石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置的制作方法

本发明涉及一种固井水泥钻通装置及方法，特别涉及一种石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置及方法。

背景技术：

在石油钻井勘探过程中，固井是钻井过程中的重要作业。在钻井作业中一般至少要有两次固井（生产井），多至4~5次固井（深探井）。固井施工中采用的工具主要是钻具。

钻具是尾部带有螺纹的钢管，长度一般在9.6M左右。用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置，钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动，在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用。

固井就是通过钻具将水泥浆注入井壁与套管之间的环空中的过程，其目的是为了层间封隔和支撑及保护套管，固井质量的好坏直接关系到油气井的寿命和资源的保护，因此必须充分考虑固井作业的各个环节，如：现场技术参数收集、技术措施的制定、井眼准备、固井材料、固井工具及附件、固井工艺、固井装备和固井施工等，由于现场的施工的特殊性，任何一个环节的操作不当和失误，将直接影响整井固井质量，造成固井水泥堵塞井内钻具，导致固井事故。

而在固井施工过程中有时候会出现钻具被“灌香肠”事故，造成部分井段或者整井段的钻具被水泥堵塞，而堵塞钻具包括不同规格型号，如果不能有效地进行钻具疏通，会造成资产浪费，影响企业发展。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置及方法，通过瞬间动力震击、合金钻头破碎、水泥块研磨、利用空气或水循环冷却钻头并携带水泥屑返出钻具，以及水平钻井技术整体结合的工作原理，对在石油勘探过程中因固井事故造成的水泥堵塞钻具问题，可以有效的进行钻具通径工作，通径完成后的各类钻具可以继续石油勘探钻井使用，避免钻具报废。

一种石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置，包括电控装置、空气动力装置和水平钻通装置，所述的电控装置采用自耦减压起动箱，通过自耦减压起动箱连接空气动力装置，空气动力装置带动水平钻通装置对堵塞钻具进行通径，所述的空气动力装置包括空气压缩机、进气阀门、压力储存罐、输气阀门、油雾器、往复双向推动马达、凿岩机控制装置、钻头吹气口，压力储存罐的输入端通过进气阀门连接到空气压缩机，压力储存罐的输出端通过输气阀门连接往复双向推动马达和凿岩机控制装置，凿岩机控制装置输出动力到钻头吹气口；

所述的水平钻通装置包括钻具本体、钻具母扣接头、钻具卡紧装置、卡紧装置调节螺栓、钻具卡紧胶芯、升降调节座、装置架、定向定位扶正器、合金钻头、钻杆、扶正滑轮、底座、凿岩机、所述的底座左侧上部安装装置架，装置架的左侧上部通过升降调节座连接钻具卡紧装置，所述的钻具卡紧装置通过钻具卡紧胶芯和卡紧装置调节螺栓将钻具本体固定牢固，钻具本体的端部为钻具母扣接头；所述的装置架的右侧上部通过定向定位扶正器扶正钻杆的左端，钻杆的右端连接到凿岩机，钻杆的中部通过扶正滑轮与底座右侧上部的传动装置连接，传动装置带动凿岩机左右移动，凿岩机带动钻杆转动，进而通过钻杆端部的合金钻头对钻具内的水泥进行通径。

上述的空气动力装置中的进气阀门与空气压缩机之间设有吸附式干燥装置；所述的往复双向推动马达的输入端连接三位四通手动换向阀A，所述的凿岩机控制装置的输入端连接三位四通手动换向阀B，所述的钻头吹气口的输入端连接二位二通手动换向阀和单向阀。

上述的水平钻通装置中的传动装置包括导轨传动齿轮、链条导向轮、固定螺栓、传动链条、工字轨道、往复双向推动马达、主动轮、扶正导轮、链条伸缩调节器、伸缩齿轮、伸缩调节螺栓，所述的往复双向推动马达提供左右移动的动力，往复双向推动马达通过主动轮连接传动链条，使传动链条带动凿岩机在工字轨道上作往复运动，工字轨道的两端分别设有导轨传动齿轮和伸缩齿轮，伸缩齿轮的旁边设有链条伸缩调节器和伸缩调节螺栓。

上述的钻杆的中部设有反扣接头，所述的合金钻头采用十字型或X型的PDC钻头或金刚石钻头。

上述的钻具卡紧装置包括卡紧装置调节螺栓、U型卡、上卡瓦、钻具卡紧上胶芯、钻具卡紧下胶芯、下卡瓦、升降调节公头、升降调节母头和底座，所述的底座上部固定有升降调节母头，升降调节公头与升降调节母头螺纹配合，升降调节公头的上部连接下卡瓦，下卡瓦的上部连接钻具卡紧下胶芯的两侧凸出部分，钻具卡紧下胶芯的中部为半圆形结构，与钻具卡紧上胶芯的半圆形结构相配合对钻具进行固定，钻具卡紧上胶芯的上部通过上卡瓦连接固定，且上卡瓦上部设有螺孔，U型卡套在上卡瓦、钻具卡紧上胶芯、钻具卡紧下胶芯和下卡瓦的两侧，并通过螺栓连接固定在升降调节公头上部的螺孔，进而将钻具卡紧上胶芯、钻具卡紧下胶芯之间的钻具固定牢固。

上述的定向定位扶正器包括钻杆定位C型槽、扶正架、上定位板、扶正器连接螺栓、下定位板、扶正器连接螺母，所述的扶正架的上部为钻杆定位C型槽，槽的开口朝上，扶正架的下部固定上定位板，所述上定位板通过扶正器连接螺栓、下定位板和扶正器连接螺母固定在装置架上。

本发明提到的一种石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置的使用方法，包括如下步骤：

（a）将堵塞的钻具通过钻具卡紧装置进行定位卡紧，通过安装钻具卡紧上胶芯和钻具卡紧下胶芯，扣合在钻具的上下两侧，并通过上、下卡瓦和U型卡固定好钻具，并通过卡紧装置调节螺栓紧固在装置架上；

（b）当气压达到施工要求时，通过对气体操纵手柄的控制，首先使气体通过凿岩机进入合金钻头进行吹气携岩屑和带动钻杆进行转动，并通过定向定位扶正器防止钻杆在旋转过程中产生的离心转动；

（c）再通过对空气动力装置的气体操纵手柄的开合控制，给往复双向推动马达提供动力，推动马达正常运转后通过蜗轮减速器的作用，带动主动轮低速转动，主动轮再带动传动链条，满足凿岩机在工字轨道上作往复运动，并且可对钻头加大钻压，从而顺利完成各类堵塞钻具的通径工作。

本发明的主要工作原理是采用在整体轨道水平制作的基础上，运用冲击破碎原理进行工作的，工作时凿岩机活塞做高频往复运动，不断地冲击传动杆，在冲击力的作用下，呈尖楔状的钻头连接在钻杆的一端，可将钻具内水泥压碎并凿入一定的深度；双向运转推动马达带动链条双向运转，可以满足凿岩机带动传动杆及钻头前进后退。加上整体钻杆连同钻头一直转动，对水泥块形成碾压减少体积，还加大外排推力，利用空气或水循环活对钻头形成降温冷却，并对钻具内的水泥屑进行清理。针对凝固后的强度比泥岩要高，属较软地层岩的特点，结合石油钻井中的实际技术运用，选用十字型或X型的PDC或金刚石钻头，它的特点是钻进平稳、不易钻偏。

本发明的有益效果是：1、利用水平钻进原理，进行钻具水泥疏通工作，可以有效的利用空气或水为介质，既环保又安全，而且满足生产工作需要，能够满足石油钻井行业中各种规格型号的钻具水泥通径工作；2、操作简单易行；3、两人即可完成现场操作，节省劳动力；4、通径完成后的钻具不会伤及内壁，可以重复使用，避免了钻具报废，造成资源浪费。

附图说明

附图1是本发明的水平钻通装置的结构示意图；

附图2是本发明的空气动力装置的结构示意图；

附图3是本发明的卡紧装置的结构图；

附图4是本发明的定向定位扶正器的结构图；

上图中：钻具本体1、钻具母扣接头2、钻具卡紧装置3、卡紧装置调节螺栓4、钻具卡紧胶芯5、升降调节座6、装置架7、定向定位扶正器8、合金钻头9、钻杆10、反扣接头11、导轨传动齿轮12、扶正滑轮13、链条导向轮14、底座15、固定螺栓16、传动链条17、凿岩机18、工字轨道19、往复双向推动马达20、主动轮21、扶正导轮22、链条伸缩调节器23、伸缩齿轮24、伸缩调节螺栓25；

空气压缩机a1、吸附式干燥装置a2、进气阀门a3、压力储存罐a4、泄压阀a5、罐压表a6、输气阀门a7、油雾器a8、三位四通手动换向阀Aa9、往复双向推动马达a10、三位四通手动换向阀Ba11、凿岩机控制装置a12、二位二通手动换向阀a13、单向阀a14、钻头吹气口a15；

卡紧装置调节螺栓3.1、固定U型卡3.2、上卡瓦3.3、钻具卡紧上胶芯3.4、钻具卡紧下胶芯3.5、下卡瓦3.6、升降调节公头3.7、底座3.8和升降调节母头3.9；

钻杆定位C型槽8.1、扶正架8.2、上定位板8.3、扶正器连接螺栓8.4、下定位板8.5、扶正器连接螺母8.6。

具体实施方式

结合附图1-4，对本发明作进一步的描述：

一种石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置，包括电控装置、空气动力装置和水平钻通装置，所述的电控装置采用自耦减压起动箱，通过自耦减压起动箱连接空气动力装置，空气动力装置带动水平钻通装置对堵塞钻具进行通径，所述的空气动力装置包括空气压缩机a1、进气阀门a3、压力储存罐a4、泄压阀a5、罐压表a6、输气阀门a7、油雾器a8、往复双向推动马达a10、凿岩机控制装置a12、钻头吹气口a15，压力储存罐a4的输入端通过进气阀门a3连接到空气压缩机a1，压力储存罐a4的输出端通过输气阀门a7连接往复双向推动马达a10和凿岩机控制装置a12，凿岩机控制装置a12输出动力到钻头吹气口a15；

所述的水平钻通装置包括钻具本体1、钻具母扣接头2、钻具卡紧装置3、卡紧装置调节螺栓4、钻具卡紧胶芯5、升降调节座6、装置架7、定向定位扶正器8、合金钻头9、钻杆10、扶正滑轮13、底座15、凿岩机18、所述的底座15左侧上部安装装置架7，装置架7的左侧上部通过升降调节座6连接钻具卡紧装置3，所述的钻具卡紧装置3通过钻具卡紧胶芯5和卡紧装置调节螺栓4将钻具本体1固定牢固，钻具本体1的端部为钻具母扣接头2；所述的装置架7的右侧上部通过定向定位扶正器8扶正钻杆10的左端，钻杆10的右端连接到凿岩机18，钻杆10的中部通过扶正滑轮13与底座15右侧上部的传动装置连接，传动装置带动凿岩机18左右移动，凿岩机18带动钻杆转动，进而通过钻杆端部的合金钻头9对钻具内的水泥进行通径；其中，合金钻头9采用十字型或X型的PDC钻头或金刚石钻头。

参照附图2，本发明的空气动力装置中的进气阀门a3与空气压缩机a1之间设有吸附式干燥装置a2；所述的往复双向推动马达a10的输入端连接三位四通手动换向阀Aa9，所述的凿岩机控制装置a12的输入端连接三位四通手动换向阀Ba11，所述的钻头吹气口a15的输入端连接二位二通手动换向阀a13和单向阀a14；

根据空气压缩机a1的轴功率51KW的高压要求，普通厂区内工业用电满足不了直接启动，可配置安装自耦减压起动箱作为降压启动。当工作人员正常启动空气压缩机打开进气阀门a3以后，压缩空气通过吸附式干燥装置a2，使压力空气到到标准的干燥程度。后经管路进入储气罐内，使罐内压力逐渐增大，从而获得工作所需的压缩空气。当排气压力达到额定压力0.85MPa时，由压力开关控制而自动停机，当储气罐压力降至0.5--0.6MPa时压力开关自动联接启动。工作人员在施工过程中可以直接观看压力表a6了解空气动力端的运转情况，同时，在停止设备或罐内压力过高的情况下，泄压阀a5可以将罐内的压力进行释放。同时，油雾器a8以压缩空气为动力，将润滑油喷射呈雾状并混合于压缩空气中，使该压缩空气具有润滑气动元件的能力。对各个气压设备实施润滑，保证气压装置能正常工作。由此看来，该空气动力端安全可靠，便于控制和操作，另外，确保人员和设备的安全。

当压缩空气压力值达到0.85Mpa的时候，工作人员便可以按照操作流程进行操作。首先，通过操纵二位二通手动换向阀的控制手柄a13，让压力空气通过单向阀a14经凿岩机、钻杆和钻头水眼，实现吹气过程，它的作用有两点：一是可以冷却钻头，钻头在高频率震击岩石和研磨岩屑的过程中会产生高温，压缩空气可以降低钻头温度，增强钻头的硬度和延长钻头的使用寿命；二是，压缩空气可以将钻头震击、破碎的岩屑吹出钻具，确保不会造成钻卡、钻具内壁堵塞等现象。

然后，操作人员通过对三位四通手动换向阀Ba11手柄的开合控制，可以使凿岩机带动钻杆和钻头进行转动和强力震击。最后，打开三位四通手动换向阀Aa9，可运行往复双向推动马达a10，马达内的主动轮带动链条转动后，可完成凿岩装置来回移送工作。其主要作用有三点：一是可以来回移动整套凿岩装置，便于钻杆和钻头充分携带岩屑返出钻具外；二是，在钻进的过程中如果遇卡现象，推动马达可以提供充足的动力，来回活动钻杆和钻头，保证凿岩设备不会卡在钻具内；三是在正常钻进破碎水泥过程中，推动马达带动链条可以直接提供大小不同的钻压，确保钻进的速度和效率。

本发明的水平钻通装置中的传动装置包括导轨传动齿轮12、链条导向轮14、固定螺栓16、传动链条17、工字轨道19、往复双向推动马达20、主动轮21、扶正导轮22、链条伸缩调节器23、伸缩齿轮24、伸缩调节螺栓25，所述的往复双向推动马达20提供左右移动的动力，往复双向推动马达20通过主动轮21连接传动链条17，使传动链条17带动凿岩机18在工字轨道19上作往复运动，工字轨道19的两端分别设有导轨传动齿轮12和伸缩齿轮24，伸缩齿轮24的旁边设有链条伸缩调节器23和伸缩调节螺栓25；其中，钻杆10的中部设有反扣接头11。

参照附图3，钻具卡紧装置3包括卡紧装置调节螺栓3.1、U型卡3.2、上卡瓦3.3、钻具卡紧上胶芯3.4、钻具卡紧下胶芯3.5、下卡瓦3.6、升降调节公头3.7、升降调节母头3.8和底座3.9，所述的底座3.9上部固定有升降调节母头3.8，升降调节公头3.7与升降调节母头3.8螺纹配合，升降调节公头3.7的上部连接下卡瓦3.6，下卡瓦3.6的上部连接钻具卡紧下胶芯3.5的两侧凸出部分，钻具卡紧下胶芯3.5的中部为半圆形结构，与钻具卡紧上胶芯3.4的半圆形结构相配合对钻具进行固定，钻具卡紧上胶芯3.4的上部通过上卡瓦3.3连接固定，且上卡瓦3.3上部设有螺孔，U型卡3.2套在上卡瓦3.3、钻具卡紧上胶芯3.4、钻具卡紧下胶芯3.5和下卡瓦3.6的两侧，并通过螺栓连接固定在升降调节公头3.7上部的螺孔3.10，进而将钻具卡紧上胶芯3.4、钻具卡紧下胶芯3.5之间的钻具固定牢固；

其中，升降调节公母扣接头组成升降调节装置，运用螺纹对接固定，然后把母扣接头底面焊接在装备架上，两个公扣接头一端面焊接内角为双90℃的下卡瓦，该卡瓦是用于安装定位钻具下卡紧胶芯，另一端则和母扣进行对接上扣实现升降调节。升降调节装置的主要作用是根据不同规格型号的钻具直径大小，适当的调整钻具高度，最终达到钻具的中心线与通径设备的中心线在同一水平高度，为通径工作奠定基础。钻具卡紧上下胶芯是根据该工作需要，专门设计的钢板橡胶组合体，它是由两个半圆对应的钢板橡胶体组成，通过把钻具夹在圆圈内，实现橡胶表面与钻具本体无缝卡紧。因为在通径过程中，会遇到不同规格型号的钻具，为此，专门设计制作了2 7/8"、3 1/2"、4"、4 1/2"、5"、5 1/2"等多项与钻具外壁尺寸相对应的钻具卡紧胶芯，扣合固定U型卡之后，使用扳手对卡紧装置固定调节螺栓进行上扣紧固，这样便完成各类钻具的卡紧工作。

参照附图4，定向定位扶正器8包括钻杆定位C型槽8.1、扶正架8.2、上定位板8.3、扶正器连接螺栓8.4、下定位板8.5、扶正器连接螺母8.6，所述的扶正架8.2的上部为钻杆定位C型槽8.1，槽的开口朝上，扶正架8.2的下部固定上定位板8.3，所述上定位板8.3通过扶正器连接螺栓8.4、下定位板8.5和扶正器连接螺母8.6固定在装置架7上；

钻杆定位C型槽是用壁厚20mm的钢板高温烧注加工制作而成，它的直径刚好容纳钻头和钻杆来回出入。扶正器的高度则由扶正架来决定，顶端与定位C型槽焊接而成，末端则焊接在扶正器的上定位板上进行固定。为了满足不同高度下的施工情况，可以改变扶正架的高度，扶正器上下定位板是通过固定螺栓与螺帽连接，使整套扶正器固定在装置架上，扶正器上下定位板的宽度则要超过装置架的宽度，能更好的发挥稳定性。

本发明提到的一种石油钻井勘探钻具水眼通用固井水泥钻通装置的使用方法，包括如下步骤：

（a）、将堵塞的钻具通过钻具卡紧装置3进行定位卡紧，通过安装钻具卡紧上胶芯3.4和钻具卡紧下胶芯3.5，扣合在钻具的上下两侧，并通过上、下卡瓦和U型卡固定好钻具，并通过卡紧装置调节螺栓3.1紧固在装置架7上；

在具体施工过程中，摆放堵塞钻具的管排架水平高度度与通径装置的高度是首要解决的问题。首先，要保证地面水泥硬化度和作业区范围内地面标准的水平线，应选用标号较高、质量较好的水泥。在制作通径装置底座的时候钢材的下料尺寸要和管排架的尺寸一致，钻具水眼的中心点要与钻杆和钻头的中心点在同一水平线，目的是为了避免在钻进过程中出现偏磨，对钻具造成损坏。另外，底座的尺寸宽度达到1000mm、厚度20mm的钢板，并缩短底座之间的距离，并选用长度20mm、¢20的膨胀螺栓进行钻眼定桩，目的是增加地面接触面积和避免该设备在运转过程中扭矩过大造成通径装备摇摆。

（b）、当气压达到施工要求时，通过对气体操纵手柄的控制，首先使气体通过凿岩机18进入合金钻头9进行吹气携岩屑和带动钻杆10进行转动，并通过定向定位扶正器8防止钻杆在旋转过程中产生的离心转动；

（c）、再通过对空气动力装置的气体操纵手柄的开合控制，给往复双向推动马达20提供动力，推动马达正常运转后通过蜗轮减速器的作用，带动主动轮21低速转动，主动轮再带动传动链条17，满足凿岩机18在工字轨道19上作往复运动，并且可对钻头加大钻压，从而顺利完成各类堵塞钻具的通径工作。