用于煤井钻孔的造穴装置及具有其的钻井工具的制作方法

本实用新型涉及钻井设备领域，具体而言，涉及一种用于煤井钻孔的造穴装置及具有其的钻井工具。

背景技术：

目前，在煤层气开采中，采用的造穴完井方式主要包括空气造穴完井和机械造穴完井。

空气造穴完井是煤层气井所特有的完井方式，目前在国内一些地区已经得到有效应用，并取得一定效果。但是，空气造穴工艺比较复杂，技术要求高，操作难度大，危险性大，风险性高。

空气造穴完井容易造成目标井的顶板坍塌严重，甚至可能掏空技术套管尾管的下部，这对完井后的排采工作及后期采煤工作带来极大的隐患和风险。另外，由于受到煤层自身渗透率的影响，洞穴远端的微裂纹还没有受到周期性的张性和剪切力作用影响，不利于后期采气作业。空气造穴完井过程中，由于煤层被多次激励，坍塌错动，产生了大量煤粉，增加了后期修井作业等程序的难度。

机械造穴完井只能满足造穴连通工艺的需求，现有技术中，造穴装置的切削组件在下入和提出煤井的过程中始终与井壁配合，无法保证井壁的稳定性，容易造成煤井顶板坍塌的问题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种用于煤井钻孔的造穴装置及具有其的钻井工具，以解决现有技术中的造穴装置容易造成煤井的顶板坍塌的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于煤井钻孔的造穴装置，造穴装置包括：主体；切削组件，与主体的一端连接，切削组件具有与井壁配合以对井壁进行切削的伸出状态和与井壁解除配合的缩回状态；第一驱动组件，与主体连接以驱动切削组件旋转。

进一步地，主体具有内部通孔，造穴装置还包括第二驱动组件，第二驱动组件包括滑动部，滑动部相对于主体可滑动地设置，滑动部的至少一端位于内部通孔内，滑动部的另一端与切削组件连接，以驱动切削组件在伸出状态和缩回状态之间切换。

进一步地，第二驱动组件还包括导向部，导向部套设在滑动部的外周并位于内部通孔中。

进一步地，第二驱动组件还包括与滑动部连接的压盘，压盘可移动地设置在内部通孔中，通过压盘带动滑动部移动。

进一步地，第二驱动组件还包括复位部，复位部的一端与主体连接，复位部的另一端与压盘连接，以对切削组件施加使其向缩回状态运动的作用力。

进一步地，切削组件为四连杆结构，切削组件包括首尾依次枢转连接的第一切削臂、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连接处与滑动部连接，第二切削臂和第三切削臂的连接处相对于主体是固定设置的。

进一步地，造穴装置还包括泥浆管道，滑动部具有管道通孔，泥浆管道的一端顺次穿过管道通孔和内部通孔并与钻杆连通，泥浆管道的另一端连接至第二切削臂和第三切削臂的连接处。

进一步地，造穴装置还包括套设在切削组件外周的防护部，防护部与主体连接，防护部的侧壁设有避让通孔，以使切削组件在伸出状态时伸出防护部。

进一步地，第一驱动组件包括壳体和设置在壳体内的螺杆，螺杆可相对于壳体旋转，螺杆的下端与主体的远离切削组件的一端连接。

进一步地，造穴装置还包括旁通接头，旁通接头与第一驱动组件的上端连接，旁通接头具有与第一驱动组件连通的第一状态以及与第一驱动组件断开的第二状态。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种钻井工具，包括钻杆和与钻杆连接的造穴装置，造穴装置为前述的用于煤井钻孔的造穴装置。

应用本实用新型的技术方案，由于切削组件具有与井壁配合以对井壁进行切削的伸出状态和与井壁解除配合的缩回状态，并且切削组件与主体的一端连接，第一驱动组件与主体连接，因此在第一驱动组件的驱动下切削组件可以随主体一起旋转，在伸出状态下对井壁进行切削造穴，而且切削组件可以在缩回状态下入到井内指定位置后再切换到伸出状态，并在造穴作业完成后切换到缩回状态提出井外，从而避免了现有技术的造穴装置中切削组件始终与井壁配合造成煤井的顶板易坍塌的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的用于煤井钻孔的造穴装置的实施例的剖视图；

图2a示出了图1的造穴装置与钻井工具装配后下入至煤井的第一造穴位置进行施工的示意图；以及

图2b示出了图1的造穴装置与钻井工具装配后在第二造穴位置进行施工的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、主体；20、第二驱动组件；21、滑动部；22、压盘；23、导向部；24、复位部；30、切削组件；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、第一枢转轴；36、第二枢转轴；40、第一驱动组件；50、旁通接头；60、防护部；70、泥浆管道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型提供了一种钻井工具。钻井工具包括钻杆和与钻杆连接的用于煤井钻孔的造穴装置。

本实用新型的实施例中，为了解决现有技术中的造穴装置容易造成煤井的顶板坍塌的问题，对用于煤井钻孔的造穴装置进行了改进，下面进行具体说明：

如图1所示，本实用新型提供了一种用于煤井钻孔的造穴装置。造穴装置包括主体10、切削组件30和第一驱动组件40。切削组件30与主体10的一端连接，切削组件30具有与井壁配合以对井壁进行切削的伸出状态和与井壁解除配合的缩回状态。第一驱动组件40与主体10连接以驱动切削组件30旋转。

通过上述设置，由于切削组件30具有与井壁配合以对井壁进行切削的伸出状态和与井壁解除配合的缩回状态，并且切削组件30与主体10的一端连接，第一驱动组件40与主体10连接，因此在第一驱动组件40的驱动下切削组件30可以随主体10一起旋转，在伸出状态下对井壁进行切削造穴，而且切削组件30可以在缩回状态下入到井内指定位置后再切换到伸出状态，并在造穴作业完成后切换到缩回状态提出井外，从而避免了现有技术的造穴装置中切削组件始终与井壁配合造成煤井的顶板易坍塌的问题。

进一步地，采用上述机械造穴装置，切削组件30直接与煤层接触可以使洞穴远端的微裂纹受到周期性的张性和剪切力作用，有利于后期采气作业。而且采用上述造穴装置可以实现定位造穴，避免空气造穴完井过程中，煤层坍塌错动产生大量煤粉，增加后期修井作业等程序难度的问题。

如图1所示，本实用新型的实施例中，主体10具有内部通孔。造穴装置还包括第二驱动组件20，第二驱动组件20包括滑动部21，滑动部21相对于主体10可滑动地设置。滑动部21的至少一端位于内部通孔内，滑动部21的另一端与切削组件30连接，以驱动切削组件30在伸出状态和缩回状态之间切换。

由于第二驱动组件20包括相对于主体10可滑动设置的滑动部21，滑动部21可以沿主体10的内部通孔上下运动，切削组件30通过滑动部21与主体10连接，因此，第二驱动组件20可以通过滑动部21的上下运动驱动切削组件30实现伸缩动作，从而使切削组件30在伸出状态和缩回状态之间切换。

优选地，如图1所示，为了避免切削组件30与主体10发生干涉，滑动部21的上端位于内部通孔中，滑动部21与切削组件30连接的下端伸出内部通孔外。

如图1所示，本实用新型的实施例中，第二驱动组件20还包括导向部23，导向部23套设在滑动部21的外周并位于内部通孔中。

通过套设在滑动部21外周的导向部23可以对滑动部21的运动方向起到导向作用，防止滑动部21在竖直方向移动的过程中发生晃动，确保切削造穴的稳定性。

具体地，如图1所示，导向部23具有导向通孔，滑动部21的外壁与导向通孔的内壁相适配。

优选地，导向部23为油缸，可以对滑动部21的运动起到润滑和导向作用。

如图1所示，本实用新型的实施例中，第二驱动组件20还包括与滑动部21连接的压盘22，压盘22可移动地设置在内部通孔中，通过压盘22带动滑动部21移动。

通过上述设置，液体可以进入内部通孔并作用在压盘22上，形成驱动压盘22运动的作用力，由于压盘22与滑动部21连接，因此，可以利用液体压力在压盘22上形成的驱动力使滑动部21在内部通孔中向下运动，从而以液压驱动方式实现切削组件30的伸出动作。

具体地，如图1所示，压盘22与滑动部21的上端连接，压盘22的外壁与内部通孔相适配，导向通孔的外壁尺寸小于压盘22的外壁尺寸。

压盘22的外壁与内部通孔相适配有利于液体在压盘22上形成驱动压力。当液体进入内部通孔并作用在压盘22上时，可以驱动压盘22带动滑动部21向下运动，从而驱动连接在滑动部21上的切削组件30向井壁伸出。

进一步地，由于导向通孔的外壁尺寸小于压盘22的外壁尺寸，导向部23可以对压盘22起到限位作用，当压盘22运动到与导向部23接触的位置时将停止运动，控制切削组件30的伸出尺寸，从而可以控制切削组件30钻出的孔的直径。

如图1所示，本实用新型的实施例中，第二驱动组件20还包括复位部24。复位部24的一端与主体10连接，复位部24的另一端与压盘22连接，以对切削组件30施加使其向缩回状态运动的作用力。

通过上述设置，当液体压力消失后，与压盘22连接的复位部24将自动驱动压盘22向液体压力作用之前的位置运动，实现压盘22的自动复位，进一步地，压盘22会带动滑动部21运动，从而实现液体压力消失时切削组件30自动缩回。

优选地，复位部24为刚性弹簧，刚性弹簧的上端与主体10连接，刚性弹簧的下端与压盘22的上端连接。在压盘22向下运动的过程中，刚性弹簧被拉伸，对压盘22施加向上的回复力，因此，当液体压力消失后，在刚性弹簧向上的回复力作用下，压盘22将带动滑动部21和切削组件30一起向上运动，使切削组件30切换为缩回状态。

如图1所示，本实用新型的实施例中，切削组件30为四连杆结构，切削组件30包括首尾依次枢转连接的第一切削臂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的连接处与滑动部21连接，第二切削臂32和第三切削臂33的连接处相对于主体10是固定设置的。

通过上述设置，由于第二切削臂32和第三切削臂33的连接处相对于主体10固定设置，第一切削臂31和第四切削臂34的连接处与滑动部21连接，这样，滑动部21向下运动时将带动切削组件30向井壁伸出，滑动部21向上运动时将带动切削组件30缩回，从而实现切削组件30在伸出状态和缩回状态之间的切换。

具体地，如图1所示，第一切削臂31和第四切削臂34通过第一枢转轴35连接，滑动部21上设有与第一枢转轴35相适配的轴孔，切削组件30通过第一枢转轴35与滑动部21连接。

优选地，如图1所示，本实用新型的实施例中，切削组件30具有切削刃，为了提高切削刃的耐磨性，提高造穴完井效率，切削刃为金刚石复合刀片。

具体地，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上均设有切削刃。

进一步地，通过调整切削臂的长度和滑动部21的运动行程，可以根据煤井的造穴需要改变切削组件30的造穴直径和造穴形状。

如图1所示，本实用新型的实施例中，造穴装置还包括泥浆管道70。滑动部21具有管道通孔，泥浆管道70的一端顺次穿过管道通孔和内部通孔并与钻杆连通，泥浆管道70的另一端连接至第二切削臂32和第三切削臂33的连接处。

通过上述设置，泥浆管道70顺次穿过管道通孔和内部通孔与钻杆连通，可以使泥浆管道70的通孔与钻杆内部的通孔连通，使造穴过程可以像正常钻井一样将切削的煤屑通过泥浆管道70输送到钻杆中反至地面。

进一步地，将第二切削臂32和第三切削臂33的连接处与泥浆管道70的下端连接，可以便于切削组件30的下端相对于主体10固定。

具体地，如图1所示，滑动部21的管道通孔的内壁与泥浆管道70的外壁之间具有一定间隙，因此，滑动部21可以套设在泥浆管道70外并可以相对其滑动。第二切削臂32和第三切削臂33通过第二枢转轴36连接，泥浆管道70下端设有与第二枢转轴36相适配的轴孔，切削组件30通过第二枢转轴36与泥浆管道70连接。

通过上述设置，滑动部21上下往复运动的过程中，滑动部21与泥浆管道70不会发生摩擦，避免滑动部21和泥浆管道70的磨损。同时，通过泥浆管道70可以将切削组件30的下端相对于主体10固定。

如图1所示，本实用新型的实施例中，造穴装置还包括套设在切削组件30外周的防护部60。防护部60与主体10连接。防护部60的侧壁设有避让通孔，以使切削组件30在伸出状态时伸出防护部60。

通过套设在切削组件30外周的防护部60，使切削组件30在缩回状态时整体位于防护部60内，这样，在防护部60的保护下，切削组件30在缩回状态下入煤井时不会与井壁接触，从而可以对切削组件30和煤井起到保护作用，避免顶板坍塌的问题。

具体地，如图1所示，防护部60具有中空内腔，防护部60的下端设有与泥浆管道70相连通的通孔。

当然，在附图未示出的替代实施例中，第二枢转轴36还可以固定在防护部60的下端。

优选地，造穴装置包括多个防护部60，主体10可选择地与多个防护部60中的一个可拆卸地连接。

这样可以根据煤井直径和切削组件30选择合适的防护部60。

具体地，为了便于更换，防护部60与主体10通过螺纹连接。

如图1所示，本实用新型的实施例中，第一驱动组件40包括壳体和设置在壳体内的螺杆，螺杆可相对于壳体旋转，螺杆的下端与主体10上远离切削组件30的一端连接。

通过上述设置，对第一驱动组件40通入液体时，螺杆的两端会差生压差，驱动螺杆相对于壳体旋转，并带动与螺杆连接的主体10转动，从而将第一驱动组件40的旋转运动通过主体10传递给切削组件30，实现切削组件30在液体压力的驱动下旋转切削造穴。

具体地，第一驱动组件40的上端与钻杆连接，从而将液体供应装置输出的液体通入第一驱动组件40。

优选地，第一驱动组件40为螺杆马达。

采用螺杆马达作为第一驱动组件40时，造穴过程中不需要钻杆旋转，可以减少钻杆和套管的磨损，实现高速造穴，提高造穴完井的效率。

可选地，螺杆马达与主体10通过万向轴和/或传动轴连接。

如图1所示，本实用新型的实施例中，造穴装置还包括旁通接头50，旁通接头50与第一驱动组件40的上端连接。旁通接头50具有与第一驱动组件40连通的第一状态以及与第一驱动组件40断开的第二状态。

通过上述设置，第一状态下，液体可以通过旁通接头50进入第一驱动组件40，驱动切削组件30进行旋转切削造穴；第二状态下，液体不能进入第一驱动组件40，螺杆将停止转动。这样，当压力或扭矩过大时，旁通接头50切换到第二状态，使切削组件30停止转动，可以防止切削组件30卡死在井壁中或造成切削组件30的损坏。

具体地，旁通接头50的上端与钻杆连通。旁通接头50具有均与钻杆连通的中心孔和旁通孔，当旁通孔关闭时中心孔与第一驱动组件40连通，旁通接头50处于第一状态，液体通过中心孔进入第一驱动组件40；当旁通孔打开时中心孔与第一驱动组件40不连通，旁通接头50处于第二状态，旁通孔与环空连通将液体输出到环空中。

优选地，旁通接头50为旁通阀，当压力过高时自动切换为第二状态，保证造穴装置的正常运转。

下面结合图2a和图2b，描述采用造穴装置及具有其的钻井工具进行造穴完井的具体过程：

首先，将钻头与钻井工具装配，对煤层气井进行钻井。

如图2a所示，在完成钻井后，按照煤层厚度和所需造穴直径选择合适长度的切削组件30和防护部将钻头更换为造穴装置。在造穴过程中，通过泥浆泵为第二驱动组件20和第一驱动组件40提供液压驱动力，带动主体10和切削组件30运动。首先，在切削组件30处于缩回状态时将造穴装置下放到预定煤层的第一造穴位置。然后，打开泥浆泵，清水在压盘22上产生压力，使压盘22向下运动，压盘22带动滑动部21一起向下运动，迫使切削组件30的切削臂张开，与周围煤层接触。同时，清水产生的压降驱动第一驱动组件40的螺杆开始转动，并带动主体10和切削组件30一起旋转，切削煤层。煤层比较软，可以在高速旋转切削过程中通过泥浆管道70返出井外。

当完成所需造穴直径后，煤层被切削完毕，切削刃也达到最大张力，此时停泵。切削组件30在复位部24的回复力作用下收回到防护部60内。然后，如图2b所示，继续提钻至下一煤层的第二造穴位置，用同样的方式造穴。

另外，当泵压过高时，旁通接头50会自动切换到第二状态，泥浆泵输出的液体经旁通孔进入环空，防止切削组件30卡死在井壁中或造成钻井工具的损坏，保证了泥浆泵正常运转，从而实现双安全保护。

本实用新型的造穴装置可以与现有设备配合，利用纯机械方式实现造穴完井，不需要重新装备过多设备，能够有效的降低造穴成本。而且具有造穴装置的钻井工具能够根据设计对煤层进行造穴，煤层的厚度及造穴直径都可控，切削刃可以将所接触煤层进行规则的施工造穴，从而按照要求对煤层进行多层、定位造穴，造出直径可以确定的、规则的煤层气对接目标井的靶区，从而简单、有效、安全地对煤层气井进行造穴，并且可以根据煤层的厚度选择合适的造穴直径防止破坏煤层顶板，有效控制后期风险。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：设置在主体内的压盘可以在液压驱动力下沿内部通孔向下运动，从而带动滑动部向下运动，从而使与滑动部连接的切削组件具有与井壁配合以对井壁进行切削的伸出状态，当压盘不受液压驱动力时，与压盘连接的复位部自动驱动压盘向上运动复位，从而使切削组件具有与井壁解除配合的缩回状态，并且切削组件与主体的一端连接，第一驱动组件与主体连接，因此在第一驱动组件的驱动下切削组件可以随主体一起旋转，在伸出状态下对井壁进行切削造穴，而且切削组件可以在缩回状态下入到井内指定位置后再切换到伸出状态，并在造穴作业完成后切换到缩回状态提出井外，从而避免了现有技术的造穴装置中切削组件始终与井壁配合造成煤井的顶板易坍塌的问题。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。