一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具及方法技术

本发明专利技术涉及一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具及方法，适用于深部构造煤层水平井井下多级扩孔时使用。包括射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构三部分组成，利用多级扩孔回收机构完成扩孔刀翼的一级、二级扩张及回收；扩孔激活采用RFID系统激活电液控制机构，通过改变投下的电子标签球，改变所需的扩孔条件，实现扩孔的远程操控，在不更换钻具的前提下，在构造煤等较软地层中实现水平井、直井、斜井等多种方式的扩孔钻进，还可以根据工程需要完成某一孔段的多级扩孔作业；激发与扩孔机构结构可靠，随钻扩孔钻具扩孔方式可靠，扩孔率较高，可实现大口径成孔，扩孔稳定性好，自动化程度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具及方法
本专利技术涉及一种多级变径随钻扩孔钻具及方法，尤其适用于深部构造煤层水平井井下多级扩孔时使用的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具及方法。
技术介绍
中国构造煤广泛发育且构造煤煤层气资源丰富，但是构造煤具有的富气、低渗、松软、破碎等突出特征，成为制约构造煤开采和煤层气开发的重要客观因素。钻探技术作为构造煤中煤层气开发的一种技术手段，已得到越来越广泛的应用。而在松软破碎的构造煤层钻进中，常表现出：①钻进过程中，钻孔稳定性差，孔壁易坍塌，成孔质量差；②钻孔孔壁坍塌，钻渣排出通道受阻，常常会出现卡钻、夹钻、喷孔等现象，甚至发生安全事故。在构造煤中钻进形成大孔径钻孔，可以增大煤层卸压范围，改善煤层渗透性，提高煤层气解吸速率和效率，但是，在埋深较大且破碎、松软的构造煤层采用传统的机械钻机施工大直径钻孔就更加困难。因此，构造煤层中的扩孔钻进仍然是钻探技术面临的巨大挑战。构造煤层钻进采煤采气是依据钻头破碎煤层，一次钻进可以形成与钻头直径等径的圆柱状钻孔，同时通过钻井液将煤炭颗粒携带到地面。从经济性和开采效率考虑，进入煤层区域后钻头直径应尽量大。然而岩层的可钻性要远低于煤层的可钻性，以大直径钻头钻进岩石层需要更高的钻压和扭矩，钻头直径越大，钻进速度越低，相应成本随之提高。因此需要在岩层中以小直径钻头钻进，在煤层中以大直径钻头钻进，这就要求采用大变径的扩孔钻具。在进行大直径扩孔时，则需要通过起下钻来变更井下钻具组合。起钻改变钻具组合会造成成本增加，钻井周期增长，并容易造成遇阻和卡钻，因此需要在不提钻的条件下完成扩孔工作。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，但应用效果不明显，主要表现在，液压式扩孔器利用泵压控制，增大泵压直径变大，减小泵压直径变小，但由于泵压难以保持恒定不变，难以精确控制钻孔直径，扩孔质量难以保证。因此需要更加稳定的、精度更高的扩孔钻具。与此同时，无线射频识别(RFID)技术在矿井应用领域起到了不可或缺的作用，尤其是在煤矿井下安全监控，网络数据通讯，数据的远距离传输，信息处理等方面。利用无线射频识别(RFID)技术，可以精确控制井下钻具的扩孔作业，提高井下扩孔钻具的工作效率，降低钻进成本，大幅度提高经济效益。
技术实现思路
针对上述技术的不足之处，提供一种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的基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具及方法。为实现上述技术目的，本专利技术基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：它包括顺序连接的射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构，射频识别激发机构、电液控制机构和多级扩孔回收机构之间通过螺纹连接；所述射频识别激发机构包括外壳体A，固定挡板A，O型密封圈A，RFID系统，传输电缆A，中心流道，压紧螺钉，固定筛网，电子标签球，其中外壳体A管状结构，外壳体A的侧壁开凹槽，凹槽中设有RFID系统，RFID系统通过O型密封圈A和固定挡板A固定，RFID系统与传输电缆A连接，并延伸至射频识别激发机构外侧，外壳体A内部设有固定筛网，固定筛网阻挡电子标签球，使电子标签球暂时储存于中心流道中，便于电子标签球的回收；所述电液控制机构包括外壳体B，内中心管，支撑环，微控制器，微型天线，固定挡板B，环形空间，第一复位弹簧，滑动活塞A，上部腔室，电磁阀A，电磁阀B，固定挡板C，LVDT式位移传感器，注油孔，第二复位弹簧，O型密封圈B，滑动活塞B，轴向液流孔A，轴向液流孔B，传输电缆B，O型密封圈C，下部腔室，锂电池；其中外壳体B与外壳体A匹配，外壳体B内设有内中心管，内中心管上方通过支撑环与外壳体B连接固定，内中心管上方设有微控制器，微控制器顶部设有微型天线，内中心管内部为中空结构，微控制器的尾端通过传输电缆B与设置在内中心管中的锂电池相连接，锂电池下方设有固定用的固定挡板B，固定挡板B下方在内中心管中设有滑动活塞A，滑动活塞A和内中心管之间设有0型密封圈C,固定挡板B与滑动活塞A之间设有第一复位弹簧，滑动活塞A下方设有固定挡板C，固定挡板C下方设有LVDT式位移传感器，滑动活塞A与固定挡板C之间设有上部腔室，固定挡板C上预留两个纵向通道，通道内安置电磁阀A和电磁阀B，电磁阀A和电磁阀B分别控制液压油分别从两个纵向通道流入上部腔室和下部腔室，固定挡板C下方设有套在第二复位弹簧上的滑动活塞B，滑动活塞B尾部从外壳体B尾部伸出，滑动活塞B的头部活塞部分中设有容纳LVDT式位移传感器测杆的圆柱形孔洞；LVDT式位移传感器的测杆设置在活塞部分的圆柱形孔洞中，微控制器的尾端通过传输电缆B还与电磁阀A、电磁阀B以及LVDT式位移传感器相连接；所述多级扩孔回收机构包括作为钻井液的流动通道的内管和回收机构，内管设置在回收机构中间，回收机构包括：活塞固定座，滑动套管，径向液流孔，固定挡板D，上扩孔刀翼，切削齿，销钉A，连接轴，下扩孔刀翼座，下扩孔刀翼，销钉B,O型密封圈D；其中内管为柱状套筒结构，内管的侧壁上分别开有四道开口，所述回收机构包括滑动套管和扩孔刀翼座，其中滑动套管顶部设有与滑动活塞B连接的活塞固定座，滑动套管上设有多个径向液流孔，可使钻井液顺利通过，滑动套管两侧通过O型密封圈D与设在外侧的固定挡板D密封，防止钻井液外泄，滑动套管下方通过销钉A分别与四组刀翼的一端活动连接，四组刀翼的另一端分别与下扩孔刀翼座通过销钉B活动连接，所述刀翼包括上扩孔刀翼和下扩孔刀翼，上扩孔刀翼和下扩孔刀翼之间通过连接轴活动连接，上扩孔刀翼和下扩孔刀翼外侧刀刃上设有切削齿。所述RFID激发机构和电液控制机构与传输电缆A相连接，传输电缆A与地面信号接收装置连接，电液控制机构中的电磁阀A和电磁阀B通过传输电缆B与微控制器相连。电磁阀A和电磁阀B控制滑动活塞B的移动，可实现扩孔率为100-300％之间任意扩孔率的扩孔作业，增加扩孔的灵活性。滑动套管上设置径向圆形液流孔；滑动套管与内管紧密连接且在轴向上可相对移动。一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔方法，其步骤为：组装钻具，通过注油孔向上部腔室注入液压油，使第一复位弹簧处于压缩状态，当微控制器接收到信号时，控制电磁阀A打开，处于压缩状态的第一复位弹簧复位，同时推动滑动活塞下移,使液压油向下单向通过，进入下部腔室；从地面投掷一个预设好一级扩孔命令的电子标签球随液压油进入中心流道，当电子标签球经过RFID系统信号接收区域时，通过发射信号控制RFID系统，RFID系统作出响应；固定筛网挡住电子标签球，使电子标签球停留在RFID系统附近实现电子标签球的接收；微型天线接收RFID系统的信号并传递给微控制器，微控制器控制电磁阀A打开，第一复位弹簧推动滑动活塞A，滑动活塞A挤压上部腔室中的液压油，使其通过固定挡板C上预留的纵向通道和电磁阀A流入下部腔室中，下部腔室中的液压油推动滑动活塞B轴向下移动，同时挤压第二复位弹簧使其处于压缩状态，等扩孔工作完成后需要扩孔刀翼回收时，打开电磁阀B，压缩状态的复位弹簧复位，带动滑动活塞B向上移动；向下移动的滑动活塞B推动活塞固定座及滑动套管轴向下移；上扩孔刀翼和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：它包括顺序连接的射频识别激发机构(100)、电液控制机构(200)和多级扩孔回收机构(300)，射频识别激发机构(100)、电液控制机构(200)和多级扩孔回收机构(300)之间通过螺纹连接；所述射频识别激发机构(100)包括外壳体A(101)，固定挡板A(102)，O型密封圈A(103)，RFID系统(104)，传输电缆A(105)，中心流道(106)，压紧螺钉(107)，固定筛网(108)，电子标签球(109)，其中外壳体A(101)管状结构，外壳体A(101)的侧壁开凹槽，凹槽中设有RFID系统(104)，RFID系统(104)通过O型密封圈A(103)和固定挡板A(102)固定，RFID系统(104)与传输电缆A(105)连接，并延伸至射频识别激发机构(100)外侧，外壳体A(101)内部设有固定筛网(108)，固定筛网(108)阻挡电子标签球(109)，使电子标签球(109)暂时储存于中心流道(106)中，便于电子标签球(109)的回收；所述电液控制机构(200)包括外壳体B(201)，内中心管(202)，支撑环(203)，微控制器(204)，微型天线(205)，固定挡板B(206)，环形空间(207)，第一复位弹簧(208)，滑动活塞A(209)，上部腔室(210)，电磁阀A(211)，电磁阀B(212)，固定挡板C(213)，LVDT式位移传感器(214)，注油孔(215)，第二复位弹簧(216)，O型密封圈B(217)，滑动活塞B(218)，轴向液流孔A(219)，轴向液流孔B(220)，传输电缆B(221)，O型密封圈C(222)，下部腔室(223)，锂电池(224)；其中外壳体B(201)与外壳体A(101)匹配，外壳体B(201)内设有内中心管(202)，内中心管(202)上方通过支撑环(203)与外壳体B(201)连接固定，内中心管(202)上方设有微控制器(204)，微控制器(204)顶部设有微型天线(205)，内中心管(202)内部为中空结构，微控制器(204)的尾端通过传输电缆B(221)与设置在内中心管(202)中的锂电池(224)相连接，锂电池(224)下方设有固定用的固定挡板B(206)，固定挡板B(206)下方在内中心管(202)中设有滑动活塞A(209)，滑动活塞A(209)和内中心管(202)之间设有0型密封圈C(222),固定挡板B(206)与滑动活塞A(209)之间设有第一复位弹簧(208)，滑动活塞A(209)下方设有固定挡板C(213)，固定挡板C(213)下方设有LVDT式位移传感器(214)，滑动活塞A(209)与固定挡板C(213)之间设有上部腔室(210)，固定挡板C(213)上预留两个纵向通道，通道内安置电磁阀A(211)和电磁阀B(212)，电磁阀A(211)和电磁阀B(212)分别控制液压油分别从两个纵向通道流入上部腔室(210)和下部腔室(223)，固定挡板C(213)下方设有套在第二复位弹簧(216)上的滑动活塞B(218)，滑动活塞B(218)尾部从外壳体B(201)尾部伸出，滑动活塞B(218)的头部活塞部分中设有容纳LVDT式位移传感器(214)测杆的圆柱形孔洞；LVDT式位移传感器(214)的测杆设置在滑动活塞B(218)部分的圆柱形孔洞中，微控制器(204)的尾端通过传输电缆B(221)还与电磁阀A(211)、电磁阀B(212)以及LVDT式位移传感器(214)相连接；所述多级扩孔回收机构(300)包括作为钻井液的流动通道的内管(301)和回收机构，内管(301)设置在回收机构中间，回收机构包括：活塞固定座(302)，滑动套管(303)，径向液流孔(304)，固定挡板D(305)，上扩孔刀翼(306)，切削齿(307)，销钉A(308)，连接轴(309)，下扩孔刀翼座(310)，下扩孔刀翼(311)，销钉B(312),O型密封圈D(313)；其中内管(301)为柱状套筒结构，内管(301)的侧壁上分别开有四道开口，所述回收机构包括滑动套管(303)和扩孔刀翼座(310)，其中滑动套管(303)顶部设有与滑动活塞B(218)连接的活塞固定座(302)，滑动套管(303)上设有多个径向液流孔(304)，可使钻井液顺利通过，滑动套管(303)两侧通过O型密封圈D(313)与设在外侧的固定挡板D(305)密封，防止钻井液外泄，滑动套管(303)下方通过销钉A(308)分别与四组刀翼的一端活动连接，四组刀翼的另一端分别与下扩孔刀翼座(310)通过销钉B(312)活动连接，所述刀翼包括上扩孔刀翼(306)和下扩孔刀翼(311)，上扩孔刀翼(306)和下扩孔刀翼(311)之间通过连接轴(309)活动连接，...

【技术特征摘要】
1.一种基于射频识别技术的多级变径随钻扩孔钻具，其特征在于：它包括顺序连接的射频识别激发机构(100)、电液控制机构(200)和多级扩孔回收机构(300)，射频识别激发机构(100)、电液控制机构(200)和多级扩孔回收机构(300)之间通过螺纹连接；所述射频识别激发机构(100)包括外壳体A(101)，固定挡板A(102)，O型密封圈A(103)，RFID系统(104)，传输电缆A(105)，中心流道(106)，压紧螺钉(107)，固定筛网(108)，电子标签球(109)，其中外壳体A(101)管状结构，外壳体A(101)的侧壁开凹槽，凹槽中设有RFID系统(104)，RFID系统(104)通过O型密封圈A(103)和固定挡板A(102)固定，RFID系统(104)与传输电缆A(105)连接，并延伸至射频识别激发机构(100)外侧，外壳体A(101)内部设有固定筛网(108)，固定筛网(108)阻挡电子标签球(109)，使电子标签球(109)暂时储存于中心流道(106)中，便于电子标签球(109)的回收；所述电液控制机构(200)包括外壳体B(201)，内中心管(202)，支撑环(203)，微控制器(204)，微型天线(205)，固定挡板B(206)，环形空间(207)，第一复位弹簧(208)，滑动活塞A(209)，上部腔室(210)，电磁阀A(211)，电磁阀B(212)，固定挡板C(213)，LVDT式位移传感器(214)，注油孔(215)，第二复位弹簧(216)，O型密封圈B(217)，滑动活塞B(218)，轴向液流孔A(219)，轴向液流孔B(220)，传输电缆B(221)，O型密封圈C(222)，下部腔室(223)，锂电池(224)；其中外壳体B(201)与外壳体A(101)匹配，外壳体B(201)内设有内中心管(202)，内中心管(202)上方通过支撑环(203)与外壳体B(201)连接固定，内中心管(202)上方设有微控制器(204)，微控制器(204)顶部设有微型天线(205)，内中心管(202)内部为中空结构，微控制器(204)的尾端通过传输电缆B(221)与设置在内中心管(202)中的锂电池(224)相连接，锂电池(224)下方设有固定用的固定挡板B(206)，固定挡板B(206)下方在内中心管(202)中设有滑动活塞A(209)，滑动活塞A(209)和内中心管(202)之间设有0型密封圈C(222),固定挡板B(206)与滑动活塞A(209)之间设有第一复位弹簧(208)，滑动活塞A(209)下方设有固定挡板C(213)，固定挡板C(213)下方设有LVDT式位移传感器(214)，滑动活塞A(209)与固定挡板C(213)之间设有上部腔室(210)，固定挡板C(213)上预留两个纵向通道，通道内安置电磁阀A(211)和电磁阀B(212)，电磁阀A(211)和电磁阀B(212)分别控制液压油分别从两个纵向通道流入上部腔室(210)和下部腔室(223)，固定挡板C(213)下方设有套在第二复位弹簧(216)上的滑动活塞B(218)，滑动活塞B(218)尾部从外壳体B(201)尾部伸出，滑动活塞B(218)的头部活塞部分中设有容纳LVDT式位移传感器(214)测杆的圆柱形孔洞；LVDT式位移传感器(214)的测杆设置在滑动活塞B(218)部分的圆柱形孔洞中，微控制器(204)的尾端通过传输电缆B(221)还与电磁阀A(211)、电磁阀B(212)以及LVDT式位移传感器(214)相连接；所述多级扩孔回收机构(300)包括作为钻井液的流动通道的内管(301)和回收机构，内管(301)设置在回收机构中间，回收机构包括：活塞固定座(302)，滑动套管(303)，径向液流孔(304)，固定挡板D(305)，上扩孔刀翼(306)，切削齿(307)，销钉A(308)，连接轴(309)，下扩孔刀翼座(310)，下扩孔刀翼(311)，销钉B(312),O型密封圈D(313)；其中内管(301)为柱状套筒结构，内管(301)的侧壁上分别开有四道开口，所述回收机构包括滑动套管(303)和扩孔刀翼座(310)，其中滑动套管(303)顶部设有与滑动活塞B(218)连接的活塞固定座(302)，滑动套管(303)上设有多个径向液流孔(304)，可使钻井液顺利通过，滑动套管(303)两侧通过O型密封圈D(313)与设在外侧的固定挡板D(305)密封，防止钻井液外泄，滑动套管(303)下方通过销钉A(308)分别与四组刀翼的一端活动连接，四组刀翼的另一端分别与下扩孔刀翼座(310)通过销钉B(312)活动连接，所述刀翼包括上扩孔刀翼(306)和下扩孔刀翼(311)，上扩孔刀翼(306)和下扩孔刀翼(311)之间通过连接轴(309)活动连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹丽文，耿济世，桑树勋，朱术云，郭玉良，赵伟光，丁远大，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32