CN105735897B - 一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具。该工具包括上接头、主轴旋转系统、水平造穴系统三部分。主轴旋转系统通过高压射流通道水力喷射产生的力矩能够推动自身旋转破岩。同时，主轴旋转系统还包括在工具下部的辅助射流系统，来辅助主轴旋转系统旋转破岩。水平造穴系统分为三级可伸缩式钻头，通过水力压力逐级展开并通过水力喷射产生的力矩推动自身旋转破岩。通过水力推动工具的主轴旋转系统和水平造穴系统的旋转，使两个方向的旋转相互配合并形成反馈机制，从而侧向逐级展开进行造洞穴。该工具操作简便易控制，能够在造穴中维持井壁的稳定性，防止井壁坍塌，造出较为规则的洞穴，还能应用于缩颈地层的扩径作业。

Description

一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具

技术领域

本发明涉及一种煤层气井造洞穴作业中的配套装置，具体是一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具。

背景技术

煤层气开发是我国能源开发的重点。由于煤层气直井开发的产量与预期效果相差太大，“U型井”连通技术被广泛应用于煤层气开发，即水平井和排采井两口井井眼相互连通。在“U型井”连通技术中，由水平井井眼去连通排采井井眼。为保证连通概率，需要在排采井设计的连通处扩大井径造洞穴。除此之外，在钻井作业中，遇到缩颈地层也需要下入工具进行扩径作业。煤层气洞穴完井方式也需要造洞穴作业。目前常用的造穴方法有三种，分别为负压造穴、水力射流造穴和机械工具造穴。但是从应用效果看，负压造穴工艺设备复杂，技术要求高，操作难度大，危险系数大；射流造穴技术无法精确得到洞穴直径，工艺参数不可控；机械工具造穴尺寸小，强度低，且易卡在地下，无法保证井壁的稳定性。根据新的理论，设计出了一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，无论是对提高煤层气井造洞穴作业的效率还是对保证煤层气开发过程中的可靠性都具有极其重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是要提供一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，该工具针对现有煤层气造穴技术存在的缺陷，操作简便，安全可靠，能够造出设定直径的洞穴，并且能保证地层的稳定性，提高煤层气井开发的效率和可靠性。

本发明的目的按以下技术方案实现：

一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，主要包括上接头、主轴旋转系统、水平旋转系统，上接头上部具有与钻杆紧密结合的丝扣，下部通过滚动轴承与主轴旋转系统连接，主轴旋转系统上部位置均匀分布三条高压射流通道，主轴中间为液流通道，液流通道上端外连钻杆内部通道，从上往下分别连通高压射流通道、水平旋转系统液流通道和辅助射流通道。中部位置连接水平旋转系统，其具有三级钻头，内部最小直径的钻头为一级钻头，半径依次增大分别为二级和三级钻头，每一级钻头分为旋转底板、弹簧、钻头三部分，弹簧一端连接钻头，另一端连接封装在主轴旋转系统上的限位滚动轴承上，一级旋转底板卡在二级底板和主轴之间，衔接处为滚动轴承，二级旋转底板卡在三级底板和一级底板之间，衔接处为滚动轴承，三级旋转底板卡在主轴和二级底板之间，衔接处为滚动轴承，水平旋转系统，每一级钻头旋转时，依靠钻头带动弹簧所形成的扭矩带动封装在主轴旋转系统上的限位滚动轴承圆环旋转。各级钻头前端均安装有螺旋射流通道，流体通过该射流通道时，所产生的力矩驱使该级钻头沿自己的轴旋转。主轴旋转系统内部主液流通道具有主轴弹簧，弹簧一端固定在主轴底部，一端连接弹簧塞，主轴旋转系统下部位置均匀分布三条辅助射流通道以及对应三条附加射流通道，辅助射流通道内部具有附加压力弹簧以及弹簧塞，起到根据压力调节附加射流通道开闭的功能。高压射流通道和附加射流通道在水平方向上均匀分布三条螺旋射流通道，并能够预防主轴弹簧失效导致工具无法正常工作，当水压增大到一定程度时，弹簧被压开，附加射流通道被打开，流体通过附加射流通道喷射出。辅助射流通道的中部位置与附加射流通道相连通，辅助射流通道内部具有附加压力弹簧以及弹簧塞，起到根据压力调节辅助射流通道开闭的功能。高压射流通道和辅助射流通道在水平方向上均匀分布三条螺旋射流通道，流体从该通道射出，所产生的力矩驱使主轴旋转。

工具工作时高压钻井液从液流通道进入造洞穴工具，主轴旋转系统通过高压射流通道水力喷射产生的力矩来带动自身旋转；液流通过水平液流通道与过一级旋转钻头的螺旋射流通道连通，从射流通道喷射高压流体，产生力矩带动一级旋转钻头旋转。一级旋转钻头全部伸展后，一级与二级旋转系统的液流通道被打开，液流进入二级旋转钻头，从二级旋转钻头的螺旋射流通道喷射高压流体，产生力矩带动二级旋转钻头旋转，二级旋转钻头全部展开后，进而二级与三级旋转系统的液流通道被打开，液流进入三级旋转钻头，三级旋转钻头的射流通道喷射高压流体，产生作用力带动三级旋转钻头旋转。

当水平旋转系统受到阻力无法展开时，其三级展开受到限制，从而使主轴液流通道内液压增大。液压增大会使主轴高压射流通道流速增大，从而主轴旋转加速，同时主轴弹簧塞下移，附加射流通道弹簧塞被压开，辅助射流通道打开，此时高压射流通道和辅助射流通道同时喷射高压流体，加速主轴旋转。当主轴旋转切割井壁使水平方向获得更大空间，水平钻头继续展开，主轴液流通道压力减小，辅加射流通道关闭。从而主轴旋转系统和水平旋转系统形成反馈机制，互相配合。当洞穴造成后，减小注入的流体压力，水平旋转系统的三级钻头通过弹簧收缩拉回，主轴弹簧塞也由于受到的流体压力值降低而回到初始位置。

本发明的有益效果是：(1)操作该工具只需控制好泵压便可实现所有操作，简便易操作；(2)该工具系统均为回转式结构，加工方便、结构简单、性能稳定；(3)水平旋转系统分为三级，三级伸缩式钻头逐级展开，不需要像常规造穴工具一样撑开，可以达到造穴平稳的目的，能够保持井壁的稳定性；(4)工具造斜过程都为回转式结构旋转运动，结构强度高，受力均衡。且钻头可自由伸缩，根据受力自我调节位置。从而工具结构可靠，不易受损，使用寿命高；(5)造穴过程平顺，井壁坍塌可能性小。同时，造穴完成后水平系统在弹簧作用下收缩回工具内。从而工具不会出现卡住取不出的情况，操作可靠安全；(6)与钻头连接的弹簧可以起到减震器的作用，在系统工作时候能够减少频繁振动产生的危害，大大延长工具寿命；(7)通过主轴旋转系统和水平旋转系统相互配合，通过井壁应力、供给的主轴水压大小等参数来控制，形成负反馈的机制，更好的维持了在钻进过程中的井壁稳定，使得造穴过程更加平稳；(8)通过测试不同的井壁压力，可以计算出所需的主轴弹簧和水平展开系统的弹簧的弹簧强度，通过装载不同强度的弹簧来适应不同的煤层气的井壁；(9)工具可直接接在钻柱上，小巧方便，可用于易缩径的井壁的扩径作业，具有广阔的发展前景。

附图说明：

图1是本发明的整体未展开状态的结构示意图；

图2是本发明工作时一级展开状态的结构示意图；

图3是本发明工作时二级展开状态的结构示意图；

图4是本发明工作时三级展开状态的结构示意图；

图5是本发明的左视局部剖面示意图；

图6是该造穴工具水平造穴系统一级系统结构示意图；

图7是该造穴工具水平造穴系统二级系统结构示意图；

图8是该造穴工具水平造穴系统三级系统结构示意图；

图9是该造穴工具水平造穴系统一、二、三级组装后整体结构示意图；

图10是该造穴工具水平造穴系统一级系统A-A剖面示意图；

图11是该造穴工具水平造穴系统一级系统B-B剖面示意图；

图12是该造穴工具水平造穴系统一级系统C-C剖面示意图；

图13是该造穴工具主轴D-D处的剖面示意图；

图14是该造穴工具主轴E-E处的剖面示意图；

图15是该造穴工具水平造穴系统一级系统钻头的水力射流通道的结构示意图；

图16是该造穴工具水平造穴系统二级系统钻头的水力射流通道的结构示意图；

图17是该造穴工具水平造穴系统三级系统钻头的水力射流通道的结构示意图；

图中：1—上接头；2—液流通道；3—滚动轴承；4—主轴射流通道；5—主轴弹簧塞；6—三级旋转钻头与主轴的滚动轴承；7—二级与三级旋转钻头的滚动轴承；8—一级与二级旋转钻头的滚动轴承；9—三级旋转钻头；10—二级旋转钻头；11—一级旋转钻头；12—水平液流通道；13—二级旋转钻头的射流通道；14—三级旋转钻头的射流通道；15—一级旋转钻头的射流通道；16—辅助射流通道弹簧塞；17—辅助射流通道；18—附加压力弹簧及弹簧通道；19—主轴弹簧；20—主轴；21—一级与二级旋转系统的液流通道；22—二级与三级旋转系统的液流通道；23—三级旋转底板滚动轴承；24—控制三级旋转伸展与收缩的弹簧；25—二级旋转底板滚动轴承；26—控制二级旋转伸展与收缩的弹簧；27—一级旋转底板滚动轴承；28—控制一级旋转伸展与收缩的弹簧；29—一级旋转底板；30—二级旋转底板；31—三级旋转底板；32—附加射流通道。

所述的水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，能够造出直径为0.68m的洞穴。工具全长2m，上接头全长500mm。主轴上部分带有3个射流通道，下部分带有三个辅助射流通道。水平三级钻头每一级带有3个射流通道。射流通道直径均为10mm。主轴直径210mm，三级水平钻头(9)(10)(11)水平方向伸展长度分别为70mm，80mm，90mm，一级水平钻头直径30mm，二级水平钻头直径90mm，三级水平钻头直径210mm。

具体实施方式：

以下结合附图1-17，对本发明作进一步的描述：

本发明提出一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具：能造出直径为0.68m的洞穴，并且操作简便安全，能够保持地层的稳定性。

工具下入地层：

造洞穴工具通过上接头连接到钻杆，下入目的地层，控制水平旋转系统对准造穴靶点，造穴工具处于未展开状态，如图1所示。

三级展开过程：

液流通道2中通入高压流体，主轴弹簧塞5被推到水平液流通道12以下，主轴射流通道4和水平液流通道12全部打开连通主液流通道2，主轴射流通道4喷射高压流体，产生的作用力带动主轴旋转切割地层，液流通过水平液流通道12与过一级旋转钻头11的螺旋状的一级旋转钻头射流通道15连通，从而射流通道喷射高压流体，产生作用力带动一级旋转钻头11旋转，如图2所示。

一级旋转钻头11全部伸展后，一级与二级旋转系统的液流通道21被打开，液流进入二级旋转钻头10，从而二级旋转钻头的射流通道13喷射高压流体，产生作用力带动二级旋转钻头10旋转。二级旋转钻头10全部展开后，进而二级与三级旋转系统的液流通道22被打开，液流进入三级旋转钻头9。三级旋转钻头的射流通道14喷射高压流体，产生作用力带动三级旋转钻头9旋转，图2图3所示。

反馈机理：

当水平旋转钻头展开旋转受阻，其射流通道无法打开，从而使主轴液流通道2内液压增大。液压增大会使主轴射流通道4流速增大，主轴20旋转加快。同时主轴弹簧塞5在液压推动下下移，附加射流通道32与液流通道2连通，主轴射流通道4和附加射流通道32同时喷射高压流体，加快主轴旋转。当主轴旋转切割井壁使水平方向获得更大空间，水平钻头继续展开旋转，主轴液流通道2压力减小，辅助射流通道17关闭。从而主轴旋转系统和水平旋转系统形成反馈机制，互相配合。

造洞穴完成：

当三级水平钻头全部展开，造洞穴完成，如图4所示。停止泵入高压流体，水平旋转系统在水平弹簧的拉力下收入工具内，工具可以起升到地面，作业完成。

Claims (5)

1.一种水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，主要包括上接头、主轴旋转系统、水平旋转系统，其特征在于：上接头上部具有与钻杆紧密结合的丝扣，下部通过滚动轴承与主轴旋转系统连接，主轴上部位置分布有三条高压射流通道，中部位置连接水平旋转系统，水平旋转系统具有三级钻头，内部最小直径的钻头为一级钻头，半径依次增大分别为二级和三级钻头，每一级钻头分为旋转底板、弹簧、钻头三部分，弹簧一端连接钻头，另一端连接封装在主轴旋转系统上的限位滚动轴承上，一级旋转底板卡在二级底板和主轴之间，衔接处为滚动轴承，二级旋转底板卡在三级底板和一级底板之间，衔接处为滚动轴承，三级旋转底板卡在主轴和二级底板之间，衔接处为滚动轴承，主轴旋转系统内部主液流通道具有主轴弹簧，弹簧一端固定在主轴底部，一端连接弹簧塞，主轴旋转系统下部位置分布有三条辅助射流通道以及分别与之相连接的三条附加射流通道，辅助射流通道的中部位置与附加射流通道相连通，辅助射流通道内部具有附加压力弹簧以及弹簧塞。

2.如权利要求1所述水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，其特征在于：所述主轴旋转系统，中间为液流通道，液流通道上端外连钻杆内部通道，从上往下分别连通高压射流通道、水平旋转系统液流通道和辅助射流通道。

3.如权利要求1所述水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，其特征在于：主轴上的三条高压射流通道在水平面上沿周向互相呈120度角均匀分布；主轴旋转系统下部位置的三条辅助射流通道以及分别与之相连接的三条附加射流通道，在水平面上沿周向互相呈120度角均匀分布；高压射流通道和附加射流通道均为螺旋形喷射通道。

4.如权利要求1所述水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，其特征在于：所述具有附加压力弹簧以及弹簧塞的辅助射流通道，起到根据压力调节附加射流通道开闭的功能，并能够预防主轴弹簧失效导致工具无法正常工作，当水压增大到一定程度时，弹簧被压开，附加射流通道被打开，流体通过附加射流通道喷射出。

5.如权利要求1所述水力动力三级展开式煤层气造洞穴工具，其特征在于：所述水平旋转系统，每一级钻头旋转时，依靠钻头带动弹簧所形成的扭矩带动封装在主轴旋转系统上的限位滚动轴承圆环旋转。