔的岩渣，避免岩屑堆积导致下一回次取不到新鲜岩心、烧钻等事故。

3、本发明的正反循环转换阀内部设有阀板，阀板通过控制油缸控制开启，能够实现三种功能状态，且阀板与通道密封可靠。

4、本发明通过进油管路、回油管路上加接阻尼接头、节流阀等，降低系统进油量，增加控制油缸的活塞杆工作反应时间，便于实现阀板中间状态控制。

5、本发明在船载顶驱钻井系统中使用该方法，不需对原有设备进行改动，设备配置简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置的结构示意图；

图2是本发明中正反循环转换阀的结构示意图；

图3是本发明中正反循环转换阀的液压原理图；

图中标号如下所示：

1：钻具；2：钻井船工作甲板；3：顶驱；4：鹅颈管；5：泥浆泵；6：泥浆管线；7：第一排渣软管：8：正反循环转换阀：9：渣浆泵；10：第二排渣软管；11：鹅颈管连接口；12：壳体；13：泥浆管线连接口；14：阀板；15：橡胶密封板；16：回转轴；17：排渣接口；18：控制油缸；19：进油口；20：回油口；21：阻尼接头；22、26、28、29、32、35、37、38：胶管；23、27、31：三通阀；24、33：端直通接头；25：节流截止阀；30、36：变径接头；34：单向阀；39、40、41、42：钻井船原有油路系统管路；43：连杆机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置及方法，以解决现有技术存在的问题，能够获取高质量的岩心，且能够快速排出礁灰岩地层孔洞、钻孔内堆积的岩屑，为下一回次的取心钻井创造良好的孔内条件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实施例提供一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，主要包括：绳索取心钻具循环系统和反循环排渣系统；绳索取心钻具循环系统包括顶驱3、钻具1、鹅颈管4、泥浆管线6和舱室内的泥浆泵5；顶驱3的底部安装有钻具1，顶驱3的顶部连接有鹅颈管4，鹅颈管4远离顶驱3的一端与泥浆管线6的顶部连通，泥浆管线6的底部连接有泥浆泵5，泥浆管线6内设置有正循环泥浆通道。顶驱3能够驱动孔内钻具1回转钻取礁灰岩地层岩心，其中，顶驱3为现有装置，可以根据需要从现有技术中进行选择，其能够带动钻具1转动同时上下行走；钻具1主要包括绳索取心钻具、钻杆柱等，钻杆柱内设置有通孔，钻具1配备有绳索取心绞车，用于将钻满岩心的岩心管提出钻孔。

在本实施例中，反循环排渣系统包括正反循环转换阀8，正反循环转换阀8安装于鹅颈管4与泥浆管线6之间，正反循环转换阀8能够与鹅颈管4以及泥浆管线6连通；正反循环转换阀8还连接有反循环排渣通道，反循环排渣通道上设置有渣浆泵9。具体地，正反循环转换阀8上设置有鹅颈管连接口11、泥浆管线连接口13和排渣接口17，鹅颈管连接口11、泥浆管线连接口13以及排渣接口17分别与鹅颈管4、正循环泥浆通道以及反循环排渣通道连接。

在本实施例中，正反循环转换阀8包括壳体12、阀板14、控制油缸18、连杆机构43和回转轴16；鹅颈管连接口11、泥浆管线连接口13以及排渣接口17均设置于壳体12上，控制油缸18以及阀板14设置于壳体12内，控制油缸18的进油口19以及回油口20均能够与钻井船原油路系统连接，控制油缸18的活塞杆末端与连杆机构43一端通过销轴固定，连杆机构43的另一端与回转轴16连接，回转轴16穿入壳体1上设置的固定轴套内，阀板14焊接到回转轴16的中间位置，活塞杆伸出、收回时通过连杆机构带动回转轴16旋转，同时带动阀板14绕回转轴16转动，实现阀板14正面、反面与排渣接口17以及泥浆管线连接口13的密封；

阀板14的开启与关闭通过控制油缸18控制，当控制油缸18的活塞杆完全伸出时，阀板14能够关闭反循环排渣通道，正循环泥浆通道为打开状态；当控制油缸18的活塞杆全部收回时，阀板14能够关闭正循环泥浆通道，反循环排渣通道为打开状态；当控制油缸18的活塞杆行程介于最小、最大之间时，阀板14处于中间状态，正循环泥浆通道、反循环排渣通道均处于打开状态，实现反循环作业前渣浆泵9启动操作。

在本实施例中，连杆机构43的具体结构可以根据需要进行选择；例如采用双连杆机构，双连杆机构的两个连杆的一端相互铰接，一个连杆的另一端通过销轴与控制油缸18的活塞杆末端转动连接，另一个连杆的另一端与回转轴16固定连接；或者，连杆机构43还可以采用单连杆，连杆的一端与回转轴16固定连接，另一端设置有滑槽，控制油缸18的活塞杆末端连接有销轴，销轴设置于滑槽内，在沿滑槽移动的同时，能够在滑槽内转动。

本实施例中绳索取心钻进和反循环抽渣使用同一套孔内钻具，仅在鹅颈管4的末端增加具有三通道的正反循环转换阀8，绳索取心钻井、反循环抽渣两个过程仅需控制阀板14的开启关闭即能实现，转换流程简便，易于操作，符合海洋地质勘查高效率要求。

在本实施例中，阀板14的正面和反面均设置有橡胶密封板15。

在本实施例中，控制油缸18的进油口19以及回油口20分别通过进油管路以及回油管路与钻井船原油路系统连接，进油管路以及回油管路还与卸油管路连接，卸油管路与钻井船原油路系统连接；进油管路以及回油管路与卸油管路的连接管路内均设置有节流截止阀25，卸油管路内设置有单向阀34。本实施例为满足正反循环转换阀8对控制油缸18的工作需求，需控制钻井船原油路系统的给油速度，因此进油管路以及回油管路上均设置有阻尼接头21，减小进出流量，调节控制油缸18上下腔进油速度，利于阀板14开启关闭的控制；无法通过阻尼接头21进入控制油缸18内的液压油，通过进油管路、回油管路上的三通阀23、节流截止阀25、三通阀27进入到卸油管路内，卸油管路内设置单向阀34，多余的液压油通过卸油管路回到钻井船原油路系统中，由此实现了钻井船原油路系统对正反循环转换阀8的控制；分流后的液压油通过节流截止阀25、单向阀34回流至回油口20，由此增加控制油缸18的活塞杆伸出、缩回的时间，便于实现阀板14中间状态的操作。

在本实施例中，正反循环转换阀8通过第一排渣软管7与渣浆泵9的进渣口连接，渣浆泵9的排渣口连接有第二排渣软管10；其中，第一排渣软管7和第二排渣软管10内设置有反循环排渣通道，第一排渣软管7和第二排渣软管10的内径不小于钻具1的钻杆柱内通孔的内径。

在本实施例中，渣浆泵9设置在钻井平台面上，渣浆泵9的叶轮距海水平面高度不超过3m，利用渣浆泵9内叶轮转动产生的负压抽吸作用将岩渣清出钻孔。

本实施例还公开一种基于上述用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置的高效取心钻井方法，在绳索取心钻具系统基础上设置反循环抽渣系统，当绳索取心回次结束后，在不更换钻具1的情况下将循环方式转换为反循环，将地层孔洞中、钻孔内堆积的岩屑负压抽吸排出钻孔；具体包括以下步骤：

步骤a、正循环绳索取心：顶驱3驱动孔内钻具1完成一回次进尺，正循环泥浆冷却钻具1的钻头，通过绳索取心绞车将钻满岩心的岩心管提出钻孔；

步骤b、启动反循环抽渣：绳索取心回次结束后，通过控制油缸18控制阀板14半开启，此时控制油缸18的活塞杆未完全伸出，正循环泥浆通道、反循环排渣通道均为打开状态，启动泥浆泵5向反循环排渣通道、钻具1的钻杆柱内注入泥浆排出空气，当第二排渣软管10的末端有泥浆排出时，启动渣浆泵9，此时第二排渣软管10的末端排出的有泥浆、海水、管路内的空气；

步骤c、建立反循环抽渣循环过程：观察第二排渣软管10的末端没有大量空气排出且出浆稳定时，反循环抽渣循环建立，控制油缸18的活塞杆完全收回，控制阀板14关闭正循环泥浆通道，反循环排渣通道完全打开，关停泥浆泵5；

步骤d、反循环抽渣：顶驱3带动孔内钻具1回转，同时上下行走，实施反循环抽渣作业，利用渣浆泵9内叶轮转动产生的负压抽吸作用将钻孔内堆积的岩屑排出钻孔；仔细观察排渣口排出的液体，当排出的液体中有少量或无岩渣时，将钻具1提离孔底1.5m后停止顶驱3回转，关停渣浆泵9，完成反循环抽渣；

步骤e、转换正循环钻井模式，开始下一回次取心作业：正反循环转换阀8的控制油缸18的活塞杆完全伸出，控制反循环排渣通道关闭，正循环泥浆通道打开；启动泥浆泵5向钻具1的中心注浆清除残留在台阶上的岩屑，从顶驱3上部将钻具1内总成投放至孔底，开始下一回次取心钻井作业。

综上，本发明在绳索取心钻具循环系统上设置反循环排渣系统，在绳索取心钻井结束后，启动反循环抽渣系统中的相关设备，将礁灰岩地层、钻孔内堆积的岩渣抽吸出钻孔，为下一回次取心钻井创造良好的孔内条件。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，包括：

绳索取心钻具循环系统，所述绳索取心钻具循环系统包括顶驱、钻具、鹅颈管、泥浆管线和泥浆泵；所述顶驱的底部安装有所述钻具，所述顶驱的顶部连接有所述鹅颈管，所述鹅颈管远离所述顶驱的一端与所述泥浆管线的顶部连通，所述泥浆管线的底部连接有所述泥浆泵，所述泥浆管线内设置有正循环泥浆通道；

其特征在于：还包括：

反循环排渣系统，所述反循环排渣系统包括正反循环转换阀，所述正反循环转换阀安装于所述鹅颈管与所述泥浆管线之间，所述正反循环转换阀能够与所述鹅颈管以及所述泥浆管线连通；所述正反循环转换阀还连接有反循环排渣通道，所述反循环排渣通道上设置有渣浆泵。

2.根据权利要求1所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述正反循环转换阀上设置有鹅颈管连接口、泥浆管线连接口和排渣接口，所述鹅颈管连接口、所述泥浆管线连接口以及所述排渣接口分别与所述鹅颈管、所述泥浆管线以及所述反循环排渣通道连接。

3.根据权利要求2所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述正反循环转换阀包括壳体、阀板、控制油缸、连杆机构和回转轴；所述鹅颈管连接口、所述泥浆管线连接口以及所述排渣接口均设置于所述壳体上，所述控制油缸以及所述阀板设置于所述壳体内，所述控制油缸的进油口以及回油口均能够与钻井船原油路系统连接，所述控制油缸的活塞杆的末端与所述连杆机构的一端转动连接，所述连杆机构的另一端与所述回转轴连接，所述回转轴转动安装于所述壳体上，所述阀板与所述回转轴固定连接；

当所述控制油缸的活塞杆完全伸出时，所述阀板能够关闭所述反循环排渣通道，所述正循环泥浆通道为打开状态；当所述控制油缸的活塞杆全部收回时，所述阀板能够关闭所述正循环泥浆通道，所述反循环排渣通道为打开状态；当所述控制油缸的活塞杆行程介于最小、最大之间时，所述阀板处于中间状态，所述正循环泥浆通道、所述反循环排渣通道均处于打开状态。

4.根据权利要求3所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述阀板的正面和反面均设置有橡胶密封板。

5.根据权利要求4所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述控制油缸的进油口以及回油口分别通过进油管路以及回油管路与所述钻井船原油路系统连接，所述进油管路以及所述回油管路上均设置有阻尼接头。

6.根据权利要求5所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述进油管路以及所述回油管路还与卸油管路连接，所述卸油管路与所述钻井船原油路系统连接；所述进油管路以及所述回油管路与所述卸油管路的连接管路内均设置有节流截止阀，所述卸油管路内设置有单向阀。

7.根据权利要求1所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述正反循环转换阀通过第一排渣软管与所述渣浆泵的进渣口连接，所述渣浆泵的排渣口连接有第二排渣软管，所述第一排渣软管及第二排渣软管内设置有所述反循环排渣通道。

8.根据权利要求7所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述第一排渣软管和所述第二排渣软管的内径不小于所述钻具的钻杆柱内通孔的内径。

9.根据权利要求8所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置，其特征在于：所述渣浆泵设置在钻井平台面上，所述渣浆泵的叶轮距海水平面高度不超过3m。

10.一种基于如权利要求1所述的用于浅海礁灰岩的高效取心钻井装置的高效取心钻井方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a、正循环绳索取心：所述顶驱驱动孔内所述钻具完成一回次进尺，正循环泥浆冷却所述钻具的钻头，将钻满岩心的岩心管提出钻孔；

步骤b、启动反循环抽渣：绳索取心回次结束后，通过所述正反循环控制阀使所述正循环泥浆通道、所述反循环排渣通道均为打开状态，启动所述泥浆泵向所述反循环排渣通道、所述钻具的钻杆柱内注入泥浆排出空气，当所述渣浆泵的排渣口连接的第二排渣管的末端有泥浆排出时，启动所述渣浆泵；

步骤c、建立反循环抽渣循环过程：当所述第二排渣管的末端空气排出以及出浆符合要求后，反循环抽渣循环建立，通过所述正反循环控制阀关闭所述正循环泥浆通道，所述反循环排渣通道完全打开，关停所述泥浆泵；

步骤d、反循环抽渣：所述顶驱带动孔内所述钻具回转，同时上下行走，实施反循环抽渣作业，将钻孔内堆积的岩屑排出钻孔；观察所述第二排渣管的末端排出的液体，当排出的液体中岩渣含量符合要求后，将所述钻具提离孔底，停止所述顶驱回转，关停所述渣浆泵，完成反循环抽渣；

步骤e、转换正循环钻井模式，开始下一回次取心作业：所述正反循环转换阀控制所述反循环排渣通道关闭，所述正循环泥浆通道打开；启动所述泥浆泵向所述钻具的中心注浆清除残留在台阶上的岩屑，从所述顶驱上部将所述钻具投放至孔底，开始下一回次取心钻井作业。

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