一种防止水平井坍塌卡钻的工具及其使用方法

技术领域

本发明涉及水平钻井技术领域，特别是涉及一种防止水平井坍塌卡钻的工具及其使用方法。

背景技术

水平钻井技术是页岩气开发的核心技术之一，因水平井单井量大和生产周期长，广泛运用于页岩气开发钻井，由于页岩易碎的特性，导致钻井到一定深度后井壁失稳容易产生岩石掉块，在这种情况下很容易造成高摩阻和扭矩、卡钻、钻井困难等情况。

现有技术中，提出了公开号为CN107387003A，公开日为2017年11月24日的中国发明专利文件，来解决上述存在的技术问题，该专利文献所公开的技术方案如下：一种防止井眼岩屑卡钻的脉冲射流阀，属于石油钻采井下工具技术领域。它由外壳体、旋转轴、阀轮和叶轮构成；外壳体内装有旋转轴，旋转轴的中间部位安装有阀轮，阀轮与上轴承座和下轴承座之间的旋转轴上装有叶轮；与阀轮对应的外壳体圆周上均布有旁通孔。

虽然上述技术方案利用脉冲射流在一定程度上提高岩石掉块在水平井环空中的运移效率和井眼清洁度。但是目前在钻井施工过程中，虽然在易产生岩石掉块的地层加大循环排量，用于保证岩石掉块及时返出井口，但由于现场钻井液排量调节有限，且水平井钻井常使用旋转导向工具，旋转导向工具的径向尺寸较大，大尺寸岩石掉块不易通过此处的井眼环空间隙，导致岩石掉块和岩屑在旋转导向工具前端沉积，最后演变为岩石掉块卡钻事故。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种防止水平井坍塌卡钻的工具及其使用方法，通过破碎岩石掉块使其尺寸变小，经过破碎的小尺寸岩石掉块由钻井液携带出井口，提高井眼清洁度，能有效解决岩石掉块卡钻的问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种防止水平井坍塌卡钻的工具，其特征在于：包括下壳体、上壳体、动力装置、传动轴和至少一组破碎装置；所述下壳体一端与钻头相连，上壳体一端与旋转导向工具相连；每组破碎装置包括传动齿轮和同时与传动齿轮啮合的两个破碎齿轮，所述破碎齿轮的外围设置有破碎牙齿；所述下壳体的外围分布嵌有若干破碎齿，下壳体上还分别设有用于安装破碎齿轮的安装腔；所述传动齿轮与传动轴相连，所述动力装置带动传动轴和传动齿轮旋转，进一步带动同组的两个破碎齿轮之间相互旋转来挤碾岩石掉块；沿下壳体到上壳体的方向，所述下壳体呈变径状，包括外扩段和回缩段，所述安装腔都位于外扩段上。

其中一组破碎装置位于外扩段和回缩段之间。

沿下壳体到上壳体的方向，所述传动齿轮的外径依次变小，所述破碎齿轮的外径依次变大。

所述动力装置包括定子和转子，所述定子和转子为一对共轭的空间几何体，相互啮合中形成密封腔；所述上壳体的内壁面和定子接触，上壳体上开设有用于定子轴向定位的第一台阶面。

还包括射流装置，所述射流装置包括三角转子、钻井液入口和若干沿周向间隔设置的单向射流阀，所述单向射流阀包括阀体、阀芯、弹簧和斜射流孔；所述三角转子与转子相连，与上壳体形成钻井液密封腔，三角转子旋转使钻井液密封腔的体积周期性变化。

还包括连接轴，所述连接轴上设有钻井液通孔和密封圈槽，所述连接轴一端与传动轴连接，另一端与转子连接。

所述下壳体和上壳体之间还设有连接壳体，连接壳体靠近下壳体一端还开有槽，用于放置密封圈。

还包括轴承，所述传动轴上设有用于安装轴承的第二台阶面，所述上壳体的内部设有用于轴承轴向定位的第三台阶面，连接壳体上设有用于轴承定位的第四台阶面。

所述破碎齿轮为圆锥齿轮，所述传动齿轮两面设有与破碎牙齿啮合的传动牙齿。

一种防止水平井坍塌卡钻的工具的使用方法，其特征在于：将该工具的两端分别与旋转导向工具和钻头连接，动力装置带动传动轴旋转，传动齿轮分别和破碎齿轮啮合传递动力；在钻井过程中，下壳体随之转动，岩石掉块由下壳体运动到上壳体的过程中，由于下壳体呈变径状，岩石掉块逐级破碎，破碎齿的周向力和破碎齿轮之间的旋转挤压力将岩石掉块破碎成小尺寸，被破碎后的岩石掉块通过井眼环空顺利通过径向尺寸较大的旋转导向工具；同时，钻井液通过钻井液入口进入钻井液密封腔，在三角转子的带动下钻井液密封腔的体积周期性变化，将钻井液压入单向射流阀形成脉冲射流，破碎后的岩石在脉冲射流作用下离开井眼环空。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、通过该工具以及该工具的使用方法，利用破碎齿和破碎齿轮能有效破碎钻头部分产生的岩石掉块，提高岩石掉块在水平井环空中的破碎效率，使得岩石掉块尺寸经破碎后变小，能够有效通过径向尺寸较大的旋转导向工具，达到防止岩石掉块卡钻事故的发生。

其中，岩石掉块由下壳体运动到上壳体的过程中，由于下壳体呈变径状，使得下壳体的外表面为斜面，所述安装腔都位于外扩段上，使得岩石掉块能被逐级破碎，多次破碎，破碎齿强大的周向力和破碎齿轮之间的旋转挤压力共同作用，将岩石掉块破碎的效果更好。并且只有当破碎后的岩石掉块尺寸小于设置尺寸，所述设置尺寸为破碎齿轮与井壁之间的间距，岩石掉块方能通过该破碎装置，使得岩石掉块的破碎更加彻底，也更加精确。

2、其中一组破碎装置位于外扩段和回缩段之间，使得破碎装置的破碎效果更好，也能更好的控制岩石掉块破碎后的最大尺寸。

3、沿下壳体到上壳体的方向，所述破碎齿轮的外径依次变大，传动轴转动一圈，小外径破碎齿轮相比大外径破碎齿轮转动的圈数多，破碎齿轮的钻速随着破碎齿轮外径的增大依次减小，使得破碎齿轮初始破碎岩石掉块时效果更好。

4、还包括射流装置，通过单向射流阀产生脉冲射流，利用水力冲击波能极大增强岩石掉块在井眼环空中的位移，减少岩石掉块在井眼环空中的滞留时间，能够有效地预防卡钻事故发生，显著提高钻井效率，提高井眼清洁度，延长钻具使用寿命。

5、本工具通过动力装置将液能转换为动能，能够提供较大破碎力去主动破碎岩石掉块，在钻井过程中，钻具带动破碎齿，传动轴带动破碎齿轮，两者同时作用方便高效。

6、 轴承的安装和使用，能够支撑传动轴，降低其运动过程中的摩擦系数，保证回转精度。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为A-A的剖面结构示意图；

图3为本发明的单向射流阀的结构示意图；

图4为本发明的下壳体的结构示意图；

图5为本发明的连接轴的结构示意图；

图6为本发明的整体破碎示意图（其中L代表岩石掉块破碎规定尺寸）；

图7为本发明的破碎齿轮的破碎示意图；

图8为本发明的破碎齿轮的结构示意图；

图9为本发明的传动齿轮的立体结构示意图；

图10为本发明的传动齿轮的立面结构示意图；

图中标记：

1、下壳体，2、破碎齿，3、一级破碎齿轮，4、二级破碎齿轮，5、三级破碎齿轮，6、平键，7、连接壳体，8、深沟球轴承，9、钻井液通孔，10、单向射流阀，11、定子，12、转子，13、上连接螺纹，14、上壳体，15、三角转子，16、连接轴，17、密封圈，18、三级传动齿轮，19、二级传动齿轮，20、一级传动齿轮，21、传动轴，22、下连接螺纹，23、井壁，24、岩石掉块，1a、第一安装腔，1b、第二安装腔，1c、第三安装腔，3a、破碎牙齿，3b、接触端面，10a、弹簧，10b、阀体，10c、射流孔，10d、阀芯，14a、内螺纹，14b、密封圈槽，14c、外螺纹，15a、连接键孔，15b、钻井液入口，15c、钻井液密封腔，15d、钻井液出口，18a、键口，18b、传动牙齿。

具体实施方式

实施例1

作为本发明基本实施方式，本发明包括一种防止水平井坍塌卡钻的工具，包括下壳体1、上壳体14、动力装置、传动轴21和一组破碎装置。所述下壳体1一端与钻头相连，上壳体14一端与旋转导向工具相连。每组破碎装置包括传动齿轮和同时与传动齿轮啮合的两个破碎齿轮，所述破碎齿轮的外围设置有破碎牙齿3a。所述下壳体1的外围分布嵌有若干破碎齿2，下壳体1上还分别设有用于安装破碎齿轮的安装腔。所述传动齿轮与传动轴21相连，所述动力装置可以为电机，带动传动轴21和传动齿轮旋转，进一步带动同组的两个破碎齿轮之间相互旋转来挤碾岩石掉块24。沿下壳体1到上壳体14的方向，所述下壳体1呈变径状，包括外扩段和回缩段，所述安装腔都位于外扩段上，所述外扩段与井壁23的最小间距即岩石掉块24破碎规定尺寸，也是岩石掉块24破碎后的最大尺寸，通过控制该破碎规定尺寸也能控制岩石掉块24的最大尺寸，避免岩石掉块24卡在旋转导向工具的最大径向尺寸处。

实施例2

作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种防止水平井坍塌卡钻的工具，包括下壳体1、上壳体14、动力装置、传动轴21、射流装置和两组破碎装置。所述下壳体1一端与钻头相连，上壳体14一端与旋转导向工具相连。所述动力装置包括定子11和转子12，所述定子11和转子12为一对共轭的空间几何体，相互啮合中形成密封腔。

每组破碎装置包括传动齿轮和同时与传动齿轮啮合的两个破碎齿轮。所述破碎齿轮为圆锥齿轮，所述破碎齿轮的外围设置有破碎牙齿3a，所述传动齿轮两面都设有与破碎牙齿3a啮合的传动牙齿18b。

所述下壳体1的外围分布嵌有若干破碎齿2，下壳体1上还分别设有用于安装破碎齿轮的安装腔。所述传动齿轮与传动轴21相连，所述动力装置带动传动轴21和传动齿轮旋转，进一步带动同组的两个破碎齿轮之间相互旋转来挤碾岩石掉块24。沿下壳体1到上壳体14的方向，所述下壳体1呈变径状，包括外扩段和回缩段，所述安装腔都位于外扩段上，两组破碎齿轮依次间隔设置在外扩段上。

所述射流装置包括三角转子15和若干沿周向间隔设置的单向射流阀10。所述单向射流阀10包括阀体10b、阀芯10d、弹簧10a和斜射流孔10c。所述三角转子15与转子12相连，与上壳体14形成钻井液密封腔15c，三角转子15旋转使钻井液密封腔15c的体积周期性变化。当钻井液压力大于弹簧10a设定阈值，钻井液通过斜射流孔10c形成射流，阀芯10d周期性开闭形成脉冲射流。

实施例3

作为本发明另一较佳实施方式，本发明包括一种防止水平井坍塌卡钻的工具，包括下壳体1、上壳体14、动力装置、传动轴21和四组破碎装置。所述下壳体1一端与钻头相连，上壳体14一端与旋转导向工具相连。

每组破碎装置包括传动齿轮和同时与传动齿轮啮合的两个破碎齿轮，所述破碎齿轮的外围设置有破碎牙齿3a。所述下壳体1的外围分布嵌有若干破碎齿2，下壳体1上还分别设有用于安装破碎齿轮的安装腔。所述传动齿轮与传动轴21相连，所述动力装置带动传动轴21和传动齿轮旋转，进一步带动同组的两个破碎齿轮之间相互旋转来挤碾岩石掉块24。

沿下壳体1到上壳体14的方向，所述下壳体1呈变径状，包括外扩段和回缩段，所述安装腔都位于外扩段上，且传动齿轮的外径依次变小，所述破碎齿轮的外径依次变大。沿下壳体1到上壳体14的方向，四组破碎齿轮与井壁23的间距越来越小，当其中一组破碎装置位于外扩段和回缩段之间时，此时破碎齿轮与井壁23的间距达到最小，该间距为岩石掉块24破碎规定尺寸。

实施例4

作为本发明最佳实施方式，参照说明书附图1，本发明包括一种防止水平井坍塌卡钻的工具，包括壳体部分、动力装置、连接轴16、传动轴21、破碎齿2、轴承、密封圈17、平键6、三角转子15、射流装置和三组破碎装置。所述壳体部分包括上壳体14、下壳体1和连接壳体7，其中连接壳体7两端设有螺纹用于连接上壳体14和下壳体1，连接壳体7设有第四台阶面用于深沟球轴承8定位，靠近下壳体1一端开有槽用于放置密封圈17。

所述动力装置包括定子11和转子12，所述定子11和转子12为一对共轭的空间几何体，相互啮合中形成密封腔。所述转子12为螺杆，参照说明书附图5，所述连接轴16一端设有内螺纹14a和传动轴21连接，另一端设有外螺纹14c和转子12连接。所述连接轴16上设有钻井液通孔9用于钻井液流通，连接轴16上开有密封圈槽14b。

上壳体14的内壁面和定子11接触，开设第一台阶面实现定子11的轴向定位，所述上壳体14的内部设有用于轴承轴向定位的第三台阶面。上壳体14一端设有上连接螺纹13用于和旋转导向工具连接。

参照说明书附图8~10，每组破碎装置包括传动齿轮和同时与传动齿轮啮合的两个破碎齿轮。所述破碎齿轮为圆锥齿轮，所述破碎齿轮的外围设置有破碎牙齿3a。所述传动齿轮两面设有与破碎牙齿3a啮合的传动牙齿18b。本实施例中，具体包括一级破碎齿轮3、二级破碎齿轮4、三级破碎齿轮5、三级传动齿轮18、二级传动齿轮19和一级传动齿轮20。所述一级破碎齿轮3的接触端面3b和下壳体1接触，破碎牙齿3a和传动牙齿18b相互啮合实现传动，二级破碎齿轮4和三级破碎齿轮5的接触和传动如一级破碎齿轮3一样。

与传动齿轮对应的传动轴21位置处设置有键槽，传动齿轮上设有键口18a，所述传动轴21通过平键6连接一级传动齿轮20、二级传动齿轮19和三级传动齿轮18。传动轴21和下壳体1接触面设有槽来安装密封圈17。所述轴承可以为深沟球轴承8，传动轴21设有第二台阶面用于安装深沟球轴承8。

参照说明书附图4，所述下壳体1两端均设有螺纹，一端通过下连接螺纹22与钻头连接，一端和连接壳体7连接。沿下壳体1到上壳体14的方向，所述下壳体1呈变径状，包括外扩段和回缩段。下壳体1外围分布嵌有破碎齿2，在外扩段依次设有用于放置破碎齿轮的安装腔，具体包括第一安装腔1a、第二安装腔1b和第三安装腔1c，分别用于安装一级破碎齿轮3、二级破碎齿轮4和三级破碎齿轮5。安装腔根据破碎齿轮尺寸有所不同，沿下壳体1到上壳体14的方向，所述一级破碎齿轮3、二级破碎齿轮4和三级破碎齿轮5的外径依次变大，一级传动齿轮20、二级传动齿轮19和三级传动齿轮18的外径依次变小。所述三级破碎齿轮5可以位于外扩段和回缩段之间，使得三级破碎齿轮5与井壁23之间的间距最小，该间距也是岩石掉块24破碎规定尺寸L，大于该尺寸都不能通过该破碎装置。

参照说明书附图2和说明书附图3，所述射流装置包括三角转子15、钻井液入口15b、钻井液出口15d和四个沿周向间隔设置的单向射流阀10。所述三角转子15通过连接键孔15a与转子12相连，与上壳体14形成钻井液密封腔15c，三角转子15旋转使钻井液密封腔15c的体积周期性变化。所述单向射流阀10包括阀体10b、阀芯10d、弹簧10a和斜射流孔10c，当钻井液压力大于弹簧10a设定阈值，钻井液通过射流孔10c形成射流，阀芯10d周期性开闭形成脉冲射流。

使用时，所述工具通过上连接螺纹13和旋转导向工具连接，通过下连接螺纹22和钻头连接，当钻井液经旋转导向工具流入该工具时，由于压力差，转子12将绕着定子11作轴线旋转，钻井液通过定子11和转子12后通过钻井液通孔9进入连接轴16内部，最后沿着传动轴21内部到达钻头部分，转子12的转动带动连接轴16旋转，连接轴16通过螺纹和传动轴21连接，传动轴21和一级传动齿轮20、一级传动齿轮20、一级传动齿轮20通过平键6连接，三级传动齿轮18、二级传动齿轮19、一级传动齿轮20分别和对应的一级破碎齿轮3、二级破碎齿轮4、三级破碎齿轮5啮合传递动力，参照说明书附图7，一级破碎齿轮3、二级破碎齿轮4、三级破碎齿轮5通过破碎牙齿3a破碎岩石掉块24。在钻井过程中，下壳体1随之转动，下壳体1上布置的破碎齿2旋转破碎岩石掉块24，岩石掉块24由下壳体1运动到上壳体14的过程中，由于下壳体1为变径，导致该工具具有斜面，参照说明书附图6，岩石掉块24逐级破碎，破碎齿2强大的周向力和一级破碎齿轮3、二级破碎齿轮4、三级破碎齿轮5的之间的旋转挤压力将岩石掉块24破碎成小尺寸，被破碎后的岩石掉块24通过井眼环空能够顺利通过径向尺寸较大的旋转导向工具，钻井液通过钻井液入口15b进入钻井液密封腔15c，在三角转子15的带动下容积周期性变化，将钻井液压入单向射流阀10形成脉冲射流，破碎后的岩石掉块24在脉冲射流作用下快速离开井眼环空，由此达到提高岩石掉块24在水平井环空中的运移速度和井眼清洁度的目的，能够有效地预防卡钻事故发生。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。