[发明专利]泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于油气资源勘探及开发、地热钻井及水文水井钻具，尤其是泥浆循环护壁、空气潜孔锤钻井同步作业的同轴式三通道钻具及钻井工艺。

背景技术：

油气资源勘探及开发、地热钻井及水文水井等中等口径钻井工程中，采用常规钻井方法钻遇硬岩地层时，钻井效率急剧下降，致使钻井成本升高，钻井施工周期延长，已成为目前国内外钻井界亟待解决的技术难题。近些年来，为较大幅度提高钻井效率，国内外开展了空气潜孔锤钻井工艺技术的研究与应用，应用实践表明，在硬岩地层钻井中效率提高十倍以上，在国内外已取得了显著工程效果。由于采用的是空气潜孔锤正循环钻井工艺，当井深增大、井内有水时，井底的围压也随之增大，使压缩空气的风压增高，压缩空气的体积被压缩。为保持空气潜孔锤的正常钻进，随钻井深度的增加、井底围压的增高需不断增加压缩空气的供给量，以补充被压缩的压缩空气体积，导致了压缩空气流量巨增，配套的空压机设备数量增多，并需配备增压机以提高风压。致使空压机、增压机设备投资大、能耗高、占地面积大、对环境的污染严重，而且无法使用有效的泥浆洗井护壁工艺。当地层条件较复杂、井内水量较大、井壁稳定性较差时，空气钻井方法难以应用和实施，限制了空气潜孔锤钻井工艺技术的应用和推广。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种泥浆护壁空气潜孔锤钻具；

本发明的另一目的是提供一种泥浆护壁空气潜孔锤的钻井工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

泥浆护壁空气潜孔锤钻具，钻具为同轴式三通道结构，内层钻杆5设有中心通道20，内层钻杆5与中间层钻杆4之间构成的内环间隙通道为第二层通道，中间层钻杆4与外层钻杆3之间构成的外环间隙通道为第三层通道，钻井中三通道钻具在井内与孔壁之间形成了井壁外环间隙通道21，在钻井过程中共形成了四个流体通道。

所述的同轴式三通道钻具，是由外层钻杆上接头1通过螺纹与外层钻杆3的上端连接，外层钻杆3下端通过螺纹与外层钻杆下接头7的上端连接，外层钻杆下接头7的下端通过螺纹与潜孔锤上接头8的上端连接，潜孔锤外管13上端通过螺纹与其上接头8的下端连接，潜孔锤外管13下端通过螺纹连接花键套18；中间层钻杆4和内层钻杆5分别固定在外层钻杆3内，钻井中拧卸钻杆时相连接的二根中间层钻杆4和二根内层钻杆5之间均为插接方式连接，中间层钻杆上接头2下端通过螺纹与中间层钻杆4上端连接，中间层钻杆4下端通过螺纹与中间层钻杆下接头6上端连接，中间层钻杆下接头6下端与潜孔锤上接头8为插接连接，心管9插入内缸上端盖10内并固定，内缸上端盖10装在内缸11的上端面，内缸11、隔套14和衬套16依次装在外缸12的内圆柱面内，活塞15装于内缸11和衬套16内，钻头19以花键插入花键套18的花键槽内，用半圆卡17卡在钻头19上部的环槽内，限制钻头沿花键向下滑出，实现钻头19的轴向定位。

泥浆循环护壁空气潜孔锤钻井工艺，包括以下步骤：

a、连接井内的钻具，包括空气潜孔锤及钻头和同轴式三通道钻杆，同轴式三通道钻具构成了相互封闭的三个流体通道，既钻具内层钻杆5的内孔中心通道20，由中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道，由外层钻杆3与中间层钻杆4构成的外环间隙通道，外层钻杆3与井壁之间构成了井壁外环间隙通道，共形成四个流体通道；

b、钻井过程中每二个流体通道构成一种流体由地面至井底进行独立循环的流体通道，因此井内共有二个分别供压缩空气和泥浆二种动力介质独立循环的流体通道，钻井过程中使用二种不同流体的动力循环介质，既由泥浆泵供给的泥浆流体动力介质和由空气压缩机供给的压缩空气流体动力介质；

c、钻井中由空气压缩机输出的压缩空气经外层钻杆3与中间层钻杆4构成的外环间隙通道，进入空气潜孔锤内驱动潜孔锤工作，产生的高频高能冲击力，直接作用于钻头，实现对井底岩石的高效碎岩钻进；

d、驱动潜孔锤工作后的废气经由潜孔锤内部通道进入三通道钻具的中间层钻杆4与内层钻杆5构成的内环间隙通道，将废气排放至大气中。压缩空气在井内的循环与工作完全处于封闭状态，呈独立循环系统，不与井内接触与联通，使压缩空气不受井内流体围压及波动的影响；

e、在空气潜孔锤钻井的同时，由泥浆泵输出的泥浆冲洗液经井内的同轴式三通道钻具的内孔中心通道20进入井底，冷却钻头球齿后携带岩粉和岩屑沿着外层钻杆3与井壁之间的井壁外环间隙通道排至井口，进入地面泥浆池。