用於煤井鑽孔的造穴裝置及具有其的鑽井工具的製作方法

2023-05-02 10:34:47 1

本實用新型涉及鑽井設備領域，具體而言，涉及一種用於煤井鑽孔的造穴裝置及具有其的鑽井工具。

背景技術：

目前，在煤層氣開採中，採用的造穴完井方式主要包括空氣造穴完井和機械造穴完井。

空氣造穴完井是煤層氣井所特有的完井方式，目前在國內一些地區已經得到有效應用，並取得一定效果。但是，空氣造穴工藝比較複雜，技術要求高，操作難度大，危險性大，風險性高。

空氣造穴完井容易造成目標井的頂板坍塌嚴重，甚至可能掏空技術套管尾管的下部，這對完井後的排採工作及後期採煤工作帶來極大的隱患和風險。另外，由於受到煤層自身滲透率的影響，洞穴遠端的微裂紋還沒有受到周期性的張性和剪切力作用影響，不利於後期採氣作業。空氣造穴完井過程中，由於煤層被多次激勵，坍塌錯動，產生了大量煤粉，增加了後期修井作業等程序的難度。

機械造穴完井只能滿足造穴連通工藝的需求，現有技術中，造穴裝置的切削組件在下入和提出煤井的過程中始終與井壁配合，無法保證井壁的穩定性，容易造成煤井頂板坍塌的問題。

技術實現要素：

本實用新型的主要目的在於提供一種用於煤井鑽孔的造穴裝置及具有其的鑽井工具，以解決現有技術中的造穴裝置容易造成煤井的頂板坍塌的問題。

為了實現上述目的，根據本實用新型的一個方面，提供了一種用於煤井鑽孔的造穴裝置，造穴裝置包括：主體；切削組件，與主體的一端連接，切削組件具有與井壁配合以對井壁進行切削的伸出狀態和與井壁解除配合的縮回狀態；第一驅動組件，與主體連接以驅動切削組件旋轉。

進一步地，主體具有內部通孔，造穴裝置還包括第二驅動組件，第二驅動組件包括滑動部，滑動部相對於主體可滑動地設置，滑動部的至少一端位於內部通孔內，滑動部的另一端與切削組件連接，以驅動切削組件在伸出狀態和縮回狀態之間切換。

進一步地，第二驅動組件還包括導向部，導向部套設在滑動部的外周並位於內部通孔中。

進一步地，第二驅動組件還包括與滑動部連接的壓盤，壓盤可移動地設置在內部通孔中，通過壓盤帶動滑動部移動。

進一步地，第二驅動組件還包括復位部，復位部的一端與主體連接，復位部的另一端與壓盤連接，以對切削組件施加使其向縮回狀態運動的作用力。

進一步地，切削組件為四連杆結構，切削組件包括首尾依次樞轉連接的第一切削臂、第二切削臂、第三切削臂和第四切削臂，第一切削臂和第四切削臂的連接處與滑動部連接，第二切削臂和第三切削臂的連接處相對於主體是固定設置的。

進一步地，造穴裝置還包括泥漿管道，滑動部具有管道通孔，泥漿管道的一端順次穿過管道通孔和內部通孔並與鑽杆連通，泥漿管道的另一端連接至第二切削臂和第三切削臂的連接處。

進一步地，造穴裝置還包括套設在切削組件外周的防護部，防護部與主體連接，防護部的側壁設有避讓通孔，以使切削組件在伸出狀態時伸出防護部。

進一步地，第一驅動組件包括殼體和設置在殼體內的螺杆，螺杆可相對於殼體旋轉，螺杆的下端與主體的遠離切削組件的一端連接。

進一步地，造穴裝置還包括旁通接頭，旁通接頭與第一驅動組件的上端連接，旁通接頭具有與第一驅動組件連通的第一狀態以及與第一驅動組件斷開的第二狀態。

根據本實用新型的另一個方面，提供了一種鑽井工具，包括鑽杆和與鑽杆連接的造穴裝置，造穴裝置為前述的用於煤井鑽孔的造穴裝置。

應用本實用新型的技術方案，由於切削組件具有與井壁配合以對井壁進行切削的伸出狀態和與井壁解除配合的縮回狀態，並且切削組件與主體的一端連接，第一驅動組件與主體連接，因此在第一驅動組件的驅動下切削組件可以隨主體一起旋轉，在伸出狀態下對井壁進行切削造穴，而且切削組件可以在縮回狀態下入到井內指定位置後再切換到伸出狀態，並在造穴作業完成後切換到縮回狀態提出井外，從而避免了現有技術的造穴裝置中切削組件始終與井壁配合造成煤井的頂板易坍塌的問題。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1示出了根據本實用新型的用於煤井鑽孔的造穴裝置的實施例的剖視圖；

圖2a示出了圖1的造穴裝置與鑽井工具裝配後下入至煤井的第一造穴位置進行施工的示意圖；以及

圖2b示出了圖1的造穴裝置與鑽井工具裝配後在第二造穴位置進行施工的示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

10、主體；20、第二驅動組件；21、滑動部；22、壓盤；23、導向部；24、復位部；30、切削組件；31、第一切削臂；32、第二切削臂；33、第三切削臂；34、第四切削臂；35、第一樞轉軸；36、第二樞轉軸；40、第一驅動組件；50、旁通接頭；60、防護部；70、泥漿管道。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本實用新型。

本實用新型提供了一種鑽井工具。鑽井工具包括鑽杆和與鑽杆連接的用於煤井鑽孔的造穴裝置。

本實用新型的實施例中，為了解決現有技術中的造穴裝置容易造成煤井的頂板坍塌的問題，對用於煤井鑽孔的造穴裝置進行了改進，下面進行具體說明：

如圖1所示，本實用新型提供了一種用於煤井鑽孔的造穴裝置。造穴裝置包括主體10、切削組件30和第一驅動組件40。切削組件30與主體10的一端連接，切削組件30具有與井壁配合以對井壁進行切削的伸出狀態和與井壁解除配合的縮回狀態。第一驅動組件40與主體10連接以驅動切削組件30旋轉。

通過上述設置，由於切削組件30具有與井壁配合以對井壁進行切削的伸出狀態和與井壁解除配合的縮回狀態，並且切削組件30與主體10的一端連接，第一驅動組件40與主體10連接，因此在第一驅動組件40的驅動下切削組件30可以隨主體10一起旋轉，在伸出狀態下對井壁進行切削造穴，而且切削組件30可以在縮回狀態下入到井內指定位置後再切換到伸出狀態，並在造穴作業完成後切換到縮回狀態提出井外，從而避免了現有技術的造穴裝置中切削組件始終與井壁配合造成煤井的頂板易坍塌的問題。

進一步地，採用上述機械造穴裝置，切削組件30直接與煤層接觸可以使洞穴遠端的微裂紋受到周期性的張性和剪切力作用，有利於後期採氣作業。而且採用上述造穴裝置可以實現定位造穴，避免空氣造穴完井過程中，煤層坍塌錯動產生大量煤粉，增加後期修井作業等程序難度的問題。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，主體10具有內部通孔。造穴裝置還包括第二驅動組件20，第二驅動組件20包括滑動部21，滑動部21相對於主體10可滑動地設置。滑動部21的至少一端位於內部通孔內，滑動部21的另一端與切削組件30連接，以驅動切削組件30在伸出狀態和縮回狀態之間切換。

由於第二驅動組件20包括相對於主體10可滑動設置的滑動部21，滑動部21可以沿主體10的內部通孔上下運動，切削組件30通過滑動部21與主體10連接，因此，第二驅動組件20可以通過滑動部21的上下運動驅動切削組件30實現伸縮動作，從而使切削組件30在伸出狀態和縮回狀態之間切換。

優選地，如圖1所示，為了避免切削組件30與主體10發生幹涉，滑動部21的上端位於內部通孔中，滑動部21與切削組件30連接的下端伸出內部通孔外。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，第二驅動組件20還包括導向部23，導向部23套設在滑動部21的外周並位於內部通孔中。

通過套設在滑動部21外周的導向部23可以對滑動部21的運動方向起到導向作用，防止滑動部21在豎直方向移動的過程中發生晃動，確保切削造穴的穩定性。

具體地，如圖1所示，導向部23具有導向通孔，滑動部21的外壁與導向通孔的內壁相適配。

優選地，導向部23為油缸，可以對滑動部21的運動起到潤滑和導向作用。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，第二驅動組件20還包括與滑動部21連接的壓盤22，壓盤22可移動地設置在內部通孔中，通過壓盤22帶動滑動部21移動。

通過上述設置，液體可以進入內部通孔並作用在壓盤22上，形成驅動壓盤22運動的作用力，由於壓盤22與滑動部21連接，因此，可以利用液體壓力在壓盤22上形成的驅動力使滑動部21在內部通孔中向下運動，從而以液壓驅動方式實現切削組件30的伸出動作。

具體地，如圖1所示，壓盤22與滑動部21的上端連接，壓盤22的外壁與內部通孔相適配，導向通孔的外壁尺寸小於壓盤22的外壁尺寸。

壓盤22的外壁與內部通孔相適配有利於液體在壓盤22上形成驅動壓力。當液體進入內部通孔並作用在壓盤22上時，可以驅動壓盤22帶動滑動部21向下運動，從而驅動連接在滑動部21上的切削組件30向井壁伸出。

進一步地，由於導向通孔的外壁尺寸小於壓盤22的外壁尺寸，導向部23可以對壓盤22起到限位作用，當壓盤22運動到與導向部23接觸的位置時將停止運動，控制切削組件30的伸出尺寸，從而可以控制切削組件30鑽出的孔的直徑。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，第二驅動組件20還包括復位部24。復位部24的一端與主體10連接，復位部24的另一端與壓盤22連接，以對切削組件30施加使其向縮回狀態運動的作用力。

通過上述設置，當液體壓力消失後，與壓盤22連接的復位部24將自動驅動壓盤22向液體壓力作用之前的位置運動，實現壓盤22的自動復位，進一步地，壓盤22會帶動滑動部21運動，從而實現液體壓力消失時切削組件30自動縮回。

優選地，復位部24為剛性彈簧，剛性彈簧的上端與主體10連接，剛性彈簧的下端與壓盤22的上端連接。在壓盤22向下運動的過程中，剛性彈簧被拉伸，對壓盤22施加向上的回覆力，因此，當液體壓力消失後，在剛性彈簧向上的回覆力作用下，壓盤22將帶動滑動部21和切削組件30一起向上運動，使切削組件30切換為縮回狀態。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，切削組件30為四連杆結構，切削組件30包括首尾依次樞轉連接的第一切削臂31、第二切削臂32、第三切削臂33和第四切削臂34。第一切削臂31和第四切削臂34的連接處與滑動部21連接，第二切削臂32和第三切削臂33的連接處相對於主體10是固定設置的。

通過上述設置，由於第二切削臂32和第三切削臂33的連接處相對於主體10固定設置，第一切削臂31和第四切削臂34的連接處與滑動部21連接，這樣，滑動部21向下運動時將帶動切削組件30向井壁伸出，滑動部21向上運動時將帶動切削組件30縮回，從而實現切削組件30在伸出狀態和縮回狀態之間的切換。

具體地，如圖1所示，第一切削臂31和第四切削臂34通過第一樞轉軸35連接，滑動部21上設有與第一樞轉軸35相適配的軸孔，切削組件30通過第一樞轉軸35與滑動部21連接。

優選地，如圖1所示，本實用新型的實施例中，切削組件30具有切削刃，為了提高切削刃的耐磨性，提高造穴完井效率，切削刃為金剛石複合刀片。

具體地，第一切削臂31、第二切削臂32、第三切削臂33和第四切削臂34上均設有切削刃。

進一步地，通過調整切削臂的長度和滑動部21的運動行程，可以根據煤井的造穴需要改變切削組件30的造穴直徑和造穴形狀。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，造穴裝置還包括泥漿管道70。滑動部21具有管道通孔，泥漿管道70的一端順次穿過管道通孔和內部通孔並與鑽杆連通，泥漿管道70的另一端連接至第二切削臂32和第三切削臂33的連接處。

通過上述設置，泥漿管道70順次穿過管道通孔和內部通孔與鑽杆連通，可以使泥漿管道70的通孔與鑽杆內部的通孔連通，使造穴過程可以像正常鑽井一樣將切削的煤屑通過泥漿管道70輸送到鑽杆中反至地面。

進一步地，將第二切削臂32和第三切削臂33的連接處與泥漿管道70的下端連接，可以便於切削組件30的下端相對於主體10固定。

具體地，如圖1所示，滑動部21的管道通孔的內壁與泥漿管道70的外壁之間具有一定間隙，因此，滑動部21可以套設在泥漿管道70外並可以相對其滑動。第二切削臂32和第三切削臂33通過第二樞轉軸36連接，泥漿管道70下端設有與第二樞轉軸36相適配的軸孔，切削組件30通過第二樞轉軸36與泥漿管道70連接。

通過上述設置，滑動部21上下往復運動的過程中，滑動部21與泥漿管道70不會發生摩擦，避免滑動部21和泥漿管道70的磨損。同時，通過泥漿管道70可以將切削組件30的下端相對於主體10固定。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，造穴裝置還包括套設在切削組件30外周的防護部60。防護部60與主體10連接。防護部60的側壁設有避讓通孔，以使切削組件30在伸出狀態時伸出防護部60。

通過套設在切削組件30外周的防護部60，使切削組件30在縮回狀態時整體位於防護部60內，這樣，在防護部60的保護下，切削組件30在縮回狀態下入煤井時不會與井壁接觸，從而可以對切削組件30和煤井起到保護作用，避免頂板坍塌的問題。

具體地，如圖1所示，防護部60具有中空內腔，防護部60的下端設有與泥漿管道70相連通的通孔。

當然，在附圖未示出的替代實施例中，第二樞轉軸36還可以固定在防護部60的下端。

優選地，造穴裝置包括多個防護部60，主體10可選擇地與多個防護部60中的一個可拆卸地連接。

這樣可以根據煤井直徑和切削組件30選擇合適的防護部60。

具體地，為了便於更換，防護部60與主體10通過螺紋連接。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，第一驅動組件40包括殼體和設置在殼體內的螺杆，螺杆可相對於殼體旋轉，螺杆的下端與主體10上遠離切削組件30的一端連接。

通過上述設置，對第一驅動組件40通入液體時，螺杆的兩端會差生壓差，驅動螺杆相對於殼體旋轉，並帶動與螺杆連接的主體10轉動，從而將第一驅動組件40的旋轉運動通過主體10傳遞給切削組件30，實現切削組件30在液體壓力的驅動下旋轉切削造穴。

具體地，第一驅動組件40的上端與鑽杆連接，從而將液體供應裝置輸出的液體通入第一驅動組件40。

優選地，第一驅動組件40為螺杆馬達。

採用螺杆馬達作為第一驅動組件40時，造穴過程中不需要鑽杆旋轉，可以減少鑽杆和套管的磨損，實現高速造穴，提高造穴完井的效率。

可選地，螺杆馬達與主體10通過萬向軸和/或傳動軸連接。

如圖1所示，本實用新型的實施例中，造穴裝置還包括旁通接頭50，旁通接頭50與第一驅動組件40的上端連接。旁通接頭50具有與第一驅動組件40連通的第一狀態以及與第一驅動組件40斷開的第二狀態。

通過上述設置，第一狀態下，液體可以通過旁通接頭50進入第一驅動組件40，驅動切削組件30進行旋轉切削造穴；第二狀態下，液體不能進入第一驅動組件40，螺杆將停止轉動。這樣，當壓力或扭矩過大時，旁通接頭50切換到第二狀態，使切削組件30停止轉動，可以防止切削組件30卡死在井壁中或造成切削組件30的損壞。

具體地，旁通接頭50的上端與鑽杆連通。旁通接頭50具有均與鑽杆連通的中心孔和旁通孔，當旁通孔關閉時中心孔與第一驅動組件40連通，旁通接頭50處於第一狀態，液體通過中心孔進入第一驅動組件40；當旁通孔打開時中心孔與第一驅動組件40不連通，旁通接頭50處於第二狀態，旁通孔與環空連通將液體輸出到環空中。

優選地，旁通接頭50為旁通閥，當壓力過高時自動切換為第二狀態，保證造穴裝置的正常運轉。

下面結合圖2a和圖2b，描述採用造穴裝置及具有其的鑽井工具進行造穴完井的具體過程：

首先，將鑽頭與鑽井工具裝配，對煤層氣井進行鑽井。

如圖2a所示，在完成鑽井後，按照煤層厚度和所需造穴直徑選擇合適長度的切削組件30和防護部將鑽頭更換為造穴裝置。在造穴過程中，通過泥漿泵為第二驅動組件20和第一驅動組件40提供液壓驅動力，帶動主體10和切削組件30運動。首先，在切削組件30處於縮回狀態時將造穴裝置下放到預定煤層的第一造穴位置。然後，打開泥漿泵，清水在壓盤22上產生壓力，使壓盤22向下運動，壓盤22帶動滑動部21一起向下運動，迫使切削組件30的切削臂張開，與周圍煤層接觸。同時，清水產生的壓降驅動第一驅動組件40的螺杆開始轉動，並帶動主體10和切削組件30一起旋轉，切削煤層。煤層比較軟，可以在高速旋轉切削過程中通過泥漿管道70返出井外。

當完成所需造穴直徑後，煤層被切削完畢，切削刃也達到最大張力，此時停泵。切削組件30在復位部24的回覆力作用下收回到防護部60內。然後，如圖2b所示，繼續提鑽至下一煤層的第二造穴位置，用同樣的方式造穴。

另外，當泵壓過高時，旁通接頭50會自動切換到第二狀態，泥漿泵輸出的液體經旁通孔進入環空，防止切削組件30卡死在井壁中或造成鑽井工具的損壞，保證了泥漿泵正常運轉，從而實現雙安全保護。

本實用新型的造穴裝置可以與現有設備配合，利用純機械方式實現造穴完井，不需要重新裝備過多設備，能夠有效的降低造穴成本。而且具有造穴裝置的鑽井工具能夠根據設計對煤層進行造穴，煤層的厚度及造穴直徑都可控，切削刃可以將所接觸煤層進行規則的施工造穴，從而按照要求對煤層進行多層、定位造穴，造出直徑可以確定的、規則的煤層氣對接目標井的靶區，從而簡單、有效、安全地對煤層氣井進行造穴，並且可以根據煤層的厚度選擇合適的造穴直徑防止破壞煤層頂板，有效控制後期風險。

從以上的描述中，可以看出，本實用新型上述的實施例實現了如下技術效果：設置在主體內的壓盤可以在液壓驅動力下沿內部通孔向下運動，從而帶動滑動部向下運動，從而使與滑動部連接的切削組件具有與井壁配合以對井壁進行切削的伸出狀態，當壓盤不受液壓驅動力時，與壓盤連接的復位部自動驅動壓盤向上運動復位，從而使切削組件具有與井壁解除配合的縮回狀態，並且切削組件與主體的一端連接，第一驅動組件與主體連接，因此在第一驅動組件的驅動下切削組件可以隨主體一起旋轉，在伸出狀態下對井壁進行切削造穴，而且切削組件可以在縮回狀態下入到井內指定位置後再切換到伸出狀態，並在造穴作業完成後切換到縮回狀態提出井外，從而避免了現有技術的造穴裝置中切削組件始終與井壁配合造成煤井的頂板易坍塌的問題。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。