一种防卡孔的振动增透装置及其振动增透防卡孔方法与流程

本发明属于煤层气开发技术领域，具体涉及一种防卡孔的振动增透装置及其振动增透防卡孔方法。

背景技术：

在煤层气开发或瓦斯抽采领域中，煤储层渗透率低，传统的水力压裂技术无法完全满足提高单井产量的要求。动载荷改造煤储层可形成较多微裂隙网络，促进甲烷气体解吸。机械振动是动态载荷的一种作用方式。

目前，机械振动改造煤储层的技术仍处于室内研究阶段，发现随着振动频率的增加，煤层甲烷解吸速率增加。然而，机械振动增产技术仍然缺少适用于煤层气钻孔或瓦斯抽采孔的设备与方案。本发明为机械振动增产技术的工业应用提供了一种装置设计样板，具有结构简单、振动幅值大、防止设备卡孔的特点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种防卡孔的振动增透装置及其振动增透防卡孔方法。该防卡孔的振动增透装置可根据储层地质特点提供不同频率的振动，在煤层气开发过程中提供持续的振动能量，从振动扰动、致裂双重效应强化煤层气产出。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，包括振动增透单元和与所述振动增透单元连接的防卡孔旋转破碎单元；

所述振动增透单元包括缸体，所述缸体内设置有活塞腔和与活塞腔相连通的曲轴传动腔；所述曲轴传动腔内设置有电动机和带有偏心部的曲轴，所述电动机和曲轴之间设置有用于连接电动机和曲轴的第一棘轮机构；所述活塞腔内设置有与曲轴的偏心部转动连接的活塞振动单元；

所述防卡孔旋转破碎单元包括中空圆锥体，所述中空圆锥体的外表面上设置有螺旋切刀，所述中空圆锥体的中空腔体中设置有用于带动中空圆锥体转动的第二棘轮机构；

所述电动机包括与第一棘轮机构连接的第一输出轴和与第二棘轮机构连接的第二输出轴。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述缸体的缸口内设置有卡槽，所述中空圆锥体且远离尖端的一端通过卡槽与缸体转动连接，所述中空圆锥体的尖端向远离缸体的一端延伸。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述第一棘轮机构包括第一棘轮和与第一棘轮同心设置的第一转盘，所述第一转盘套设在第一输出轴上且可随第一输出轴同步转动，所述第一棘轮套设在曲轴上且与曲轴固定连接，所述第一转盘上铰接有第一棘爪，所述第一棘轮上设置有与第一棘爪的活动端啮合的第一内齿，所述第一内齿的齿形为不对称齿形。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述第一棘爪通过铰接轴铰接在所述第一转盘上，所述铰接轴上还设置有用于将第一棘爪嵌入第一内齿的复位弹簧，所述复位弹簧的一端与第一转盘固定连接，所述复位弹簧的另一端与第一棘爪固定连接。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述曲轴上还连接有用于向曲轴传动腔内鼓风的第一风扇，所述第一风扇位于曲轴传动腔内远离中空圆锥体的一端。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述活塞振动单元包括活塞和活动设置于活塞腔中的撞锤，所述活塞包括活塞杆和头部，所述活塞杆转动套设于曲轴的偏心部上，所述活塞的头部与活塞腔和撞锤界定出空气弹簧。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述撞锤靠近缸体内壁的一面为曲面；所述活塞振动单元为多个，每个所述活塞振动单元设置于对应的活塞腔中。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述第二棘轮机构包括第二转盘和固定于中空腔体上且可带动中空圆锥体转动的第二内齿，所述第二转盘套设于第二输出轴上且可随第二输出轴同步转动，所述第二转盘上铰接有第二棘爪，所述第二棘爪与第二内齿相啮合，所述第二内齿的齿形为不对称齿形。

上述的一种防卡孔的振动增透装置，其特征在于，所述中空圆锥体上开设有排风孔，所述排风孔位于中空圆锥体外壁面上的孔口远离中空圆锥体的尖端，所述排风孔位于中空腔体上的孔口靠近中空圆锥体的尖端；所述中空腔体内还设置有用于向中空腔体内鼓风的第二风扇，所述第二风扇位于中空腔体内远离缸体的一端。

此外，本发明还提供一种上述的装置的振动增透防卡孔方法，其特征在于，所述方法包括：

将防卡孔的振动增透装置的中空圆锥体的尖端靠近储煤层上的孔口；电动机带动第一输出轴和第二输出轴逆时针转动时，第二输出轴带动第二棘轮机构，第二棘轮机构带动中空圆锥体旋转，螺旋切刀旋转破碎孔内阻碍物，中空圆锥体带动螺旋切刀旋转深入阻碍物内部；第一输出轴逆时针转动不带动曲轴转动；

电动机带动第一输出轴和第二输出轴顺时针转动，第一输出轴带动第一棘轮机构，第一棘轮机构带动曲轴转动，曲轴转动带动活塞振动单元振动，活塞振动单元振动形成机械振动波，机械振动波作用于孔内阻碍物，孔内阻碍物松动；第二输出轴顺时针转动不带动中空圆锥体转动。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的防卡孔的振动增透装置通过设置电动机、曲轴、活塞振动单元、第一棘轮机构和第二棘轮机构来实现装置粉碎煤层和振动增透，可根据储层地质特点提供不同频率的振动，在煤层气开发过程中提供持续的振动能量，从振动扰动、致裂双重效应强化煤层气产出。

2、本发明的防卡孔的振动增透装置能够解决振动增透技术的现场应用问题，通过电动机带动曲轴转动可形成持续不断的机械振动波注入煤层，电动机输出轴正向旋转产生振动，反向旋转带动圆椎体旋转破裂煤块，排风孔鼓风吹散煤屑，二者结合可进一步防止装置卡孔。

3、本发明的防卡孔的振动增透装置的外部结构为转动连接的缸体和中空圆锥体，优选的，缸体为表面平整光滑的圆柱形，可以与储煤层上的孔的孔壁紧密贴合，防止振动能量在进入煤储层前过度衰减，缸体内部设置有活塞腔和曲轴传动腔，为机械振动提供空间，圆椎体的尖端和螺旋切刀可通过旋转破碎煤块。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的防卡孔振动增透装置结构示意图；

图2为本发明的活塞振动单元的结构示意图；

图3为本发明的第一棘轮机构的结构示意图；

图4为本发明的第二棘轮机构的结构示意图；

图5为本发明中空圆锥体外壁面结构示意图。

附图标记说明

1—缸体；1-1—活塞腔；1-2—曲轴传动腔；

2—中空圆锥体；2-1—卡槽；2-2—中空腔体；

2-3—排风孔；2-4—第二内齿；2-5—螺旋切刀；

3—曲轴；4—活塞；4-1—轴承；

5—撞锤；6—空气弹簧；7—电动机；

7-1—第一输出轴；7-2—第二输出轴；8—第一棘轮；

8-1—第一内齿；9—第一转盘；9-1—第一棘爪；

10—第二转盘；10-1—第二棘爪；11—第一风扇；

12—第二风扇。

具体实施方式

如图1和图5所示，本发明的防卡孔的振动增透装置，包括振动增透单元和与所述振动增透单元连接的防卡孔旋转破碎单元；

所述振动增透单元包括缸体1，所述缸体1内设置有活塞腔1-1和与活塞腔1-1相连通的曲轴传动腔1-2；所述曲轴传动腔1-2内设置有电动机7和带有偏心部的曲轴3，所述电动机7和曲轴3之间设置有用于连接电动机7和曲轴3的第一棘轮机构；所述活塞腔1-1内设置有与曲轴3的偏心部转动连接的活塞振动单元；

所述防卡孔旋转破碎单元包括中空圆锥体2，所述中空圆锥体2的外表面上设置有螺旋切刀2-5，所述中空圆锥体2的中空腔体2-2中设置有用于带动中空圆锥体2转动的第二棘轮机构；

所述螺旋切刀2-5用于破碎，中空圆锥体2旋转，防止出现卡孔。

所述电动机7包括与第一棘轮机构连接的第一输出轴7-1和与第二棘轮机构连接的第二输出轴7-2。

本实施例中，优选的，缸体1为外壁光滑的筒体。所述曲轴传动腔1-2沿缸体1轴向设置；所述电动机7固定于曲轴传动腔1-2内，所述电动机7为双向输出轴式电机，所述电动机7的第一输出轴7-1沿缸体1轴向向远离中空圆锥体2的一端延伸，所述电动机7的第二输出轴7-2沿中空腔体2-2轴向向靠近中空圆锥体2的一端延伸。

本实施例中，如图1和图4所示，所述缸体1的缸口内且环缸口设置有卡槽2-1，所述中空圆锥体2且远离尖端的一端通过卡槽2-1与缸体1转动连接，所述中空圆锥体2的尖端向远离缸体1的一端延伸。所述中空圆锥体2包括底面和尖端，中空腔体2-2与底面相连通，中空腔体2-2与尖端不连通。

本实施例中，如图1和图3所示，所述第一棘轮机构包括第一棘轮8和与第一棘轮8同心设置的第一转盘9，所述第一转盘9套设在第一输出轴7-1上且可随第一输出轴7-1同步转动，所述第一棘轮8套设在曲轴3上且与曲轴3固定连接，所述第一转盘9上铰接有第一棘爪9-1，所述第一棘轮8上设置有与第一棘爪9-1的活动端啮合的第一内齿8-1，所述第一内齿8-1的齿形为不对称齿形。当电动机7的第一输出轴7-1顺时针转动时，第一转盘9、第一棘爪9-1带动第一棘轮8和曲轴3旋转；当电动机7的第一输出轴7-1逆时针转动时，第一棘爪9-1无法齿在第一棘轮8的第一内齿8-1上，曲轴3不旋转；

本实施例中，所述第一棘爪9-1通过铰接轴铰接在第一转盘9上，所述铰接轴上还设置有用于将第一棘爪9-1嵌入第一内齿8-1的复位弹簧，所述复位弹簧的一端与第一转盘9固定连接，所述复位弹簧的另一端与第一棘爪9-1固定连接。所述第一棘爪9-1设置在第一转盘9的边缘上，铰接轴上的复位弹簧可保证第一棘爪9-1实时复位嵌入第一内齿8-1。

本实施例中，如图1所示，所述曲轴3上还连接有用于向曲轴传动腔1-2内鼓风的第一风扇11，所述第一风扇11位于曲轴传动腔1-2内远离中空圆锥体2的一端。第一风扇11置于曲轴3的尾端，电动机7顺时针旋转时带动第一风扇11鼓风。

本实施例中，如图1和图2所示，所述活塞振动单元包括活塞4和活动设置于活塞腔1-1中的撞锤5；所述活塞4包括活塞杆和头部，所述活塞杆转动套设于曲轴3的偏心部上，所述活塞4的头部与活塞腔1-1和撞锤5界定出空气弹簧6。所述空气弹簧6由活塞4的头部、活塞腔1-1和撞锤5组成的空间，以及所述空间内的压缩空气构成，利用压缩空气实现弹性作用；曲轴3带动活塞4，使得活塞4伸缩，当活塞4向活塞腔1-1内运动，压缩空气致使撞锤5向缸体1运动，并最终发生撞击；当活塞4向活塞腔1-1外运动，空气弹簧6带动撞锤5远离缸体1内壁，由此完成一次机械振动。往复循环，可形成一定频率的机械振动。通过改变电动机7转速，可改变机械振动频率。

优选的，活塞杆与曲轴3的偏心部之间设置有轴承4-1，活塞杆固定于轴承4-1外圈上，轴承4-1内圈套设在曲轴3的偏心部上。每个轴承4-1上连接有三个活塞。

本实施例中，如图5所示，所述撞锤5靠近缸体1内壁的一面为曲面；所述活塞振动单元为多个，每个所述活塞振动单元设置于对应的活塞腔1-1中。撞锤5靠近缸体1内壁的一面为曲面，该曲面的曲率与缸体外壁面的曲率一致，撞锤5与缸体1接触的一面为曲面结构，使撞击产生的振动波垂直缸体壁传播，减少能量反射造成的损伤。活塞振动单元为多个，可根据电动机7功率和缸体1长度而定，以适应振动辐射面积。

本实施例中，如图1和图4所示，所述第二棘轮机构包括第二转盘10和固定于中空腔体2-2上且可带动中空圆锥体2转动的第二内齿2-4，所述第二转盘10套设于第二输出轴7-2上且可随第二输出轴7-2同步转动，所述第二转盘10上铰接有第二棘爪10-1，所述第二棘爪10-1与第二内齿2-4相啮合，所述第二内齿2-4的齿形为不对称齿形；当电动机7的第二输出轴7-2逆时针转动时，第二转盘10、第二棘爪10-1带动第二内齿2-4和中空圆锥体2旋转；当电动机7的第二输出轴7-2顺时针转动时，第二棘爪10-1无法齿在第二内齿2-4，中空圆锥体2不旋转。

优选的，所述第二内齿2-4为中空圆锥体2的内壁沿环中空腔体2-2开口端车削而成。

本实施例中，如图1和图5所示，所述中空圆锥体2上开设有排风孔2-3，所述中空腔体2-2通过开设于中空圆锥体2上的排风孔2-3与外界连通，所述排风孔2-3为圆柱形通孔，所述排风孔2-3位于中空圆锥体2外壁面上的孔口远离中空圆锥体2的尖端，所述排风孔2-3位于中空腔体2-2的孔口靠近中空圆锥体2的尖端；所述中空腔体2-2内还设置有用于向中空腔体2-2内鼓风的第二风扇12，所述第二风扇12位于中空腔体2-2内远离缸体1的一端。排风孔2-3倾斜方向与锥面方向一致，用于沟通内部与外部，既能起到内部散热作用，又可吹散设备表面煤屑。所述排风孔2-3为多个，排风孔2-3设置于螺旋切刀2-5相邻螺旋之间。第二风扇12与中空圆锥体2同步转动。

本发明的防卡孔的振动增透装置的振动增透防卡孔方法为：

将本防卡孔的振动增透装置的中空圆锥体2的尖端靠近储煤层上的孔口；

电动机7带动第一输出轴7-1和第二输出轴7-2逆时针转动时，第二输出轴7-2带动第二转盘10，第二转盘10带动第二棘爪10-1，第二棘爪10-1带动第二内齿2-4和中空圆锥体2旋转，螺旋切刀2-5旋转破碎切削孔内阻碍物，所述阻碍物包括堆积煤块或煤粉；中空圆锥体2带动第二风扇12向中空腔体2-2内鼓风，带走中空腔体2-2的热量，吹散中空圆锥体2表面的煤屑；中空圆锥体2带动螺旋切刀2-5旋转深入阻碍物内部；

当电动机7的第一输出轴7-1逆时针转动时，第一棘爪9-1无法齿在第一内齿8-1上，第一棘轮8、曲轴3和第一风扇11均不旋转；

电动机7带动第一输出轴7-1和第二输出轴7-2顺时针转动，第一输出轴7-1带动第一转盘9，第一转盘9带动第一棘爪9-1，第一棘爪9-1带动第一棘轮8和曲轴3旋转，曲轴3带动活塞4，当活塞4向活塞腔1-1内运动，压缩空气，撞锤5向缸体1运动并撞击；当活塞4向活塞腔1-1外运动，空气弹簧6带动撞锤5远离缸体1内壁，形成机械振动波，机械振动波作用于孔内阻碍物，孔内阻碍物松动；曲轴3转动带动第一风扇11向曲轴传动腔1-2内鼓风，将振动热量从排风孔2-3排出；

当电动机7的第二输出轴7-2顺时针转动时，第二棘爪10-1无法齿在第二内齿2-4，中空圆锥体2和第二风扇12均不旋转。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。