本发明涉及一种三级扩孔钻具及钻孔方法，尤其涉及一种构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具。
背景技术：
中国构造煤广泛发育且构造煤煤层气资源丰富，但是由于构造煤具有富气、低渗、松软、破碎等突出特征，导致构造煤开采和煤层气开发难度很大，是公认的难题。钻探技术可以作为构造煤中煤层气开发一种非常重要的技术手段，在构造煤中钻进形成大孔径钻孔，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。随着煤炭资源开发深度的逐渐增大，钻探技术也日趋成熟，但是，对于埋深较大且破碎、松软的构造煤层扩孔钻进，仍然是钻探技术面临的巨大挑战。
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。具有参考意义的代表性成型设备有：rhino扩眼器，利用刀翼限位块确定扩眼行程，设计有喷孔和大流道；威德福ripetide扩眼器，控制部分既能通过投球也能使用射频发射进行控制；bakerhughes公司的gaugeproxpr扩张式随钻扩眼器，投球开启伸出刀翼，使用紧定螺钉代替剪切销，设置了位于本体上方的水眼；tesco的underreatner扩眼器，在本体上设有稳定器；哈里伯顿xr型扩眼器，能够在原有领眼基础上扩眼后收回；anderreamer扩眼器，采用滑移液压扩张式、投球和压差式激活方式。近年来，还出现了柱塞式扩孔工具。
评价钻具扩孔技术的两个核心指标就是扩孔级数与扩孔率。一般来说扩孔率与扩孔级数具有一定的相关关系，即扩孔级数也大，扩孔率也越大。综合目前国内外的随钻扩孔装备来看，扩孔方式单一，扩孔级数较低，只有一到二级，因此，导致扩孔率也较低。
技术实现要素：
本发明的目的是：针对上述技术的不足之处，提供一种扩孔率高，它解决了目前随钻扩孔钻具扩孔方式单一，扩孔级数低，扩孔率较低，大口径成孔困难的问题，的构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具及钻孔方法。
为了满足上述要求，本发明的构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具，它包括领眼总成、一级二级扩孔回收总成和三级扩孔回收总成组成，其中领眼总成与一级二级扩孔回收总成相连接，一级二级扩孔回收总成与三级扩孔回收总成组成相连接。
所述领眼总成为钻头；
所述一级二级扩孔回收总成包括外壳体，外壳体中空内部设有活塞腔和柱塞腔，其中柱塞腔靠近领眼总成，柱塞腔内反向活动设置有两个扩孔柱塞；所述活塞腔内设有活塞，活塞将活塞腔分割为上下两个部分，靠近中柱塞腔的下半部分为液压油腔，液压油腔内设有液压油和弹簧c，活塞腔上半部分内设有弹簧d，上半部分在弹簧d顶部设有胶塞，胶塞上方的外壳体上设有两个与钻具外部连接的溢流孔，所述活塞两侧依次设有二级扩孔限位孔、一级扩孔限位孔和原位限位孔，活塞腔的内壁上成对设有与二级扩孔限位孔、一级扩孔限位孔和原位限位孔匹配的扩孔限位器；
所述三级扩孔回收总包括外壳体，外壳体内设有内管，内管包括下内管和上内管，其中下内管部分插入上内管，下内管和上内管连接处设有密封圈，其中下内管的底端设有下连接固定环，下连接固定环与内管连接密封圈之间在下内管外侧套有弹簧b，内管的下内管端口处设有三级扩孔激活孔挡球a，上内管两侧通过刀翼旋转轴a活动设有可伸出收入外壳体中的两个刀翼，刀翼的外侧上设有多个刀齿，刀翼与上内管连接处还设有固定在上内管上的刀翼旋转轴b，上内管与外壳体之间设有弹簧a，弹簧a套在上内管上，上内管顶部管口处设有泥浆孔并与外壳体外连通，泥浆孔两侧设有限位钉，内管的上内管端口靠近泥浆孔处设有三级扩孔激活孔挡球b，外管上设有用于固定刀翼的支挡，支挡上设有连接下内管的上连接固定环，上内管下端固定有内管连接密封圈，下内管外侧的外壳体上倾斜设有喷射嘴，使钻具内管的内部与外壳体的外部相通，在三级扩孔前，从喷射嘴中喷出具有一定压力的泥浆液辅助扩孔。
弹簧d通过缓冲将扩孔泵压分别从固定压力值转变为一定范围的压力区间，提高扩孔压力控制的可操作性。
上连接固定环和下连接固定环将支挡和下内管连接为一体，组成刀翼支挡机构。
上内管套在下内管上，内管连接密封圈固定在上内管下端来实现与下内管密封连接。
一种构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔方法，其步骤如下：设计三级扩孔位置为a和b之间孔段；定义正常钻井泵送泥浆压力为p，一级扩孔泵送泥浆压力为p，二级扩孔泵送泥浆压力为p，其中p<p<p；
当领眼总成的钻头钻入设计位置a时，使用正常钻井泵送泥浆压力p，此期间活塞两侧的原位限位孔与活塞腔壁上的扩孔限位器位置匹配，此时泵送泥浆通过上内管进入下内管，在从下内管进入溢流孔，然后沿着钻井流回地面；
给定泵送泥浆压力p，泥浆推动胶塞挤压弹簧d收缩，同时弹簧d向活塞施加压力，推动活塞移动并挤压弹簧c压缩，此时活塞两侧的一级扩孔限位孔与活塞腔壁中的扩孔限位器的位置匹配，液压油腔空间变小，液压油从液压油腔被挤压到柱塞腔中，柱塞腔中的液压油推动扩孔柱塞部分伸出，并跟随钻具旋转，钻具整体旋转从位置a移动退回至设计位置b，完成一级扩孔，此时钻井泥浆冲洗液通过上内管进入下内管，在从下内管进入溢流孔，然后沿着钻井流回地面；
给定泵送泥浆压力p，泥浆推动胶塞挤压弹簧d继续收缩，同时弹簧d继续向活塞施加压力，推动活塞移动并挤压弹簧c压缩，此时活塞两侧的二级扩孔限位孔与活塞腔壁中的扩孔限位器位置匹配，液压油腔内空间继续缩小，更多液压油被进一步从液压油腔被挤压到柱塞腔中，柱塞腔中的液压油挤压扩孔柱塞全部伸出，钻具整体旋转再次从位置b前进至设计位置a，从而完成二级扩孔，此时钻井泥浆冲洗液的流向是通过上内管进入下内管，在从下内管进入溢流孔，然后沿着钻井流回地面；
恢复正常钻井泵送泥浆压力p，泥液压力降低，弹簧c推动活塞移动，此时活塞腔上的扩孔限位器恢复与活塞两侧的原位限位孔匹配，液压油腔内空间增大，从而使伸出的扩孔柱塞缩回柱塞腔，此时从钻具上内管向钻具内投入三级扩孔激活孔挡球a，由于泵送泥浆压力的作用下通过级扩孔激活孔挡球a推动支挡和下内管向下移动，解除支挡对刀翼的阻挡，弹簧b在下内管向下移动的作用下拉伸，之后从钻具上内管向钻具内投入三级扩孔激活孔挡球b，由于泵送泥浆压力的作用下通过级扩孔激活孔挡球b推动限位钉脱开，上内管连同内管连接密封圈向下移动，弹簧a收缩，上内管带动刀翼绕着刀翼旋转轴a和刀翼旋转轴b转动，刀翼伸出，钻具整体旋转再次从位置a后退至设计位置b，从而实现三级扩孔，此时喷射嘴向井壁喷出泥浆辅助刀翼扩孔，泵压泥浆冲洗液通过内管从泥浆孔向外壳体喷射；
最后降低泵压为零，上内管和下内管依次先后在压缩的弹簧b和弹簧a作用下收回刀翼，恢复扩孔前的状态，完成一次位置为a和b之间孔段的三级扩孔方法。
有益技术效果：
本发明的关键核心技术为刀翼、柱塞钻头的收回机构和锁紧定位机构三个主要部分，其中，柱塞钻头的锁紧定位机构主要功能是使柱塞钻头伸出卡在设计位置，实现一级和二级扩孔；柱塞钻头的收回机构主要功能是在完成一级、二级扩孔之后，收回柱塞钻头；刀翼的主要功能是刀翼伸出，切割周围岩石，实现三级扩孔。通过控制泵量、泵压等钻井参数，使扩孔柱塞伸出或收回，同时活塞移动使扩孔限位器与限位孔卡紧，达到锁紧定位。通过向钻具中投入激活孔挡球，改变泥浆循环通路，使刀翼支挡、内管相对运动，实现刀翼的伸出，最后，降低泵压，在弹簧的作用下，收回刀翼。
为了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，本发明能够在领钻总成实施小口径钻探施工后，双向往复式钻井系统在第一次反向回程、第二次正向进程、第三次反向回程过程中，实现扩孔率分别为150％、200％、300％的扩孔钻进。主要技术指标为：扩孔后井径增幅200％-300％；可以在可钻性等级ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ和ⅴ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是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具扩孔前的示意图；
图2是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具一级扩孔时的示意图；
图3是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具二级扩孔时的示意图；
图4是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具三级扩孔时的示意图；
图5是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具的结构示意图：
图6是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具的的三级扩孔回收总成的结构示意图；
图7是本发明构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具的三级扩孔回收总成刀翼打开的结构示意图；
图8是图1的领眼总成和一级二级扩孔回收总成的结构示意图；
图9是图2的领眼总成和一级二级扩孔回收总成的结构示意图；
图10是图3的领眼总成和一级二级扩孔回收总成的结构示意图。
图中：1-外壳体，2-泥浆孔，3-限位钉，4-弹簧a，5-刀翼旋转轴a，6-刀翼，7-刀齿，8-支挡，9-上连接固定环，10-喷射嘴，11-弹簧b，12-下连接固定环，13-下内管，14-内管连接密封圈，15-上内管，16-三级扩孔激活孔挡球a，17-三级扩孔激活孔挡球b，18-溢流孔，19-胶塞，20-二级扩孔限位孔，21-一级扩孔限位孔，22-原位限位孔，23-扩孔限位器，24-活塞，25-弹簧c，26-液压油腔，27-柱塞腔，28-扩孔柱塞，29-钻头，30-弹簧d，31-领眼总成，32-一级二级扩孔回收总成，33-三级扩孔回收总成,34-刀翼旋转轴b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步说明：
如图5所示，本发明的构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔钻具，它包括领眼总成31、一级二级扩孔回收总成32和三级扩孔回收总成组成33，其中领眼总成31与一级二级扩孔回收总成32相连接，一级二级扩孔回收总成32与三级扩孔回收总成组成33相连接。
如图8、图9和图10所述领眼总成31为钻头29；
如图8、图9和图10所述，一级二级扩孔回收总成32包括外壳体1，外壳体1中空内部设有活塞腔和柱塞腔27，其中柱塞腔27靠近领眼总成31，柱塞腔27内反向活动设置有两个扩孔柱塞28；所述活塞腔内设有活塞24，活塞24将活塞腔分割为上下两个部分，靠近中柱塞腔27的下半部分为液压油腔26，液压油腔26内设有液压油和弹簧c25，活塞腔上半部分内设有弹簧d30，上半部分在弹簧d30顶部设有胶塞19，弹簧d30通过缓冲将扩孔泵压分别从固定压力值转变为一定范围的压力区间，提高扩孔压力控制的可操作性，胶塞19上方的外壳体1上设有两个与钻具外部连接的溢流孔18，所述活塞24两侧依次设有二级扩孔限位孔20、一级扩孔限位孔21和原位限位孔22，活塞腔的内壁上成对设有与二级扩孔限位孔20、一级扩孔限位孔21和原位限位孔22匹配的扩孔限位器23；
如图6和图7所述，三级扩孔回收总33包括外壳体1，外壳体1内设有内管，内管包括下内管13和上内管15，其中下内管13部分插入上内管15，下内管13和上内管15连接处设有密封圈14，其中下内管13的底端设有下连接固定环12，下连接固定环12与内管连接密封圈14之间在下内管13外侧套有弹簧b11，内管的下内管13端口处设有三级扩孔激活孔挡球a16，上内管15两侧通过刀翼旋转轴a5活动设有可伸出收入外壳体1中的两个刀翼6，刀翼6的外侧上设有多个刀齿7，刀翼6与上内管15连接处还设有固定在上内管15上的刀翼旋转轴b34，上内管15与外壳体1之间设有弹簧a4，弹簧a4套在上内管15上，上内管15顶部管口处设有泥浆孔2并与外壳体1外连通，泥浆孔2两侧设有限位钉3，内管的上内管15端口靠近泥浆孔2处设有三级扩孔激活孔挡球b17，外管1上设有用于固定刀翼6的支挡8，支挡8上设有连接下内管13的上连接固定环9，上连接固定环9和下连接固定环12将支挡8和下内管13连接为一体，组成刀翼6支挡机构，上内管15下端固定有内管连接密封圈14，下内管13外侧的外壳体1上倾斜设有喷射嘴10，使钻具内管的内部与外壳体1的外部相通，在三级扩孔前，从喷射嘴10中喷出具有一定压力的泥浆液辅助扩孔。
如图1、图2、图3和图4所示，一种构造煤大口径成井双向往复式钻进三级扩孔方法，其步骤如下：设计三级扩孔位置为a和b之间孔段；定义正常钻井泵送泥浆压力为p1，一级扩孔泵送泥浆压力为p2，二级扩孔泵送泥浆压力为p3，其中p1<p2<p3；
当领眼总成31的钻头29钻入设计位置a时，使用正常钻井泵送泥浆压力p1，此期间活塞24两侧的原位限位孔22与活塞腔壁上的扩孔限位器23位置匹配，此时泵送泥浆通过上内管15进入下内管13，在从下内管13进入溢流孔18，然后沿着钻井流回地面；
给定泵送泥浆压力p2，泥浆推动胶塞19挤压弹簧d30收缩，同时弹簧d30向活塞24施加压力，推动活塞24移动并挤压弹簧c25压缩，此时活塞24两侧的一级扩孔限位孔21与活塞腔壁中的扩孔限位器23的位置匹配，液压油腔26空间变小，液压油从液压油腔26被挤压到柱塞腔27中，柱塞腔27中的液压油推动扩孔柱塞28部分伸出，并跟随钻具旋转，钻具整体旋转从位置a移动退回至设计位置b，完成一级扩孔，此时钻井泥浆冲洗液通过上内管15进入下内管13，在从下内管13进入溢流孔18，然后沿着钻井流回地面；
给定泵送泥浆压力p3，泥浆推动胶塞19挤压弹簧d30继续收缩，同时弹簧d30继续向活塞24施加压力，推动活塞24移动并挤压弹簧c25压缩，此时活塞24两侧的二级扩孔限位孔20与活塞腔壁中的扩孔限位器23位置匹配，液压油腔26内空间继续缩小，更多液压油被进一步从液压油腔26被挤压到柱塞腔27中，柱塞腔27中的液压油挤压扩孔柱塞28全部伸出，钻具整体旋转再次从位置b前进至设计位置a，从而完成二级扩孔，此时钻井泥浆冲洗液的流向是通过上内管15进入下内管13，在从下内管13进入溢流孔，18然后沿着钻井流回地面；
恢复正常钻井泵送泥浆压力p1，泥液压力降低，弹簧c25推动活塞24移动，此时活塞腔上的扩孔限位器23恢复与活塞24两侧的原位限位孔22匹配，液压油腔26内空间增大，从而使伸出的扩孔柱塞28缩回柱塞腔27，此时从钻具上内管15向钻具内投入三级扩孔激活孔挡球a16，由于泵送泥浆压力的作用下通过级扩孔激活孔挡球a16推动支挡8和下内管13向下移动，解除支挡8对刀翼6的阻挡，弹簧b11在下内管13向下移动的作用下拉伸，之后从钻具上内管15向钻具内投入三级扩孔激活孔挡球b17，由于泵送泥浆压力的作用下通过级扩孔激活孔挡球b17推动限位钉3脱开，上内管15连同内管连接密封圈14向下移动，弹簧a4收缩，上内管15带动刀翼6绕着刀翼旋转轴a5和刀翼旋转轴b34转动，刀翼6伸出，钻具整体旋转再次从位置a后退至设计位置b，从而实现三级扩孔，此时喷射嘴10向井壁喷出泥浆辅助刀翼6扩孔，泵压泥浆冲洗液通过内管从泥浆孔2向外壳体1喷射；
最后降低泵压为零，上内管15和下内管13依次先后在压缩的弹簧b11和弹簧a4作用下收回刀翼6，恢复扩孔前的状态，完成一次位置为a和b之间孔段的三级扩孔方法。