本發(fā)明涉及一種鉆孔破土專用鉆頭及方法，尤其涉及一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭及方法。

背景技術(shù)：

自升式鉆井平臺(tái)是海上鉆完井的重要裝備之一，目前已成為了水深120米以內(nèi)海域鉆完井作業(yè)裝備的主力。自升式鉆井平臺(tái)依靠站立于海底的樁腿支撐起船體和鉆機(jī)等設(shè)備,船體及作業(yè)設(shè)備爬升至一定海拔高度,開展鉆探與完井作業(yè)。然而，站立在海底淺部土層中的樁腿承受了船體、設(shè)備及作業(yè)載荷，難免會(huì)破壞海底淺部土層而失穩(wěn)。自升式鉆井平臺(tái)樁腿突然穿透海底土層而快速入泥的現(xiàn)象稱為“刺穿”。自升式鉆井平臺(tái)發(fā)生刺穿事故時(shí)，會(huì)對(duì)平臺(tái)造成損壞，甚至沉沒，威脅人員安全，經(jīng)濟(jì)損失巨大。突發(fā)的刺穿事故是自升式鉆井平臺(tái)安全作業(yè)過程中一個(gè)不容忽視的事故風(fēng)險(xiǎn)。為了避免刺穿事故的發(fā)生，需要充分論證自升式鉆井平臺(tái)在目標(biāo)井場(chǎng)位置的作業(yè)可行性，科學(xué)判斷樁腿最終入泥深度及土體承載能力。若存在深度較淺且厚度較薄的硬土層，而位于該薄硬土層之下的土層較厚強(qiáng)度較低，可以形象的比作“雞蛋殼”地層，自升式鉆井平臺(tái)樁腿踩在此類“雞蛋殼”地層上，會(huì)面臨極大的刺穿風(fēng)險(xiǎn)。為了防范刺穿風(fēng)險(xiǎn)，在自升式鉆井平臺(tái)就位目標(biāo)井場(chǎng)位置之前，需人為處理掉設(shè)計(jì)樁腿位置處的“雞蛋殼”地層，即采用主動(dòng)刺穿鉆孔方式打破“雞蛋殼”。

目前，主動(dòng)刺穿通常采用常規(guī)鉆井用鉆頭或配以擴(kuò)眼鉆頭進(jìn)行“雞蛋殼”地層鉆孔。為了提高自升式鉆井平臺(tái)的樁腿承載能力，普遍會(huì)在樁腿底部安裝截面積巨大的樁靴結(jié)構(gòu)，而巨大的樁靴使得樁腿踩在海底土層上的面積也會(huì)巨大，因此避免樁腿發(fā)生刺穿事故的主動(dòng)刺穿鉆孔的面積也會(huì)巨大。為了主動(dòng)鉆孔打破面積巨大的“雞蛋殼”地層，需要在地層中鉆幾十甚至上百個(gè)孔洞，導(dǎo)致采用常規(guī)鉆頭鉆孔需幾十次甚至上百次起下鉆柱才能完成主動(dòng)刺穿鉆孔作業(yè)，作業(yè)效率極低，作業(yè)費(fèi)用高昂，對(duì)于高日費(fèi)的海上鉆孔作業(yè)，常規(guī)鉆頭鉆孔實(shí)現(xiàn)主動(dòng)刺穿的方式經(jīng)濟(jì)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭及方法，通過在鉆頭主體底部安裝的多個(gè)分支牙輪鉆頭，實(shí)現(xiàn)一趟下鉆大面積高效率地破壞“雞蛋殼”地層的主動(dòng)刺穿作業(yè)，更好的鉆孔打破“雞蛋殼”地層，大幅減少起下鉆柱作業(yè)，有效提高主動(dòng)刺穿鉆孔作業(yè)效率，降低主動(dòng)打破“雞蛋殼”地層作業(yè)費(fèi)用，為降低自升式鉆井平臺(tái)插樁刺穿風(fēng)險(xiǎn)，避免自升式鉆井平臺(tái)失穩(wěn)事故的發(fā)生，保障作業(yè)安全提供技術(shù)支持。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭，其特征在于，該鉆頭包括頂部設(shè)置有公扣接頭的鉆頭主體和底部開設(shè)有水眼的分支牙輪鉆頭；其中，所述鉆頭主體能通過所述公扣接頭與鉆機(jī)的鉆柱底部相連接；所述鉆頭主體的底部呈多點(diǎn)分布式地固定設(shè)置多個(gè)管柱體結(jié)構(gòu)的芯軸，多個(gè)所述分支牙輪鉆頭分別安裝在各所述芯軸上，并能繞所述芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述鉆頭主體內(nèi)部還設(shè)置有內(nèi)部流道，所述芯軸內(nèi)開設(shè)有中間孔道，所述芯軸的所述中間孔道與所述鉆頭主體的所述內(nèi)部流道相連通，所述分支牙輪鉆頭的所述水眼與所述芯軸的所述中間孔道相連通。

所述鉆頭主體為具有圓盤狀底部的椎體結(jié)構(gòu)。

所述分支牙輪鉆頭采用常規(guī)牙輪鉆頭設(shè)計(jì)的牙輪；或者，所述分支牙輪鉆頭采用帶水動(dòng)力設(shè)計(jì)的牙輪。

所述鉆頭主體底部的不同所述芯軸上安裝不同形式的分支牙輪鉆頭，形成“1+n”式鉆頭。

所述鉆頭主體和分支牙輪鉆頭均采用鋼體鑄造技術(shù)加工而成。

一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔方法，包括以下步驟：

1)將如上述任一項(xiàng)所述的自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭通過公扣接頭安裝到鉆機(jī)的鉆柱底部，鉆頭主體的內(nèi)部流道與鉆井循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井泥漿泵相連通；

2)控制鉆機(jī)下鉆，鉆井循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井泥漿泵將海水經(jīng)過鉆柱泵送進(jìn)入鉆頭主體，然后通過鉆頭主體的內(nèi)部流道分流至各個(gè)分支牙輪鉆頭，并從分支牙輪鉆頭底部的水眼中沖出，形成水射流，對(duì)“雞蛋殼”地層形成水力沖擊；配合各個(gè)分支牙輪鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的扭矩和鉆柱下壓提供的鉆壓，對(duì)“雞蛋殼”地層產(chǎn)生沖擊與切削作用，打破“雞蛋殼”，破壞土體的整體性；同時(shí)，鉆頭主體底部呈多點(diǎn)分布的芯軸上安裝多個(gè)分支牙輪鉆頭，一趟下鉆能夠破壞較大面積的“雞蛋殼”硬土層，單趟鉆進(jìn)能夠形成更大直徑的鉆孔，從而實(shí)現(xiàn)自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿的鉆孔作業(yè)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明的一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭及方法，通過在鉆頭主體底部安裝的多個(gè)分支牙輪鉆頭，實(shí)現(xiàn)一趟下鉆大面積高效率地破壞“雞蛋殼”地層的主動(dòng)刺穿作業(yè)，更好的鉆孔打破“雞蛋殼”地層，大幅減少起下鉆柱作業(yè)，有效提高主動(dòng)刺穿鉆孔作業(yè)效率，降低主動(dòng)打破“雞蛋殼”地層作業(yè)費(fèi)用，為降低自升式鉆井平臺(tái)插樁刺穿風(fēng)險(xiǎn)，避免自升式鉆井平臺(tái)失穩(wěn)事故的發(fā)生，保障作業(yè)安全提供技術(shù)支持。2、本發(fā)明的一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭及方法，通過在內(nèi)部設(shè)置從鉆頭主體頂部公扣接頭至分支牙輪鉆頭底部貫通的流道，使海水從水眼中沖出形成水射流，對(duì)“雞蛋殼”地層形成水力沖擊；配合各個(gè)分支牙輪鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的扭矩和鉆柱下壓提供的鉆壓，對(duì)“雞蛋殼”地層產(chǎn)生沖擊與切削等作用，打破“雞蛋殼”，破壞土體的整體性，降低土體強(qiáng)度，從而削弱土體單位面積承載力，實(shí)現(xiàn)自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿的鉆孔作業(yè)，作業(yè)效率更高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明鉆頭主體的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭，其包括鉆頭主體1和分支牙輪鉆頭2。其中，鉆頭主體1為具有圓盤狀底部的椎體結(jié)構(gòu)，鉆頭主體1的頂部設(shè)置有公扣接頭11，鉆頭主體1能通過公扣接頭11與鉆機(jī)的鉆柱底部相連接；鉆頭主體1的圓盤狀底部呈多點(diǎn)分布式地固定設(shè)置多個(gè)管柱體結(jié)構(gòu)的芯軸12；鉆頭主體1內(nèi)部還設(shè)置有內(nèi)部流道13，芯軸12內(nèi)開設(shè)有中間孔道(圖中未示出)，芯軸12的中間孔道與鉆頭主體1的內(nèi)部流道13相連通。多個(gè)分支牙輪鉆頭2分別安裝在各芯軸12上，并可繞芯軸12轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成“1+n”式鉆頭；分支牙輪鉆頭2的底部開設(shè)有水眼21，水眼21與芯軸12的中間孔道相連通。

上述實(shí)施例中，鉆頭主體1底部的不同芯軸12上可以安裝不同形式的分支牙輪鉆頭2，從而形成“1+n”式鉆頭；當(dāng)然，也可以全部采用相同的分支牙輪鉆頭2。

上述實(shí)施例中，分支牙輪鉆頭2可以采用常規(guī)的牙輪鉆頭上面設(shè)計(jì)的牙輪；或者，分支牙輪鉆頭2可以采用針對(duì)特殊地層的帶水動(dòng)力設(shè)計(jì)的牙輪，以更好地切削和沖擊破壞“雞蛋殼”地層。

上述實(shí)施例中，鉆頭主體1和分支牙輪鉆頭2均采用鋼體鑄造技術(shù)加工而成。

基于上述的一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭，本發(fā)明還提供了一種自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔方法，包括以下步驟：

1)將上述的自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭通過公扣接頭11安裝到鉆機(jī)的鉆柱底部，鉆頭主體1的內(nèi)部流道13與鉆井循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井泥漿泵相連通。

2)控制鉆機(jī)下鉆，鉆井循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井泥漿泵將海水經(jīng)過鉆柱泵送進(jìn)入主動(dòng)刺穿鉆孔專用鉆頭，然后通過鉆頭主體1的內(nèi)部流道13分流至各個(gè)分支牙輪鉆頭2，并從分支牙輪鉆頭2底部的水眼21或噴嘴中沖出，形成水射流，對(duì)“雞蛋殼”地層形成水力沖擊；配合各個(gè)分支牙輪鉆頭2轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的扭矩和鉆柱下壓提供的鉆壓，對(duì)“雞蛋殼”地層產(chǎn)生沖擊與切削等作用，打破“雞蛋殼”，破壞土體的整體性，降低土體強(qiáng)度，從而削弱土體單位面積承載力，實(shí)現(xiàn)自升式鉆井平臺(tái)樁腿主動(dòng)刺穿的鉆孔作業(yè)。同時(shí)，由于鉆頭主體1的圓盤狀底部呈多點(diǎn)分布的芯軸12上可以安裝不同形式的分支牙輪鉆頭2，從而形成“1+n”式鉆頭，一趟下鉆能夠破壞較大面積的“雞蛋殼”硬土層，單趟鉆進(jìn)能夠形成更大直徑的鉆孔，較常規(guī)牙輪鉆頭配合擴(kuò)眼器所組成的開鉆具的表層鉆進(jìn)方式形成的鉆孔直徑要大幾倍，有效提高主動(dòng)刺穿鉆孔效率，減少起下鉆作業(yè)，降低作業(yè)費(fèi)用。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。