CN209687414U - 一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具 - Google Patents

Abstract

一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，适用于深部构造煤层水平井井下多级扩孔时使用。它包括顺序连接的无线射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构，射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构之间通过螺纹连接。利用电子标签球改变所需的扩孔条件，从而实现扩孔的远程操控，在不更换钻具的前提下，在构造煤等较软地层中实现水平井、直井、斜井等多种方式的扩孔钻进，还可以根据工程需要完成某一孔段的多级扩孔作业；激发与扩孔机构结构可靠，随钻扩孔钻具扩孔方式可靠，扩孔率较高，可实现大口径成孔，扩孔稳定性好，自动化程度高。

Description

一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具

技术领域

本实用新型涉及一种多级变径随钻扩孔钻具，尤其适用于深部构造煤层水平井井下多级扩孔时使用的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具。

背景技术

中国构造煤广泛发育且构造煤煤层气资源丰富，但是构造煤具有的富气、低渗、松软、破碎等突出特征，成为制约构造煤开采和煤层气开发的重要客观因素。钻探技术作为构造煤中煤层气开发的一种技术手段，已得到越来越广泛的应用。而在松软破碎的构造煤层钻进中，常表现出：①钻进过程中，钻孔稳定性差，孔壁易坍塌，成孔质量差；②钻孔孔壁坍塌，钻渣排出通道受阻，常常会出现卡钻、夹钻、喷孔等现象，甚至发生安全事故。在构造煤中钻进形成大孔径钻孔，可以增大煤层卸压范围，改善煤层渗透性，提高煤层气解吸速率和效率，但是，在埋深较大且破碎、松软的构造煤层采用传统的机械钻机施工大直径钻孔就更加困难。因此，构造煤层中的扩孔钻进仍然是钻探技术面临的巨大挑战。

构造煤层钻进采煤采气是依据钻头破碎煤层，一次钻进可以形成与钻头直径等径的圆柱状钻孔，同时通过钻井液将煤炭颗粒携带到地面。从经济性和开采效率考虑，进入煤层区域后钻头直径应尽量大。然而岩层的可钻性要远低于煤层的可钻性，以大直径钻头钻进岩石层需要更高的钻压和扭矩，钻头直径越大，钻进速度越低，相应成本随之提高。因此需要在岩层中以小直径钻头钻进，在煤层中以大直径钻头钻进，这就要求采用大变径的扩孔钻具。在进行大直径扩孔时，则需要通过起下钻来变更井下钻具组合。起钻改变钻具组合会造成成本增加，钻井周期增长，并容易造成遇阻和卡钻，因此需要在不提钻的条件下完成扩孔工作。

目前的随钻扩孔装备以投球和压差式激活方式为主，以刀片为主要的刀翼形式，主要包括机械式扩眼器和液压式扩眼器两类，但应用效果不明显，主要表现在，液压式扩孔器利用泵压控制，增大泵压直径变大，减小泵压直径变小，但由于泵压难以保持恒定不变，难以精确控制钻孔直径，扩孔质量难以保证。因此需要更加稳定的、精度更高的扩孔钻具。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种满足随钻扩孔技术的要求，提高扩孔率，实现多级往复式扩孔的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具。

为实现上述技术目的，本实用新型基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：它包括顺序连接的射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构，射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构之间通过螺纹连接；

所述射频识别激发机构包括外壳体A，固定挡板A，O型密封圈A，RFID系统，传输电缆A，中心流道，压紧螺钉，固定筛网，电子标签球，其中外壳体A管状结构，外壳体A的侧壁开凹槽，凹槽中设有RFID系统，RFID系统通过O型密封圈A和固定挡板A固定，RFID系统与传输电缆A连接，并延伸至射频识别激发机构外侧，外壳体A内部设有固定筛网，固定筛网阻挡电子标签球，使电子标签球暂时储存于中心流道中，便于电子标签球的回收；

所述电液控制机构包括外壳体B，内中心管，支撑环，微控制器，微型天线，固定挡板B，环形空间，第一复位弹簧，滑动活塞A，上部腔室，电磁阀A，电磁阀B，固定挡板C，LVDT式位移传感器，注油孔，第二复位弹簧，O型密封圈B，滑动活塞B，轴向液流孔A，轴向液流孔B，传输电缆B，O型密封圈C，下部腔室，锂电池；

其中外壳体B与外壳体A匹配，外壳体B内设有内中心管，内中心管上方通过支撑环与外壳体B连接固定，内中心管上方设有微控制器，微控制器顶部设有微型天线，内中心管内部为中空结构，微控制器的尾端通过传输电缆B与设置在内中心管中的锂电池相连接，锂电池下方设有固定用的固定挡板B，固定挡板B下方在内中心管中设有滑动活塞A，滑动活塞A和内中心管之间设有0型密封圈C,固定挡板B与滑动活塞A之间设有第一复位弹簧，滑动活塞A下方设有固定挡板C，固定挡板C下方设有LVDT式位移传感器，滑动活塞A与固定挡板C之间设有上部腔室，固定挡板C上预留两个纵向通道，通道内安置电磁阀A和电磁阀B，电磁阀A和电磁阀B分别控制液压油分别从两个纵向通道流入上部腔室和下部腔室，固定挡板C下方设有套在第二复位弹簧上的滑动活塞B，滑动活塞B尾部从外壳体B尾部伸出，滑动活塞B的头部活塞部分中设有容纳LVDT式位移传感器测杆的圆柱形孔洞；LVDT式位移传感器的测杆设置在活塞部分的圆柱形孔洞中，微控制器的尾端通过传输电缆B还与电磁阀A、电磁阀B以及LVDT式位移传感器相连接；

所述多级扩孔回收机构包括作为钻井液的流动通道的内管和回收机构，内管设置在回收机构中间，回收机构包括：活塞固定座，滑动套管，径向液流孔，固定挡板D，上扩孔刀翼，切削齿，销钉A，连接轴，下扩孔刀翼座，下扩孔刀翼，销钉B,O型密封圈D；其中内管为柱状套筒结构，内管的侧壁上分别开有四道开口，所述回收机构包括滑动套管和扩孔刀翼座，其中滑动套管顶部设有与滑动活塞B连接的活塞固定座，滑动套管上设有多个径向液流孔，可使钻井液顺利通过，滑动套管两侧通过O型密封圈D与设在外侧的固定挡板D密封，防止钻井液外泄，滑动套管下方通过销钉A分别与四组刀翼的一端活动连接，四组刀翼的另一端分别与下扩孔刀翼座通过销钉B活动连接，所述刀翼包括上扩孔刀翼和下扩孔刀翼，上扩孔刀翼和下扩孔刀翼之间通过连接轴活动连接，上扩孔刀翼和下扩孔刀翼外侧刀刃上设有切削齿。

所述RFID激发机构和电液控制机构与传输电缆A相连接，传输电缆A与地面信号接收装置连接，电液控制机构中的电磁阀A和电磁阀B通过传输电缆B与微控制器相连。

电磁阀A和电磁阀B控制滑动活塞B的移动，可实现扩孔率为100-300％之间任意扩孔率的扩孔作业，增加扩孔的灵活性。

滑动套管上设置径向圆形液流孔；滑动套管与内管紧密连接且在轴向上可相对移动。

有益效果：

1)基于无线射频识别技术的多级变径智能随钻扩孔钻具，关键核心技术为射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔收回机构三个主要部分；2)通过标签球、RFID系统与电液控制机构相结合的方式，控制扩孔收回机构的工作状态，提高了自动化程度，简化了工作程序，提高了工作效率，降低了钻进综合成本；3)本扩孔工具扩孔易于操纵、扩孔直径范围大，在不更换钻头、不提钻的条件下，变径后的最大直径可以达到变径前直径的三倍；4)相比现有技术，该扩孔钻具的扩孔刀翼可进行大尺寸扩孔，效率高，钻进成本低，强度可靠，刀翼上镶嵌切削齿；

本设计用于地下采矿、石油领域资源的勘探，由于资源埋藏通常位于地下500m-1000m以下,现有的遥控难以满足对其进行有效的控制；利用电子标签球激活扩孔装置工作，只需要一个防水防污的外壳包裹芯片使其不受损伤即可，电子标签球的尺寸为厘米或毫米级，电子标签球随着钻井液进入钻杆，然后到达预定位置，激活RFID系统，在钻进的过程中必须使用钻井液，而且是通过泥浆泵以一定的压力把钻井液注入钻杆中，因此需要扩孔或收回时，直接在地面投掷预写有不同命令的标签球即可；

本设计适用于从地面向地下钻进，不适用向顶板钻进，向顶板钻进一般用水钻或锚杆钻机；

在领钻总成实施小口径钻探施工后，通过射频识别激发机构和电液控制机构控制多级扩孔回收机构，在钻进过程中，可实现扩孔率为100-300％之间的任意扩孔率的扩孔作业，能够最大限度的满足各种扩孔直径的要求，可以在可钻性等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的岩体中实施扩孔；钻井液上返速率大于0.5m/s。

附图说明

图1是本实用新型的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具扩孔前的示意图；

图2是本实用新型的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具一级扩孔时的示意图；

图3是本实用新型的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具二级扩孔时的示意图；

图4是本实用新型的射频识别激发机构的示意图；

图5是本实用新型的电液控制机构的示意图；

图6是本实用新型的多级扩孔回收机构的示意图；

图7是本实用新型的多级扩孔回收机构的立体结构示意图；

图中：100-无线射频识别激发机构，101-外壳体A，102-固定挡板A，103-O型密封圈A，104-RFID系统，105-传输电缆A，106-中心流道，107-压紧螺钉，108-固定筛网，109-电子标签球，200-电液控制机构，201-外壳体B，202-内中心管，203-支撑环，204-微型控制器，205-微型天线，206-固定挡板B，207-环向空间，208-第一复位弹簧，209-滑动活塞A，210-上部腔室，211-电磁阀A，212-电磁阀B，213-固定挡板C，214-LVDT式位移传感器，215-注液孔，216-第二复位弹簧，217-O型密封圈B，218-滑动活塞B，219-轴向液流孔A，220-轴向液流孔B，221-传输电缆B，222-O型密封圈C，223-下部腔室，224-锂电池，300-多级扩孔回收机构，301-内管，302-活塞固定座，303-滑动套管，304-径向液流孔，305-固定挡板D，306-上扩孔刀翼，307-切削齿，308-销钉A，309-连接轴，310-下扩孔刀翼座，311-下扩孔刀翼，312-销钉B，313-O型密封圈D。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例做进一步说明：

如图1-图3所示，本实用新型的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，包括顺序连接的射频识别激发机构100、电液控制机构200和多级扩孔回收机构300，射频识别激发机构100、电液控制机构200和多级扩孔回收机构300之间通过螺纹连接；

如图4所示，所述射频识别激发机构100包括外壳体A101，固定挡板A102，O型密封圈A103，RFID系统104，传输电缆A105，中心流道106，压紧螺钉107，固定筛网108，电子标签球109，其中外壳体A101管状结构，外壳体A101的侧壁开凹槽，凹槽中设有RFID系统104，RFID系统104通过O型密封圈A103和固定挡板A102固定，RFID系统104与传输电缆A105连接，并延伸至射频识别激发机构100外侧，外壳体A101内部设有固定筛网108，固定筛网108阻挡电子标签球109，使电子标签球109暂时储存于中心流道106中，便于电子标签球109的回收，这样保证既能阻挡电子标签球109，又能通过钻井液，而且与中心流道形成的空间又能存储电子标签球109所述RFID激发机构100和电液控制机构200与传输电缆A105相连接，传输电缆A105与地面信号接收装置连接，电液控制机构200中的电磁阀A211和电磁阀B212通过传输电缆B221与微控制器204相连；

如图5所示，所述电液控制机构200包括外壳体B201，内中心管202，支撑环203，微控制器204，微型天线205，固定挡板B206，环形空间207，第一复位弹簧208，滑动活塞A209，上部腔室210，电磁阀A211，电磁阀B212，固定挡板C213，LVDT式位移传感器214，注油孔215，第二复位弹簧216，O型密封圈B217，滑动活塞B218，轴向液流孔A219，轴向液流孔B220，传输电缆B221，O型密封圈C222，下部腔室223，锂电池224；

其中外壳体B201与外壳体A101匹配，外壳体B201内设有内中心管202，内中心管202上方通过支撑环203与外壳体B201连接固定，内中心管202上方设有微控制器204，微控制器204顶部设有微型天线205，内中心管202内部为中空结构，微控制器204的尾端通过传输电缆B221与设置在内中心管202中的锂电池224相连接，锂电池224下方设有固定用的固定挡板B206，固定挡板B206下方在内中心管202中设有滑动活塞A209，滑动活塞A209和内中心管202之间设有0型密封圈C222,固定挡板B206与滑动活塞A209之间设有第一复位弹簧208，滑动活塞A 209下方设有固定挡板C213，固定挡板C213下方设有LVDT式位移传感器214，滑动活塞A 209与固定挡板C213之间设有上部腔室210，固定挡板C213上预留两个纵向通道，通道内安置电磁阀A211和电磁阀B212，电磁阀A211和电磁阀B212分别控制液压油分别从两个纵向通道流入上部腔室210和下部腔室223，固定挡板C213下方设有套在第二复位弹簧216上的滑动活塞B218，滑动活塞B218尾部从外壳体B201尾部伸出，滑动活塞B218的头部活塞部分中设有容纳LVDT式位移传感器214测杆的圆柱形孔洞；LVDT式位移传感器214的测杆设置在活塞部分的圆柱形孔洞中，微控制器204的尾端通过传输电缆B221还与电磁阀A211、电磁阀B212以及LVDT式位移传感器214相连接；电磁阀A211和电磁阀B212控制滑动活塞B218的移动，可实现扩孔率为100-300％之间任意扩孔率的扩孔作业，增加扩孔的灵活性。

如图6和图7所示，所述多级扩孔回收机构300包括作为钻井液的流动通道的内管301和回收机构，内管301设置在回收机构中间，回收机构包括：活塞固定座302，滑动套管303，径向液流孔304，固定挡板D305，上扩孔刀翼306，切削齿307，销钉A308，连接轴309，下扩孔刀翼座310，下扩孔刀翼311，销钉B312,O型密封圈D313；其中内管301为柱状套筒结构，内管301的侧壁上分别开有四道开口，所述回收机构包括滑动套管303和扩孔刀翼座310，滑动套管303上设置径向圆形液流孔；滑动套管303与内管301紧密连接且在轴向上可相对移动，其中滑动套管303顶部设有与滑动活塞B218连接的活塞固定座302，滑动套管303上设有多个径向液流孔304，可使钻井液顺利通过，滑动套管303两侧通过O型密封圈D313与设在外侧的固定挡板D305密封，防止钻井液外泄，滑动套管303下方通过销钉A308分别与四组刀翼的一端活动连接，四组刀翼的另一端分别与下扩孔刀翼座310通过销钉B312活动连接，所述刀翼包括上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311，上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311之间通过连接轴309活动连接，上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311外侧刀刃上设有切削齿307。

一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔方法，其步骤为：

组装钻具，通过注油孔215向上部腔体注入液压油，使第一复位弹簧208处于压缩状态，当微控制器204接收到信号时，控制电磁阀A211打开，处于压缩状态的第一复位弹簧复位，同时推动滑动活塞下移,使液压油向下单向通过，进入下部腔室；

从地面投掷一个预设好一级扩孔命令的电子标签球109进入中心流道106，当电子标签球109经过RFID系统104信号接收区域时，通过发射信号控制RFID系统104，RFID系统104作出响应；固定筛网108挡住电子标签球109，使电子标签球109停留在RFID系统104附近，实现电子标签球109的接收；

微型天线205接收RFID系统104的信号并传递给微控制器204，微控制器204控制电磁阀A211打开，第一复位弹簧208推动滑动活塞A209，滑动活塞A209挤压上部腔室210中的液压油，使其通过固定挡板C213上预留的纵向通道和电磁阀A211流入下部腔室223中，下部腔室223中的液压油推动滑动活塞B218轴向下移动，同时挤压第二复位弹簧216使其处于压缩状态，等扩孔工作完成后需要扩孔刀翼回收时，打开电磁阀B，压缩状态的复位弹簧216会复位，使滑动活塞B218向上移动；

向下移动的滑动活塞B218推动活塞固定座302及滑动套管303轴向下移；上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311随销钉A308和连接轴309张开与内管301呈0-30°的角度，之后微控制器204关闭电磁阀A211，上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311随钻具转动，切削齿307切削孔壁煤岩体，从而形成初级扩孔；

需要进行再次扩孔工作时，从地面投掷一个预设好二级扩孔命令的电子标签球109，重复上述过程，上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311随销钉A308和连接轴309张开与内管301呈30-60°的角度后随钻具转动从而形成二级扩孔；

LVDT式位移传感器214监测滑动活塞A218的位移，通过滑动活塞A218的位移量计算上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311的扩孔度；微控制器204将滑动活塞A218的位移传输给RFID系统104，RFID系统104通过传输线缆A105向地面的控制监测系统传输数据，实现实时监测；钻进过程中，钻井液通过中心流道106流入外壳体B201和内中心管202形成的环形空间207，从套管303上的径向液流孔流入内管301，防止出现憋压造成安全事故；

扩孔工作完成后，从地面投掷一个预设好扩孔刀翼回收命令的电子标签球109，电子标签球109经过RFID系统104信号接收区域时，通过发射信号控制RFID系统104，RFID系统104作出响应；微型天线205接收RFID系统104发射的信号，并将信号传递给微控制器204，微控制器204控制电磁阀B212打开，第二复位弹簧216推动滑动活塞B218上移，套管303随着滑动活塞B218的上移而上移，上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311随销钉A308和连接轴309闭合；滑动活塞B218挤压下部腔室223中的液压油，使其流入上部腔室210中，上部腔室210中的液压油推动滑动活塞A209轴向上移，同时挤压第一复位弹簧208；上扩孔刀翼306和下扩孔刀翼311随销钉A308和连接轴309闭合完毕，关闭电磁阀B212，实现扩孔刀具的回收。

Claims (3)

1.一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：它包括顺序连接的无线射频识别激发机构（100）、电液控制机构（200）和多级扩孔回收机构（300），射频识别激发机构（100）、电液控制机构（200）和多级扩孔回收机构（300）之间通过螺纹连接；

所述无线射频识别激发机构（100）包括外壳体A（101），固定挡板A（102），O型密封圈A（103），RFID系统（104），传输电缆A（105），中心流道（106），压紧螺钉（107），固定筛网（108），电子标签球（109），其中外壳体A（101）管状结构，外壳体A（101）的侧壁开凹槽，凹槽中设有RFID系统（104），RFID系统（104）通过O型密封圈A（103）和固定挡板A（102）固定，RFID系统（104）与传输电缆A（105）连接，并延伸至无线射频识别激发机构（100）外侧，外壳体A（101）内部设有固定筛网（108），固定筛网（108）阻挡电子标签球（109），使电子标签球（109）暂时储存于中心流道（106）中，便于电子标签球（109）的回收；

所述电液控制机构（200）包括外壳体B（201），内中心管（202），支撑环（203），微控制器（204），微型天线（205），固定挡板B（206），环形空间（207），第一复位弹簧（208），滑动活塞A（209），上部腔室（210），电磁阀A（211），电磁阀B（212），固定挡板C（213），LVDT式位移传感器（214），注油孔（215），第二复位弹簧（216），O型密封圈B（217），滑动活塞B（218），轴向液流孔A（219），轴向液流孔B（220），传输电缆B（221），O型密封圈C（222），下部腔室（223），锂电池（224）；

其中外壳体B（201）与外壳体A（101）匹配，外壳体B（201）内设有内中心管（202），内中心管（202）上方通过支撑环（203）与外壳体B（201）连接固定，内中心管（202）上方设有微控制器（204），微控制器（204）顶部设有微型天线（205），内中心管（202）内部为中空结构，微控制器（204）的尾端通过传输电缆B（221）与设置在内中心管（202）中的锂电池（224）相连接，锂电池（224）下方设有固定用的固定挡板B（206），固定挡板B（206）下方在内中心管（202）中设有滑动活塞A(209)，滑动活塞A(209)和内中心管（202）之间设有0型密封圈C(222),固定挡板B（206）与滑动活塞A(209)之间设有第一复位弹簧（208），滑动活塞A (209)下方设有固定挡板C（213），固定挡板C（213）下方设有LVDT式位移传感器（214），滑动活塞A (209)与固定挡板C（213）之间设有上部腔室（210），固定挡板C（213）上预留两个纵向通道，通道内安置电磁阀A（211）和电磁阀B（212），电磁阀A（211）和电磁阀B（212）分别控制液压油分别从两个纵向通道流入上部腔室（210）和下部腔室（223），固定挡板C（213）下方设有套在第二复位弹簧（216）上的滑动活塞B（218），滑动活塞B（218）尾部从外壳体B（201）尾部伸出，滑动活塞B（218）的头部活塞部分中设有容纳LVDT式位移传感器（214）测杆的圆柱形孔洞；LVDT式位移传感器（214）的测杆设置在滑动活塞B(218)部分的圆柱形孔洞中，微控制器（204）的尾端通过传输电缆B（221）还与电磁阀A（211）、电磁阀B（212）以及LVDT式位移传感器（214）相连接；

所述多级扩孔回收机构（300）包括作为钻井液的流动通道的内管（301）和回收机构，内管（301）设置在回收机构中间，回收机构包括：活塞固定座（302），滑动套管（303），径向液流孔（304），固定挡板D（305），上扩孔刀翼（306），切削齿（307），销钉A（308），连接轴（309），下扩孔刀翼座(310)，下扩孔刀翼(311)，销钉B(312),O型密封圈D（313）；其中内管（301）为柱状套筒结构，内管（301）的侧壁上分别开有四道开口，所述回收机构包括滑动套管（303）和扩孔刀翼座(310)，其中滑动套管（303）顶部设有与滑动活塞B（218）连接的活塞固定座（302），滑动套管（303）上设有多个径向液流孔（304），可使钻井液顺利通过，滑动套管（303）两侧通过O型密封圈D（313）与设在外侧的固定挡板D（305）密封，防止钻井液外泄，滑动套管（303）下方通过销钉A（308）分别与四组刀翼的一端活动连接，四组刀翼的另一端分别与下扩孔刀翼座(310)通过销钉B(312)活动连接，所述刀翼包括上扩孔刀翼（306）和下扩孔刀翼(311)，上扩孔刀翼（306）和下扩孔刀翼(311)之间通过连接轴（309）活动连接，上扩孔刀翼（306）和下扩孔刀翼(311)外侧刀刃上设有切削齿（307）。

2.根据权利要求1所述的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：所述无线射频识别激发机构（100）和电液控制机构（200）与传输电缆A（105）相连接，传输电缆A（105）与地面信号接收装置连接，电液控制机构（200）中的电磁阀A（211）和电磁阀B（212）通过传输电缆B（221）与微控制器（204）相连。

3.根据权利要求1所述的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征是：滑动套管（303）上设置径向圆形液流孔；滑动套管（303）与内管（301）紧密连接且在轴向上可相对移动。