CN104278952B - 一种水力-机械联合煤层造穴装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力-机械联合煤层造穴装置及使用方法。本发明包括上部接头、本体、造穴机构、流道转换机构和刀翼张开机构；所述的造穴机构、流道转换机构和刀翼张开机构置于本体内部；所述的造穴机构包括刀翼和组合喷嘴块；所述的刀翼能在刀翼张开机构的作用下，完成从0°到90°的张开，所述刀翼张开机构包括球座和推杆；所述推杆一端与球座底部相接触，另一端与刀翼圆头端相接触。本发明通过一级纯水力造穴、二级水力-机械联合造穴的双级造穴方式，保证只需一次起下钻即可完成造穴施工，改变了目前煤层造穴需要多次起下钻进行多级造穴的方式，有效缩短造穴的时间、降低造穴难度、提高造穴效率，从而降低煤层气开发成本。

Description

一种水力-机械联合煤层造穴装置及使用方法

技术领域

本发明涉及煤层气开发领域，特别涉及一种水力-机械联合煤层造穴装置及使用方法，适用于在煤层造穴。

背景技术

    煤层气井井下造穴是径向水平井、U型井等煤层气开发技术中的一个重要的环节。所造的洞穴不仅可以提高煤层气的开采效果，更重要的是为后续施工所需要的装置提供放置空间。现有的水力-机械联合式煤层造穴工具，为了实现将钻井液从工具本体内引流至刀翼末端喷嘴，通常需要在刀翼内制造流道，这种引流方式在一定制造水平下存在造穴直径和刀翼强度难以同时保证的问题。从制造工艺方面考虑，在保证流道直径的条件下，制造流道的长度受到了限制，使刀翼长度难以增大，从而限制了工具所造洞穴的大小；若为了保证刀翼流道长度而增大流道直径，刀翼的机械强度又难以得到保证，通常需要通过更换刀翼进行多级造穴才能达到设计洞穴直径。同时，现有的水力-机械联合式煤层造穴工具的水力破岩机构多为单喷嘴布置，其沿井眼轴向的作用范围有限。目前，造穴一般需要多次起下钻进行多级造穴，延长了施工时间，径向水平井、U型井所花费的时间和费用大多是由造穴所产生的，对煤层气的开采产生了一定的制约。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种水力-机械联合煤层造穴装置及使用方法，将纯水力造穴工艺与水力-机械联合造穴工艺集成在一起，以达到一次下钻即可造出施工需要的洞穴直径、降低造穴难度、缩短施工时间的目的。

本发明包括上部接头、本体、造穴机构、流道转换机构和刀翼张开机构；所述的造穴机构、流道转换机构和刀翼张开机构置于本体内部；所述的造穴机构包括刀翼和组合喷嘴块；所述的刀翼能在刀翼张开机构的作用下，完成从0°到90°的张开，所述刀翼张开机构包括球座和推杆；所述推杆一端与球座底部相接触，另一端与刀翼圆头端相接触。

上述的本体上端与上部接头相连，下端与堵头相连；所述的本体中部开有“门”形方孔，“门”形方孔两侧开有阶梯孔，其中一个阶梯孔为正六边形阶梯孔，另一个阶梯孔为圆形阶梯孔；所述的正六边形阶梯孔的大孔横截面为正六边形，小孔横截面为圆形；所述的圆形阶梯孔的大孔和小孔横截面均为圆形；所述的“门”形方孔上方置有高压胶管连接孔、推杆孔和上部导流管孔，下方置有下部导流管孔；所述的下部导流管孔下方为本体下部流道；所述的本体下部流道由一个轴向盲孔和一个径向通孔相贯而成；所述的“门”形方孔上部的对角位置分别有限位块和支撑块。

上述刀翼与T型连接轴铰链连接，T型连接轴穿过“门”形方孔两侧的阶梯孔与本体连接；所述的刀翼圆头端为3/8圈的齿轮；所述的刀翼一侧开有斜槽，斜槽深端有刀翼高压胶管连接孔；所述的刀翼末端开有椭圆形盲孔，椭圆形盲孔与刀翼高压胶管孔相通；所述的T型连接轴中部开有径向通孔；所述的T型连接轴为一段圆柱的一端置有正六边形方头，另一端开有挡圈槽；所述的T型连接轴的正六边形方头形状与正六边形阶梯孔的大孔横截面形状相吻合，圆柱段穿过正六边形阶梯孔的小孔，T型连接轴的正六边形方头卡在正六边形阶梯孔内，另一端置于圆形阶梯孔的小孔内。

上述的组合喷嘴块分为圆形带凸台型和椭圆型两种型式，圆形带凸台型组合喷嘴块置于本体下部径向通孔内，椭圆型组合喷嘴块置于刀翼末端椭圆形孔内；所述的圆形带凸台型组合喷嘴块上盖有防脱落盖板，防脱落盖板通过螺钉与本体相连；所述的椭圆型组合喷嘴块通过圆锥销与刀翼相连。

上述的流道转换机构包括球座、球座导向套、复位弹簧、空心球、高压胶管和导流管；所述的球座为变径圆柱体，直径突变处置有耳板；所述的球座内有流道；所述的球座耳板开有周向孔；所述球座导向套开有侧孔，球座上部在球座导向套内；所述复位弹簧一端与球座下部相接触，另一端与本体相接触；所述的导流管一端带有耳板，导流管耳板卡在球座流道扩大段和出口段的转折处，导流管依次穿过本体上部导流管孔和T型连接轴的径向通孔，导流管另一端置于本体下部导流管孔内；所述的高压胶管一端与本体上的高压胶管连接孔相连，另一端与刀翼高压胶管连接孔相连。

上述的推杆分为三部分，上部为三根圆杆，中部为横板，下部为齿条；所述的三根圆杆穿过本体推杆孔，一端与球座耳板下部相连，另一端与中部横板上表面相连；所述的齿条垂直置于中部横板的一端，与刀翼上的齿轮啮合。

本发明提到的水力-机械联合煤层造穴装置的使用方法，其具体的操作步骤是：

第一步：在地面将水力-机械联合煤层造穴工具与钻杆下端相连，送入预先钻好的井眼中，下至设计造穴段的上端；

第二步：在地面开动钻机和泥浆泵，以较慢的速度下放工具，钻机通过钻杆带动工具整体旋转，进行一级纯水力造穴，当下放至设计造穴深度时，完成一级纯水力造穴；

第三步：一级纯水力造穴完成后，将工具上提至设计洞穴顶部，控制钻杆旋转速度，进行投球，关闭一级纯水力造穴流道，打开二级水力-机械联合造穴流道，压缩复位弹簧，推动推杆下行，推动刀翼绕T型连接轴从0°到90°张开；

第四步：观察上返钻井液中携带煤屑的数量，煤屑数量增多表明刀翼已经张开，并开始破碎煤层，一段时间后，煤屑数量减少，并且工具不憋钻，说明刀翼已经完全张开，刀翼完全张开后，控制下行速度对工具进行下放，刀翼和椭圆型组合喷嘴块开始进行二级水力-机械联合造穴；

第五步：当下放至设计造穴深度时，停止下放和旋转，关闭泥浆泵，在复位弹簧和刀翼自重的作用下，刀翼收回本体内，上提工具至井口，造穴工作完成。

本发明的有益效果是：本发明可实现在设计煤层深度进行造穴作业，通过一级纯水力造穴减小刀翼造穴的工作量，通过二级水力-机械联合造穴的水力部分在刀翼造穴直径的基础上进一步扩大造穴直径，保证造穴达到设计直径；本发明通过一级纯水力造穴、二级水力-机械联合造穴的双级造穴方式，保证只需一次起下钻即可完成造穴施工，改变了目前煤层造穴需要多次起下钻进行多级造穴的方式，有效缩短造穴的时间、降低造穴难度、提高造穴效率，从而降低煤层气开发成本。

附图说明

图1.1为本发明的结构示意图；

图1.2为本发明的①-①剖视图；

图1.3为本发明的A-A剖视图；

图1.4为本发明的B-B剖视图；

图1.5为本发明的C-C剖视图；

图1.6为本发明的D-D剖视图；

图2.1为本发明的本体的结构示意图；

图2.2为本发明的本体的②-②剖视图；

图3.1为本发明的刀翼示意图；

图3.2为本发明的刀翼的E-E剖视图；

图3.3为本发明的刀翼F方向视图；

图4.1为本发明的T型连接轴示意图；

图4.2为本发明的T型连接轴的侧视图；

图5.1为本发明的组合喷嘴块的圆形带凸台型组合喷嘴块示意图；

图5.2为本发明的组合喷嘴块的椭圆型组合喷嘴块示意图；

图6为本发明的导流管示意图；

图7.1为本发明的一级纯水力造穴流道示意图；

图7.2为本发明的二级水力-机械联合造穴流道示意图；

上图中：上部接头1、本体2、造穴机构3、堵头4、T型连接轴5、刀翼张开机构6、流道转换机构7，

阶梯孔2-1、圆形阶梯孔2-1-1、正六边形阶梯孔2-1-2，支撑块2-2，“门”形方孔2-3、本体下部流道2-4、本体下部导流管孔2-5、限位块2-6，推杆孔2-7，本体上部导流管孔2-8、本体高压胶管连接孔2-9，

刀翼3-1、组合喷嘴块3-2、圆形带凸台型组合喷嘴块3-3、椭圆型组合喷嘴块3-4，

斜槽3-1-1、刀翼高压胶管连接孔3-1-2、圆锥销3-1-3，刀翼圆头端齿轮3-1-4，椭圆形孔3-1-5，螺钉3-3-1、防脱落盖板3-3-2，

径向通孔5-1，挡圈槽5-2，推杆6-1、圆杆6-1-1、横板6-1-2、齿条6-1-3；

球座7-1、球座导向套7-2、复位弹簧7-3、空心球7-4、高压胶管7-5和导流管7-6；球座耳板7-1-1,导流管耳板7-6-1，

一级纯水力造穴流道8-1，二级水力-机械联合造穴流道8-2。

具体实施方式

    结合附图，对本发明作进一步的描述：

本发明包括上部接头1、本体2、造穴机构3、流道转换机构7和刀翼张开机构6；所述上部接头1一端与钻杆相连，另一端与本体2相连；所述的本体2上端与上部接头1相连，下端与堵头4相连；所述的造穴机构3包括刀翼3-1和组合喷嘴块3-2；所述的刀翼3-1与T型连接轴5铰链连接，T型连接轴5穿过“门”形方孔2-3两侧的阶梯孔2-1与本体2连接；所述的阶梯孔2-1其中一个为圆形阶梯孔2-1-1，另一个阶梯孔为正六边形阶梯孔2-1-2；所述的圆形阶梯孔2-1-1的大孔和小孔横截面均为圆形；所述的正六边形阶梯孔2-1-2的大孔横截面为正六边形，小孔横截面为圆形，所述的“门”形方孔2-3上方置有本体高压胶管连接孔2-9、推杆孔2-7和上部导流管孔2-8，下方置有下部导流管孔2-5；所述的下部导流管孔2-5下方为本体下部流道2-4；所述的本体下部流道2-4由一个轴向盲孔和一个径向通孔相贯而成；所述的“门”形方孔2-3上部的对角位置分别有限位块2-6和支撑块2-2。

上述的组合喷嘴块3-2分为圆形带凸台型组合喷嘴块3-3和椭圆型组合喷嘴块3-4两种型式，圆形带凸台型组合喷嘴块3-3置于本体2下部，椭圆型组合喷嘴块3-4置于刀翼3-1末端；所述的流道转换机构7包括球座7-1、球座导向套7-2、复位弹簧7-3、空心球7-4、高压胶管7-5和导流管7-6；所述的流道转换机构7置于本体2内部；所述的高压胶管7-5作为椭圆型组合喷嘴块3-4的供水通道，与刀翼3-1相连；所述的导流管7-6所为圆形带凸台型组合喷嘴块3-3的供水通道，与本体下部流道2-4相通；所述刀翼张开机构6包括球座7-1和推杆6-1；所述推杆6-1一端与球座7-1底部相接触，另一端与刀翼3-1圆头端相接触。

其中，本体2在中部开有“门”形方孔2-3，“门”形方孔两侧开有阶梯孔，其中一个阶梯孔为正六边形阶梯孔2-1-2，另一个阶梯孔为圆形阶梯孔2-1-1；所述的正六边形阶梯孔2-1-2的大孔横截面为正六边形，小孔横截面为圆形；所述的圆形阶梯孔2-1-1的大孔和小孔横截面均为圆形；。

为了进行一级纯水力、二级水力-机械联合造穴，所述的圆形带凸台型组合喷嘴块3-3置于本体下部流道2-4径向通孔内，其上盖有防脱落盖板3-3-2，防胶落盖板3-3-2通过螺钉3-3-1与本体2相连；所述的椭圆型组合喷嘴块3-4置于刀翼3-1末端椭圆形孔3-1-5内，通过圆锥销3-1-3与刀翼3-1相连。

为了实现通往本体下部圆形带凸台型组合喷嘴块3-3的流道（即一级纯水力造穴流道8-1）和通往刀翼3-1末端椭圆型组合喷嘴块3-4的流道（即二级水力-机械联合造穴流道8-2）一方打开同时另一方关闭的流道转换功能，保证钻井液在不同工序下都流向造穴喷嘴，所述的流道转换机构包括球座7-1、球座导向套7-2、复位弹簧7-3、空心球7-4、高压胶管7-5和导流管7-6；所述的球座7-1为变径圆柱体，直径突变处置有球座耳板7-1-1；所述的球座7-1内有流道；所述的球座耳板7-1-1开有周向孔；所述球座导向套7-2开有侧孔，球座7-1上部在球座导向套7-2内；所述复位弹簧7-3一端与球座7-1下部相接触，另一端与本体2相接触；所述的导流管7-6一端带有导流管耳板7-6-1，导流管耳板7-6-1卡在球座7-1流道扩大段和出口段的转折处，导流管7-6依次穿过本体上部导流管孔2-8和T型连接轴5的径向通孔5-1，导流管7-6另一端置于本体下部导流管孔2-5内；所述的高压胶管7-5一端与本体高压胶管连接孔2-9相连，另一端与刀翼高压胶管连接孔3-1-2相连。

为了实现刀翼从0°到90°的张开，所述的刀翼3-1与T型连接轴5铰链连接，T型连接轴5穿过“门”形方孔2-3两侧的阶梯孔2-1与本体2连接；所述的刀翼3-1圆头端为3/8圈的刀翼圆头端齿轮3-1-4；所述的推杆6-1的三根圆杆6-1-1与球座7-1底部相接触，齿条6-1-3与刀翼圆头端齿轮3-1-4相啮合；所述的推杆6-1在球座7-1下行时，依靠球座7-1对其的作用力，通过齿条6-1-3与刀翼圆头端齿轮3-1-4的啮合，推动刀翼3-1绕T型连接轴5从0°到90°张开。

为了避免在刀翼内部制造流道存在的造穴直径和刀翼强度难以同时保证的问题，使刀翼强度得到保证，所述的刀翼3-1一侧开有斜槽3-1-1，斜槽3-1-1深端有刀翼高压胶管连接孔3-1-2；所述的高压胶管7-5一端与本体高压胶管连接孔2-9相连，另一端与刀翼高压胶管连接孔3-1-2相连。

上述的T型连接轴5中部开有径向通孔5-1；所述的T型连接轴5为一段圆柱的一端置有正六边形方头，另一端开有挡圈槽5-2；所述的T型连接轴5的正六边形方头形状与正六边形阶梯孔的大孔横截面形状相吻合，圆柱段穿过正六边形阶梯孔的小孔，T型连接轴5的正六边形方头卡在正六边形阶梯孔内，另一端置于圆形阶梯孔的小孔内。

本发明的一种水力-机械联合煤层造穴工具工作原理为：将上部接头1连接到钻杆上，下入至待造穴的深度。在地面开动钻机和泥浆泵，钻机通过钻杆带动工具整体旋转，钻井液由泥浆泵流入钻杆，经由上部接头1进入工具流道，流经流道转换机构7和导流管7-6，进入本体下部流道2-4，由本体2下部圆形带凸台型组合喷嘴块3-3喷出，形成破岩射流，在钻杆的旋转带动下进行水力破岩造穴，形成一个小直径的洞穴，完成一级纯水力造穴。一级纯水力造穴完成后，上提工具至洞穴顶部，控制钻杆旋转速度，进行投球，空心球7-4卡在球座7-1上，使球座处压力升高，球座7-1下行并越过球座导向套7-2的侧孔位置，关闭通往圆形带凸台型组合喷嘴块3-3的流道（即一级纯水力造穴流道8-1），打开通往刀翼3-1末端椭圆型组合喷嘴块3-4的流道（即二级水力-机械联合造穴流道8-2），压缩复位弹簧7-3，推动推杆6-1下行；推杆6-1上的齿条6-1-3与刀翼圆头端齿轮3-1-4啮合，推动刀翼3-1绕T型连接轴5从0°到90°张开。观察上返钻井液中携带煤屑的数量，煤屑数量增多表明刀翼3-1已经张开，并开始破碎煤层。一段时间后，煤屑数量减少，并且工具不憋钻，说明刀翼3-1已经完全张开。控制下行速度并对工具进行下放，刀翼3-1开始进行造穴，上返煤屑增多。当完成设计造穴深度时，停止下放和旋转，关闭泥浆泵。球座7-1处流体压力平衡。上提工具，在复位弹簧7-3和刀翼3-1自重的作用下，刀翼3-1收回本体2内。工具上提至井口，造穴工作完成。

本发明的优点：使用方法简单，只需一次起下钻即可完成一级纯水力、二级水力-机械联合的双级造穴，能够保证大直径造穴，并可有效缩短造穴的时间、降低造穴难度、提高造穴效率、从而降低煤层气开发成本。

以上所述仅为本发明最具代表性的实施方式，凡依据本发明申请专利范围内所做的均等变化与修饰，均应属于本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种水力-机械联合煤层造穴装置，其特征是：包括上部接头（1）、本体（2）、造穴机构（3）、流道转换机构（7）和刀翼张开机构（6）；所述的造穴机构（3）、流道转换机构（7）和刀翼张开机构（6）置于本体（2）的内部；所述的造穴机构（3）包括刀翼（3-1）和组合喷嘴块（3-2）；所述的刀翼（3-1）能在刀翼张开机构（6）的作用下，完成从0°到90°的张开；所述刀翼张开机构（6）包括推杆（6-1），所述推杆（6-1）一端与球座（7-1）底部相接触，另一端与刀翼（3-1）圆头端相接触；

所述的本体（2）在中部开有“门”形方孔（2-3），“门”形方孔两侧开有阶梯孔，其中一个阶梯孔为正六边形阶梯孔（2-1-2），另一个阶梯孔为圆形阶梯孔（2-1-1）；所述的正六边形阶梯孔（2-1-2）的大孔横截面为正六边形，小孔横截面为圆形；所述的圆形阶梯孔（2-1-1）的大孔和小孔横截面均为圆形；所述的“门”形方孔（2-3）上方置有本体高压胶管连接孔（2-9）、推杆孔（2-7）和上部导流管孔（2-8），下方置有下部导流管孔（2-5）；所述的下部导流管孔（2-5）下方为本体下部流道（2-4）；所述的本体下部流道（2-4）由一个轴向盲孔和一个径向通孔相贯而成；所述的“门”形方孔（2-3）上部的对角位置分别有限位块（2-6）和支撑块（2-2）。

2.根据权利要求1所述的水力-机械联合煤层造穴装置，其特征是：所述的刀翼（3-1）与T型连接轴（5）铰链连接，T型连接轴（5）穿过“门”形方孔（2-3）两侧的阶梯孔与本体（2）连接；所述的刀翼（3-1）的圆头端为3/8圈的齿轮；所述的刀翼（3-1）一侧开有斜槽（3-1-1），斜槽（3-1-1）深端有刀翼高压胶管连接孔（3-1-2）；所述的刀翼（3-1）的末端开有椭圆形盲孔，椭圆形盲孔与刀翼高压胶管连接孔相通；所述的T型连接轴（5）中部开有径向通孔（5-1）；所述的T型连接轴（5）为一段圆柱，圆柱的一端置有正六边形方头，另一端开有挡圈槽（5-2）；所述的T型连接轴（5）的正六边形方头形状与正六边形阶梯孔的大孔横截面形状相吻合，圆柱段穿过正六边形阶梯孔的小孔，T型连接轴（5）的正六边形方头卡在正六边形阶梯孔内，另一端置于圆形阶梯孔的小孔内。

3.根据权利要求1所述的水力-机械联合煤层造穴装置，其特征是：所述的组合喷嘴块（3-2）包括圆形带凸台型和椭圆型两种，其中，圆形带凸台型组合喷嘴块（3.3）置于本体下部径向通孔内，椭圆型组合喷嘴块（3-4）置于刀翼末端椭圆形孔内；所述的圆形带凸台型组合喷嘴块（3.3）上盖有防脱落盖板（3-3-2），防脱落盖板通过螺钉（3-3-1）与本体（2）相连；所述的椭圆型组合喷嘴块（3-4）通过圆锥销（3-1-3）与刀翼（3-1）相连。

4.根据权利要求1所述的水力-机械联合煤层造穴装置，其特征是：所述的流道转换机构（7）包括球座（7-1）、球座导向套（7-2）、复位弹簧（7-3）、空心球（7-4）、高压胶管（7-5）和导流管（7-6）；所述的球座（7-1）为变径圆柱体，直径突变处置有球座耳板（7-1-1）；所述的球座（7-1）内有流道；所述的球座耳板（7-1-1）开有周向孔；所述球座导向套（7-2）开有侧孔，球座（7-1）上部在球座导向套（7-2）内；所述复位弹簧（7-3）一端与球座（7-1）下部相接触，另一端与本体（2）相接触；所述的导流管（7-6）一端带有导流管耳板（7-6-1），导流管耳板（7-6-1）卡在球座（7-1）流道扩大段和出口段的转折处，导流管（7-6）依次穿过本体上部导流管孔（2-8）和T型连接轴（5）的径向通孔（5-1），导流管（7-6）另一端置于本体下部导流管孔（2-5）内；所述的高压胶管（7-5）一端与本体高压胶管连接孔（2-9）相连，另一端与刀翼高压胶管连接孔（3-1-2）相连。

5.根据权利要求1所述的水力-机械联合煤层造穴装置，其特征是：所述的推杆（6-1）分为三部分，上部为三根圆杆（6-1-1），中部为横板（6-1-2），下部为齿条（6-1-3）；所述的三根圆杆（6-1-1）穿过本体推杆孔，一端与球座耳板（7-1-1）下部相连，另一端与中部横板（6-1-2）上表面相连；所述的齿条（6-1-3）垂直置于中部横板的一端，与刀翼上的齿轮啮合。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的水力-机械联合煤层造穴装置的使用方法，其特征是其具体的操作步骤是：

第一步：在地面将水力-机械联合煤层造穴工具与钻杆下端相连，送入预先钻好的井眼中，下至设计造穴段的上端；

第二步：在地面开动钻机和泥浆泵，以较慢的速度下放工具，钻机通过钻杆带动工具整体旋转，进行一级纯水力造穴，当下放至设计造穴深度时，完成一级纯水力造穴；

第三步：一级纯水力造穴完成后，将工具上提至设计洞穴顶部，控制钻杆旋转速度，进行投球，关闭一级纯水力造穴流道，打开二级水力-机械联合造穴流道，压缩复位弹簧，推动推杆下行，推动刀翼绕T型连接轴从0°到90°张开；

第四步：观察上返钻井液中携带煤屑的数量，煤屑数量增多表明刀翼已经张开，并开始破碎煤层，一段时间后，煤屑数量减少，并且工具不憋钻，说明刀翼已经完全张开，刀翼完全张开后，控制下行速度对工具进行下放，刀翼和椭圆型组合喷嘴块开始进行二级水力-机械联合造穴；

第五步：当下放至设计造穴深度时，停止下放和旋转，关闭泥浆泵，在复位弹簧和刀翼自重的作用下，刀翼收回本体内，上提工具至井口，造穴工作完成。