一种防止卡钻的钻柱短节及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气钻井领域，主要应用在石油领域中防环空泥包、卡钻的钻井短节，具体涉及的是一种防止卡钻的钻柱短节及其使用方法。

背景技术

海底浅气层是一种常见的地质现象，也是一种最危险的海洋灾害地质因素。按照成因一般分两类，一是以生物成因气(沼气)为主，其主要成分为甲烷、二氧化碳、硫化氢、氮气、氨气等；二是经深部断层、裂隙、不整合面等通道运移至浅层的石油天然气。但不管是哪种气体，它们一般以层间气和沉积物中气的形式存在，沉积物中的气体改变了沉积层土的力学性质，使其强度降低，结构变松，破坏了土层的原始稳定性，减小了基底承载力。在外荷载作用下，含气沉积物会发生蠕变，导致下陷、侧向或旋转滑动，最终失去平衡，发生倾斜倒塌。而一旦发生地层坍塌，严重时会导致钻柱被卡死或被埋。

同时，在钻头钻进的过程中随着钻头研磨地层会产生大量的岩屑，岩屑随着钻井液从钻柱和井壁之间的环空中返排回地面。当大量的岩屑堆积在环空中时，特别是大块的岩屑，聚集时形成泥包粘附在井壁或钻杆上，导致钻柱与井壁之间形成巨大的摩擦力，钻柱承受巨大的扭矩，形成卡钻、扭断钻具等钻井事故。因此，钻进过程中，需要破碎大块的岩屑，加速岩屑的返排，防止形成泥包，对于钻井施工显得尤为重要。

现有技术主要是通过连接带有凸起的特殊的钻柱短节借助钻杆的转动，搅动环空中分散的岩屑，防止岩屑聚集，以达到防泥包的目的，然而这种方法在硬地层中应用效果好，但对于已形成的泥包无法破碎，只能停钻排除故障。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种防止卡钻的钻柱短节及其使用方法，能有效解决现有技术岩屑清除效果不理想的情况。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种防止卡钻的钻柱短节，其包括：

短节上接头、短节主体和短节下接头；

所述短节主体设置在所述短节上接头和短节下接头之间，且所述短节主体表面设置有用于对环空中岩屑进行破碎的碎岩切削齿结构和水力脉冲射孔结构；

所述短节上接头通过内螺纹与钻柱相连，且所述短节上接头内设有用于对所述水力脉冲射孔结构进行控制的碎岩控制装置；

所述短节下接头通过外螺纹与近钻头端的钻柱相连。

进一步，所述碎岩切削齿结构采用碎岩切削齿阵列，所述碎岩切削齿阵列由若干环绕设置在所述短节主体表面的碎岩切削齿线阵构成，且各所述碎岩切削齿线阵与所述短节主体的轴线平行。

进一步，各所述碎岩切削齿线阵均包括若干间隔设置的碎岩切削齿，所述碎岩切削齿为倒刺型结构，包括前齿和后刃，且所述前齿朝向逆时针方向，所述后刃朝向正常钻进时钻杆转动方向。

进一步，所述前齿的刃面宽于所述后刃，且所述前齿和后刃均由三个切削层级递减的切削刃构成。

进一步，所述水力脉冲射孔结构采用水力脉冲射孔阵列，所述水力脉冲射孔阵列由若干环绕设置在所述短节主体表面的水力脉冲射孔线阵构成，且各所述水力脉冲射孔线阵间隔设置在两两所述碎岩切削齿线阵之间，与所述短节主体的轴线平行。

进一步，所述水力脉冲射孔线阵和碎岩切削齿线阵的数量为八个。

进一步，各所述水力脉冲射孔线阵包括间隔布置在射孔布置面上的若干水力脉冲射孔以及与所述水力脉冲射孔线阵中各水力脉冲射孔相连通的水槽；

每个所述水力脉冲射孔均与碎岩切削齿阵列中的碎岩切削齿错位排布，位于碎岩切削齿阵列中相邻四个碎岩切削齿的中心点位；

所述水槽设置在所述短节主体的内夹层中，且所述水槽进水口与地面供水设备相连，所述水槽的出水口旁侧设置有一凹槽，所述凹槽内通过两组滑轮和传动轴滑动设置有一金属挡板，用于对各所述水力脉冲射孔进行遮挡，并在所述碎岩控制装置的控制下露出水力脉冲射孔。

进一步，所述短节上接头内部设有用于布置单片机和供电锂电池的内夹层，且所述单片机还通过延伸至所述短节主体内夹层的电缆线与所述传动轴相连，并通过其内设置的无线信号接收装置接收远程操控指令，对传动轴进行控制，带动金属挡板移动露出水力脉冲射孔。

进一步，所述短节上接头内还设置有内部径向位置的卡扣，所述短节下接头设置有外部径向位置的卡扣，用于防止钻柱短节转动时螺纹松动。

第二方面，本发明提供一种防止卡钻的钻柱短节的使用方法，其包括以下步骤：

1)将防止卡钻的钻柱短节安装在钻柱的近钻头处，位于泥浆脉冲信号发生器和泥浆脉冲信号接收器之间；

2)正常钻进地层或倒划眼时，通过碎岩切削齿结构进行岩屑的破碎；

3)当短节主体的表面已形成泥包时，通过井口操作平台远程操控水力脉冲射孔结构，形成射流清除短节主体表面的泥包。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的防止卡钻的钻柱短节，具备两种防卡钻功能，在正常钻进和倒划眼时，通过设置在短节主体表面的碎岩切削齿结构破碎硬地层的大块岩屑和辅助破坏岩屑床，防止卡钻；在钻柱表面形成泥包时，采用水力脉冲射孔结构形成射流，进行泥包冲刷。

2、本发明提供的水力脉冲射孔结构中，通过在短节主体内夹层中滑动设置金属挡板，在正常钻进和倒划眼时，可以有效防止射孔被岩屑堵塞。

3、本发明提供的碎岩切削齿阵列和水力脉冲射孔阵列可以针对不同地层地质情况进行自由配置，灵活度高，应用范围广。

4、本发明提供的碎岩切削齿阵列中，碎岩切削齿采用倒刺型结构，能够在顺时针旋转与逆时针旋转分别适用于防止硬地层和松散地层出现卡钻问题。

因此，本发明可以广泛应用于石油与天然气钻井领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的钻柱短节安装示意图；

图2为本发明实施例提供的钻柱短节的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的切削齿的分解结构示意图；

图4a和图4b分别为本发明实施例提供的短节主体的截面图及滑动槽的分解结构图；

图5a和图5b分别为本发明实施例提供的短节主体的剖面图及其射孔的分解剖面图；

图6为本发明实施例提供的钻柱短节上接头剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一些实施例中，提供一种防止卡钻的钻柱短节，该钻柱短节利用表面的碎岩切削齿能够有效破碎大块岩屑，碎岩切削齿具备前齿和后刃，钻柱短节正常钻进时可利用前齿碎岩，一般适用于硬地层，倒划眼时则利用后刃进行切割，辅助破坏岩屑床。同时，在碎岩切削齿之间配置射孔，能够利用水力脉冲清除已形成的泥包。因而，可以有效解决现有技术岩屑清除效果不理想的情况。

同时，本发明的另一些实施例中，还提供一种防止卡钻的钻柱短节的使用方法。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供一种防止卡钻的钻柱短节，其包括：短节上接头6、短节主体7和短节下接头8。其中，短节主体7设置在短节上接头6和短节下接头8之间，且短节主体7表面设置有用于对环空中岩屑进行破碎的碎岩切削齿结构和水力脉冲射孔结构；短节上接头6通过内螺纹与钻柱相连，且短节上接头6内设有用于对水力脉冲射孔结构进行控制的碎岩控制装置；短节下接头8通过外螺纹与钻柱相连，并靠近钻头3。

优选地，碎岩切削齿结构采用碎岩切削齿阵列，该碎岩切削齿阵列由若干环绕设置在短节主体7表面的碎岩切削齿线阵构成，且各碎岩切削齿线阵均与短节主体7的轴线平行。在现场应用时可根据实际钻进地层设置不同数量的碎岩切削齿阵列，优选地，碎岩切削齿线阵的数量为八个。

优选地，如图3所示，各碎岩切削齿线阵均包括若干间隔设置的碎岩切削齿9。其中，碎岩切削齿9为倒刺型结构，包括前齿12和后刃13，且各碎岩切削齿9的前齿12均朝向逆时针方向，碎岩切削齿9的后刃13均朝向正常钻进时钻杆转动方向。

更为优选地，前齿12的刃面宽于后刃13，且前齿12和后刃13均包括一级切削刃14、二级切削刃15和三级切削刃16三个切削层级的切削刃，且切削刃的尖锐程度由一级到三级逐级递减(切削层级表示切削刃的锋利程度：一级最锋利、刃面薄；二级其次；三级刃面较钝)。

优选地，如图4a和图4b所示，水力脉冲射孔结构采用水力脉冲射孔阵列，该水力脉冲射孔阵列由若干环绕设置在短节主体7表面的水力脉冲射孔线阵构成，且各水力脉冲射孔线阵间隔设置在两两碎岩切削齿线阵之间，方向与短节主体7的轴线平行。在现场应用时可根据实际钻进地层设置不同数量的水力脉冲射孔阵列，优选地，水力脉冲射孔线阵的数量为八个。

优选地，各水力脉冲射孔线阵包括间隔布置在射孔布置面11上的若干水力脉冲射孔10以及布置在短节主体7内与水力脉冲射孔线阵中各水力脉冲射孔10相连通的水槽19。其中，每个水力脉冲射孔10均与碎岩切削齿阵列中的碎岩切削齿9错位排布，位于碎岩切削齿阵列的相连四个碎岩切削齿9的中心点位，也即每一水力脉冲射孔线阵中水力脉冲射孔的数量比碎岩切削齿线阵中碎岩切削齿的数量少一个；水槽19设置在短节主体7的内夹层中，且水槽19进水口与地面供水设备相连，水槽19的出水口旁侧设置有一凹槽18，凹槽18内通过两组滑轮20和传动轴21滑动设置有一金属挡板17，用于对各水力脉冲射孔19进行遮挡，防止水力脉冲射孔堵塞，并在碎岩控制装置的控制下滑动控制金属挡板17，露出水力脉冲射孔19。

优选地，如图5a、图5b、图6所示，短节上接头6内部设有用于布置单片机22和供电锂电池23的内夹层，且单片机22设置有无线信号接收装置，用于在接收远程操控指令后，对传动轴21进行控制，由传动轴21带动金属挡板17滑动，露出水力脉冲射孔19。

优选地，短节上接头6内还设置有内部径向位置的卡扣，短节下接头8设置有外部径向位置的卡扣，用于防止钻柱短节转动时螺纹松动。

实施例2

基于上述实施例提供的防止卡钻的钻柱短节，本实施例提供一种防止卡钻的钻柱短节的使用方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，在井口操作平台1上，将防止卡钻的钻柱短节2安装在钻柱的近钻头3处，且该钻柱上还设置有泥浆脉冲信号发生器4和泥浆脉冲信号接收器5。

2)正常钻进地层或倒划眼时，通过碎岩切削齿结构进行大块岩屑的破碎。

具体地，在正常钻进地层时，水力脉冲射孔10被金属挡板17遮挡，利用钻柱主体7表面碎岩切削齿9的前齿12来破碎大块岩屑。倒划眼时，水力脉冲射孔10被金属挡板17遮挡，利用短节主体7表面碎岩切削齿9的后刃13来切割岩屑，辅助破坏岩屑床。

3)当短节主体7的表面已形成泥包时，通过井口操作平台1远程操控水力脉冲射孔结构，形成射流清除短节主体7表面的泥包。

当短节主体7的表面已形成泥包时，通过井口操作平台1远程操控单片机22来控制金属挡板17滑动进钻柱主体7内夹层的凹槽18中，露出水力脉冲射孔10，经泥浆脉冲信号发生器4传递控制信号至泥浆脉冲信号接收器5，从而控制水力脉冲形成射流清除短节主体7表面的泥包，进一步防止卡钻。

本发明防止卡钻的钻柱短节，具备两种防卡钻功能，钻柱主体表面的碎岩切削齿在正常钻进和倒划眼时，分别适用于破碎硬地层的大块岩屑和辅助破坏岩屑床，防止卡钻；钻柱主体表面被金属挡板遮挡的水力脉冲射孔可以清除已形成的泥包；钻柱主体表面的碎岩切削齿阵列和水力脉冲射孔阵列可以针对不同地层地质情况进行自由配置，灵活度高，应用范围广。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。