一种用于开采页岩气的钻的制造方法
【专利摘要】一种用于开采页岩气的钻机，包括钻杆、钻头、动力机构和支架，所述的钻头由钻头本体和设置在钻头本体上的多个牙轮构成，所述钻头本体包括圆柱体状套筒和法兰连接端，法兰连接端通过联接模块与钻杆的一端连接，所述钻杆为空心轴结构，在其内圆柱孔中设有螺旋机构，该螺旋机构的主轴一端通过传动组件与驱动电机的输出轴相连，主轴的另一端通过支撑机构设置在钻杆的内圆柱孔中，所述主轴为空心轴结构，在主轴上设有冷却液注入装置和冷却液喷头。该装置通过精确设计钻头机构以及钻头与钻杆连接模块，并在垂直设置的钻杆空腔内设置螺旋机构，采用滑动摩擦力排出岩屑，无需用高压冲洗液，即节省了大量的能量，同时该钻机的安全性能和环保性能大大提高。
【专利说明】一种用于开采页岩气的钻机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钻采设备，具体的说是一种用于开采页岩气的钻机。
【背景技术】
[0002] 上世纪70年代，全球爆发了石油危机，中东国家的油价十倍以上的价格上涨并造 成全球油价居高不下，这使得各国的企业盈利大幅下降，通胀大幅上升。但是石油高价的威 慑首先被美国打破，打破这一威慑的法宝就是页岩气革命。通过页岩气革命，美国能源基本 实现了自给自足，并且进入了低成本制造时代。低廉的天然气大幅度地降低了电力成本，美 国2012年5月份平均工业电价为6. 57美分/千瓦时，相当于0. 41元人民币/千瓦时，不 到中国沿海工业电价的一半，不到日本工业电价1/5 ;乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、PVC等从美 国运到中国港口的价格比中国工厂出厂价还低1/3,中东地区的化工厂与美国相比也黯然 失色；低电价将电解铝、电炉特种钢、有色冶金等高载能产品价格大大拉低。
[0003] 由于美国在页岩气革命取得的巨大成就，我国也把目光投向了页岩气并带来了非 常大的投资需求。至2020年末仅气井钻探带来的资金需求就超过4000亿。但是巨大的需 求与无法商业化的技术形成鲜明的对比，目前我国已钻完的页岩气气井只有63 口，不到美 国0. 07%，且多数为实验性质。气井造价昂贵，一口直井达到每米要投入2万元，水平井每米 要投入3万元，打完一口 3000米深的气井需要投入1亿元左右。
[0004] 分析我国气井造价昂贵的现状，其主要原因是用冲洗液排出岩屑。根据P=p gh可 知液体的压强与深度成正比，我国页岩气气藏深度主要在2000米以下，如此深度的冲洗液 压强之大可想而知，要用冲洗液排出岩屑就要在钻头下部喷射的液体流达到使外部冲洗液 向上流速，而这对周围的岩石影响是很大的。我国页岩气上的地质非常复杂，有的岩层可以 吸收水分膨胀，卡死钻机；有的岩层可以溶解于水中，造成井壁坍塌影响钻井的进行，这就 使气井钻进的技术难度大大提高，气井产生的费用大大提高。
【发明内容】
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种用于开采页岩气的钻机，该装置不同于常 规页岩钻机的高压冲洗液排料的原理，通过精确设计钻头机构以及钻头与钻杆连接模块， 并在垂直设置的钻杆空腔内设置螺旋机构，采用滑动摩擦力排出岩屑，无需用高压冲洗液， 即避免了钻井底部的高速液流；还避免了井壁与冲洗液反应影响钻井，即节省了大量的能 量，同时该钻机的安全性能和环保性能大大提高。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：一种用于开采页岩气的钻机，包括钻杆、钻头、用 于驱动钻杆的动力机构和用于支撑钻杆和动力机构的支架，钻杆的一端通过传动组件 与动力机构相连，所述的钻头由钻头本体和设置在钻头本体上的多个牙轮构成，所述钻 头本体包括圆柱体状套筒和法兰连接端，牙轮的一端设置在圆柱体状套筒的内壁上，另 一端伸出圆柱体状套筒外部，圆柱体状套筒内部的空腔构成输料通道，位于牙轮的上方 在圆柱体状套筒内壁上还设有搅动推进机构，圆柱体状套筒半包围着牙轮并使岩屑通 过内部设置的搅动推进机构送入钻杆内，钻头本体的法兰连接端通过联接模块与钻杆的 一端连接，所述钻杆为空心轴结构，在其内圆柱孔中设有螺旋机构，在钻杆上部还设有排 屑孔，在所述螺旋机构中螺旋叶片的边缘设有弹性材料层，例如覆盖橡胶层，使得螺旋 叶片与钻杆内壁紧密接触，同时在螺旋叶片磨损后弹性结构起补偿作用使得螺旋叶片 与钻杆内壁继续紧密接触，螺旋机构旋转方向和钻杆的旋转方向相反，并保证 ω i+wpk _/gtanh + g) '同时保。之间的关系满足岩屑在上升中受力不自锁，其中% \l W ιΓ 为钻杆角速度，ω2为螺旋机构角速度，g为重力加速度，μ 钻杆内壁与岩屑间的滑动摩 擦系数，r为钻杆内孔壁的直径，α为螺旋机构中螺旋叶片的螺旋角，β值由μ 2=tani3得 出，其中μ 2为螺旋叶片与岩屑间的滑动摩擦系数，k为实际工况中的影响系数； 所述螺旋机构的主轴一端通过传动组件与驱动电机的输出轴相连，主轴的另一端通过 支撑机构设置在钻杆的内圆柱孔中，所述主轴为空心轴结构，远离钻头的主轴一端与冷却 液注入装置相连，另一端连接有冷却液喷头，冷却液喷头喷液点靠近钻头的牙轮处。
[0007] 所述的搅动推进机构由垂直设置在圆柱体状套筒内孔壁上的支撑杆和固定在支 撑杆端部的拨料块组成。
[0008] 所述的联接模块由外连接套筒、轴承和内套筒组成，在外连接套筒的内壁上设有 一台阶面，轴承设置在外连接套筒的台阶面上，内套筒套装在轴承内孔中，内套筒和外连接 套筒将轴承密封在两者之间。
[0009] 所述的内套筒上端面低于外连接套筒的上端面。
[0010] 所述的支撑机构包括一支撑底板，在支撑底板上端面设有多个加强筋板，多个加 强筋板的端部卡在螺旋机构中主轴的外圆周面上，支撑底板的下端面设置在外连接套筒的 内孔中并与内套筒上端面相接触。
[0011] 所述的冷却液喷头垂直设置在支撑机构中支撑底板端面的中心处。
[0012] 该装置不同于常规页岩钻机的高压冲洗液排料的原理，通过精确设计钻头机构以 及钻头与钻杆连接模块，并在垂直设置的钻杆空腔内设置螺旋机构，采用滑动摩擦力排出 岩屑，无需用高压冲洗液，即避免了钻井底部的高速液流；同时还避免了井壁与冲洗液反应 影响钻井，即节省了大量的能量，同时该钻机的安全性能和环保性能大大提高。通过以下内 容分析该结构是可行的： 首先对螺旋机构与钻杆的旋转方向作如下规定：对于螺旋机构的旋转方向，首先在螺 旋机构画一条母线，在母线与螺旋线交点处引螺旋线的切线，切线的方向为斜向下，切线 在水平面上的分量所指的方向即为螺旋机构的旋转的切向，由此可确定螺旋机构的旋转方 向；同时规定钻杆与螺旋机构的旋转方向相反； 由于转动机构是非惯性系，而不同的转动非惯性系对转动系外的物体的作用力方式是 不同的。例如砂轮机在磨刀具时，从接触点喷射出火花，火花的方向从接触点出发与所在圆 弧相切；又比如用弹簧拉着物体转动时弹簧对物体的作用力为向心力；在这两个例子中， 砂轮机和弹簧拉物体转动就是两种不同的转动非惯性系。砂轮机是一种开放性转动非惯性 系，它对转动系外物体的作用力有压力和滑动摩擦力；弹簧拉物体转动是一种约束性转动 非惯性系，它对物体的作用力为向心力。摩擦力对其它物体是主动做功的；而向心力不做 功。
[0013] 螺旋机构置于垂直设置的钻杆内部，螺旋机构为开放性转动非惯性系；钻杆属于 约束性转动非惯性系。岩屑进入螺旋机构后，螺旋机构对岩屑的作用力为螺旋叶片的支持 力和滑动摩擦力。滑动摩擦力使岩屑产生的加速度为μ gtana，其值大约为2米/秒2,而 钻杆内壁直径一般小于〇. 2米，因此螺旋机构对岩屑做功使岩屑很快达到钻壁附近，与钻 杆内壁碰撞后被后面的岩屑挤压并最终与钻杆内壁接触。后面仅分析岩屑与钻杆内壁接触 后的情况。
[0014] 与螺旋机构对岩屑的作用力方式不同，钻杆内壁为约束性转动非惯性系，其对岩 屑的作用力为向心力。
[0015] 为了把螺旋机构和钻杆内壁对岩屑的作用力性质区分开并有利于分析，现建立如 下坐标系：设螺旋机构与钻杆转动的同一根轴线为AiA 2，过岩屑所在的点0做一条垂直于 AA的直线交于A点，以0A为Y轴，水平面内过0点做垂直于0A的线为X轴，过0点的坚 直线为Z轴，该坐标系如图6 ; 在坐标系中，螺旋机构对岩屑的作用力为支持力和滑动摩擦力，这两个力在Χ0Ζ平面 内；钻杆内壁对岩屑作用力为向心力和滑动摩擦力，向心力方向为Y轴正方向，摩擦力在 Χ0Ζ平面内。在坐标系中，除了钻杆内壁对岩屑作用的向心力指向Y轴以为，其它力都在Χ0Ζ 平面内，Χ0Ζ平面内的受力图如图7。
[0016] 在水平方向上 Acos Θ-f2cos a-Nsin a =macos a 公式一 在坚直方向上：Ncos a -f^sin Θ -mg-f2sin a = masin a 公式二 4=以丨向 公式三 f2=y2N 公式四 其中4为钻杆内壁与岩屑的滑动摩擦力；Θ为与乂轴夹角；f2为螺旋叶片与岩屑 的滑动摩擦力；a为螺旋叶片的螺旋角；a为岩屑的加速度；N为螺旋叶片对岩屑的支持 力；m为所研究的岩屑的重量；μ i为钻杆内壁与岩屑间的滑动摩擦系数；μ 2为螺旋叶片与 岩屑间的滑动摩擦系数；为钻杆内壁对岩屑作用的向心力。
[0017] 设岩屑相对于地面的速度在平面Χ0Υ内的投影为Vcos α。根据Vcos α方向的不 同，向心力的表达式也不同，可以进行以下几种情况分析： 1)当Vcos α =0,即岩屑相运动速度在Χ0Υ面内的分量为0时，岩屑相对于钻杆内壁的 运动速度在Ζ轴方向的分量为V2=c〇2rtana，此时岩屑在Χ0Υ面内处于平衡状态，即 a=〇 ; 公式五 钻杆内壁相对于岩屑的运动速度在X0Y平面内的分量L为： ^1=ω?Τ 公式六 则钻杆内壁对岩屑的向心力为：F 公式七 其中：r为钻杆内壁的直径。 〇 2t an 〇L
[0018] sin θ =-f .........................................&............................................-- 公式八 cos Θ =-公式九 ?oxtan α 由公式一、二、四、五可得： fx [cos θ - tan ( α + β ) sin θ ] =mgtan ( α + β ) 公式十 由公式三、七、八、九、十可得： U ?Τ 9 〇 ! 、 -ω [--- 7Γ - ω tan α ] = f-：-\-;- 公式十- g t. an ( a + β ) o j + o z t an a 等式两边开平方并整理得： μ ιΤ 9 4 ? ? Ρ ιΤ1 tan a ,- (-j- tan α ω i -tan α ) ω2 -2 -j--ζ-ω1 ω2 g" g tan( α + ρ ) ?。 么、式忙 解方程得： lg t 2 \ ~~r~n ......................................................以......... 1......Γ.....................................................5 4-Λ / ..............................................^-1...... Γ........g.............................................^ i i? 6-γτ^ -- 2 2 t an\ ? + p ) \l tan (, a + p J H i2r2tan 〇 ω /-gHan 〇 公式十三 由公式十一得： ：-^〇-? -?2tana>0即岩屑不发生自锁得条件 tan\a + p j 故 ω2〈-7-- tan(α + β) tanα π V2 ? W VV ω2~ tanja+g) \j tan2( g + P j s s U i2r2tan 〇l ?^-gHari a > -^7-工.....T-：-为增根 tan(a + β) tan a 所以 "22 Γ tf t t 2 ： 11 ^ Γ ., S , i ^ lT g . 8, 2 2 2 ., 6 <1 2 ω^= tan(a+￥y〇t Λ] tan2( a + P ) °1 + μ 1 r g ~g 〇> U iZrztan a 〇1i-g2tan 〇· 公式十四 W s / W trg :^^^^j 2)当 ω2>-tm(.....α.....+.1..).....-- + 时，相 u/r2tan〇L cd^-gHand 对于Vc〇sa=〇状态的Θ增大，由公式一可得岩屑有一个与该点ω2切线方向相同的加速 度，此时，Vcosa不断增大方向与该点ω2方向相同的加速度，而钻杆内壁对岩屑的向心力 为： F向=ml^￡^￡2i￡l! 公式十五 r 而θ夹角可表示为： (?2r-Vcos 〇 ) tan a sin Θ = _ 公式十六 ( ° ir+Vcos α ) 2+ (o 2r -Vcos 〇.)2tan2 a _〇ιΓ +Vcos a_ cos θ = _ 公式十七 \l (ω jr+Vcos a ) z+ (ω 2r -Vcos 〇) 2t an2 〇 由公式十五、十六、十七可得，随着Vcos α增大不断增大，而Θ不断减小，岩屑的 加速度不断减小直至为〇。设此时岩屑相对于地面的速度在X0Y平面内的分量为Lcos a， Vcos a XVdCos a时岩屑的加速度与该点(〇2切线方向相反，Vcos a减小；当Vcos a〈Lcos a 时岩屑的减速度与该点《2切线方向相同，Vcos a增大。因此最终岩屑在XOY平面内处于 平衡状态。
[0019] 对于平衡状态的岩屑，将公式三、十五、十六、十七代入公式十并整理得： ?iT +VcosCl μ 1 t>j+Vc〇sa):[ Γ (? iT+Vcos 0· )"+ (CO ；r ~￥cos 0- )"t an' Cl C ? ；r-Vcos Q ) t an Cl -tan ( a + β ) _ ] =gtan ( a + β ) λ/ C ? jT+Vcos 〇)'+( ? tT -Vcos 〇 )'tan2 〇' 要使岩屑能够岩螺旋机构上升，须满足：Vcos a > c〇2r，公式十八 当Vcos a无限趋近于ω 2r时，ω 2处于最小值。即： .· ω2π?η=Λ /gtan( α+β) -ω1 公式十九 ω,= V^ hCOIg - -?-,Γ I V 当岩屑能够沿螺旋机构上升时：ω 2> ω 2niin 即:ω1+ω。〉/gtan( 公式二十 V hr 要保证岩屑上升，同时要满足岩屑受力不自锁，对于公式十七，则满足： _① iT +Vcos〇·_ λ}(① ιΓ+VcosCl)"+(CO，-^cosCl)2tm^^ (cdVco s <i ) t an ^ - tan (a + β) >0 -\j ( ω xr+Vcos a )"+ (o 2r ~Vcos ^ ) 2tar/ ^ ^ ^ ° +Vcos <1 / m ,、 ， 整理后得：---> tan ( a + β ) tan α 公式一十一 o2r-Vcos ^ ^ i r' 5 / U iVg2 -:--二-; 3)当 ω2< tm(a + |7QltmS(a + g)01 Uirg 〇1_g 〇1 时，可 u/r2tan〇t Wtana 以认为是在情况2)的基础上增大ωι，而〇^的增大使增大，θ减小，是有利于岩屑上升 的，因此只要满足公式二十，此种情况中岩屑就能上升。 ^-;-
[0020] 综上所述，只要满足ω 1+ ω2> ^ /gtaJl( α + g)及 V μ j ^ ιΓ +Vcos ^ ---> tan ( a + β ) tan α可以使岩屑上升。 ^>2r~Voos
[0021] 以上为理论推导，在实际工况中，取ω1+ω2>!^ /gtan( a + Ρ厂及士 >Α时， V hr ω 2 螺旋机构置于钻杆内部进行排出岩屑的方法是可行的，k为实际工况中的影响系数，根据 以下参数确定：空气阻力，μ i和钻杆工作时的倾斜角、钻机的振动等等，k的取值范围是 1 < k < 5 ;A为实际工况中满足岩屑不自锁时一^的最小值。 ω2
[0022] 本发明的有益效果是： 其一、该装置不同于常规叶岩钻机的高压冲洗液排料的原理，通过精确设计钻头机构 以及钻头与钻杆连接模块，并在垂直设置的钻杆空腔内设置螺旋机构，采用滑动摩擦力排 出岩屑，无需用高压冲洗液，即避免了钻井底部的高速液流；还避免了井壁与冲洗液反应影 响钻井，即节省了大量的能量，同时该钻机的安全性能和环保性能大大提高。
[0023] 其二、本发明提及的钻机在原理和结构上的简单并不削弱钻机的功能，相反，由于 钻机钻进时无液体参与，钻井深度和地质的复杂性对钻机钻进的影响较小，钻机的适用范 围非常广泛，而且使钻井的技术难度大大降低；同时由于不用冲洗液，就节约大量的水资 源，并且没有大量的液体送入钻井底部并且冲到地面，也节省了大量的能量，因此本钻机是 环保节能的。非常适宜在缺少水资源的地方使用本发明提及的钻机。
[0024] 其三、牙轮钻头取消了螺纹连接结构，就取消了钻机最薄弱的环节，解放了钻机的 轴压，可以通过提高轴压而提高钻机的钻压，当然也不排除在轴压不变的情况下提高钻压， 这就为钻机提高钻机效率奠定了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的结构示意图。
[0026] 图2是本发明中钻头的结构示意图。
[0027] 图3是本发明中联接模块的结构示意图。
[0028] 图4是本发明中支撑机构的主视图。
[0029] 图5是本发明中支撑机构的俯视图。
[0030] 图6为本发明中根据钻杆旋转轴线设立的坐标系图。
[0031] 图7为本发明中螺旋叶片上岩屑的受力分析图。
[0032] 图中标记：1、钻杆，2、钻头，201、牙轮，202、圆柱体状套筒，203、法兰连接端，3、支 架，4、动力机构，5、搅动推进机构，501、支撑杆，502、拨料块，6、螺旋机构，601、主轴，7、驱动 电机，8、联接模块，801、外连接套筒，802、轴承，803、内套筒，9、支撑机构，901、支撑底板， 902、加强筋板，10、冷却液注入装置，11、冷却液喷头，12、排屑孔。
【具体实施方式】
[0033] 根据附图，结合最优的实施例来说明本发明； 如图所示，一种用于开采页岩气的钻机，包括钻杆1、钻头2、用于驱动钻杆的动力机构 4和用于支撑钻杆和动力机构的支架3,钻杆1的一端通过传动组件与动力机构4相连，所 述的传动组件可选择常规的锥齿轮副或者涡轮蜗杆减速器； 所述的钻头2由钻头本体和设置在钻头本体上的多个牙轮201构成，所述钻头本体包 括圆柱体状套筒202和法兰连接端203,牙轮201的一端设置在圆柱体状套筒202的内壁 上，另一端伸出圆柱体状套筒202外部，圆柱体状套筒202内部的空腔构成输料通道，位于 牙轮201的上方在圆柱体状套筒内壁上还设有搅动推进机构5,圆柱体状套筒半包围着牙 轮并使岩屑通过内部设置的搅动推进机构送入钻杆内，钻头本体的法兰连接端203通过联 接模块8与钻杆1的一端连接，所述钻杆1为空心轴结构，在其内圆柱孔中设有螺旋机构6， 螺旋机构6的旋转轴线和钻杆的旋转轴线重合，在钻杆1上部还设有排屑孔12,在所述螺旋 机构6中螺旋叶片的边缘设有弹性材料层，例如覆盖橡胶层，使得螺旋叶片与钻杆内壁紧 密接触，同时在螺旋叶片磨损后弹性结构起补偿作用使得螺旋叶片与钻杆内壁继续紧密接 触，螺旋机构6旋转方向和钻杆1的旋转方向相反，并保证ω1+ω2>1^ /gtan(a + P)~ \j U1r ，同时保证ω2之间的关系满足岩屑在上升中受力不自锁，其中ωι为钻杆角速度，ω2 为螺旋机构角速度，g为重力加速度，μ i为钻杆内壁与岩屑间的滑动摩擦系数，r为钻杆内 孔壁的直径，a为螺旋机构中螺旋叶片的螺旋角，β值由μ 2=tani3得出，其中μ 2为螺旋 叶片与岩屑间的滑动摩擦系数，k为实际工况中的影响系数； 所述螺旋机构6的主轴601 -端通过传动组件与驱动电机7的输出轴相连，此处的传 动组件同样可选择常规的锥齿轮副或者涡轮蜗杆减速器，主轴601的另一端通过支撑机构 9设置在钻杆1的内圆柱孔中，所述主轴601为空心轴结构，远离钻头的主轴601 -端与冷 却液注入装置10相连，另一端连接有冷却液喷头11，冷却液喷头11喷液点靠近钻头的牙轮 201 处。
[0034] 本发明，所述的搅动推进机构可采用如下结构；由垂直设置在圆柱体状套筒202 内孔壁上的支撑杆501和固定在支撑杆端部的拨料块502组成，此处的搅动推进机构是不 需要要外力驱动的，也就是说搅动推进机构相对于钻头来说是静止的，然而在钻头旋转过 程中，向上方倾斜的拨料块会将一部分岩屑向上方推动直至进入钻杆内，该种结构更加实 用。
[0035] 本发明，所述的联接模块8由外连接套筒801、轴承802和内套筒803组成，在外 连接套筒801的内壁上设有一台阶面，轴承802设置在外连接套筒801的台阶面上，内套筒 803套装在轴承802内孔中，内套筒803和外连接套筒801将轴承802密封在两者之间，进 一步优化该结构，所述的内套筒803上端面低于外连接套筒801的上端面。
[0036] 本发明，所述的支撑机构9包括一支撑底板901，在支撑底板901上端面设有多个 加强筋板902,多个加强筋板902的端部卡在螺旋机构中主轴601的外圆周面上，支撑底板 901的下端面设置在外连接套筒801的内孔中并与内套筒803上端面相接触，此种结构保证 了设置在钻杆内孔中的支撑机构更加稳定，而且还不会卡料。
[0037] 本发明，所述的冷却液喷头11垂直设置在支撑机构中支撑底板901端面的中心 处。
[0038] 如图2所示，本发明中所采用的钻头是由常规的牙轮钻头改进来的，由于牙轮钻 头是使用最广泛的钻井钻头；牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与 井底接触面积小，比压高，易于吃入底层；工作刃总长度大，相对减小了磨损；并且牙轮钻 头能适应从软到坚硬的多种地质，因此选用牙轮钻头。但是目前市场上的牙轮钻头并不适 合本钻机，因此要对牙轮钻头进行改进。牙轮钻头的改进主要包括以下几方面：其一、在取 消螺纹结构后用法兰的方式把牙轮钻头与钻杆联接起来；其二、用圆柱体包围牙轮并且使 岩屑能从圆柱体内部进入到钻杆内；其三、在适当的位置焊接搅动推进机构，其作用为使岩 屑松动并且产生向上的力；这里需要特别指出，取消牙轮钻头的联接处的螺纹结构对于提 高钻井效率是非常有利的。由于螺纹结构把钻机的轴压限制在一定范围内，钻机的钻压受 到很大的限制，钻机的效率也受到很大的影响。资料显示，川东钻探公司在云安012-2井采 用常规技术和常规钻压的钻探中，机械钻速仅〇. 35米/小时；使用新技术在钻压增加一倍 多的情况下，机械钻速达到2. 5米/小时。也就是说，钻压比常规钻压提高一倍多，钻速可 以提1? 6倍，可以说提1?钻压是提1?钻井效率的根本途径。
[0039] 由于牙轮钻头工作时产生大量的热量，为使牙轮钻头正常工作，要对牙轮钻头进 行冷却。冷却的方法为：选用螺旋机构内部的主轴为空心轴，把喷射管引到牙轮钻头上部并 安装冷却液喷头，通过喷射冷却液冷却牙轮钻头。
[0040] 本发明，通过钻头前端的圆柱体状套筒半包围着牙轮，因此，该结构使得多个牙轮 在工作中不断的将岩屑通过内部设置的搅动推进机构送入钻杆内，而后螺旋机构通过摩擦 力将岩屑升到顶部后，并通过钻杆上部的排屑孔12排出岩屑，排屑孔12可以为一个长方形 的孔，孔的高度为1. 2倍至2倍螺距即可。
[0041] 综上所述，采用钻杆内螺旋机构输送并排出岩屑，就不需要用冲洗液，避免了钻井 底部的高速液流；避免了井壁与冲洗液反应影响钻井；避免了钻杆上的螺纹结构，在施加 超出常规钻压的情况下使钻机钻进速度成倍提高；避免了使用大量的水资源。由于这几点 使钻井的技术难度大大降低，就解决了气藏深、地质复杂这两个难题。
[0042] 本发明不仅适用于页岩气的开采。还适用于建筑、桥梁、道路方面基桩的钻取，即 不仅适用于钻采设备，也适用于桩工机械。
【权利要求】
1. 一种用于开米页岩气的钻机，包括钻杆（1)、钻头（2)、用于驱动钻杆的动力机构 (4)和用于支撑钻杆和动力机构的支架（3)，钻杆（1)的一端通过传动组件与动力机构（4) 相连，其特征在于：所述的钻头（2)由钻头本体和设置在钻头本体上的多个牙轮（201)构 成，所述钻头本体包括圆柱体状套筒（202)和法兰连接端（203)，牙轮（201)的一端设置 在圆柱体状套筒（202)的内壁上，另一端伸出圆柱体状套筒（202)外部，圆柱体状套筒 (202)内部的空腔构成输料通道，位于牙轮（201)的上方在圆柱体状套筒内壁上还设有 搅动推进机构（5)，圆柱体状套筒半包围着牙轮并使岩屑通过内部设置的搅动推进机构 送入钻杆内，钻头本体的法兰连接端（203)通过联接模块（8)与钻杆（1)的一端连接，所 述钻杆（1)为空心轴结构，在其内圆柱孔中设有螺旋机构（6)，在钻杆（1)上部还设有排 屑孔（12)，在所述螺旋机构（6)中螺旋叶片的边缘设有弹性材料层，使得螺旋叶片与钻 杆内壁紧密接触，螺旋机构（6)旋转方向和钻杆（1)的旋转方向相反，并保证 -JgW α.±1) '同时保证ω2之间的关系满足岩屑在上升中受力不自锁，其中ωι为钻 V 杆角速度，ω2为螺旋机构角速度，g为重力加速度，μ i为钻杆内壁与岩屑间的滑动摩擦系 数，r为钻杆内孔壁的直径，α为螺旋机构中螺旋叶片的螺旋角，β值由μ 2=tani3得出， 其中μ 2为螺旋叶片与岩屑间的滑动摩擦系数，k为实际工况中的影响系数； 所述螺旋机构（6)的主轴（601) -端通过传动组件与驱动电机（7)的输出轴相连，主轴 (601)的另一端通过支撑机构（9 )设置在钻杆（1)的内圆柱孔中，所述主轴（601)为空心轴 结构，远离钻头的主轴（601) -端与冷却液注入装置（10)相连，另一端连接有冷却液喷头 (11),冷却液喷头（11)喷液点靠近钻头的牙轮（201)处。
2. 根据权利要求1所述的一种用于开采页岩气的钻机，其特征在于：所述的搅动推进 机构由垂直设置在圆柱体状套筒（202)内孔壁上的支撑杆（501)和固定在支撑杆端部的拨 料块（502)组成。
3. 根据权利要求2所述的一种用于开采页岩气的钻机，其特征在于：所述的联接模块 (8)由外连接套筒（801)、轴承（802)和内套筒（803)组成，在外连接套筒（801)的内壁上 设有一台阶面，轴承（802)设置在外连接套筒（801)的台阶面上，内套筒（803)套装在轴承 (802) 内孔中，内套筒（803)和外连接套筒（801)将轴承（802)密封在两者之间。
4. 根据权利要求3所述的一种用于开采页岩气的钻机，其特征在于：所述的内套筒 (803) 上端面低于外连接套筒（801)的上端面。
5. 根据权利要求4所述的一种用于开采页岩气的钻机，其特征在于：所述的支撑机构 (9 )包括一支撑底板（901 )，在支撑底板（901)上端面设有多个加强筋板（902 )，多个加强筋 板（902)的端部卡在螺旋机构中主轴（601)的外圆周面上，支撑底板（901)的下端面设置在 外连接套筒（801)的内孔中并与内套筒（803)上端面相接触。
6. 根据权利要求5所述的一种用于开采页岩气的钻机，其特征在于：所述的冷却液喷 头（11)垂直设置在支撑机构中支撑底板（901)端面的中心处。
7. 根据权利要求6所述的一种用于开采页岩气的钻机，其特征在于：所述螺旋机构（6) 中螺旋叶片的边缘设置的弹性材料层为橡胶层。
【文档编号】E21B7/00GK104120972SQ201310145155
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月25日 优先权日:2013年4月25日
【发明者】董书朋 申请人:董书朋