一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头及方法与流程

本发明涉及一种钻孔破土专用钻头及方法，尤其涉及一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头及方法。

背景技术：

自升式钻井平台是海上钻完井的重要装备之一，目前已成为了水深120米以内海域钻完井作业装备的主力。自升式钻井平台依靠站立于海底的桩腿支撑起船体和钻机等设备,船体及作业设备爬升至一定海拔高度,开展钻探与完井作业。然而，站立在海底浅部土层中的桩腿承受了船体、设备及作业载荷，难免会破坏海底浅部土层而失稳。自升式钻井平台桩腿突然穿透海底土层而快速入泥的现象称为“刺穿”。自升式钻井平台发生刺穿事故时，会对平台造成损坏，甚至沉没，威胁人员安全，经济损失巨大。突发的刺穿事故是自升式钻井平台安全作业过程中一个不容忽视的事故风险。为了避免刺穿事故的发生，需要充分论证自升式钻井平台在目标井场位置的作业可行性，科学判断桩腿最终入泥深度及土体承载能力。若存在深度较浅且厚度较薄的硬土层，而位于该薄硬土层之下的土层较厚强度较低，可以形象的比作“鸡蛋壳”地层，自升式钻井平台桩腿踩在此类“鸡蛋壳”地层上，会面临极大的刺穿风险。为了防范刺穿风险，在自升式钻井平台就位目标井场位置之前，需人为处理掉设计桩腿位置处的“鸡蛋壳”地层，即采用主动刺穿钻孔方式打破“鸡蛋壳”。

目前，主动刺穿通常采用常规钻井用钻头或配以扩眼钻头进行“鸡蛋壳”地层钻孔。为了提高自升式钻井平台的桩腿承载能力，普遍会在桩腿底部安装截面积巨大的桩靴结构，而巨大的桩靴使得桩腿踩在海底土层上的面积也会巨大，因此避免桩腿发生刺穿事故的主动刺穿钻孔的面积也会巨大。为了主动钻孔打破面积巨大的“鸡蛋壳”地层，需要在地层中钻几十甚至上百个孔洞，导致采用常规钻头钻孔需几十次甚至上百次起下钻柱才能完成主动刺穿钻孔作业，作业效率极低，作业费用高昂，对于高日费的海上钻孔作业，常规钻头钻孔实现主动刺穿的方式经济性差。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头及方法，通过在钻头主体底部安装的多个分支牙轮钻头，实现一趟下钻大面积高效率地破坏“鸡蛋壳”地层的主动刺穿作业，更好的钻孔打破“鸡蛋壳”地层，大幅减少起下钻柱作业，有效提高主动刺穿钻孔作业效率，降低主动打破“鸡蛋壳”地层作业费用，为降低自升式钻井平台插桩刺穿风险，避免自升式钻井平台失稳事故的发生，保障作业安全提供技术支持。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头，其特征在于，该钻头包括顶部设置有公扣接头的钻头主体和底部开设有水眼的分支牙轮钻头；其中，所述钻头主体能通过所述公扣接头与钻机的钻柱底部相连接；所述钻头主体的底部呈多点分布式地固定设置多个管柱体结构的芯轴，多个所述分支牙轮钻头分别安装在各所述芯轴上，并能绕所述芯轴转动；所述钻头主体内部还设置有内部流道，所述芯轴内开设有中间孔道，所述芯轴的所述中间孔道与所述钻头主体的所述内部流道相连通，所述分支牙轮钻头的所述水眼与所述芯轴的所述中间孔道相连通。

所述钻头主体为具有圆盘状底部的椎体结构。

所述分支牙轮钻头采用常规牙轮钻头设计的牙轮；或者，所述分支牙轮钻头采用带水动力设计的牙轮。

所述钻头主体底部的不同所述芯轴上安装不同形式的分支牙轮钻头，形成“1+n”式钻头。

所述钻头主体和分支牙轮钻头均采用钢体铸造技术加工而成。

一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔方法，包括以下步骤：

1)将如上述任一项所述的自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头通过公扣接头安装到钻机的钻柱底部，钻头主体的内部流道与钻井循环系统中的钻井泥浆泵相连通；

2)控制钻机下钻，钻井循环系统中的钻井泥浆泵将海水经过钻柱泵送进入钻头主体，然后通过钻头主体的内部流道分流至各个分支牙轮钻头，并从分支牙轮钻头底部的水眼中冲出，形成水射流，对“鸡蛋壳”地层形成水力冲击；配合各个分支牙轮钻头转动带来的扭矩和钻柱下压提供的钻压，对“鸡蛋壳”地层产生冲击与切削作用，打破“鸡蛋壳”，破坏土体的整体性；同时，钻头主体底部呈多点分布的芯轴上安装多个分支牙轮钻头，一趟下钻能够破坏较大面积的“鸡蛋壳”硬土层，单趟钻进能够形成更大直径的钻孔，从而实现自升式钻井平台桩腿主动刺穿的钻孔作业。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头及方法，通过在钻头主体底部安装的多个分支牙轮钻头，实现一趟下钻大面积高效率地破坏“鸡蛋壳”地层的主动刺穿作业，更好的钻孔打破“鸡蛋壳”地层，大幅减少起下钻柱作业，有效提高主动刺穿钻孔作业效率，降低主动打破“鸡蛋壳”地层作业费用，为降低自升式钻井平台插桩刺穿风险，避免自升式钻井平台失稳事故的发生，保障作业安全提供技术支持。2、本发明的一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头及方法，通过在内部设置从钻头主体顶部公扣接头至分支牙轮钻头底部贯通的流道，使海水从水眼中冲出形成水射流，对“鸡蛋壳”地层形成水力冲击；配合各个分支牙轮钻头转动带来的扭矩和钻柱下压提供的钻压，对“鸡蛋壳”地层产生冲击与切削等作用，打破“鸡蛋壳”，破坏土体的整体性，降低土体强度，从而削弱土体单位面积承载力，实现自升式钻井平台桩腿主动刺穿的钻孔作业，作业效率更高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明钻头主体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明提供的一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头，其包括钻头主体1和分支牙轮钻头2。其中，钻头主体1为具有圆盘状底部的椎体结构，钻头主体1的顶部设置有公扣接头11，钻头主体1能通过公扣接头11与钻机的钻柱底部相连接；钻头主体1的圆盘状底部呈多点分布式地固定设置多个管柱体结构的芯轴12；钻头主体1内部还设置有内部流道13，芯轴12内开设有中间孔道(图中未示出)，芯轴12的中间孔道与钻头主体1的内部流道13相连通。多个分支牙轮钻头2分别安装在各芯轴12上，并可绕芯轴12转动，从而形成“1+n”式钻头；分支牙轮钻头2的底部开设有水眼21，水眼21与芯轴12的中间孔道相连通。

上述实施例中，钻头主体1底部的不同芯轴12上可以安装不同形式的分支牙轮钻头2，从而形成“1+n”式钻头；当然，也可以全部采用相同的分支牙轮钻头2。

上述实施例中，分支牙轮钻头2可以采用常规的牙轮钻头上面设计的牙轮；或者，分支牙轮钻头2可以采用针对特殊地层的带水动力设计的牙轮，以更好地切削和冲击破坏“鸡蛋壳”地层。

上述实施例中，钻头主体1和分支牙轮钻头2均采用钢体铸造技术加工而成。

基于上述的一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头，本发明还提供了一种自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔方法，包括以下步骤：

1)将上述的自升式钻井平台桩腿主动刺穿钻孔专用钻头通过公扣接头11安装到钻机的钻柱底部，钻头主体1的内部流道13与钻井循环系统中的钻井泥浆泵相连通。

2)控制钻机下钻，钻井循环系统中的钻井泥浆泵将海水经过钻柱泵送进入主动刺穿钻孔专用钻头，然后通过钻头主体1的内部流道13分流至各个分支牙轮钻头2，并从分支牙轮钻头2底部的水眼21或喷嘴中冲出，形成水射流，对“鸡蛋壳”地层形成水力冲击；配合各个分支牙轮钻头2转动带来的扭矩和钻柱下压提供的钻压，对“鸡蛋壳”地层产生冲击与切削等作用，打破“鸡蛋壳”，破坏土体的整体性，降低土体强度，从而削弱土体单位面积承载力，实现自升式钻井平台桩腿主动刺穿的钻孔作业。同时，由于钻头主体1的圆盘状底部呈多点分布的芯轴12上可以安装不同形式的分支牙轮钻头2，从而形成“1+n”式钻头，一趟下钻能够破坏较大面积的“鸡蛋壳”硬土层，单趟钻进能够形成更大直径的钻孔，较常规牙轮钻头配合扩眼器所组成的开钻具的表层钻进方式形成的钻孔直径要大几倍，有效提高主动刺穿钻孔效率，减少起下钻作业，降低作业费用。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。