一种电驱动式井下套管连续开孔装置及其工作方法

1.本发明涉及页岩气、页岩油开采过程中油气增产配套装置技术领域，特别是涉及一种电驱动式井下套管连续开孔装置及其工作方法。


背景技术：

2.当页岩气与页岩油井完成之后，要用套管将油气井外的油气储油层和采油管分割开，因为套管在中间的缘故，要使用套管射孔技术对套管进行穿孔，提高油气采收率，最后通过举升工艺进行油气开采收集。当前井下射孔技术大多采用火药射孔，上述施工方式生成孔截面极不规则，且会对孔周围的套管造成较大的影响，这对于后期压裂等施工影响较大。针对以上问题，提出一种电驱动式井下套管连续开孔装置及其工作方法，成孔质量好，成孔效率高，通过结构设计能够实现精准定位打孔、单次下井多次成孔，且能够配合其他井下工具一起使用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电驱动式井下套管连续开孔装置及其工作方法，提高套管开孔数量的同时提升成孔的质量，减小对套管的影响，使得后续工作顺利进行，增加油气资源产量和收集效率。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.一种电驱动式井下套管连续开孔装置，包括呈筒状的外壳，所述外壳内设有夹紧机构、驱动机构、开孔机构，
6.所述夹紧机构包括夹紧电机，所述夹紧电机同轴固定在外壳内，夹紧电机的转轴上安装有旋转凸轮，旋转凸轮的表面设有顶出面、收缩面，所述外壳上对应旋转凸轮配合有夹紧杆，所述夹紧杆上套有回位弹簧并通过台阶定位，旋转凸轮的顶出面与夹紧杆接触时，夹紧杆克服回位弹簧的弹力伸出外壳，夹紧杆用于与套管配合，形成对外壳的夹紧，旋转凸轮的收缩面与夹紧杆接触时，夹紧杆在回位弹簧的作用下回位，解除对外壳的夹紧；
7.所述驱动机构包括驱动电机、卡盘、固定拨叉，所述驱动电机、卡盘同轴固定在外壳内，驱动电机的转轴上安装有主动锥齿轮、涡轮盘，所述主动锥齿轮、涡轮盘位于卡盘的相反侧，所述卡盘上安装有从动锥齿轮，所述从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，所述卡盘上沿径向设有固定拨叉通槽，所述涡轮盘的端面上设有涡轮道，所述固定拨叉的控制端穿过固定拨叉通槽配合在涡轮盘上的涡轮道内，涡轮盘通过转动带动固定拨叉沿固定拨叉通槽滑动；
8.所述开孔机构包括钻头，所述钻头与从动锥齿轮动力连接，实现驱动电机驱动钻头旋转，所述拨叉轴向定位于钻头，拨叉用于带动钻头沿固定拨叉通槽滑动，实现钻头伸出、缩回外壳。
9.固定拨叉与钻头和涡轮盘相接，驱动电机带动涡轮盘进行转动的时候，固定拨叉在固定拨叉通槽内进行运动，给予钻头一个径向圆周运动。
10.优选地，还包括旋转机构，所述旋转机构包括旋转电机，旋转电机的转轴上安装有旋转舵，所述旋转舵固定于外壳上端，旋转舵用于带动外壳转动。
11.优选地，所述外壳由相互固定的左外壳、右外壳组成，所述旋转舵与左外壳、右外壳通过槽相连，所述左外壳、右外壳通过旋转舵带动转动改变钻孔角度，当旋转电机开始工作时，带动旋转舵旋转进而装置开始旋转改变角度，实现多角度旋转钻孔。
12.优选地，旋转电机安装在呈筒状的壳体内，该壳体与外壳同轴。
13.优选地，所述夹紧电机、驱动电机、旋转电机均固定在对应的电机卡盘上，所述电机卡盘通过销固定在外壳上。
14.优选地，所述外壳上对应回位弹簧分别设有弹簧卡套，所述回位弹簧、夹紧杆连接于弹簧卡套。
15.优选地，所述夹紧机构的数量为两个，且对称设置在外壳的上部、下部；所述主动锥齿轮对应多个从动锥齿轮，实现多个钻头同时工作；旋转凸轮的表面设有多个顶出面、收缩面，多个顶出面、收缩面对应多个夹紧杆，实现多个夹紧杆同时工作；所述开孔机构的数量为多个，且沿外壳轴向均匀分布。
16.优选地，所述从动锥齿轮通过卡瓦销固定在从动锥齿轮上卡瓦、从动锥齿轮下卡瓦上，从动锥齿轮上卡瓦、从动锥齿轮下卡瓦固定连接，所述卡盘内部设置有从动锥齿轮下卡瓦固定槽，从动锥齿轮下卡瓦固定于从动锥齿轮下卡瓦固定槽。
17.优选地，所述钻头的内侧端通过棘轮单向传动结构与从动锥齿轮啮合，实现钻头伸出外壳时，钻头旋转，钻头缩回外壳时，钻头不转(周向静止)。
18.在钻头进行伸出动作时，从动锥齿轮能够通过主动锥齿轮的转动给钻头一个圆周旋转，进行套管的开孔；当钻头进行缩回动作时，从动锥齿轮的棘轮机构与进行配合工作，使钻头在周向运动禁止，与此同时涡轮盘在驱动电机的带动下进行反转，固定拨叉在固定拨叉通槽下进行圆周运动，实现钻头的回收作业。
19.一种电驱动式井下套管连续开孔装置的工作方法，
20.夹紧电机工作，带动旋转凸轮转动，使旋转凸轮的顶出面将夹紧杆顶出，此时回位弹簧被压缩，夹紧杆伸出外壳与套管内壁贴合，实现装置固定在井筒内；
21.驱动电机工作，驱动电机带动主动锥齿轮与涡轮盘旋转，主动锥齿轮带动从动锥齿轮旋转，从动锥齿轮带动钻头旋转，同时，在卡盘上的固定拨叉卡槽作用下，涡轮盘带动固定拨叉沿卡盘径向向外滑动，进而，固定拨叉推动钻头向外钻进，钻头在推力和钻矩的作用下进行套管开孔；
22.套管开孔作业完成后，所述驱动电机开始反转，带动主动锥齿轮、涡轮盘反转，主动锥齿轮带动从动锥齿轮反转，在棘轮单向传动结构的作用下，钻头不旋转(周向静止)，同时，在卡盘上的固定拨叉卡槽作用下，涡轮盘带动固定拨叉沿卡盘径向向内滑动，进而，固定拨叉推动钻头向内运动，实现钻头缩回外壳；
23.夹紧电机反向旋转工作，电机工作带动旋转凸轮转动，使旋转凸轮的收缩面与夹紧杆接触，夹紧杆在回位弹簧的作用下回位，解除装置在井筒中的固定。
24.优选地，解除装置在井筒中的固定，旋转电机旋转，旋转电机带动旋转舵转动，实现多角度套管钻孔。
25.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
26.原有的套管开孔技术会导致开孔不规则，存在较大的危险性，并对后续的套管工作产生较大的影响，导致油气收集和产量降低，采用本发明提供的电驱动式连续开孔装置，能够提高套管开孔数量和质量的同时，提高井下套管开孔的安全性，且组件设配要求低，易安装，该装置可以与其他的井下工具配合使用，实现油气增产。
附图说明
27.图1为本发明整体结构示意图；
28.图2a为本发明内部机构组成示意图；
29.图2b为夹紧电机销的安装位置示意图；
30.图3为夹紧机构示意图；
31.图4a为驱动机构示意图；
32.图4b为卡盘的结构示意图；
33.图4c为涡轮盘的结构示意图；
34.图4d为从动锥齿轮的安装示意图；
35.图4e为棘轮单向传动结构的结构示意图；
36.图5为开孔机构示意图；
37.图6为旋转机构示意图。
具体实施方式
38.参见图1-图6，一种电驱式井下套管连续开孔装置，包括外壳、夹紧机构a、驱动机构b、开孔机构c、旋转机构d，外壳由左外壳1、右外壳组成，夹紧机构a、驱动机构b、开孔机构c置于左外壳1、右外壳内。旋转机构d置于壳体内，该壳体与外壳同轴，且分离。该壳体可以与吊具连接，带动整个装置上下移动。
39.所述夹紧机构a，由夹紧电机3、夹紧电机卡盘4a、夹紧电机卡盘4b、夹紧电机销51、夹紧电机销61、旋转凸轮30、夹紧杆101、回位弹簧81、弹簧卡套91、凸轮键7组成，所述夹紧电机3由夹紧电机卡盘4a、夹紧电机卡盘4b通过夹紧电机销51、夹紧电机销61固定在左外壳1、右外壳2中，所述旋转凸轮30通过凸轮键7与夹紧电机3相连，所述夹紧杆101、回位弹簧81和弹簧卡套91同轴固定，所述夹紧机构数量a为两个，分布在整个装置的上下两侧。本实施例中，夹紧电机销51沿周向分为四个，例如，夹紧电机销51、夹紧电机销52、夹紧电机销53、夹紧电机销54。
40.所述驱动机构b由由驱动电机13、驱动电机卡盘11a、驱动电机卡盘15a、驱动电机销121、驱动电机销141、主动锥齿轮18、从动锥齿轮211、齿轮键16、卡盘23、卡盘销201、涡轮盘25、涡轮盘键17组成，所述驱动电机13由驱动电机卡盘11a、驱动电机卡盘15a通过驱动电机销121、驱动电机销141固定在左外壳1、右外壳2中，所述主动锥齿轮18通过齿轮键16与驱动电机13相连，主动锥齿轮18与驱动电机13同轴转动，所述主动锥齿轮18与从动锥齿轮211啮合转动，所述从动锥齿轮211内部带有棘轮结构291，该棘轮结构291内部齿带有铰链结构，允许转动一定的角度之后固定不动，所述涡轮盘25通过涡轮盘键17与驱动电机13连接，涡轮盘25由驱动电机13带动同轴转动，所述涡轮盘25内部设有涡轮道31，所述涡轮盘25可以设置涡轮道32的宽度与圈数来改变固定拨叉241的转动快慢，进而控制钻头191钻进速
度。
41.所述开孔机构c，包括钻头191、从动锥齿轮上卡瓦261、从动锥齿轮下卡瓦221、卡瓦销271、固定拨叉241组成，所述钻头191后方由棘轮状齿281与从动锥齿轮211内部棘轮结构291啮合，所述从动锥齿轮上卡瓦271、从动锥齿轮下卡瓦221由卡瓦销271固定从动锥齿轮211，所述从动锥齿轮下卡瓦下方221固定在卡盘23中的从动锥齿轮下卡瓦固定槽321中，所述固定拨叉241通过卡盘23中的固定拨叉槽331在卡盘23和涡轮盘涡流道31固定，所诉固定拨叉331被固定拨叉槽331限制只能沿着固定拨叉槽331路径行动，所述开孔机构的数量为多个，且对应驱动电机下方对称分布。
42.所述旋转机构d包括旋转电机卡盘43a，旋转电机42，驱动电机销401、旋转电机键45、旋转舵46，所述旋转舵46通过旋转电机键45与旋转电机42相连，由旋转电机42带动旋转舵46转动，所述旋转舵在左外壳1、右外壳2的槽中固定，所述左外壳1、右外壳2通过旋转舵带动转动。
43.工作方法：
44.首先，所述夹紧电机工作带动旋转凸轮转动，旋转凸轮转动将夹紧杆顶出，此时回位弹簧压缩，夹紧杆伸出弹簧卡套与套管内壁贴合，此时装置固定不动，实现固定。
45.装置在井筒内固定后之后，驱动电机开始工作，驱动电机通过齿轮键和涡轮盘键带动主动锥齿轮与涡轮盘旋转，主动锥齿轮开始旋转，与其啮合的从动锥齿轮开始周向运动，钻头尾部与从动锥齿轮通过棘轮结构相互啮合，从动锥齿轮带动钻头开始周向运动，与此同时，涡轮盘开始周向运动，钻头通过固定拨叉与涡轮盘相连，固定拨叉在涡轮盘路道中进行向外运动，涡轮盘上方有卡盘固定，卡盘中有固定拨叉卡槽，限制固定拨叉的径向位移，进而推动钻头前钻进，钻头在推力和钻矩的作用下在套管壁上进行打孔；
46.套管打孔作业完成之后，所述驱动电机开始反转，带动主动锥齿轮开始反转，涡轮盘开始反转，所述主动锥齿轮开始反转，带动从动锥齿轮开始反转，因为存在棘轮结构的缘故，钻头保持静止不动，所述涡轮盘开始反向周向运动，钻头通过固定拨叉与涡轮盘相连，固定拨叉在涡轮盘路中进行向内运动，涡轮盘上方有卡盘固定，卡盘中有固定拨叉卡槽，限制固定拨叉的径向位移，进而推动钻头后退且钻头保持周向静止，实现钻头的回收过程。
47.钻头回收完成之后，所述固定电机反向旋转工作，电机工作带动旋转凸轮转动，旋转凸轮转动将夹紧杆收至旋转凸轮收缩面处，此时回位弹簧伸展，夹紧杆通过回位弹簧与套管内壁分离，此时装置脱离在井筒中的固定，完成一整次开孔动作。
48.取消固定动作完成之后，所述旋转电机42开始旋转，旋转电机42带动旋转舵46转动，所述旋转舵46与左外壳1、右外壳2通过卡槽相连，转动一定的角度之后电机停止工作，重复上述开孔过程，实现纵向方向多角度套管钻孔。
49.以上完成一整次开孔动作。重复上述动作即可完成连续多次径向套管开孔。
50.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。