[发明专利]一种用于开采页岩气的钻机

说明书

技术领域

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

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。

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。

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=ρgh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

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。

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ω₁+ω₂>k                                                ，同时保证ω₁、ω₂之间的关系满足岩屑在上升中受力不自锁，其中ω₁为钻杆角速度，ω₂为螺旋机构角速度，g为重力加速度，μ₁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μ₂=tanβ得出，其中μ₂ 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。

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。