阅读说明：本技术 一种双壁钻柱组件、钻井设备及钻井方法 (Double-wall drill string assembly, drilling equipment and drilling method ) 是由 周松民 冼敏元 罗幼安 黄玉泉 宋林松 颜波 马德新 张方义 李春 仲莹 陈建军 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开一种双壁钻柱组件、钻井设备及钻井方法,双壁钻柱组件包括一个或多个依次连接的钻柱单元和与所述一个或多个依次连接的钻柱单元配合安装的钻头胎体,所述钻柱单元包括外筒和套设于所述外筒内的内筒,所述内筒与所述钻头胎体配合形成用于注入流体的第一通道,所述外筒和内筒之间的环隙与所述钻头胎体配合形成用于输出渣体的第二通道。本发明实施例能够提高钻井效率。(The embodiment of the invention discloses a double-wall drill string component, drilling equipment and a drilling method. The embodiment of the invention can improve the drilling efficiency.)

一种双壁钻柱组件、钻井设备及钻井方法

技术领域

本发明实施例涉及但不限于海上钻井技术领域，更具体地，涉及一种双壁钻柱组件、钻井设备及钻井方法。

背景技术

随着绿色能源的需求越来越高，各国对于海上绿色能源的发掘及使用越来越重视，研发了非常规海上设施，大功率风电装置、海洋能(潮汐能、波浪能僧)装置等。但海上恶劣的环境条件及浅层地质条件对这些设施的安装、作业等提出了新要求。

一般海上设施的安装都需要在海床上钻出一定深度、一定尺寸的井筒，然后将设施的桩基通过水泥、锚定等方式固定在井筒内。随着海上设施的尺寸增加，需要的井筒的直径、深度也随之增加。常规的海上石油生产平台一般通过打桩的方式将桩腿锤入或压入海床，这种作业方式效率较高。但如果海床浅层有强度较大的岩层，只能用海上平台钻孔的方式作业，如果钻孔直径较小时，例如小于1米时，海上平台钻孔的效率及费用一半可以接受。如果钻孔直径较大时，其作业效率低、作业成本高，不能满足作业要求。

发明内容

本发明实施例提供了一种双壁钻柱组件，包括一个或多个依次连接的钻柱单元和与所述一个或多个依次连接的钻柱单元配合安装的钻头胎体；所述钻柱单元包括外筒和套设于所述外筒内的内筒，所述内筒与所述钻头胎体配合形成用于注入流体的第一通道，所述外筒和内筒之间的环隙与所述钻头胎体配合形成用于输出渣体的第二通道。

本发明实施例也提供了一种钻井设备，包括双壁钻柱组件、与所述双壁钻柱组件连接的驱动装置、钻井平台及提升设备、及钻井液循环设备；所述驱动装置设置成带动所述双壁钻柱组件转动；钻井平台及提升设备配置成带动所述双壁钻柱组件移动；钻井液循环设备配置成向所述双壁钻柱组件输入钻井液。

本发明还提供一种钻井方法，包括：将流体自双壁钻柱组件的顶部向第一通道注入流体，在底部的钻头胎体处形成压力，使得海水携带渣体自钻头胎体进入第二通道返回地面。

与现有技术相比，本发明实施例通过内筒与钻头胎体配合形成用于注入流体的第一通道，外筒和内筒之间的环隙与钻头胎体配合形成用于输出渣体的第二通道，从而能够提高钻井效率。

在一个示例性实施例中，在内筒和外筒之间设置与内筒和外筒连接的一个或者多个固定件，从而增加双壁钻柱组件的传递的扭矩，满足大孔径高强度岩层作业要求，成本低。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例双壁钻柱组件轴向剖视示意图；

图2为本发明实施例双壁钻柱组件的固定件一种形式示意图；

图3为本发明实施例双壁钻柱组件的固定件另一种形式示意图；

图4为本发明实施例钻柱单元轴向剖视示意图；

图5为本发明实施例钻柱单元端面一种形式视图；

图6为本发明实施例钻柱单元端面另一种形式视图；

图7为本发明实施例钻井设备的示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1-7所示，本发明实施例一种双壁钻柱组件100，所述双壁钻柱组件100包括一个或多个依次连接的钻柱单元1，和与所述一个或多个依次连接的钻柱单元1配合安装的钻头胎体2。钻柱单元1包括外筒10和套设于所述外筒10内的内筒20。内筒20与钻头胎体2配合安装形成用于注入流体的第一通道201。外筒20和内筒10之间的环隙与钻头胎体2配合安装形成用于输出渣体的第二通道101。其中，流体可以为压缩气体，渣体为海水、岩屑、泥浆等。

本发明实施例的通过内筒20与钻头胎体2配合安装形成用于注入流体的第一通道201。外筒20和内筒10之间的环隙与钻头胎体2配合安装形成用于输出渣体的第二通道101，能够高效的将钻井时产生的大量岩屑(渣体)返回地面，避免采用常规方法作业，岩屑在环空内上返速度慢，容易沉降回到井底，影响钻头转动速度的问题。

在一个示例性实施中，第二通道101内设置有连接所述外筒10和内筒20的至少一个固定件4。

本发明实施例通过设置连接所述外筒10和内筒20的一个或者多个固定件4，增加了双壁钻柱组件100的扭矩，能够满足大孔径高强度岩层作业要求，将以往较为缓慢的施工进度提高成为高效钻进，同时成本较低。

在一些示例性实施例中，所述固定件4沿所述钻柱单元1的轴向在所述环隙内通长设置。

在另一些示例性实施例中，所述固定件4沿所述钻柱单元1的轴向延伸的长度小于所述环隙的轴向长度。

在一个示例性实施例中，如图2所示，固定件4体直板形，沿所述双壁钻柱组件100的轴线延伸一定长度。

在另一个示例性实施例中，如图3所示，固定件4为螺旋形，沿所述双壁钻柱组件100的轴线方向旋转延伸一定长度。

本发明实施例，通过设置螺旋形固定件4，更有利于推动岩屑从井底返回到井上，大幅提升了循环能力。

在一个示例性实施例中，固定件4与所述内筒20通过镶嵌、锚钉和焊接中的至少一种连接形式连接。

在一个示例性实施例中，固定件4的一端通过镶嵌的形式与内筒20连接。其中，镶嵌的形式可以为内筒20外侧面设置键槽，固定件4的一端嵌入键槽中进行安装固定。在其他实施方式中，固定件4还可以通过锚钉、焊接等等连接形式与内筒20连接。

在一个示例性实施例中，如图4所示，固定件4的另一端通过紧固件41与外筒连接。其中，紧固件41可为螺栓，在其他实施方式中还可以采用螺钉作为紧固件与外筒10连接。

在一个示例性实施例中，如图4所示，每个钻柱单元1的外筒10的端部设有连接法兰102和锁块(未图示)，通过锁块将相邻两个外筒10的连接法兰102固定，用于实现多个外筒10进行串接固定。

在另一个示例性实施例中，通过螺钉将相邻两个外筒10的连接法兰102固定。在一些示例性实施例中，每个钻柱单元1设有一个或者多个所述固定件4，当布置多个固定件4时，多个固定件4在钻柱单元1的周向间隔布置。

在一个示例性实施例中，如图5所示，每个钻柱单元1a包括四个固定件4，并沿钻柱单元1a的周向间隔布置。

在另一个示例性实施例中，如图6所示，每个钻柱单元1b包括三个固定件4，并沿钻柱单元1b的周向间隔布置。

在一个示例性实施例中，相邻钻柱单元1的所述内筒20插接连接，且相邻所述内筒20的端部分别设有用于插接连接的插接头和插孔。

在一个示例性实施例中，相邻所述外筒10之间以及相邻所述内筒20之间均设有密封结构。

在一个示例性实施例中，如图4所示，外筒10的密封结构为设置于外筒10端部的第一侧密封件103。

在一个示例性实施例中，如图4所示，内筒20的密封结构为设置于内筒20内的第二侧密封件202。

在另一个示例性实施例中，内筒20的密封结构也可以为设置于内筒20端部的插接结构。

如图1所示，钻头胎体2上端设置一个或者多个吊耳(未图示)，一个或者多个吊耳的承载力之和大于所述钻头胎体的重量。

钻头胎体2包括一个或者多个流体通道22和一个或者多个渣体通道21，内筒20与一个或者多个流体通道22连通形成第一通道201，内筒20和外筒10之间的环空与一个或者多个渣体通道21连通形成第二通道101。钻头胎体2的直径大于外筒10的直径使得外筒10与井筒之间形成第三通道。示例性的，钻头胎体2直径4米以上，外筒10直径1米以内。可在外筒10的法兰102外设置加重筒体，以增加钻头胎体2的钻压。钻头胎体2下端设有多个钻头23，离钻头胎体2中心线近的一组小钻头(第一组钻头)23符合低速大钻压的要求，离中心线远的一组大钻头(第二组钻头)23符合高速小钻压要求。

如图1所示，上述钻柱组件100还包括设置于所述外筒10上部的旋转密封套5及与密封套5连接的排出管51。排出管51能够在所述旋转密封套5旋转时与所述第二通道101连通并将所述渣体排出。可以通过增加泵辅助排出外筒10内的海水及岩屑等。在本实施中旋转密封套5设在海平面以上，在其他方式中，也可将旋转密封套5设置在海平面以下。

本发明实施例还提供一种钻井方法，包括：自双壁钻柱组件100的顶部向第一通道201注入流体，在底部的钻头胎体2处形成压力，使得海水携带渣体自钻头胎体2进入第二通道101、返回地面。其中注入的流体可以为轻质气体。

钻井作业时，钻井平台40的顶部的驱动装置3通过齿轮箱6带动双壁钻柱组件100、钻头胎体2旋转并形成破岩，通过中心管7向内筒20注入压缩空气，压缩空气到达钻头胎体2后沿流体通道22进入钻头胎体2底部，再通过渣体通道21进入双壁钻柱组件100的环空(环隙)，带动外筒10与井筒13之间形成的第三通道131内的海水及岩屑沿第二通道101通道上行，通过旋转密封套5及外接管线11排到井筒13以外。

本发明实施例的钻井方法能够实现高效钻进，并且能够高效的将钻井时产生的大量岩屑(渣体)返回地面，避免采用常规方法作业，岩屑在环空内上返速度慢，容易沉降回到井底，影响钻头转动速度的问题。同时第二通道101能控制岩屑上返速度。因此可适用于大孔径高效钻进需要。

如图1和图7所示，本发明实施例还提供一种钻井设备1000，其包括双壁钻柱组件100、驱动装置3、压缩机、钻井平台12、及钻井液循环设备。驱动装置3配置成能够带动双壁钻柱组件100转动。钻井平台12包括提升设备，配置成能够带动双壁钻柱组件100移动。钻井液循环设备配置成向双壁钻柱组件100输入钻井液。压缩机配置成能够向双壁钻柱组件100注入压缩流体。双壁钻柱组件100的内筒20的顶部与钻井平台顶部的驱动装置3的中心管7连接，双壁钻柱1的外筒10的顶部与钻井平台顶部的驱动装置3的齿轮箱6连接，外筒10的上部与旋转密封套5连接，旋转密封套5设置在钻井平台12的合适位置。

本发明实施例中的钻井设备1000还包括分析装置14，能够利用岩屑含量分析排出岩屑的速率，并据此实时修改平台顶驱对钻柱系统的悬持力、空气排量。

一般，常规钻井较硬地层中用到的钻头胎体直径约为600mm，双壁钻柱的外径最大约为175mm。而在海上浅层硬岩层作业中，用到的钻头胎体直径约可达6000mm，甚至达到9000mm，因此需要通过钻柱传递给钻头胎体的扭矩远远大于常规作业，本发明实施例的双壁钻柱组件100通过设置固定件4能够满足大孔径高强度岩层作业要求。

在本发明实施例中的描述中，术语“多个”指两个或更多个。在本发明实施例中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。