水动力石油钻机及其工作方法与流程

本发明属于钻采技术领域，具体为一种水动力石油钻机及其工作方法。

背景技术：

在石油钻井中，带动钻具破碎地质层，向地下钻进，钻出规定深度的井眼，供采油机或采气机获取石油或天然气。钻头通过钻杆给其压力和转动力矩而进行钻采，钻杆通过地面上的设备使钻头转动，钻采到一定深度后，这时，地面上的设备给钻杆的力，再通过钻杆传送到钻头就非常微弱了，随着井深度的不停增加，而更加减弱，再加上钻杆越来越长，不能再往上增加较大的转动力矩，否则钻杆会拧坏。

为了解决这些问题，本领域技术人员，在石油采钻中常用的八大系统：起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统和监测显示仪表、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统上，甚止在钻杆的质量、结构、工艺上、在钻头和钻机的结构和功能上进行创新和改进，虽然起到了一些改善作用，但并没有根本解决问题，而且增加了钻机的制造成本和复杂成度，增加了采钻工作的复杂性、故障率。

钻井液是钻探过程中，使用的循环冲洗介质，钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液，钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，获得容易，成本低。在使用钻井液的过程中已经人为地造成了水的降落和升起，可以利用这种水的降落和升起做功，一举两得，既清除了井下的沙石泥土又带动了钻头的旋转。

另外，石油钻机在工作过程中，常常伴随着水，尤其是海底作业，更是避不开水，而电和使用电的设备又非常怕水。

所以发明一种不用电做钻头的动力、将钻杆为钻头提供转动力矩的功能去掉、利用钻井过程中必不可少的钻井液的下升降落循环为钻头提供转动力矩的水动力石油钻井钻机，就显得非常必要。

技术实现要素：

本发明提供一种水动力石油钻机及其工作方法，减去钻杆为钻头提供转动力矩的功能，顺路搭车利用钻井液的升降之能量，使石油钻机在井底即可获得转动力矩的动力，避免了电器与钻杆在深井中所带来的诸多不方便，大大增加了钻井的深度。

本发明采用如下技术方案。

水动力石油钻机，其包括，正反转钻头1，水动力旋转装置2，钻杆3，钻井液循环系统4。

所述正反转钻头1，其包括，钻头本体11，安装螺栓孔12，喷水孔13，顺时针旋转钻齿或钻刀14，逆时针旋转钻齿或钻刀15，水流通道16。

所述水动力旋转装置2，其包括，转芯21，水活动塞22，上密封盖23，下密封盖24，活塞外壳25。

所述转芯21，其包括，转芯体211，转芯上轴212，转芯下轴213，转芯螺纹槽214，转芯中空水道215。

所述水活动塞22，其包括活塞体221，密封片222，固定槽223，销224，销丝扣225，销孔226，储油槽227。

所述活塞外壳25，其包括外壳本体251，固定销252，上油孔253。

正反转钻头1安装在水动力旋转装置2的转芯下轴213上，正反转钻头1的水流通道16与水动力旋转装置2的转芯21的转芯中空水道215相连相通，钻杆（3）固定安装在水动力旋转装置（2）的活塞外壳（25）上端，钻井液循环系统4通过钻井液为水动力旋转装置2提供高势能水，或加压设备加压后的高压水。

所述钻头本体11为石油钻头常用的各种钻头，钻头本体11通过安装螺栓孔12由螺栓与水动力旋转装置2的转芯下轴213固定连接，正反转钻头1的水流通道16与转芯下轴213的排水通道相通，喷水孔13设置为三至十九个，根据钻头的大小、地质层的种类、钻头转速、高势能水的势能大小、水的加压程度确定喷水孔13的数量，顺时针旋转钻齿或钻刀14和逆时针旋转钻齿或钻刀15左右镜像对称，当水动力旋转装置2带动正反转钻头1顺时针旋转时，顺时针旋转钻齿或钻刀14的锋刃面凿咬地质层，进行工作，当水动力旋转装置2带动正反转钻头1逆时针旋转时，逆时针旋转钻齿或钻刀15的锋刃面凿咬地质层，进行工作。

水动力旋转装置2的转芯21在水活动塞22中，转芯21的转芯上轴212插在上密封盖23的中心孔中，可顺时针逆时针转动，转芯21的旋转不带动钻杆3旋转，转芯21的转芯下轴213插在下密封盖4的中心孔中，从下密封盖4的中心孔中伸出，伸出部分与正反转钻头1通过螺栓固定相连，转芯21与正反转钻头1可同步同速旋转。

所述密封片222安装在活塞体221两端，尽量阻止活塞内一端的水进入另一端。

在水活动塞22的正中水位置，留有销孔226，销孔内安装有销224，销224从销孔226内伸出，销224尖顶顶在转芯螺纹槽214的槽底，通过销丝扣225的旋进旋出，调整销224与转芯螺纹槽214的槽底的紧挨程度，为了增加灵活性，销224在销孔226内可转动，为了减少磨擦力，销224挨在转芯螺纹槽214的槽底部的部分为尖型，销丝扣225紧挨销224的部分也为尖型。

水活动塞22上下移动时，销224在转芯螺纹槽214里，播动转芯21顺时针和逆时针旋转。

所述固定销252与固定槽223形状相同，插进固定槽223内，使活塞外壳25与水活动塞22不会互相转动，上油孔253与储油槽227相对，可向油槽227注入润滑油。上油孔253进油后密封，储油槽227里的油随着水活动塞22的使用而慢慢消耗。

所述的上密封盖23，其包括，上同活塞部分232，上同转芯部份233，上转芯轴插槽234，上密封圈235。上同活塞部分232与水活动塞22的外圈直径相同，上同转芯部份233与转芯21的外圈直径相同，上密封圈235套在上同活塞部分232的外圈上，与活塞外壳25的上边内圆边相挨，并使活塞外壳25与上密封盖23紧固、密封相连接。

所述的下密封盖24，其包括，下密封盖部分241，下同活塞部分242，下同转芯部份243，下转芯轴插孔244，下密封圈245。下密封盖部分241与活塞外壳25的外圈直径相同，下同活塞部分242与水活动塞22的外圈直径相同，下同转芯部份243与转芯21的外圈直径相同，下密封圈245套在下密封盖部分241的上端和下同活塞部分242的外圈上，与活塞外壳25的下边内圆边相挨，并使活塞外壳25与下密封盖4紧固、密封相连接。

水动力石油钻机的工作方法：

地面上依然采用本技术领域技术员熟知的石油钻机设施，在钻杆3与正反转钻头1之间增加一个水动力旋转装置2，钻杆3与水动力旋转装置2的活塞外壳25固定连接，正反转钻头1与水动力旋转装置2的转芯21的转芯下轴211固定连接。

水动力旋转装置2里的转芯21上设置有转芯螺纹槽214，水动力旋转装置2里的水活动塞22上设置有销224，销224插在转芯螺纹槽214上，当水活动塞22上下运动时可使水动力旋转装置2的转芯21顺时针或逆时针旋转，带动正反转钻头1顺时针或逆时针旋转，钻杆3和水动力旋转装置2的其它部分不旋转。

钻井液循环系统4从地面向水动力旋装置2里的水活动塞22上下两端的空仓内，交替输送高势能水，或加压设备加压后的高压水，在不用电的前提下，可用液流开关装置与水动力旋转装置2互动，来推水活动塞上下运动，在用电的前提下，可用电磁阀交替向水活动塞两端的空仓内输送高势能水，或加压设备加压后的高压水，电磁阀由安装在水动力旋转装置2上下两端密封盖里的微动开关，或者碰撞传感器，或者光电传感器控制其开关。

推动水活动塞22做功后的高势能水，或加压设备加压后的高压水，通过管道进入转芯21中心的转芯中空水道215，管道上安装有单向阀（止回阀），从转芯21中心的转芯中空水道215里流出的水进入正反转钻头1的水流通道16中，水从正反转钻头3排出，进入井底，进入井底的水由钻井液循环系统4进行泥沙清除后变为泥沙浆提升回地面。

当水动力旋转装置2带动正反转钻头1顺时针旋转时，顺时针旋转钻齿或钻刀14的锋刃面凿咬地质层，进行工作，当水动力旋转装置2带动正反转钻头1逆时针旋转时，逆时针旋转钻齿或钻刀15的锋刃面凿咬地质层，进行工作。

本发明的有益效果。

在石油钻井过程中，水或者水的复合物做为钻井液循环系统的钻井液必不可少，既然必不可少，那我们可以充分利用水或者水的复合物来进行更多的工作，本发明利用水和水的复合物在钻井中做了以下三件事：第一件事，利用地面相对于井底的高势能，为钻头提供凿咬地质层的动力；第二件事，去掉钻杆传送转动力矩的功能，由地面将动能传给水或水的复合物，由水或水的复合物通过地球的吸引力将水或水的复合物送达给钻头，根本解决了打井打的太深后，钻杆传送转动力矩所带来的诸多问题，从而也解决了现有技术中打井深度的主要限止因素，使打井深度除了地质层本身的因素外可大大提高，而且地面传送给水或水的复合物的能量一点也不会损耗；第三件事，清洁井底，带出岩屑，避免钻头过热和重复切削。

本发明的有益效果具体可列举以下几个方面。

1、水或水的复合物在一个密封的仓室内通过，使仓室内的转芯旋转，让水的势能转变成机械旋转能，几乎没有什么遗漏地充分利用水的势能和地面设备加给水的能量而钻头提供能量。

2、用水或水的复合物为钻头提供动力，从而代替电力、代替电机、钻杆为钻头提供动力。

3、去掉钻杆为钻头提供旋转力矩动力的功能，从而也去掉了钻杆对打井深度的一些限止，使打井深度在现有的技术条件下能有较大的突破。

4、本发明顺路搭车利用了水或水的复合物，不影响水或水的复合物做为打井中必不可少的钻井液循环系统中的其它各种功能。

5、本发明的钻头顺时针旋转工作和逆时针旋转工作交替进行，可促进钻进、防止钻头与地质层打别、打偏。

6、本发明的钻头顺时针旋转工作和逆时针旋转工作交替进行，又有间隔时间，再加上水流通道的丰富，根除了钻头发热而易损的问题，减轻钻头工作锋面的磨损，增加了钻头的寿命，增加了一个钻头打井的深度，减少了更换钻头的次数。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为本发明正反转钻头示意图。

图3为本发明水动力旋转装置示意图。

图4为本发明水动力旋转装置的转芯示意图。

图5为本发明水动力旋转装置的转芯螺纹槽示意图。

图6为本发明水动力旋转装置的水活动塞主视示意图。

图7为本发明水动力旋转装置的水活动塞俯视剖面示意图。

图8为本发明水动力旋转装置的活塞外壳主视示意图。

图9为本发明水动力旋转装置的活塞外壳俯视示意图。

图10为本发明水动力旋转装置的上密封盖示意图。

图11为本发明水动力旋转装置的下密封盖示意图。

图12为本发明用的实施例电磁阀控制水动力旋转装置及钻头旋转例子的示意图。

图13、图14为本发明的实施例液流装置控制水动力旋转装置及钻头旋转例子的示意图。

图15为本发明液流装置的实施例示液流开关装置示意图。

其图中，1-正反转钻头，11-钻头本体，12-安装螺栓孔，13-喷水孔，14-顺时针旋转钻齿或钻刀，15-逆时针旋转钻齿或钻刀，16-水流通道，2-水动力旋转装置，21-转芯，211-转芯体，212-转芯上轴，213-转芯下轴，214-转芯螺纹槽，215-转芯中空水道，22-水活动塞，221-活塞体，222-密封片，223-固定槽，224-销，225-销丝扣，226-销孔，227-储油槽，23-上密封盖，231-上密封盖部分，232-上同活塞部分，233-上同转芯部份，234-上转芯轴插槽，235-上密封圈，24-下密封盖，241-下密封盖部分，242-下同活塞部分，243-下同转芯部份，244-下转芯轴插槽，245-下密封圈，25-活塞外壳，251-外壳本体，252-固定销，253-上油孔，3-钻杆，4-钻井液循环系统，6-液流开关装置，61-开关外壳，62-开关活塞，63-减震片，64-矫正弹簧穴，65-矫正弹簧，91-下微动开关，92-上微动开关，93-直流电磁阀，94-上直流电磁阀连接管，95-下直流电磁阀连接管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，水动力石油钻机，其包括，正反转钻头1，水动力旋转装置2，钻杆3，钻井液循环系统4。

如图2所示，所述正反转钻头1，其包括，钻头本体11，安装螺栓孔12，喷水孔13，顺时针旋转钻齿或钻刀14，逆时针旋转钻齿或钻刀15，水流通道16。

如图3所示，所述水动力旋转装置2，其包括，转芯21，水活动塞22，上密封盖23，下密封盖24，活塞外壳25。

如图4、图5所示，所述转芯21，其包括，转芯体211，转芯上轴212，转芯下轴213，转芯螺纹槽214，转芯中空水道215。

如图6、图7所示，所述水活动塞22，其包括活塞体221，密封片222，固定槽223，销224，销丝扣225，销孔226，储油槽227。

如图8、图9所示，所述活塞外壳25，其包括外壳本体251，固定销252，上油孔253。

如图3、图10所示，所述的上密封盖23，其包括，上同活塞部分232，上同转芯部份233，上转芯轴插槽234，上密封圈235。上同活塞部分232与水活动塞22的外圈直径相同，上同转芯部份233与转芯21的外圈直径相同，上密封圈235套在上同活塞部分232的外圈上，与活塞外壳25的上边内圆边相挨，并使活塞外壳25与上密封盖23紧固、密封相连接。

如图3、图11所示，所述的下密封盖24，其包括，下密封盖部分241，下同活塞部分242，下同转芯部份243，下转芯轴插槽244，下密封圈245。下密封盖部分241与活塞外壳25的外圈直径相同，下同活塞部分242与水活动塞22的外圈直径相同，下同转芯部份243与转芯21的外圈直径相同，下密封圈245套在下密封盖部分241的上端和下同活塞部分242的外圈上，与活塞外壳25的下边内圆边相挨，并使活塞外壳25与下密封盖4紧固、密封相连接。

如图1、图2、图3、图4所示，正反转钻头1安装在水动力旋转装置2的转芯下轴213上，正反转钻头1的水流通道16与水动力旋转装置2的转芯21的转芯中空水道215相连相通，钻杆（3）固定安装在水动力旋转装置（2）的活塞外壳（25）上端上，钻井液循环系统4通过钻井液为水动力旋转装置2提供高势能水，或加压设备加压后的高压水。

如图1、图2、图3、图4所示，所述钻头本体11可选用石油钻头常用的各种钻头中适合本发明的钻头，钻头本体11通过安装螺栓孔12由螺栓与水动力旋转装置2的转芯下轴213固定连接，正反转钻头1的水流通道16与转芯下轴213的转芯中空水道215相通，正反转钻头1的喷水孔13设置为三至十九个，根据钻头的大小、地质层的种类、钻头转速和高势能水，或加压设备加压后的高压水的势能大小确定喷水孔13的数量，顺时针旋转钻齿或钻刀14和逆时针旋转钻齿或钻刀15左右镜像对称，当水动力旋转装置2带动正反转钻头1顺时针旋转时，顺时针旋转钻齿或钻刀14的锋刃面凿咬地质层，进行工作，当水动力旋转装置2带动正反转钻头1逆时针旋转时，逆时针旋转钻齿或钻刀15的锋刃面凿咬地质层，进行工作。

如图1、图3、图4、图10、图11所示，水动力旋转装置2的转芯21在水活动塞22中，转芯21的转芯上轴212插在上密封盖23的上转芯轴插槽234中，可顺时针逆时针转动，转芯21的旋转不带动钻杆3旋转，转芯21的转芯下轴213插在下密封盖4的下转芯轴插槽244中，从下密封盖4的下转芯轴插槽244中伸出，可顺时针逆时针转动，伸出部分与正反转钻头1通过螺栓固定相连，转芯21与正反转钻头1可同步同速旋转。

如图1、图3、图6所示，所述密封片222安装在活塞体221两端，尽量阻止活塞内一端的水进入另一端。

如图6所示，在水活动塞22的正中水位置，留有销孔226，销孔内安装有销224，销224从销孔226内伸出，销224尖顶顶在转芯螺纹槽214的槽底，通过销丝扣225的旋进旋出，调整销224与转芯螺纹槽214的槽底的紧挨程度，为了增加灵活性，销224在销孔226内可转动，为了减少磨擦力，销224挨在转芯螺纹槽214的槽底部的部分为尖型，销丝扣225紧挨销224的部分也为尖型。

如图1、图3、图4、图5所示，水活动塞22上下移动时，销224在转芯螺纹槽214里，播动转芯21顺时针和逆时针旋转。

如图6、图7、图8、图9所示，所述固定销252与固定槽223形状相同，插进固定槽223内，使活塞外壳25与水活动塞22不会互相转动，上油孔253与储油槽227相对，可向油槽227注入润滑油。上油孔253进油后密封，储油槽227里的油随着水活动塞22的使用而慢慢消耗。

如图13、图14所示（附图中液流开关相对于其它部件要小很多，为了示意在图中画得较大），井下因水和泥沙浆的原因，不适合用电机和电池，可以采用液流开关与水动力旋转装置互动的方式，用高势能水，或加压设备加压后的高压水让水活动塞上下移动，带动正反转钻头旋转打井。

如图15所示，所述液流开关装置6，其包括，开关外壳61，开关活塞62，减震片63，矫正弹簧穴64，矫正弹簧65，开关活塞62在开关外壳61内可左右滑动，减震片3安装在开关外壳61内的右壁上，防止开关活塞62强烈震动而产生误差，开关外壳61内的左壁上设置有矫正弹簧穴64，里面安装着矫正弹簧65。

如图12所示，在使用电池方便的地方，可以采用微动开关和直流电磁阀对水动力旋转装置进行控制：在上密封盖23的下端面里安装有上微动开关92，在下密封盖24的上端面里安装有下微动开关91，在钻井液循环系统4泵出的高势能水，或加压设备加压后的高压水与水动力旋转装置2之间的水管上安装一个直流电磁阀93；当水活动塞22移动至上端，触动上密封盖23的上微动开关92，直流电磁阀93关闭下直流电磁阀连接管95，开通上直流电磁阀连接管94，水活动塞22向下运动，运动至下端，触动下密封盖23的下微动开关91，直流电磁阀关闭上直流电磁阀连接管94，开通下直流电磁阀连接管95，水活动塞22向上运动。

水动力石油钻机的工作方法：

地面上依然采用本技术领域技术员熟知的石油钻机设施，在钻杆3与正反转钻头1之间增加一个水动力旋转装置2，钻杆3与水动力旋转装置2的活塞外壳25固定连接，正反转钻头1与水动力旋转装置2的转芯21的转芯下轴211固定连接。

水动力旋转装置2里的转芯21上设置有转芯螺纹槽214，水动力旋转装置2里的水活动塞22上设置有销224，销224插在转芯螺纹槽214上，当水活动塞22上下运动时可使水动力旋转装置2的转芯21顺时针或逆时针旋转，带动正反转钻头1顺时针或逆时针旋转，钻杆3和水动力旋转装置2的其它部分不旋转。

钻井液循环系统4从地面向水动力旋装置2里的水活动塞22上下两端的空仓内，交替输送高势能水，或加压设备加压后的高压水，在不用电的前提下，可用液流开关装置与水动力旋转装置2互动，来推水活动塞上下运动，在用电的前提下，可用电磁阀交替向水活动塞两端的空仓内输送高势能水，或加压设备加压后的高压水，电磁阀由安装在水动力旋转装置2上下两端密封盖里的微动开关，或者碰撞传感器，或者光电传感器控制其开关。

推动水活动塞22做功后的高势能水，或加压设备加压后的高压水，通过管道进入转芯21中心的转芯中空水道215，管道上安装有单向阀（止回阀），从转芯21中心的转芯中空水道215里流出的水进入正反转钻头1的水流通道16中，水从正反转钻头3排出，进入井底，进入井底的水由钻井液循环系统4进行泥沙清除后变为泥沙浆提升回地面。

当水动力旋转装置2带动正反转钻头1顺时针旋转时，顺时针旋转钻齿或钻刀14的锋刃面凿咬地质层，进行工作，当水动力旋转装置2带动正反转钻头1逆时针旋转时，逆时针旋转钻齿或钻刀15的锋刃面凿咬地质层，进行工作。