[发明专利]一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合及定向钻进方法

权利要求书

1.一种破碎地层多级孔壁修复钻具组合，其特征在于，包括依次连接的定向钻头（1）、外螺旋液动螺杆钻具（2）、泥浆脉冲随钻测量装置（3）以及依次重复交替连接的偏心螺旋孔眼修复钻具（4）和整体螺旋钻杆（5）；

偏心螺旋孔眼修复钻具（4）包括中空的钻具本体（41）、设在钻具本体（41）外壁的偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）以及分别位于钻具本体（41）两端的公接头（44）和母接头（45）；

所述偏心正向螺旋翼片（42）的螺旋方向为顺时针方向，偏心反向螺旋翼片（43）的螺旋方向为逆时针方向；偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）均为两个，两个偏心正向螺旋翼片（42）之间的周向夹角为90°，两个偏心反向螺旋翼片（43）之间的周向夹角为90°；两个偏心正向螺旋翼片（42）分别与两个偏心反向螺旋翼片（43）轴向位置相对应；偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）与钻具本体（41）中心轴线夹角均为15-30°；偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）的翼片高度均大于20mm；

偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）的一侧边缘均设置复合片切削齿（46），偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）的另一侧均设置保径齿（47），偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）的保径齿（47）相邻，偏心正向螺旋翼片（42）和偏心反向螺旋翼片（43）的切削齿（46）分别靠近钻具本体（41）的两端；

所述钻具本体（41）的中空结构；所述公接头（44）外壁和母接头（45）内壁均设有螺纹；

所述外螺旋液动螺杆钻具（2）包括螺旋外管体及其连接的弯外管，还包括设在螺旋外管体和弯外管内且依次连接的转子、传动轴和主轴；所述主轴伸出弯外管并与所述定向钻头（1）连接；

所述泥浆脉冲随钻测量装置（3）包括无磁螺旋外管以及设在无磁螺旋外管内的泥浆脉冲装置，通过泥浆脉冲装置发送和传输数据信号；所述无磁螺旋外管一端与所述螺旋外管体连通；无磁螺旋外管的另一端和其相邻的偏心螺旋孔眼修复钻具（4）连接；

多个偏心螺旋孔眼修复钻具（4）与多个整体螺旋钻杆（5）依次重复交替连接；所述整体螺旋钻杆（5）为中空结构；

所述偏心螺旋孔眼修复钻具（4）回转时，偏心反向螺旋翼片（43）和偏心正向螺旋翼片（42）旋转所形成的圆形轨迹的直径略大于外螺旋液动螺杆钻具（2）、泥浆脉冲随钻测量装置（3）以及整体螺旋钻杆（5）的外径；偏心螺旋孔眼修复钻具（4）的偏心反向螺旋翼片（43）或偏心正向螺旋翼片（42）与钻具本体（41）的径向尺寸不大于定向钻头（1）的外径，偏心反向螺旋翼片（43）和偏心正向螺旋翼片（42）旋转所形成的圆形轨迹的直径接近定向钻头（1）外径从而具有孔壁修复作用。

2.如权利要求1所述的破碎地层多级孔壁修复钻具组合，其特征在于，所述偏心螺旋孔眼修复钻具（4）中，靠近钻孔底的一端为钻具本体下部，靠近钻孔口的一端为钻具本体上部，每个偏心螺旋孔眼修复钻具（4）的偏心反向螺旋翼片（43）设在钻具本体下部，偏心正向螺旋翼片（42）设在钻具本体上部。

3.如权利要求1所述的破碎地层多级孔壁修复钻具组合，其特征在于，相邻所述偏心螺旋孔眼修复钻具（4）之间的间距为20-80m。

4.如权利要求1所述的破碎地层多级孔壁修复钻具组合，其特征在于，所述外螺旋液动螺杆钻具（2）的外螺旋管体上的螺旋槽深度为5mm。

5.一种破碎地层定向钻进方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至4任一权利要求所述的破碎地层多级孔壁修复钻具组合实现，包括以下步骤：

一、当钻进孔段位于稳定地层时：

步骤a1，破碎地层多级孔壁修复钻具组合中的所有外管均不回转，调整外螺旋液动螺杆钻具的弯外管控制定向钻头的钻孔轨迹，中心流道的冲洗液驱动外螺旋液动螺杆钻具带动定向钻头进行滑动定向钻进；

步骤a2，每当滑动定向钻进6-12m后，慢速回转破碎地层多级孔壁修复钻具组合进行来回回转扫孔，偏心螺旋孔眼修复钻具对孔壁起到刮削作用实现对孔壁修复，同时，孔内沉积钻渣被偏心螺旋孔眼修复钻具充分碾压和研磨后随着冲洗液排出孔外；

二、当钻遇破碎地层时，采用滑动定向钻进和回转扫孔钻进：

采用滑动定向钻进方式每钻进一行程或一根钻杆后，后退一行程或一根钻杆来回回转扫孔，通过钻具组合回转使孔内塌孔或切削钻渣充分排出，钻进参数正常后继续下一行程滑动定向钻进，如此反复，逐段钻进；

三、当钻遇破碎地层无法定向钻进时，采用回转扫孔钻进：

通过钻具组合来回的回转扫孔，偏心螺旋孔眼修复钻具对破碎地层孔壁来回磨削修复，并将破碎煤岩块体充分搅拌、碾压和磨碎，再通过添加冲洗液提高冲洗介质的排渣能力，实现破碎地层正常钻进；每钻进一行程后，来回回转扫孔，充分排渣后继续下一行程钻进；

四、当钻遇塌孔憋压段时：

回转钻具组合，钻孔逐段前后来回反复扫孔，通过偏心螺旋孔眼修复钻具回转作用下偏心反向螺旋翼片和偏心正向螺旋翼片扫孔排渣并对钻孔修复；

钻遇压力异常时缓慢退钻，直到钻孔内钻具退出至上一段破碎区域且钻进参数正常后，用多个偏心螺旋孔眼修复钻具实现全孔段扫孔，再重新通水并回转钻具扫孔下钻；

通过多根偏心螺旋孔眼修复钻具逐级接替扫孔，无须整个钻孔全孔段提钻扫孔即可保证整个钻孔通畅，压力正常即可重新扫孔下钻；

采用回转扫孔钻进时，通过调整钻具组合的回转转速、泥浆泵排量大小和钻进时给进速度实现钻孔轨迹倾角的增加或减小来实现钻孔轨迹的控制；

若需增加倾角，则采用小的泥浆泵排量，并增加钻进给进速度，由于切削破碎及坍塌垮落煤岩块和颗粒未及时排出造成堆积，对前端外螺旋液动螺杆钻具起到支撑或垫起作用，倾角逐渐产生增加趋势；若需要减小倾角，则增大钻具组合回转速度、降低钻进速度，同时增大泥浆泵排量，在慢速钻进中孔底钻渣充分排出，钻具组合自重作用下对地层充分起到向下的切削作用，倾角产生逐渐降低趋势。