CN107605402B - 煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法，钻进系统包括挠性内控旋转定向钻具、定向系统、螺旋钻杆、可开闭式钻头和双动力头钻机，所述挠性内控旋转定向钻具位于螺旋钻杆和可开闭钻头之间以实现旋转定向钻进，所述定向系统贯穿于螺旋钻杆以对钻进轨迹进行测量，所述双动力头钻机包含大动力头和小动力头以提供钻进动力，所述挠性内控旋转定向钻具包含挠性外管、弯芯轴、轴承组和套筒，所述定向系统包括上无磁钻杆、下无磁钻杆、探管外管、测量探管、通缆内管和防爆计算机；由此，本发明实现了煤矿井下碎软煤层本煤层钻孔旋转方式下的定向钻进和筛管完孔护孔，提高钻进安全性和钻进效率，进而提高煤层钻遇率和瓦斯抽采效果。

Description

煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻探的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法。

背景技术

目前煤矿井下碎软煤层本煤层钻孔主要采用螺旋、三棱等异性结构钻杆旋转钻进施工，排粉介质采用矿井压风，采用水作为冲洗介质对碎软煤层孔壁冲刷作用大，易造成钻孔塌孔。由于目前旋转钻进工艺无法控制钻孔轨迹，导致碎软煤层本煤层钻存在着煤层钻遇率低，同时容易造成采煤工作面抽采盲区的出现，严重影响碎软煤层安全高效开采。

井下定向钻进常规采用水力驱动的螺杆钻具，不适用于碎软煤层。相关人员尝试采用压风驱动的孔底动力机具在碎软煤层中进行滑动定向钻进，碎软煤层钻孔产粉量大，需要靠异型钻杆旋转搅动起来后被压风携带至孔外，滑动定向钻进时由于钻杆不旋转导致煤粉堆积，引起造斜困难、容易诱发孔内事故。

综上：采用水作为排粉介质不适用碎软煤层钻进，采用压风作为排粉介质的滑动定向钻进方法存在排粉困难、造斜效果差的问题。因此，采用旋转定向钻进方法不仅能够实现钻孔轨迹的人工控制而且钻头切削下来的煤粉在钻杆旋转扰动下能够顺利被压风等介质携带至孔外。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法，实现了本发明实现了煤矿井下碎软煤层本煤层钻孔旋转方式下的定向钻进和筛管完孔护孔，提高钻进安全性和钻进效率，进而提高煤层钻遇率和瓦斯抽采效果。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，包括挠性内控旋转定向钻具、定向系统、螺旋钻杆、可开闭式钻头和双动力头钻机，其特征在于：

所述挠性内控旋转定向钻具位于螺旋钻杆和可开闭钻头之间以实现旋转定向钻进，所述定向系统贯穿于螺旋钻杆以对钻进轨迹进行测量和控制，所述双动力头钻机包含大动力头和小动力头以提供钻进动力

所述挠性内控旋转定向钻具包含挠性外管、弯芯轴、轴承组和套筒，所述挠性外管的前端连接所述可开闭式钻头，后端联动于螺旋钻杆，所述弯芯轴穿置于挠性外管内，所述挠性外管的管体中部设有蘑菇瓣状挠性接头进行连接，所述管体的外缘设有螺旋叶片，从而挠性外管的前后管体能够相对于另外一半管体向任意方向弯曲，所述弯芯轴的轴体分为两部分，该两部分的轴体的轴线具有一定夹角；

所述定向系统包括上无磁钻杆、下无磁钻杆、探管外管、测量探管和通缆内管，所述上无磁钻的后端连接至螺旋钻杆的前端，所述下无磁钻杆的前端连接至挠性外管的后端，所述探管外管分别连接至上无磁钻杆和下无磁钻杆，所述测量探管的前后端与所述弯芯轴以及通缆内管相连接。

其中：所述夹角的角度为1～1.5°，挠性外管的前后管体最大弯曲角度不低于4°，蘑菇瓣状挠性接头的抗扭强度不低于4000N.m。

其中：所述弯芯轴前后侧分别通过前轴承组和后轴承组支撑于挠性外管内，所述弯芯轴的前端伸出前轴承组且纵向贯穿有销钉。

其中：所述轴体内设有介质通道，从而通过轴体后部的介质进入口将来自钻杆内的排粉介质传递给钻头，所述轴体靠近钻头的一侧加工有销钉孔，以供销钉贯穿容置，从而销钉在正常钻进过程中起到限位和为弯芯轴提供拉力的作用，钻孔施工完毕后拉动弯芯轴，当拉力达到销钉抗剪强度后销钉被剪断，从而打开护孔筛管的下入通道。

其中：所述测量探管和探管外管之间还设有限位的居中器，以使测量探管的轴线与所述探管外管轴线重合，所述居中器设有前后贯通的介质通道，不影响压风、雾化空气等排渣介质的通过。

其中：所述通缆内管包括通缆管体、线管、铜线和通讯弹簧，所述线管设置于通缆管体内，所述铜线贯穿于所述线管内，所述铜线的后端连接有通讯弹簧以连接至测量线和防爆计算机。

其中：所述通缆管体的周向设有至少一组通孔，所述通孔内设有锁紧销钉以对线管插入后进行有效固定。

其中：所述可开闭式钻头包括钻头体、一字铰接切削部分和非金属单向阀，所述钻头体内设有所述非金属单向阀，前部通过一字铰接切削部分进行开闭，其前端设有多个切削齿。

其中：所述非金属单向阀包括弹簧、阀体、堵头和球，所述阀体的后端通过钻头体内的台阶进行限位，前端抵靠于堵头，所述阀体内设有供球限位的弧形部和供弹簧容置的直筒部，所述球容置于弧形部且前端通过弹簧抵靠于堵头。

还公开了一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、钻孔设计；

步骤二、施工先导孔；施工孔深大于10m的先导孔，为如上所述的钻进系统钻入提供空间；

步骤三、安装钻进系统的挠性内控旋转定向钻具以及定向系统，并连接至大动力头和小动力头；

步骤四、钻进，通过小动力头制动内管总成，通过大动力头进行旋转钻进，钻进时小动力头回转功能制动并且与大动力头同步前进；

步骤五、当实钻钻孔轨迹与设计钻孔轨迹偏差较大时调整工具面；通过大动力头制动钻杆，旋转小动力头带动内管旋转且同时测量工具面值，达到要求后停止旋转小动力头，然后继续钻进，实现实钻钻孔轨迹与设计钻孔轨迹的实时修正；

步骤六、达到设计孔深后，通过大动力头固定钻杆，起拔小动力头，剪断销钉，提出内管；

步骤七、下入悬挂系统和完孔筛管，推开可开闭钻头的开闭部分，将完孔筛管依靠悬挂系统固定在孔内；

步骤八、提出钻杆和可开闭式钻头，封孔。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法具有如下效果：

1、可以实现煤矿井下碎软煤层本煤层钻孔旋转钻进方法下的钻孔轨迹人工控制功能，提高煤层钻遇率，提高瓦斯抽采效果以及减少抽采盲区，提高钻孔综合经济效益；

2、旋转定向钻进时钻杆的旋转能够促进煤粉顺利排出，对于增加孔壁光滑度、减少孔内事故、减小钻进阻力有积极意义；

3、实现了碎软煤层顺层定向钻孔一次性快速全程筛管护孔，保障了瓦斯抽采通道畅通，提高瓦斯抽采效果。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1为本发明煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统的结构示意图；

图2为本发明挠性外管的示意图；

图3为本发明弯芯轴示意图；

图4为本发明通缆内管的示意图；

图5为本发明带单向阀可开闭式钻头的示意图；

附图标记：

1-可开闭式钻头；2-销钉；3-前轴承组；4-挠性外管；5-套筒；6-下无磁钻杆；7-内管；8-探管外管；9-测量探管；10-上无磁钻杆；11-螺旋钻杆；12-供风接头；13-通缆内管；14-测量线；15-防爆电脑；16-居中器；17-后轴承组；18-弯芯轴；401-管体；402-挠性接头；403-螺旋叶片；181-销钉孔；182-轴体；183-介质通道；184-介质进入口；131-通讯弹簧；132-通缆管体；133-锁紧螺钉；134-线管；135-铜线；136-绝缘涂层；137-密封圈；101-切削齿；102-一字铰接切削部分；103-钻头体；104-球；105-阀体；106-弹簧；107-堵头。

具体实施方式

参见图1至图5，显示了本发明的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统及钻进方法。

所述煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统包括挠性内控旋转定向钻具、定向系统、螺旋钻杆11、可开闭式钻头1和双动力头钻机，所述挠性内控旋转定向钻具位于螺旋钻杆11和可开闭钻头1之间以实现旋转定向钻进，所述定向系统贯穿于螺旋钻杆11以对钻进轨迹进行测量，所述双动力头钻机包含大动力头和小动力头以提供钻进动力。

参见图1，所述挠性内控旋转定向钻具由挠性外管4、弯芯轴18、前轴承组3、后轴承组17、套筒5和销钉2等组成，所述挠性外管4的前端连接所述可开闭式钻头1，后端联动于螺旋钻杆11，所述弯芯轴18穿置于挠性外管4内且前后侧分别通过前轴承组3和后轴承组17支撑于挠性外管4内，所述弯芯轴18的前端伸出前轴承组3且纵向贯穿有销钉2，所述挠性外管4的管体410中部设有蘑菇瓣状挠性接头402进行连接，所述管体401的外缘设有螺旋叶片403(参见图2)，优选的是，所述蘑菇瓣状挠性接头402通过线切割等方式将整体式的管体401沿圆柱面的法向切成4掰或6掰等强度蘑菇瓣状，从而挠性接头402前后管体401能够相对于另外一半管体向任意方向弯曲，其最大自由弯曲角度不低于4°，且蘑菇瓣状挠性接头402的抗扭强度不低于4000N.m，所述套筒5设置于蘑菇瓣状挠性接头402的外缘，且所述蘑菇瓣状挠性接头402之间具有一定间隙，以对挠性接头402前后管体在一定范围内活动不产生干涉，能够限制所述蘑菇瓣状接头在承扭状态下向外弯曲变形、增强整体抗扭强度，同时能够防止煤粉进入挠性接头402缝隙处影响其活动灵活度。

优选的是，参见图3，所述弯芯轴1的轴体182分为两部分，该两部分的轴体182的轴线具有一定夹角，所述夹角的角度为1～1.5°，且所述轴体内设有介质通道183，从而通过轴体182后部的介质进入口184将来自钻杆内的排粉介质传递给钻头1，所述轴体182靠近钻头1的一侧加工有销钉孔181，以供销钉2贯穿容置，从而销钉2在正常钻进过程中起到限位和为弯芯轴18提供拉力的作用，钻孔施工完毕后拉动弯芯轴18，当拉力达到销钉2抗剪强度后销钉2被剪断，可以提出内管总成，从而打开护孔筛管的下入通道。

其中，所述前轴承组3和后轴承组17为自润滑轴承组，能满足转动过程中的润滑和降温需要；所述前轴承组3和后轴承组17实现弯芯轴18与挠性外管4相对转动；所述前轴承组3一端为流线型结构，为护孔筛管的下入提供便利。

在具体操作中，所述挠性内控旋转定向钻具在旋转钻进时实现定向造斜的原理是挠性内控旋转定向钻具的挠性外管4通过螺旋钻杆11带动旋转，弯芯轴18处于制动状态不能旋转，弯芯轴18中两部分轴体的弯角位置处于蘑菇瓣状挠性接头402内，使挠性外管4前后的旋转轴向产生一定偏角，进而使钻头1旋转轴线与后面钻孔轴线产生一定偏角，从而实现钻孔轨迹的改变；调整弯芯轴18的朝向可改变挠性接头402靠近前段外管旋转方向，可实现向不同方向造斜钻进的功能。

其中，所述定向系统包括上无磁钻杆10、下无磁钻杆6、探管外管8、测量探管9、通缆内管13、测量线14、防爆计算机15等。

其中，所述上无磁钻杆10、下无磁钻杆6、探管外管8形成外部管路，所述测量探管9、通缆内管13形成内部管路，所述上无磁钻10的后端连接至螺旋钻杆11的前端，所述下无磁钻杆6的前端连接至挠性外管4的后端，所述探管外管8分别连接至上无磁钻杆10和下无磁钻杆6，所述上无磁钻杆10、下无磁钻杆6和探管外管8采用无磁性材料加工且外周缘均加工有与所述挠性外管4螺旋叶片参数相同的螺旋叶片，以在旋转钻进时扰动钻孔内煤粉促进其被压风携带至孔外。

其中，所述测量探管9的前后端可加工有丝扣以便于与所述弯芯轴18以及通缆内管13相连接，优选的是，如长度变化，所述测量探管9的前后端还可通过内管7分别连接至弯芯轴18和通缆内管13，以适应不同的长度需求，其中，所述测量探管9和探管外管8之间还可设有限位的居中器16，以使测量探管9的轴线与所述探管外管8轴线重合。

其中，所述居中器16还设有前后贯通的介质通道，不影响压风、雾化空气等排渣介质的通过。

参见图4，所述通缆内管13包括通缆管体132、线管134、铜线135和通讯弹簧131等。

其中，所述线管134设置于通缆管体132内，所述铜线135贯穿于所述线管134内，所述铜线135的后端连接有通讯弹簧131以连接至测量线14和防爆计算机15，所述通缆管体132的外缘设有绝缘涂层136，前端设有密封圈137。

其中，所述线管134可由聚合物材质制成，以和绝缘涂层136共同起到绝缘作用。

为实现线管134的有效固定，所述通缆管体132的周向设有至少一组通孔，所述通孔内设有锁紧销钉133以对线管插入后进行有效固定，参见图4，所述通缆管体132的周向间隔设有两组通孔和锁紧销钉133，本领域技术人员可以理解的是，通孔和锁紧销钉133的数量和距离可根据需要进行设置，以符合长度的要求。

其中，所述通讯弹簧131起到连接连根通缆内管13通讯接头的作用。

参见图5，显示了本发明中可开闭式钻头1的一个优选实施例，该可开闭式钻头1包括钻头体103、一字铰接切削部分102和非金属单向阀，所述钻头体103内设有所述非金属单向阀，前部通过一字铰接切削部分102进行开闭，其前端设有多个切削齿101。

优选的是，所述非金属单向阀包括弹簧106、阀体105、堵头107和球104，所述阀体105的后端通过钻头体103内的台阶进行限位，前端抵靠于堵头107，所述堵头107的前端通过一字铰接切削部分102限位于钻头体103内，所述阀体105内设有供球104限位的弧形部和供弹簧106容置的直筒部，所述球104容置于弧形部且前端通过弹簧106抵靠于堵头107，从而在钻进过程中起到防止孔底煤粉进入所述旋转定向钻具组合轴承内的作用，在下护孔筛管时，筛管推动单向阀，单向阀的堵头107前端凸起部分推动并打开一字铰接切削部分102，完成筛管下入工序，留在孔底的非金属单向阀对后期采煤没有安全隐患。

其中，所述挠性外管、钻杆的螺旋结构是为了促进煤粉排出，外管采用三棱、三棱螺旋等其它利于煤粉排出的结构形式，亦属于本发明保护范围。挠性接头能够使钻具由刚性变成柔性，能够通过内控弯芯轴实现挠性接头前后管体旋转轴的改变进而使得钻孔能够在旋转钻进时实现定向钻进，采用其它形式的柔性接头并通过内部弯芯轴控制的旋转定向钻具亦属于本发明的保护范围。

本发明的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进方法包括如下步骤：

步骤一、钻孔设计；

步骤二、施工先导孔；施工孔深大于10m的先导孔，为钻进系统下入提供空间；

步骤三、安装钻进系统的挠性内控旋转定向钻具以及定向系统，并连接至大动力头和小动力头，所述大动力头连接至包含螺旋钻杆11、上无磁钻杆10、下无磁钻杆6、探管外管8以及挠性外管4的外管总成以提供外管总成的回转、给进、起拔等动作，小动力头连接至包含测量探管9、通缆内管13以及弯芯轴18的内管总成已提供内管总成的回转、给进、起拔等动作；

步骤四、钻进，通过小动力头将内管总成制动，通过大动力头带动外管总成(即螺旋钻杆11和挠性内控旋转定向钻具)进行旋转钻进，钻进时小动力头回转功能制动并且与大动力头同步前进；

步骤五、当实钻钻孔轨迹与设计钻孔轨迹偏差较大时调整工具面；通过大动力头制动钻杆，旋转小动力头带动内管旋转且同时测量工具面值，达到要求后停止旋转小动力头，然后继续钻进，实现实钻钻孔轨迹与设计钻孔轨迹的实时修正；

步骤六、达到设计孔深后，通过大动力头固定钻杆，起拔小动力头，将内管总成起出，在本发明中，可强行剪断弯芯轴前端销钉2后进行起出操作；

步骤七、下入悬挂系统和完孔筛管，推开可开闭钻头1的开闭部分(本发明中优选为推开可开闭钻头1的非金属单向阀和一字铰接切削部分102，非金属单向阀留在孔底)，将完孔筛管依靠悬挂系统固定在孔内；

步骤八、提出包含螺旋钻杆11、挠性外管4的外管总成以及可开闭式钻头1，封孔。

通过上述可知，本发明的优点在于：

1、可以实现煤矿井下碎软煤层本煤层钻孔旋转钻进方法下的钻孔轨迹人工控制功能，提高煤层钻遇率，提高瓦斯抽采效果以及减少抽采盲区，提高钻孔综合经济效益；

2、旋转定向钻进时钻杆的旋转能够促进煤粉顺利排出，对于增加孔壁光滑度、减少孔内事故、减小钻进阻力有积极意义；

3、实现了碎软煤层顺层定向钻孔一次性快速全程筛管护孔，保障了瓦斯抽采通道畅通，提高瓦斯抽采效果。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (10)

1.一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，包括挠性内控旋转定向钻具、定向系统、螺旋钻杆、可开闭式钻头和双动力头钻机，其特征在于：

所述挠性内控旋转定向钻具位于螺旋钻杆和可开闭式钻头之间以实现旋转定向钻进，所述定向系统贯穿于螺旋钻杆以对钻进轨迹进行测量和控制，所述双动力头钻机包含大动力头和小动力头以提供钻进动力

所述挠性内控旋转定向钻具包含挠性外管、弯芯轴和套筒，所述挠性外管的前端连接所述可开闭式钻头，后端联动于螺旋钻杆，所述弯芯轴穿置于挠性外管内，所述挠性外管的管体中部设有蘑菇瓣状挠性接头进行连接，所述管体的外缘设有螺旋叶片，从而挠性外管的前后管体能够相对于另外一半管体向任意方向弯曲，所述弯芯轴的轴体分为两部分，该两部分的轴体的轴线具有一定夹角；

所述定向系统包括上无磁钻杆、下无磁钻杆、探管外管、测量探管和通缆内管，所述上无磁钻杆的后端连接至螺旋钻杆的前端，所述下无磁钻杆的前端连接至挠性外管的后端，所述探管外管分别连接至上无磁钻杆和下无磁钻杆，所述测量探管的前后端与所述弯芯轴以及通缆内管相连接。

2.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述夹角的角度为1～1.5°，挠性外管的前后管体自由弯曲角度不低于4°，蘑菇瓣状挠性接头的抗扭强度不低于4000N.m。

3.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述弯芯轴前后侧分别通过前轴承组和后轴承组支撑于挠性外管内，所述弯芯轴的前端伸出前轴承组且纵向贯穿有销钉。

4.如权利要求1-3中任一所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述轴体内设有介质通道，从而通过轴体后部的介质进入口将来自钻杆内的排粉介质传递给钻头，所述轴体靠近钻头的一侧加工有销钉孔，以供销钉贯穿容置，从而销钉在正常钻进过程中起到限位和为弯芯轴提供拉力的作用，钻孔施工完毕后拉动弯芯轴，当拉力达到销钉抗剪强度后销钉被剪断，从而打开护孔筛管的下入通道。

5.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述测量探管和探管外管之间还设有限位的居中器，以使测量探管的轴线与所述探管外管轴线重合，所述居中器设有前后贯通的介质通道，不影响压风、雾化空气等排渣介质的通过。

6.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述通缆内管包括通缆管体、线管、铜线和通讯弹簧，所述线管设置于通缆管体内，所述铜线贯穿于所述线管内，所述铜线的后端连接有通讯弹簧以连接至测量线和防爆计算机。

7.如权利要求6所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述通缆管体的周向设有至少一组通孔，所述通孔内设有锁紧销钉以对线管插入后进行有效固定。

8.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述可开闭式钻头包括钻头体、一字铰接切削部分和非金属单向阀，所述钻头体内设有所述非金属单向阀，前部通过一字铰接切削部分进行开闭，其前端设有多个切削齿。

9.如权利要求8所述的煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进系统，其特征在于：所述非金属单向阀包括弹簧、阀体、堵头和球，所述阀体的后端通过钻头体内的台阶进行限位，前端抵靠于堵头，所述阀体内设有供球限位的弧形部和供弹簧容置的直筒部，所述球容置于弧形部且前端通过弹簧抵靠于堵头。

10.一种煤矿井下碎软煤层挠性内控旋转定向钻进方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、钻孔设计；

步骤二、施工先导孔；施工孔深大于10m的先导孔，为如权利要求4所述的钻进系统钻入提供空间；

步骤三、安装钻进系统的挠性内控旋转定向钻具以及定向系统，并连接至大动力头和小动力头；

步骤四、钻进，通过小动力头制动通缆内管，通过大动力头进行旋转钻进，钻进时小动力头回转功能制动并且与大动力头同步前进；

步骤五、当实钻钻孔轨迹与设计钻孔轨迹偏差较大时调整工具面；通过大动力头制动钻杆，旋转小动力头带动通缆内管旋转且同时测量工具面值，达到要求后停止旋转小动力头，然后继续钻进，实现实钻钻孔轨迹与设计钻孔轨迹的实时修正；

步骤六、达到设计孔深后，通过大动力头固定钻杆，起拔小动力头，剪断销钉，提出通缆内管；

步骤七、下入悬挂系统和护孔筛管，推开可开闭式钻头的开闭部分，将护孔筛管依靠悬挂系统固定在孔内；

步骤八、提出钻杆和可开闭式钻头，封孔。