一种具有自动调节功能的钻井装置及钻井方法

1.本发明涉及页岩气开采设备领域，具体而言，涉及一种具有自动调节功能的钻井装置及钻井方法。


背景技术：

2.随着经济的发展，越来越多的国家大力投入在清洁能源的开采中，页岩气作为清洁能源的一种，十分受到各国的青睐；在页岩气等碳氢化合物的开采过程中，都需要用到钻头向储备层进行钻井，然后开采；现有的钻头和钻杆是不可控的，且多数只能直线工作；在长达几百米或者上千米深的钻井施工中，实际钻井轨道和预设轨道发生的偏差，通过操作只能直线工作的钻头从而使钻井轨道达到预设值就非常困难；现有的技术手段中，也有极少的钻头能偏转来提高操作效率，比如公开号为：cn108301770b的中国专利，其公开了一种自动调节定向钻井装置和方法，利用驱动轴壳体、钻挺和驱动轴的配合实现了钻头的调节，具体的驱动轴壳体围绕球形接头偏转，但是需要说明的是，在实际工作中，以球形接头为圆点进行偏转的过程中，驱动轴壳体的运动轨迹为圆锥体，在平面的运动轨迹为一个扇形，那么有且只能钻头能偏转的自动调节定向钻井装置中，驱动轴壳体是没法切割出一个扇形的运动轨迹的，导致整个设备的偏转角度有限，就需要更多的钻井距离来弥补，整个施工效率较低，成本较大。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种具有自动调节功能的钻井装置及钻井方法，通过设置第一钻头组和第二钻头组来实现整个钻井角度可调。
4.本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种具有自动调节功能的钻井装置，包括钻头组件和连接钻头组件的导向组件，钻头组件包括：钻铤，驱动轴壳体，驱动轴壳体的中部与钻铤耦合且驱动轴壳体的第一端设置在钻铤的内部；驱动轴壳体的第二端设置在钻铤的外部且外侧设有环形安装槽；驱动轴，其穿过驱动轴壳体和钻铤；第一钻头组，第一钻头组设置于驱动轴壳体的第二端的端部且与驱动轴传动连接；第二钻头组，第二钻头组设置在环形安装槽内且与驱动轴传动连接；驱动模块，驱动模块设置于钻铤的内部且用以驱动驱动轴壳体的第一端摆动。
5.进一步的，驱动轴壳体通过球形接头与钻铤耦合。
6.进一步的，环形安装槽内设有至少一个旋转轴，旋转轴的轴线与驱动轴的轴线平行设置，旋转轴键连接有第一驱动齿轮，旋转轴通过传动连接驱动轴；第二钻头组包括：环状设置的破碎板和连接环，破碎板固定连接于连接环的外侧，连接环的内侧设有与第一驱动齿轮啮合的内齿圈。
7.进一步的，旋转轴和驱动轴的连接方式包括同步带连接和齿轮连接。
8.进一步的，内齿圈顶面设有环形滑块，环形安装槽的侧壁设有第一环形滑槽，环形滑块滑动设置于第一环形滑槽内。
9.进一步的，环形安装槽内设有至少一个旋转轴，旋转轴的轴线与驱动轴的轴线平行设置，旋转轴键连接有第一驱动齿轮，旋转轴通过传动连接驱动轴；第二钻头组包括：若干破碎组件，以环形安装槽的轴线为旋转轴若干破碎组件圆周均匀分布；破碎组件包括破碎辊和楔形弧板，楔形弧板的两端通过轴承连接在破碎辊的转轴上，楔形弧板的厚度靠近第一钻头依次增大；旋转驱动组件，其包括：旋转环、连接板、拉伸弹簧、旋转小齿轮、旋转大齿盘；环形安装槽靠近第一钻头的侧壁内设有圆环状的安装腔，第一驱动齿轮设置在安装腔内，旋转大齿盘的内圈设有内齿牙，第一驱动齿轮的齿牙啮合内齿牙设置，大齿盘的外圈设有外齿牙，旋转小齿轮的齿牙啮合外齿牙设置，安装腔的侧壁上设有固定齿牙，固定齿牙啮合旋转小齿轮设置；旋转小齿轮的主旋转轴通过轴承固定在旋转环上，且主旋转轴通过万向节连接破碎辊的旋转轴；连接板的一端固定连接旋转环，另一端通过拉伸弹簧连接楔形弧板的下端；升降驱动组件，其包括：圆环状的挡板，挡板在环形安装槽内沿驱动轴的方向滑动设置，驱动轴壳体的内部设有若干液压伸缩杆，液压伸缩杆的活动端穿过环形安装槽设置且沿驱动轴的方向伸缩运动；挡板的外侧贴合楔形弧板的弧面设置。
10.进一步的，楔形弧板的下端设有第二环形滑槽，第二环形滑槽的内部滑动设有滑块，拉伸弹簧的一端连接滑块设置。
11.进一步的，驱动模块为若干以驱动轴轴线圆周均匀分布的微型液压杆。
12.进一步的，第一钻头组的直径大于第二钻头组的直径，第二钻头组的直径大于钻铤的直径。
13.一种钻井方法，包括以下步骤：
14.s1：控制微型液压杆和液压伸缩杆，使破碎辊收拢在第一钻头组的后方，驱动驱动轴，利用第一钻头组进行钻井；
15.s2：需要旋转时，启动液压伸缩杆，推动挡板向第一钻头组移动，挤压楔形弧板将破碎辊向外推，破碎辊张开将井扩钻为倒圆台状；
16.s3：收拢液压伸缩杆，液压伸缩杆带动挡板向上运动，在拉伸弹簧的作用下破碎辊收拢在第一钻头组的后面，然后微微拔出一点钻铤，使第一钻头位于倒圆台状的井内；
17.s4：驱动微型液压杆，控制第一钻头组偏转构建较大的钻角，从倒圆台状的井侧壁进行钻井，实现角度的可调。
18.本发明至少具有如下优点和有益效果：通过设置第二钻头组来保证驱动轴壳体能对井的侧壁进行有效的扩井，便于第一钻头组的位置调整，保证了整个设备的有效偏转角度，有效的修正量，减少了钻井距离，提高了施工效率，节约了工程成本。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1为实施例一提供的具有自动调节功能的钻井装置的侧视结构示意图；
21.图2为实施例一提供的具有自动调节功能的钻井装置的俯视结构示意图；
22.图3为实施例二提供的具有自动调节功能的钻井装置的侧视结构示意图一；
23.图4为实施例二提供的具有自动调节功能的钻井装置的侧视结构示意图二；
24.图5为实施例二提供的具有自动调节功能的钻井装置中的第二组钻头组的侧视结构示意图；
25.图6为实施例二提供的具有自动调节功能的钻井装置中破碎组件的俯视结构示意图；
26.图7为实施例二提供的具有自动调节功能的钻井装置中旋转驱动组件的俯视结构示意图；
27.图8为实施例二提供的具有自动调节功能的钻井装置中升降驱动组件的原理示意图；
28.图9为实施例二提供的钻井方法的过程一示意图；
29.图10为实施例二提供的钻井方法的过程二示意图；
30.图11为实施例二提供的钻井方法的过程三示意图；
31.图12为实施例二提供的钻井方法的过程四示意图；
32.图标：10-钻铤，20-驱动轴壳体，30-驱动轴，40-第一钻头组，50-第二钻头组，60-驱动模块，21-球形接头，22-环形安装槽，23-旋转轴，24-第一驱动齿轮，51-连接环，52-破碎板，53-环形滑块，54-同步带，71-楔形弧板，72-破碎辊，73-旋转大齿盘，74-旋转小齿轮，75-安装腔，76-万向节，77-旋转环，78-连接板，79-拉伸弹簧，61-挡板，62-液压伸缩杆，80-滑块。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
36.实施例一
37.在本实施例中，公开了一种具有自动调节功能的钻井装置，包括钻头组件和连接钻头组件的导向组件，需要说明的是，在本实施例中，导向组件主要为“造斜”用的井底动力钻具中没有转头的部分，比如：不包含钻头的螺杆钻具，采用此种导向组件的时候，钻头只需要在内部通过驱动轴30传动扭矩即可，具体的，在钻进的过程中螺杆的外壳和上面的钻具不旋转只向下滑动，螺杆下部旋转带动钻头旋转破碎岩石。在井筒中当我们需要钻头往一个特定方向走的时候我们只需要控制螺杆弯接头朝向我们需要的方向然后保持弯接头上部钻具不动，下部钻头旋转破碎特定方向的岩石，这就是滑动钻进；在这个过程中通过旋转上部钻具我们可以控制钻头的朝向也就是井斜方位角让钻头朝一个特定方向破碎岩石，
再通过钻压来控制井斜角；上述都为现有技术，在其他的实施例中，还可以采用如公开号为：cn108301770b的中国专利，其公开了一种自动调节定向钻井装置和方法，其中用到的导向组件，本实施例中的钻头组件和公开号为：cn108301770b的中国专利在附图3中的结构一致，区别点在于稳定器，稳定器主要起到驱动轴壳体20的移动稳定，对钻铤10和驱动轴壳体20并没有影响，同样可以加装在本实施例中的技术方案中，当然，不加装也是可以的；无论采用哪一种方式均为现有技术方案，在此就不在一一赘述；所以在本实施例中，主要问题为解决有且只能通过调整导向组件来改变钻头的偏转角度效率低的问题。
38.具体的，本实施例公开了一种钻头组件，如图1所示，钻头组件包括：钻铤10，驱动轴壳体20，驱动轴30，第一钻头组40，第二钻头组50和驱动模块60；驱动轴壳体20的中部与钻铤10耦合且驱动轴壳体20的第一端设置在钻铤10的内部；驱动轴壳体20的第二端设置在钻铤10的外部且外侧设有环形安装槽22；另外的，驱动轴30的一端穿过驱动轴壳体20和钻铤10，然后耦合驱动轴30，使两者传动连接，另一端通过万向节与泥浆马达(图中为示出)耦合，在一些实施例中，泥浆马达为容积式马达；第一钻头组40设置于驱动轴壳体20的第二端的端部用以起到主钻井的目的；第二钻头组50设置在环形安装槽22内且与驱动轴30传动连接，起到摆动驱动轴壳体20的时候，用以扩井的目的；驱动模块60设置于钻铤10的内部且用以驱动驱动轴壳体20的第一端摆动，从而使第二端摆动α度角(α＝5)(如图12所示)；然后进行钻头角度的修正，驱动轴壳体20通过球形接头21与钻铤10耦合，保证驱动轴壳体20可以相对于钻铤10旋转，需要说明的是，如果旋转的角度只需要在一个平面的话，那么就可以在球形接头21上设置连接销与钻铤10连接。
39.具体的，在本实施例中，如图2所示，环形安装槽22内设有三个旋转轴23，旋转轴23的轴线与驱动轴30的轴线平行设置，旋转轴23键连接有第一驱动齿轮24，旋转轴23通过链条连接驱动轴30，保证驱动轴30和旋转轴23能传递扭矩，从而将驱动轴30的扭矩传递给第二钻头组50，使第二钻头组50旋转，便于驱动轴壳体20摆动的时候，对井进行扩井，使第一钻头组40能随意摆动；具体的，如图2所示，第二钻头组50包括：环状设置的破碎板52和连接环51，破碎板52固定连接于连接环51的外侧，连接环51的内侧设有与第一驱动齿轮24啮合的内齿圈；当连接环51被第一驱动齿轮24驱动旋转的时候，成圆筒状的破碎板52就可以旋转对井进行扩井，从而在第一钻头组40偏转的时候，就可以有效进行。
40.进一步的，在一些实施例中，连接环的上顶面和下顶面都设有环形滑块53，环形安装槽22的上下侧壁都设有第一环形滑槽，环形滑块53滑动设置于第一环形滑槽内；通过设置环形滑块53和第一环形滑槽保证连接环51的受力强度。
41.采用如上述所述的结构就能保证在需要摆动的时候，比如采用钻压来控制井斜角的时候，利用驱动模块60驱动驱动轴壳体20的第一端进行摆动，然后利用第一钻头组40和第二钻头组50对于井的环周壁进行破碎，便于驱动轴壳体20的第二端进行摆动，扩大其摆动角度，进一步的，在本实施例中，导向组件就可以采用更大的钻压来控制井斜角，减小施工周期和工程量。
42.在一些实施例中，驱动模块60为若干以驱动轴30轴线圆周均匀分布的微型液压杆，具体的微型液压杆垂直所述驱动轴壳体20设置，一般的设置4个，分布控制东南西北四个方向的运动，另外的，微型液压杆的连接方式采用铰接的方式，避免在驱动轴壳体20摆动的时候，出现锁死的现象。
43.再者，第一钻头组40的直径大于第二钻头组50的直径，第二钻头组50的直径大于钻铤10的直径。
44.实施例二
45.如图3-8所示，在本实施例中，主要结构和实施例1一致，区别点在于第二钻头组50的机构，在本实施例中，采用可以扩井的第二钻头组50，目的在于，遇到硬度较大的地质的时候，第一钻头组40偏转的过程中，其与待破碎面的夹角的大小决定了是否能有效钻进，并且影响地面段的钻压；所以如图12所示，利用在本实施例中的结构可以将一般只有5
°
的摆角变为20
°
，大大增加了第一钻头组40的工作效率。
46.具体的，如图7所示，环形安装槽22内设有三个旋转轴23，旋转轴23的轴线与驱动轴30的轴线平行设置，旋转轴23键连接有第一驱动齿轮24，旋转轴23通过同步带54连接驱动轴30，传递扭矩。
47.第二钻头组50包括：参照图6所示，旋转驱动组件和升降驱动组件；具体的，以环形安装槽22的轴线为旋转轴23若干破碎组件圆周均匀分布；破碎组件包括破碎辊72和楔形弧板71，楔形弧板71的两端通过轴承连接在破碎辊72的转轴上，也就是说，在破碎辊72的旋转过程中，楔形弧板71不会发生旋转，如图4，5所示，楔形弧板71的厚度靠近第一钻头依次增大；旋转驱动组件包括：旋转环77、连接板78、拉伸弹簧79、旋转小齿轮74、旋转大齿盘73；环形安装槽22靠近第一钻头的侧壁内设有圆环状的安装腔75，第一驱动齿轮24设置在安装腔75内，且第一驱动齿轮24的转轴通过轴承固定，参照图7，旋转大齿盘73的内圈设有内齿牙，第一驱动齿轮24的齿牙啮合内齿牙设置，大齿盘的外圈设有外齿牙，旋转小齿轮74的齿牙啮合外齿牙设置，安装腔75的侧壁(外侧壁)上设有固定齿牙，固定齿牙啮合旋转小齿轮74设置；旋转小齿轮74的主旋转轴通过轴承固定在旋转环77上，且主旋转轴通过万向节76连接破碎辊72的旋转轴23；连接板78的一端固定连接旋转环77，另一端通过拉伸弹簧79连接楔形弧板71的下端；旋转环77在所述驱动轴壳体20上以驱动轴30的轴线为轴旋转滑动设置；整个动作的实施过程为：通过第一驱动齿轮24(定轴旋转)带动旋转大齿盘73旋转(三个定轴的第一驱动齿轮24可以固定大旋转齿盘，使其定轴旋转)，旋转大齿盘73的旋转可以带动旋转小齿轮74旋转，由于旋转小齿轮74还啮合安装腔75的外侧壁设置的，所以旋转小齿轮74，就会发生围绕自身轴线的自转和围绕旋转大齿盘73的公转，旋转小齿盘带动主旋转轴带动旋转环77做公转(围绕旋转大齿盘73的旋转)运动，同时破碎辊72随着其一起旋转(公转和自转)，完成对井侧壁的破碎，另外的，由于楔形弧板71通过轴承连接在破碎辊72的旋转轴23上的，随意楔形弧板71只会公转，不会自转。
48.升降驱动组件包括：如图3,4所示，挡板61在环形安装槽22内沿驱动轴30的轴线方向滑动设置，驱动轴壳体20的内部设有三个液压伸缩杆62(参照图6)，液压伸缩杆62的活动端穿过环形安装槽22设置且沿驱动轴30的轴线的方向伸缩运动；挡板61的外侧贴合楔形弧板71的弧面设置；具体的，液压伸缩杆62的活动端铰接所述挡板61，在液压伸缩杆62的运动下，所述挡板61将从上(参照图3)到下(参照图4)运动，挡板61会抵接所述楔形弧板71，将楔形弧板71向外推，旋转点为万向节76，如图8所示，在挡板61的推动过程中，由于楔形弧板71的厚度的增加(上薄下厚)，所以在挡板61和斜面之间会存在一个夹角，同时，距离从a变为b，这个过程中，f1，f2为绕旋转点的切向力，更具夹角的改变，f1至f2的数值是逐渐变小的，最小点为挡板61于楔形弧板71的接触点于旋转点的直线距离垂直楔形弧板71的斜面设置。
更具需要可以设置不同的斜面(也就是楔形弧板71的厚度差)来构建其绕旋转点(万向节76)的偏转角度，从而控制展开的距离，带动破碎辊72向外偏转，实现了第二钻头组50的展开(参照图4)目的，还需要说明的是，楔形弧板71与挡板61的接触面为弧面(参照图6所示)，利用弧面来保证有效接触的同时，还能进一步避免楔形弧板71随着破碎辊72一起旋转，再者，在液压伸缩杆62的复位过程中，楔形弧板71应该收拢复位，所以在本实施例中，拉伸弹簧79的目的就在于此，利用随着旋转环77一起运动的拉伸弹簧79将楔形弧板71进行复位(参照图3,4)，需要在此说明的是每个楔形弧板71都设有单独的弹簧，在本实施例中有6个，进一步的，楔形弧板71的下端设有第二环形滑槽，第二环形滑槽的内部滑动设有滑块80，拉伸弹簧79的一端连接滑块80设置；通过第二环形滑槽和滑块80的设置，使拉伸弹簧79能更好的复位，避免出现卡死的现象。
49.进一步的，在本实施例中，还包括一种钻井方法，包括以下步骤：
50.s1：参照图9所示，控制微型液压杆和液压伸缩杆62，使破碎辊72收拢在第一钻头组40的后方，驱动驱动轴30，利用第一钻头组40进行钻井；
51.s2：参照图10所示，需要旋转时，启动液压伸缩杆62，推动挡板61向第一钻头组40移动，挤压楔形弧板71将破碎辊72向外推，破碎辊72张开将井扩钻为倒圆台状；
52.s3：参照图11所示，收拢液压伸缩杆62，液压伸缩杆62带动挡板61向上运动，在拉伸弹簧79的作用下破碎辊72收拢在第一钻头组40的后面，然后微微拔出一点钻铤10，使第一钻头位于倒圆台状的井内；
53.s4：参照图12所示，驱动微型液压杆，控制第一钻头组40偏转构建较大的钻角，从倒圆台状的井侧壁进行钻井，实现角度的可调。
54.需要强调的是，本实施例只对主要发明点进行了详细描述，对于一些非发明点的技术内容采用现有技术手段完成即可，比如：微型液压杆和液压伸缩杆的液压管从导向组件连接到地面即可，又或者驱动模块可以采用丝杆来实现四个方向的控制，当然了，为了便于控制，可以采用plc等控制中枢对驱动模块进行控制，从而实现自动化的效果。
55.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。