水动力无钻杆防偏斜钻机及其支护伸缩装置的工作方法与流程

本发明属于钻采技术领域，具体为水动力无钻杆防偏斜钻机及其支护伸缩装置的工作方法。

背景技术：

传统的钻机由地面设施驱动钻杆、进而钻杆再驱动钻头进行掘削地质层，地质层对钻具的反作用力通过钻杆再传回地面设施，钻杆在传送驱动扭矩时,会发生损耗,如果钻井钻的太深,这种损耗就显的特别大,而且对钻杆的质量、各种要求及地面设施的要求明显提高。

本领域技术人员在设计采钻设备时，钻杆的驱动扭矩和最大钻井深度要确定一个最大参数，超过这个参数后，将会影响整个采钻设施的稳定性、安全性、各部件的寿命，本公司发明的水动力石油钻机，为了消除钻杆在石油采钻中传送驱动扭矩损耗动能的问题，将钻杆驱动钻头的功能去掉，让必不可少的钻井液来驱动钻头，使打井深度得到了大大的提高，但是还是没有根本解决问题，钻井深度仍然被钻杆所制约。

既然钻杆在打井打到一定深度后，会带来诸多问题，我公司技术人员在水动力石油钻机的基础上，直接去掉钻杆，从而在地质层允许的情况下，可以没有深度限止地进行钻井施工。

另外，在钻井过程中，井的偏斜问题也是本领域技术人员所要考虑的,当去掉钻杆后,钻井偏斜问题就更显的突出。

所以发明一种水动力无钻杆防偏斜钻机及其支护伸缩装置的工作方法就显得非常必要。

技术实现要素：

本发明提供的水动力无钻杆防偏斜钻机及其支护伸缩装置的工作方法，减去钻井设备中的钻杆，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，让支护伸缩装置随着钻头的钻进而步步跟进，利用水平面保证钻进过程的垂直钻进，使井打的不偏斜，从而在地质层允许的情况下，可以没有深度限止地进行钻井施工。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

水动力无钻杆防偏斜钻机，其包括，正反转钻头1，水动力旋转装置2，支护伸缩装置 3，钻井液循环系统4。

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，支护伸缩装置 3固定安装在水动力旋转装置2的活塞外壳25上端上，支护伸缩装置 3上的众多个上井壁爪311抓紧井壁，钻井液循环系统4通过钻井液为水动力旋转装置2提供高势能水或高压水。

支护伸缩装置 3，其包括，上支护31，下支护32，上伸缩筒33，下伸缩筒34，液压顶缩装置35。

所述上支护31安装在上伸缩筒33上，其包括，上井壁爪311，上井壁爪伸缩架312，上锁紧装置313；在上井壁爪伸缩架312中安装有一至10层上井壁爪311，每层上井壁爪311有四至五十个上井壁爪311，上井壁爪311可在上井壁爪伸缩架312里伸出缩进。

所述下支护32安装在下伸缩筒34上，其包括，下井壁爪321，下井壁爪伸缩架322，下锁紧装置323；在下井壁爪伸缩架322中安装有一至10层上井壁爪321，每层下井壁爪321有四至五十个上井壁爪321，下井壁爪321可在下井壁爪伸缩架322里伸出缩进。所述下支护32采用多孔材料制成，如多孔碳纤维材料，保证其硬度高、韧性好、密度小于水，也可采用新材料纳米孔材料。

所述上伸缩筒33的内壁上设置有滑槽，下伸缩筒34外壁上设置有滑销，滑槽与滑销的的形状相似，滑销插进滑槽里，使上伸缩筒33和下伸缩筒34可以上下滑动。

所述液压顶缩装置35，其包括，液压千斤顶351，顶缩杆352，加压杆353，凸轮354，转盘355。液压顶缩装置35安装在下伸缩筒34上，转盘355安装在水动力旋转装置2的转芯上轴212上，转芯上轴212旋转时，就会带动转盘355旋转，转盘355旋转时可通过凸轮354让加压杆353做上下移动，将液压千斤顶351的顶缩杆352顶起，从而使上伸缩筒33、上支护31与下伸缩筒34、下支护32可做相对伸缩。

支护伸缩装置支护伸缩装置随着钻头的钻进而步步跟进及防偏斜的方法：

水动力无钻杆防偏斜钻机在井深度超过水动力无钻杆防偏斜钻机的高度时，将水动力无钻杆防偏斜钻机下到井下，钻井液循环系统4将井中的钻井液控制在水动力旋转装置2和支护伸缩装置3之间的下支护32下面，松开下锁紧装置323，下支护32与下伸缩筒34固定连接断开，漂浮在水面上，众多的下井壁爪321从下井壁爪伸缩架322中伸出，抓紧井壁，由于下井壁爪321很多，会找到自己抓紧井壁的位置，而且井壁的不平整反而使下壁爪321抓井壁抓得更紧。锁紧下锁紧装置323，因为下支护32与水平面是平行的，当锁紧下锁紧装置323时，整个支护伸缩装置3垂直于水平面了。

松开上支护31的上锁紧装置313，上支护31叠加在下支护32上，众多的上井壁爪311从上井壁爪伸缩架312中伸出，抓紧井壁，由于上井壁爪311很多，会找到自己抓紧井壁的位置，而且井壁的不平整反而使上井壁爪311抓井壁抓得更紧。

所述锁紧上支护31的上锁紧装置313，缩回下井壁爪321，启动水动力旋转装置2，转芯21带动正反转钻头1开始钻进，同时，液压顶缩装置35向钻头施加向下的压力。

所述上伸缩筒33和下伸缩筒34的的行程达到最大时，启动微动开关，水动力旋转装置2停止工作，液压顶缩装置停止上顶。

所述松开下锁紧装置323，下支护32掉落在水面上，并漂浮在水面上，下井壁爪321从下井壁爪伸缩架322中伸出，抓紧井壁。

下井壁爪321抓紧井壁后，松开上锁紧装置313，上支护31、上伸缩筒33向下滑，叠加在下支护32上。锁紧下锁紧装置323，整个支护伸缩装置3垂直于水平面。

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到达井底时做了三件事：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，或者水或水的复合物通过水的加压设备将水或水的复合物送达给钻头从根本解决了打井打的太深后，传送转动力矩所带来的诸多问题；第三件事，利用水的水平面绝对水平的特点，矫正本发明的垂直往下钻采而不偏斜。本发明利用水和水的复合物在回到地面时做了一件事：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、本发明的上支护与下支护交替抓紧井壁，步进式跟随钻头的钻进，所以在地质层允许的情况下，可以没有深度限止地进行钻井施工。

2、本发明的支护伸缩装置的支护作用简单实效，不受井壁状况的影响，因采用了众多小井壁爪抓紧井壁，不受井壁状况的影响，而且牢固不移动不偏斜。

3、本发明利用了水的水平面，使钻出的井保持垂直于水平面而不偏斜。

4、本发明的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。

5、本发明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。

6、本发明去掉钻杆，从而也去掉了钻杆对打井深度的一些限止及钻杆带来的诸多问题。

7、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。

8、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、防止钻头与地质层之间打别、减轻钻头工作锋面的磨损。

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本发明支护伸缩装置示意图。

图16为本发明支护伸缩装置缩进示意图。

图17为本发明上支护示意图。

图18为本发明下支护示意图。

图19为本发明液压顶缩装置示意图。

图20为本发明钻进行程达到最大时的示意图。

图21为本发明下支护漂浮在水平面上的示意图。

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，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-支护伸缩装置 ，31-上支护，311-上井壁爪，312-上井壁爪伸缩架，313-上锁紧装置，32-下支护，321-下井壁爪，322-下井壁爪伸缩架，323-下锁紧装置，33-上伸缩筒，34-下伸缩筒，35-液压顶缩装置，351-液压千斤顶，352-顶缩杆，353-加压杆，354-凸轮，355-转盘， 4-钻井液循环系统，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，水动力无钻杆防偏斜钻机，其包括，正反转钻头1，水动力旋转装置2，支护伸缩装置 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15、图16所示，支护伸缩装置 3，其包括，上支护31，下支护32，上伸缩筒33，下伸缩筒34，液压顶缩装置35，。

如图17所示，所述上支护31，其包括，上井壁爪311，上井壁爪伸缩架312，上锁紧装置313；如图18所示，所述下支护32，其包括，下井壁爪321，下井下壁爪伸缩架322，下锁紧装置323。

如图19所示，液压顶缩装置35，其包括，液压千斤顶351，顶缩杆352，加压杆353，凸轮354，转盘355。

当井打到一定深度后，传统钻井设备开始显示出打深井不适应时，可更换本发明。

如图1、图2、图3、图17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，支护伸缩装置 3固定安装在水动力旋转装置2的活塞外壳25上端上，支护伸缩装置 3上的众多个上井壁爪311抓紧井壁，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、高势能水的势能大小、或高压水的压力大小确定喷水孔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的旋转不带动支护伸缩装置 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15、图16所示，支护伸缩装置 3，其包括，上支护31，下支护32，上伸缩筒33，下伸缩筒34，液压顶缩装置35。

如图17所示，所述上支护31安装在上伸缩筒33上，其包括，上井壁爪311，

上井壁爪伸缩架312，上锁紧装置313；在上井壁爪伸缩架312中安装有一至10层上井壁爪311，每层上井壁爪311有四至五十个上井壁爪311，上井壁爪311可在上井壁爪伸缩架312里伸出缩进。

如图18所示，所述下支护32安装在下伸缩筒34上，其包括，下井壁爪321，下井壁爪伸缩架322，下锁紧装置323；在下井壁爪伸缩架322中安装有一至10层上井壁爪321，每层下井壁爪321有四至五十个上井壁爪321，下井壁爪321可在下井壁爪伸缩架322里伸出缩进。所述下支护32采用多孔材料制成，如多孔碳纤维材料，保证其硬度高、韧性好、密度小于水，也可采用新材料纳米孔材料。

所述上伸缩筒33的内壁上设置有滑槽，下伸缩筒34外壁上设置有滑销，滑槽与滑销的的形状相似，滑销插进滑槽里，使上伸缩筒33和下伸缩筒34可以上下滑动。

如图19所示，液压顶缩装置35，其包括，液压千斤顶351，顶缩杆352，加压杆353，凸轮354，转盘355。液压顶缩装置35安装在下伸缩筒34上，转盘355安装在水动力旋转装置2的转芯上轴212上，转芯上轴212旋转时，就会带动转盘355旋转，转盘355旋转时可通过凸轮354让加压杆353做上下移动，将液压千斤顶351的顶缩杆352顶起，从而使上伸缩筒33、上支护31与下伸缩筒34、下支护32可做相对伸缩。

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（已同日申报专利），用高势能水或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。

水动力无钻杆防偏斜钻机的工作方法：

在支护伸缩装置 3与正反转钻头1之间增加一个水动力旋转装置2，支护伸缩装置 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，支护伸缩装置 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。

支护伸缩装置随着钻头的钻进而步步跟进及防偏斜的方法：

水动力无钻杆防偏斜钻机在井深度超过水动力无钻杆防偏斜钻机的高度时，将水动力无钻杆防偏斜钻机下到井下，钻井液循环系统4将井中的钻井液控制在水动力旋转装置2和支护伸缩装置3之间的下支护32下面，松开下锁紧装置323，下支护32与下伸缩筒34固定连接断开，漂浮在水面上，众多的下井壁爪321从下井壁爪伸缩架322中伸出，抓紧井壁，由于下井壁爪321很多，会找到自己抓紧井壁的位置，而且井壁的不平整反而使下壁爪321抓井壁抓得更紧。锁紧下锁紧装置323，因为下支护32与水平面是平行的，当锁紧下锁紧装置323时，整个支护伸缩装置3垂直于水平面了。

松开上支护31的上锁紧装置313，上支护31叠加在下支护32上，众多的上井壁爪311从上井壁爪伸缩架312中伸出，抓紧井壁，由于上井壁爪311很多，会找到自己抓紧井壁的位置，而且井壁的不平整反而使上井壁爪311抓井壁抓得更紧。

如图1，锁紧上支护31的上锁紧装置313，缩回下井壁爪321，启动水动力旋转装置2，转芯21带动正反转钻头1开始钻进，同时，液压顶缩装置35向钻头施加向下的压力。

如图20所示，上伸缩筒33和下伸缩筒34的的行程达到最大时，启动微动开关，水动力旋转装置2停止工作，液压顶缩装置停止上顶。

如图21所示，松开下锁紧装置323，下支护32掉落在水面上，并漂浮在水面上，下井壁爪321从下井壁爪伸缩架322中伸出，抓紧井壁。

下井壁爪321抓紧井壁后，松开上锁紧装置313，上支护31、上伸缩筒33向下滑，叠加在下支护32上。锁紧下锁紧装置323，整个支护伸缩装置3垂直于水平面。

锁紧上锁紧装置313，上井壁爪311伸出抓紧井壁，下井壁爪321缩回离开井壁，水动力旋转装置2启动，带动正反转钻头1旋转，又开始工作。

这样循环往复，水动力无钻杆防偏斜钻机垂直于水平面往地质层下采钻下去。