一种钻井装置及其钻井方法

技术领域

本申请涉及地质勘探的技术领域，尤其是涉及一种钻井装置及其钻井方法。

背景技术

地质勘察隶属地质工程领域，工程地质勘察是为查明影响工程建筑物的地质因素而进行的地质调查研究工作。查明工程地质条件后，需根据设计建筑物的结构和运行特点，预测工程建筑物与地质环境相互作用（即工程地质作用）的方式、特点和规模，并作出正确的评价，为确定保证建筑物稳定与正常使用的防护措施提供依据。在实际地质勘察的研究工作中，通常先预先使用钻井装置对所需调查的地质进行钻孔。

钻井装置广泛应用于地质勘察工程，目前的钻井装置一般包括钻杆，钻杆的一端设置有钻具，当需要钻井时，钻杆带动钻具转动，钻具对待测地质进行向下钻孔。

在实现本申请过程中，发明人发现该技术中至少存在如下问题，由于钻具短小（例如扫空、扩孔用的三叶钻头，以及冲孔桩用的锤头），且钻杆中间无限位器，当钻探的深度超过10米时，钻杆会体现出它的柔性，导致钻杆在孔内晃动弧度大，360°方向均可以偏斜，从而无法使整个钻井维持在一条直线上，且钻井呈S型。这样的井给后续的设备安装带来影响，甚至要重新做井，同时也给勘探结果造成偏差。

发明内容

为了提高钻井的垂直度，本申请提供一种钻井装置及其钻井方法。

第一方面，本申请提供的一种钻井装置，采用如下的技术方案：

一种钻井装置，包括钻头以及多节钻杆，所述钻头的一端设置有钻齿，多节所述钻杆分别呈直线阵列分布，其中一节所述钻杆设置有用于与相邻一节所述钻杆固定连接的固定机构，所述钻头设置于其中一节所述钻杆的一端，所述钻头设置有用于与其中一节所述钻杆固定连接的安装机构，所述钻杆的外侧设置有用于竖直导向多节所述钻杆移动，以及支护钻孔内壁的支护引导机构；

可选的，所述支护引导机构包括至少两段以上的套管以及用于固定相邻两段所述套管的固定件，至少两段以上的所述套管分别依次插入钻孔内，所述钻杆与所述套管滑移连接。

通过采用上述技术方案，当需要钻井时，工作人员先通过安装机构将钻头固定于其中一节钻杆的一端，然后将其中一段套管插入钻孔内，此时其中一段套管套设于钻杆，套管对钻杆进行导向，且套管对钻孔的内壁进行支护，待其中一节钻杆准备完全钻入钻孔内时，再通过固定机构固定另外一节钻杆，接着再继续沿竖直向下的方向钻孔，如此重复，且在支护引导机构的作用下，多节钻杆始终沿竖直向下的方向钻孔，且钻孔内壁的泥土不容易坍塌，进而有利于提高钻井的垂直度。

可选的，所述固定件为内螺管，所述内螺管设置于其中一段所述套管的一端，另外一端所述套管的内侧对应设置有内螺纹，所述内螺管通过所述内螺纹与另外一段所述套管螺纹连接。

通过采用上述技术方案，当需要固定两段套管时，工作人员先其中一段套管上的内螺管对准另外一段套管的内螺纹，然后再拧紧其中一段套管，此时两段套管相互固定连接，进而有利于提高至少两段以上的内螺管相互之间的拆卸性。

可选的，所述安装机构包括连接螺孔，所述连接螺孔开设于所述钻头背离所述钻齿的一端，所述钻杆的两端对应设置有连接螺纹，所述钻杆通过所述连接螺纹与所述连接螺孔螺纹连接。

通过采用上述技术方案，当需要将钻杆与钻头相互固定时，工作人员先将钻杆对准钻头上的连接螺孔，并同时拧紧钻杆，此时钻杆与钻头相互固定，进而有利于提高钻杆与钻头之间相互固定的稳定性。

可选的，所述安装机构包括连接筒，所述连接筒设置于所述钻头背离所述钻齿的一端，所述钻杆与所述连接筒插接，所述连接筒的侧壁贯穿设置有摆动孔，所述连接筒基于所述摆动孔铰接设置有铰接块，所述铰接块的一侧设置有固定条，所述钻杆的侧壁对应开设有固定槽，所述固定条与所述固定槽插接，所述连接筒设置有用于将所述铰接块固定于所述摆动孔内的锁合件。

通过采用上述技术方案，当需要将钻杆于钻头相互固定时，工作人员先将钻杆插接于连接筒内，然后再将铰接块朝靠近摆动孔的方向摆动，此时固定条插接于固定槽内，然后再通过锁合件将铰接块固定于摆动孔内，此时钻杆固定于连接筒内，进而有利于提高钻杆与钻头之间相互固定的稳定性。

可选的，所述锁合件包括锁环以及弹簧，所述锁环滑移套设于所述连接筒的外侧，所述连接筒的一端设置有挡环，所述锁环抵接于所述挡环的一侧，所述弹簧套设于所述连接筒，所述弹簧的一端与所述钻头的一端相连接，所述弹簧的另一端与所述锁环的一侧相连接。

通过采用上述技术方案，当钻杆插接于连接筒前，工作人员带动锁环朝靠近钻头的方向移动，此时锁环压紧弹簧，且工作人员可带动铰接块进行摆动，当钻杆插接于连接筒后，工作人员放手松开锁环，此时弹簧恢复自然状态，弹簧复位并带动锁环朝远离钻头的方向移动，此时锁环将铰接块固定于摆动孔内，且锁环抵接于挡环的一侧，进而有利于提高铰接块固定于摆动孔内的稳定性。

可选的，所述固定机构包括引导块，所述引导块滑移于所述套管内，所述引导块的一端贯穿设置有引导螺孔，相邻的两节所述钻杆分别与所述引导螺孔螺纹连接。

通过采用上述技术方案，当需要固定相邻的两节钻杆时，工作人员分别将两节钻杆对准引导块的引导螺孔，并同时拧紧，此时两节钻杆通过引导块相互固定连接，当钻杆插入套管内时，此时引导块抵接于套管的内壁，引导块与套管滑动连接，且引导块带动两节钻杆沿套管的竖直方向移动，进而有利于提高相邻两节钻杆之间连接的可拆卸性以及提高钻杆沿竖直方向移动的稳定性。

可选的，所述引导块的一端贯穿有多个透水孔。

通过采用上述技术方案，由于钻孔时，钻孔内会渗有泥水，当相互固定连接的两节钻杆插入钻孔内时，此时泥水通过透水孔贯穿引导块，从而减少压强，提高钻杆以及引导块在套管内升降的稳定性。

可选的，所述引导块相对的两端分别设置有内倾斜面。

通过采用上述技术方案，在内倾斜面的作用下，有利于提高钻杆对准引导螺孔的便利性，同时在内倾斜面的作用下，有利于提高泥水渗入透水孔内的稳定性。

一种钻井方法，其包括如下步骤：

S1：先将其中一节钻杆通过安装机构与钻头固定连接，然后再通过其中一节钻杆带动钻头进行钻孔；

S2：待钻头沿竖直向下的方向钻入一定的深度后，先停止钻孔，然后再将其中一端套管竖直插入钻孔内，此时其中一节钻杆转动于套管内，然后继续沿竖直向下的方向钻孔；

S3：待其中一节钻杆准备完全插入套管内时，停止钻孔，接着通过固定机构将另外一节钻杆与其中一节钻杆固定连接，继续钻孔；

S4：待钻孔达到一定的深度后，再停止钻孔，然后通过固定件将两段套管固定连接，并同时将两端套管竖直插入钻孔内，然后继续钻孔；

S5：重复S3-S4，以致钻孔的深度符合勘探的深度，最后拔出套管、钻头以及多节钻杆，完成钻井。

综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

当需要钻井时，工作人员先通过安装机构将钻头固定于其中一节钻杆的一端，然后再通过钻杆带动钻头沿竖直向下的方向钻孔，待其中一节钻杆准备完全钻入钻孔内时，再通过固定机构固定另外一节钻杆，接着再继续沿竖直向下的方向钻孔，如此重复，且在支护引导机构的作用下，多节钻杆始终沿竖直向下的方向钻孔，且钻孔内壁的泥土不容易坍塌，进而有利于提高钻井的垂直度。

附图说明

图1是本申请实施例一的钻井装置的整体结构示意图。

图2是本申请实施例一的套管以及钻头的剖视图。

图3是本申请实施例二的钻杆与钻头的连接关系示意图。

附图标记说明：1、钻头；11、钻齿；12、连接螺孔；2、钻杆；21、连接螺纹；22、固定槽；3、套管；31、内螺管；32、内螺纹；4、引导块；41、引导螺孔；42、透水孔；43、内倾斜面；5、连接筒；51、摆动孔；52、挡环；6、铰接块；61、固定条；7、锁环；8、弹簧。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

参见图1，一种钻井装置，包括钻头1以及钻杆2。钻头1呈竖直设置，钻头1的底面固定有钻齿11，且钻头1通过钻齿11对所需勘探的地质进行钻孔。本实施例一中，钻杆2的数量设有三节，三节钻杆2依次呈直线阵列分布，且相邻的两节钻杆2之间通过固定机构固定连接。其中一节钻杆2位于钻头1的顶部，且钻头1设置有用于与其中一节钻杆2固定连接的安装机构。钻杆2的外侧壁设置有用于供三节钻杆2沿竖直向下的方向导向移动，以及用于支护钻孔内壁的支护引导机构。

具体的，参见图2，安装机构包括连接螺孔12，连接螺孔12开设于钻头1的顶部，连接螺孔12沿钻头1的竖直方向开设，且连接螺孔12的孔心与钻头1的竖直中轴线相重合。钻杆2的两端分别对应设置有连接螺纹21，且其中一节钻杆2通过连接螺纹21与连接螺孔12螺纹连接。

当需要将钻杆2与钻头1相互固定时，工作人员先将其中一节钻杆2对准连接螺孔12，并同时拧紧其中一节钻杆2，此时钻杆2与钻头1相互固定连接。

具体的，参见图2，支护引导机构包括套管3，本实施例中，套管3的数量设有两段。两段套管3分别插接于钻孔内，套管3对钻孔的内壁进行支护，防止钻孔内壁的泥土塌方，且两段套管3之间通过一固定件相互固定连接。钻杆2与套管3滑移连接，且在套管3的导向作用下，钻杆2沿套管3的竖直方向移动。

当钻头1钻入钻孔内时，工作人员可将其中一段套管3插入钻孔内，在套管3的导向作用下，钻杆2保持沿竖直向下的方向钻孔。

具体的，参见图2，固定件为内螺管31。内螺管31固定于其中一段套管3的其中一端，且内螺管31与其中一段套管3一体成型。另外一段套管3朝向其中一段套管3的一端对应设置有内螺纹32，其中一段套管3通过内螺管31与另外一段套管3螺纹连接。

当需要固定两段套管3时，工作人员先将其中一段套管3的内螺管31对准另外一段套管3的内螺纹32，然后再拧紧其中一段套管3，此时两段套管3固定连接。

具体的，参见图2，固定机构包括引导块4，引导块4呈圆柱状，且引导块4滑移于套管3内。引导块4的顶部开设有引导螺孔41，引导螺孔41沿引导块4的竖直方向开设，且引导螺孔41的孔心与引导块4的竖直中轴线重合。相邻的两节钻杆2分别通过连接螺纹21与引导螺孔41螺纹连接。

当需要将相邻的两节钻杆2固定连接时，工作人员先将引导块4与其中一节钻杆2螺纹连接，然后再将另外一节钻杆2与引导块4螺纹连接。在引导块4的导向作用下，两节钻杆2沿套管3的竖直方向向下移动。

需要说明的是，由于地质内含有泥水，当钻孔成型时，泥水会渗入到钻孔内，参见图2，为提高引导块4沿竖直方向升降的稳定性，引导块4的顶部贯穿设置有透水孔42，透水孔42沿引导块4的竖直方向开设，透水孔42的截面呈扇形状。透水孔42的数量设有四个，四个透水孔42分别沿引导块4的竖直中轴线呈环形阵列分布。

当钻杆2带动引导块4沿竖直向下的方向下压时，泥水分别贯穿四个透水孔42，且在四个透水孔42的作用下，有利于减少水压的反作用力。

值得一提的是，参见图2，引导块4的顶部以及底面分别设置有内倾斜面43，且内倾斜面43朝靠近引导螺孔41的方向倾斜设置。在内倾斜面43的作用下，以便于钻杆2更好地与引导螺孔41螺纹连接。

本申请提供一种钻井方法，其包括如下步骤：

S1：先将其中一节钻杆2对准钻头1的连接螺孔12，并拧紧其中一节钻杆2，此时其中一节钻杆2与钻头1固定连接，然后再通过其中一节钻杆2带动钻头1对地面进行钻孔；

S2：待钻头1完全插入钻孔，并钻入到满足套管3插入的深度后，先停止钻孔，然后将其中一段套管3竖直插入钻孔内，此时套管3对钻孔的内壁进行支护，其中一节转动于其中一端套管3内，然后再继续沿竖直向下的方向钻孔；

S3：待其中一节钻杆2准备完全插入其中一端套管3内后，停止钻孔，先将引导块4螺纹连接于其中一节钻杆2的顶端，然后再将另外一节钻杆2螺纹连接于引导块4顶部，然后再继续钻孔，此时引导块4转动于套管3内，且两节钻杆2通过引导块4的导向，保持沿竖直向下的方向钻孔；

S4：待钻孔的深度满足另外一端套管3插入后，先停止钻孔，通过内螺管31将两段套管3固定连接，并同时将两段套管3插入钻孔内，然后继续钻孔；

S5：重复S3-S4，当钻孔的深度符合勘探的深度时，停止钻孔，最后再依次将多段套管3、多节钻杆2以及钻头1取出，完成钻井。

实施例二：与实施例一的区别在于，安装机构的结构不一样。

具体的，参见图3，安装机构包括连接筒5，连接筒5呈圆柱状，且连接筒5同轴固定于钻头1的顶部。连接筒5的顶部呈敞口设置，钻杆2与连接筒5插接。连接筒5的侧壁贯穿设置有摆动孔51，摆动孔51沿连接筒5的壁厚方向开设。摆动孔51的数量设有三个，三个摆动孔51分别沿连接筒5的竖直中轴线呈环形阵列分布。连接筒5基于三个摆动孔51分别铰接设置有铰接块6，且三个铰接块6朝向钻杆2的一侧分别固定有固定条61。钻杆2的侧壁对应开设有三个固定槽22，三个固定槽22分别沿钻杆2的直径方向开设，且三个固定条61分别与三个固定槽22插接。

参见图3，为便于将铰接块6固定于摆动孔51内，连接筒5设置有锁合件，锁合件包括锁环7以及弹簧8。锁环7滑移套设于连接筒5的外侧壁，连接筒5的顶部外侧锁环7设有挡环52，且锁环7抵接于挡环52的底面。弹簧8套设于连接筒5的外侧壁，且弹簧8的顶端与锁环7的底面固定连接，弹簧8的底端与钻头1的顶部固定连接。

一种钻孔装置的工作原理：

当需要钻井时，工作人员先带动锁环7朝靠近钻头1的方向移动，此时锁环7压紧弹簧8，弹簧8弹性变形。接着工作人员再朝远离摆动孔51的方向摆动铰接块6，并同时将其中一节钻杆2插入连接筒5内。然后工作人员再朝靠近摆动孔51的方向摆动铰接块6，此时固定条61插接于固定槽22内。同时工作人员放手松开锁环7，弹簧8释放弹力，弹簧8复位并带动锁环7朝远离钻头1的方向移动，且锁环7套设于铰接块6的外侧，铰接块6固定于摆动孔51内，钻杆2固定于连接筒5内。然后工作人员再通过其中一节钻杆2带动钻头1对地面进行钻孔，接着按照上述钻井方法的S2-S5，完成钻孔。

综上所述，在多段套管3对钻孔的内壁进行支护，且多节钻杆2通过引导块4沿套管3的竖直向下放下钻孔移动，持续保持竖井呈竖直状，进而有利于提高钻井的垂直度。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。