CN111946261A - 一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，包括钻杆以及钻具，其中，所述钻杆至少包括具有一定支撑性和形变能力的钻杆外壁，且进入至目标层的钻杆外壁的尾端设置有所述钻具；所述钻具包括一级液压马达组件、二级液压马达组件、偏置导向组件以及偏角调节组件，其中，所述一级液压马达组件的输出轴采用万向轴一连接有偏转轴一，所述偏转轴一的另一端连接有所述二级液压马达组件，所述二级液压马达组件的输出端采用偏转轴二连接有钻头；且，所述偏置导向组件能够为所述偏转轴一提供偏置导向力，从而使得钻头进行初步偏置导向；所述二级液压马达组件中定子部分的下方设置有所述偏角调节组件，用于进一步调节所述钻头的偏转角度。

Description

一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置
技术领域
本发明涉及水平井钻孔领域，具体是一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置。
背景技术
水平井是指井眼轨迹达到水平(井斜角>86°)并继续延伸一定长度的定向井，水平井技术增加了井与目标层的接触面积，从而使矿井的单井产量增高，提高了开采效率，减少了生产时间，因此水平井在矿山开采中的应用越来越广泛。
但是，目前来看，水平井在钻孔时难度较大，其偏角难以调节，如果仅通过钻头进行偏角调节，容易导致钻头负担较重，另外由于偏置导向导致传动效率较低，会进一步影响整体的钻孔效率，并且在钻孔过程中岩屑不易排出，使之堆积在钻头，出现故障，将钻头卡死，此时需注入冲洗液进行冲洗，因此如何利用好冲洗液成为关注的重点。
因此，本领域技术人员提供了一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，包括钻杆以及钻具，其中，多个所述钻杆依次首尾相连，构成长钻杆，所述长钻杆的尾部固定有所述钻具，
所述钻杆至少包括具有一定支撑性和形变能力的钻杆外壁，且进入至目标层的钻杆外壁的尾端设置有所述钻具；
所述钻具包括一级液压马达组件、二级液压马达组件、偏置导向组件以及偏角调节组件，其中，所述一级液压马达组件的输出轴采用万向轴一连接有偏转轴一，所述偏转轴一的另一端连接有所述二级液压马达组件，所述二级液压马达组件的输出端采用偏转轴二连接有钻头；
且，所述偏置导向组件能够为所述偏转轴一提供偏置导向力，从而使得钻头进行初步偏置导向；
所述二级液压马达组件中定子部分的下方设置有所述偏角调节组件，用于进一步调节所述钻头的偏转角度。
进一步，作为优选，所述一级液压马达组件包括钻具外壁、支撑壁、防掉轴、转子一以及定子一，其中，所述钻具外壁的内壁上固定有支撑壁，所述支撑壁的下部开口向内收缩，从而形成限位环，所述限位环中贯穿有蘑菇型防掉轴，所述防掉轴的下方同轴固定有转子一，所述转子一的外部套设有固定在支撑壁下方的定子一，且向所述转子一与定子一之间注入冲洗液能够驱动所述转子一进行转动，所述转子一的底部采用万向轴一连接有偏转轴一。
进一步，作为优选，所述二级液压马达组件包括密封环、固定筒二、转子二、定子二以及驱动轴，其中，所述偏转轴一的底部同轴固定有驱动轴，所述驱动轴的底部采用万向轴二连接有偏转轴二，所述驱动轴上还设置有所述偏角调节组件，用于调节偏转轴二的偏角；
所述驱动轴还采用对称设置的两个密封环固定嵌入在空心转子二的内部，所述转子二的外部套设有固定在所述固定筒二的内壁上的定子二，且向所述转子二与定子二之间注入冲洗液能够驱动所述转子二进行转动。
进一步，作为优选，所述固定筒二的上方同轴连接有柔性钢筒，所述柔性钢筒的上方同轴连接有固定筒一，所述固定筒一的上方同轴连接有钻具外壁，从而使得钻具构成一个整体。
进一步，作为优选，所述偏角调节组件包括上轴承座、电机、主动杆、从动杆以及下轴承座，其中，所述上轴承座采用支杆固定于固定筒二的内壁上，所述上轴承座的内壁上采用轴承一与驱动轴相连，所述上轴承座的底端圆周排布有四组电机，每组所述电机的输出端均通过环形分布的螺栓固定有主动杆，所述主动杆的另一端对称铰接有两个从动杆，所述从动杆的另一端铰接在所述下轴承座上，所述下轴承座的内壁上采用轴承二连接有偏转轴二。
进一步，作为优选，所述偏转轴二的外部固定有弹性连接环，所述弹性连接环的外圆周固定在定子二的内壁中，所述弹性连接环为疏孔结构。
进一步，作为优选，所述钻头的内部为空腔结构，且空腔中固定有横置减速电机，所述减速电机为双轴输出型，其双轴轴端上固定有侧壁开拓齿一，所述减速电机上还同轴固定有主动链轮，所述主动链轮上套设有链条，所述链条能够驱动转动设置在钻头上的侧壁开拓齿二以及端面开拓齿进行转动。
进一步，作为优选，所述偏置导向组件包括伸缩杆以及铰接在伸缩杆输出端的弧形抵盘，其中，两个所述伸缩杆对称嵌入在固定筒一中；
所述偏转轴一的外表面开设有环形凹槽，凹槽内设置有薄壁轴承，所述弧形抵盘固定抵靠在所述薄壁轴承上；
所述伸缩杆还收纳于扶正器的安装仓中，所述扶正器位于安装仓的外部部分为栏栅结构。
进一步，作为优选，所述钻杆还包括单向阀一、万向节以及梯形螺栓，其中，多个所述万向节首尾依次相连构成万向节总成，且，每个所述钻杆中放置有一万向节总成；
所述钻杆外壁的内部沿着其轴向阵列有多个固定环，用于与万向节相连接，提高万向节与钻杆外壁的一体性，所述钻杆外壁的内部顶端为梯形螺纹孔结构，且梯形螺纹孔结构的下方固定有单向阀一，所述钻杆外壁的底部固定有空心状的梯形螺栓。
进一步，作为优选，所述钻具外壁通过顶端开设的梯形螺纹孔与钻杆底端的梯形螺栓连接，所述钻具外壁的内部顶端还装有单向阀二。
与现有技术相比，本发明提供了一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，具备以下有益效果：
1.本装置中，以一定压力的方式向钻杆中注入冲洗液，冲洗液依次经过多个钻杆进入至钻具中，从而推动一级液压马达组件中的转子一转动，随后冲洗液再次进入到二级液压马达组件中，充分利用剩余压力，减小了因偏置导向导致传动效率降低，从而对钻孔效率的影响，提高了钻头的切削效果，另外，流出的冲洗液一方面能够为钻头提供冷却，另一方面能够在孔壁上形成渗透保护膜并携带岩屑排出至井外。
2.在岩层内钻孔时，通过伸缩杆的伸缩，能够调节偏置的钻头，使得整体能够以竖直方向进行钻进，在进入目标层后，通过伸缩杆的伸缩能够使得钻头定向偏移，实现初步调节，从而实现初步偏置导向，而偏角调节组件中，通过四组电机联动调节钻头的角度，能够使之到达精确的到预定位置，两者相互配合，提高了定向钻孔的效率。
附图说明
图1为一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置的整体结构示意图；
图2为一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置中钻杆的结构示意图；
图3为一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置中钻具的结构示意图；
图4为一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置中偏角调节组件的结构示意图；
图5为一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置中钻头的结构示意图；
图6为一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置中冲洗液的流动示意图；
图中：1、岩层；2、目标层；3、井口固定环；4、钻杆；5、钻具；6、单向阀一；7、万向节；8、固定环；9、钻杆外壁；10、钻具外壁；11、单向阀二；12、支撑壁；13、限位环；14、防掉轴；15、转子一；16、定子一；17、固定筒一；18、扶正器；19、安装仓；20、伸缩杆；21、万向轴一；22、偏转轴一；23、弧形抵盘；24、柔性钢筒；25、密封环；26、固定筒二；27、转子二；28、定子二；29、驱动轴；30、偏角调节组件；31、万向轴二；32、偏转轴二；33、弹性连接环；34、钻头；35、侧壁钻齿；36、通路；37、端面钻齿；301、上轴承座；302、轴承一；303、电机；304、主动杆；305、从动杆；306、下轴承座；307、轴承二。
具体实施方式
请参阅图1～6，本发明实施例中，一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，包括钻杆4以及钻具5，其中，多个所述钻杆4依次首尾相连，构成长钻杆，所述长钻杆的尾部固定有所述钻具5，
所述钻杆4至少包括具有一定支撑性和形变能力的钻杆外壁9，且进入至目标层2的钻杆外壁9的尾端设置有所述钻具5；
所述钻具5包括一级液压马达组件、二级液压马达组件、偏置导向组件以及偏角调节组件，其中，所述一级液压马达组件的输出轴采用万向轴一21连接有偏转轴一22，所述偏转轴一22的另一端连接有所述二级液压马达组件，二级液压马达组件再次利用冲洗液的剩余压力，进一步提高了切削效果，所述二级液压马达组件的输出端采用偏转轴二32连接有钻头34；
且，所述偏置导向组件能够为所述偏转轴一22提供偏置导向力，从而使得钻头34进行初步偏置导向；
所述二级液压马达组件中定子部分的下方设置有所述偏角调节组件，用于进一步调节所述钻头34的偏转角度。
本实施例中，如图3，所述一级液压马达组件包括钻具外壁10、支撑壁12、防掉轴14、转子一15以及定子一16，其中，所述钻具外壁10的内壁上固定有支撑壁12，所述支撑壁12的下部开口向内收缩，从而形成限位环13，所述限位环13中贯穿有蘑菇型防掉轴14，所述防掉轴14的下方同轴固定有转子一15，所述转子一15的外部套设有固定在支撑壁12下方的定子一16，且向所述转子一15与定子一16之间注入冲洗液能够驱动所述转子一15进行转动，转子一与定子一相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换，实现转动，所述转子一15的底部采用万向轴一21连接有偏转轴一22。
本实施例中，所述二级液压马达组件包括密封环25、固定筒二26、转子二27、定子二28以及驱动轴29，其中，所述偏转轴一22的底部同轴固定有驱动轴29，所述驱动轴29的底部采用万向轴二31连接有偏转轴二32，所述驱动轴29上还设置有所述偏角调节组件，用于调节偏转轴二32的偏角；
所述驱动轴29还采用对称设置的两个密封环25固定嵌入在空心转子二27的内部，所述转子二27的外部套设有固定在所述固定筒二26的内壁上的定子二28，且向所述转子二27与定子二28之间注入冲洗液能够驱动所述转子二27进行转动，需要说明的是，该冲洗液是来自于一级液压马达组件中排出的冲洗液，冲洗液推动转子一15转动后，随后再次进入到二级液压马达组件中，充分利用剩余压力，减小了因偏置导向导致传动效率降低，从而对钻孔效率的影响，提高了钻头的切削效果。
本实施例中，所述固定筒二26的上方同轴连接有柔性钢筒24，所述柔性钢筒24的上方同轴连接有固定筒一17，所述固定筒一17的上方同轴连接有钻具外壁10，从而使得钻具5构成一个整体。
本实施例中，所述偏角调节组件包括上轴承座301、电机303、主动杆304、从动杆305以及下轴承座306，其中，所述上轴承座301采用支杆固定于固定筒二26的内壁上，所述上轴承座301的内壁上采用轴承一302与驱动轴29相连，所述上轴承座301的底端圆周排布有四组电机303，每组所述电机303的输出端均通过环形分布的螺栓固定有主动杆304，所述主动杆304的另一端对称铰接有两个从动杆305，所述从动杆305的另一端铰接在所述下轴承座306上，所述下轴承座306的内壁上采用轴承二307连接有偏转轴二32，通过四组电机联动调节，能够使得在从动杆305的推动下轴承座306进行多角度偏转，从而使得钻头能够到达精确的到预定位置。
作为较佳的实施例，所述偏转轴二32的外部固定有弹性连接环33，所述弹性连接环33的外圆周固定在定子二28的内壁中，所述弹性连接环33为疏孔结构，便于冲洗液的排出的同时，在一定程度上防止较大岩屑颗粒进入至固定筒二26的内部。
本实施例中，所述钻头34的内部为空腔结构，且空腔中固定有横置减速电机35，所述减速电机35为双轴输出型，其双轴轴端上固定有侧壁开拓齿一36，所述减速电机35上还同轴固定有主动链轮38，所述主动链轮38上套设有链条，所述链条能够驱动转动设置在钻头34上的侧壁开拓齿二37以及端面开拓齿39进行转动，具体的，侧壁开拓齿二37和端面开拓齿39均分别采用转轴转动设置在钻头34上，且转轴上均设置有从动链轮，链条能够带动从动链轮转动，提高了钻头的钻孔效率。
本实施例中，所述偏置导向组件包括伸缩杆20以及铰接在伸缩杆20输出端的弧形抵盘23，其中，两个所述伸缩杆20对称嵌入在固定筒一17中；
所述偏转轴一22的外表面开设有环形凹槽，凹槽内设置有薄壁轴承，所述弧形抵盘23固定抵靠在所述薄壁轴承上，通过伸缩杆的伸缩，能够初步调节偏转轴一22的偏角，在岩层1内钻孔时，通过伸缩杆的伸缩，能够调节偏置的钻头，使得整体能够以竖向方向进行钻进，在进入目标层后，通过伸缩杆的伸缩能够使得钻头定向偏移，实现定向钻孔；
所述伸缩杆20还收纳于扶正器18的安装仓19中，所述扶正器18位于安装仓19的外部部分为栏栅结构，便于冲洗液的回流。
本实施例中，如图2，所述钻杆4还包括单向阀一6、万向节7以及梯形螺栓，其中，多个所述万向节7首尾依次相连构成万向节总成，且，每个所述钻杆4中放置有一个万向节总成；
所述钻杆外壁9的内部沿着其轴向阵列有多个固定环8，用于与万向节7相连接，提高万向节7与钻杆外壁9的一体性，所述钻杆外壁9的内部顶端为梯形螺纹孔结构，且梯形螺纹孔结构的下方固定有单向阀一6，所述钻杆外壁9的底部固定有空心状的梯形螺栓。
本实施例中，所述钻具外壁10通过顶端开设的梯形螺纹孔与钻杆底端的梯形螺栓连接，所述钻具外壁10的内部顶端还装有单向阀二11。
在具体实施时，按上述组装好本装置，以一定压力的方式向钻杆中注入冲洗液，冲洗液经过单向阀一6进入到钻杆4内部，随后通过单向阀二进入至钻具5中，从而驱动一级液压马达组件中的定子一以及二级液压马达组件中的定子二进行转动，最后流出，流出的冲洗液一方面能够为钻头34提供冷却，另一方面能够在孔壁上形成渗透保护膜并携带岩屑排出至井外，钻具5完全进入到岩层1后，在井口设置井口固定环3，井口固定环3中可插入抽水管，对回流的冲洗液及岩屑进行回收，在钻具5到达造斜断时，偏置导向组件中通过伸缩杆的伸缩，能够初步调节偏转轴一22的偏角，而偏角调节组件通过四组电机联动调节钻头34的角度，使之达到预定位置，在达到水平位置后，通过偏角调节组件调回钻头34的角度，使之水平钻入，最后在目标层2中继续定向水平进入，直至达到目标点，完成水平井。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，包括钻杆(4)以及钻具(5)，其中，多个所述钻杆(4)依次首尾相连，构成长钻杆，所述长钻杆的尾部固定有所述钻具(5)，其特征在于：
所述钻杆(4)至少包括具有一定支撑性和形变能力的钻杆外壁(9)，且进入至目标层(2)的钻杆外壁(9)的尾端设置有所述钻具(5)；
所述钻具(5)包括一级液压马达组件、二级液压马达组件、偏置导向组件以及偏角调节组件，其中，所述一级液压马达组件的输出轴采用万向轴一(21)连接有偏转轴一(22)，所述偏转轴一(22)的另一端连接有所述二级液压马达组件，所述二级液压马达组件的输出端采用偏转轴二(32)连接有钻头(34)；
且，所述偏置导向组件能够为所述偏转轴一(22)提供偏置导向力，从而使得钻头(34)进行初步偏置导向；
所述二级液压马达组件中定子部分的下方设置有所述偏角调节组件，用于进一步调节所述钻头(34)的偏转角度。
2.根据权利要求1所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述一级液压马达组件包括钻具外壁(10)、支撑壁(12)、防掉轴(14)、转子一(15)以及定子一(16)，其中，所述钻具外壁(10)的内壁上固定有支撑壁(12)，所述支撑壁(12)的下部开口向内收缩，从而形成限位环(13)，所述限位环(13)中贯穿有蘑菇型防掉轴(14)，所述防掉轴(14)的下方同轴固定有转子一(15)，所述转子一(15)的外部套设有固定在支撑壁(12)下方的定子一(16)，且向所述转子一(15)与定子一(16)之间注入冲洗液能够驱动所述转子一(15)进行转动，所述转子一(15)的底部采用万向轴一(21)连接有偏转轴一(22)。
3.根据权利要求2所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述二级液压马达组件包括密封环(25)、固定筒二(26)、转子二(27)、定子二(28)以及驱动轴(29)，其中，所述偏转轴一(22)的底部同轴固定有驱动轴(29)，所述驱动轴(29)的底部采用万向轴二(31)连接有偏转轴二(32)，所述驱动轴(29)上还设置有所述偏角调节组件，用于调节偏转轴二(32)的偏角；
所述驱动轴(29)还采用对称设置的两个密封环(25)固定嵌入在空心转子二(27)的内部，所述转子二(27)的外部套设有固定在所述固定筒二(26)的内壁上的定子二(28)，且向所述转子二(27)与定子二(28)之间注入冲洗液能够驱动所述转子二(27)进行转动。
4.根据权利要求3所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述固定筒二(26)的上方同轴连接有柔性钢筒(24)，所述柔性钢筒(24)的上方同轴连接有固定筒一(17)，所述固定筒一(17)的上方同轴连接有钻具外壁(10)，从而使得钻具(5)构成一个整体。
5.根据权利要求1所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述偏角调节组件包括上轴承座(301)、电机(303)、主动杆(304)、从动杆(305)以及下轴承座(306)，其中，所述上轴承座(301)采用支杆固定于固定筒二26的内壁上，所述上轴承座(301)的内壁上采用轴承一(302)与驱动轴(29)相连，所述上轴承座(301)的底端圆周排布有四组电机(303)，每组所述电机(303)的输出端均通过环形分布的螺栓固定有主动杆(304)，所述主动杆(304)的另一端对称铰接有两个从动杆(305)，所述从动杆(305)的另一端铰接在所述下轴承座(306)上，所述下轴承座(306)的内壁上采用轴承二(307)连接有偏转轴二(32)。
6.根据权利要求3所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述偏转轴二(32)的外部固定有弹性连接环(33)，所述弹性连接环(33)的外圆周固定在定子二(28)的内壁中，所述弹性连接环(33)为疏孔结构。
7.根据权利要求1所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述钻头(34)的内部为空腔结构，且空腔中固定有横置减速电机(35)，所述减速电机(35)为双轴输出型，其双轴轴端上固定有侧壁开拓齿一(36)，所述减速电机(35)上还同轴固定有主动链轮(38)，所述主动链轮(38)上套设有链条，所述链条能够驱动转动设置在钻头(34)上的侧壁开拓齿二(37)以及端面开拓齿(39)进行转动。
8.根据权利要求1所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述偏置导向组件包括伸缩杆(20)以及铰接在伸缩杆(20)输出端的弧形抵盘(23)，其中，两个所述伸缩杆(20)对称嵌入在固定筒一(17)中；
所述偏转轴一(22)的外表面开设有环形凹槽，凹槽内设置有薄壁轴承，所述弧形抵盘(23)固定抵靠在所述薄壁轴承上；
所述伸缩杆(20)还收纳于扶正器(18)的安装仓(19)中，所述扶正器(18)位于安装仓(19)的外部部分为栏栅结构。
9.根据权利要求1所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述钻杆(4)还包括单向阀一(6)、万向节(7)以及梯形螺栓，其中，多个所述万向节(7)首尾依次相连构成万向节总成，且，每个所述钻杆(4)中放置有一万向节总成；
所述钻杆外壁(9)的内部沿着其轴向阵列有多个固定环(8)，用于与万向节(7)相连接，提高万向节(7)与钻杆外壁(9)的一体性，所述钻杆外壁(9)的内部顶端为梯形螺纹孔结构，且梯形螺纹孔结构的下方固定有单向阀一(6)，所述钻杆外壁(9)的底部固定有空心状的梯形螺栓。
10.根据权利要求9所述一种非常规储层水平井可调式定向钻孔装置，其特征在于：所述钻具外壁(10)通过顶端开设的梯形螺纹孔与钻杆底端的梯形螺栓连接，所述钻具外壁(10)的内部顶端还装有单向阀二(11)。
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