一种千米深l型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺，一种千米深L型地面预注浆钻孔工艺，千米深L型地面预注浆钻孔钻进工艺，包括直孔段钻进、造斜段钻进和水平段钻进，造斜段钻进包括井斜角大于45°的造斜段钻进和井斜角小于45°的造斜段钻进；造斜段钻进过程中，在造斜率满足设计要求的前提下，每钻进1个单根钻杆长度后更换钻具组合并复合钻进2m；每钻进2～3个立根钻杆或纯钻进超过24h，短起下钻10～15立根钻杆。本发明满足千米深井筒水平巷道围岩改性地面预注浆钻孔施工要求，解决了钻孔至水平定向段时岩粉上返阻力大、起下钻难度大以及卡钻、塌孔等问题，且降低了钻杆旋转条件下的应力应变对钻具的疲劳破坏。
【专利说明】
一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺
技术领域
[0001]本发明涉及矿山机械领域，特别涉及一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺。
【背景技术】
[0002]千米深井水平巷道围岩改性地面预注浆技术，是指利用高精度的钻孔轨迹控制技术，通过深井水平注浆钻孔对井下水平巷道不稳定、破碎围岩进行地面预注浆改性，以增强巷道围岩完整性，改善围岩力学性态，提高相关煤矿巷道及硐室的围岩体整体稳定性，降低巷道的支护难度，确保井下施工活动的安全。
[0003]地面预注浆施工工艺特殊，钻探与注浆工序交替配合作业，其特点:(I)注浆钻孔使用及维护时间长(几个月甚至十几个月);(2)孔径要求规则均匀(确保止浆塞顺利上下及止浆)；(3)钻孔内分段止浆且钻具及止浆塞在孔内静置时间长(几小时甚至几十小时)；(4)钻孔造斜段及水平段孔壁是岩石裸孔，不能安置套管；(5)钻孔目标靶域小，定向精度高。
[0004]深井煤系地层岩性复杂，常为粉砂岩、细砂岩、泥岩、煤层混层分布，地质条件复杂，断层、破碎带等软弱复杂地层给注浆钻孔尤其是千米深水平定向注浆钻孔的施工带来极大困难。深井注浆孔钻进施工中，容易出现钻孔泥浆漏失、涌水、涌砂，孔壁膨胀缩径、孔壁表面剥落，掉块、崩解等各种复杂情况，并且因复杂地质条件导致的粘附卡钻、沉砂卡钻，缩颈卡钻、井塌卡钻等孔内事故时有发生，以上钻孔事故轻则延误工期、增加费用，重则注浆孔报废，严重影响工程进度及安全。
[0005]千米深井水平巷道围岩改性地面预注浆钻孔施工相较一般煤矿深井注浆孔施工，对钻具组合有更高要求，例如:(I)造斜段长、井斜变化大、定向时间长、精度要求高等特点，到水平定向段时，岩粉上返阻力大、起下钻难度大，卡钻、塌孔、岩肩床等事故发生频率高，事故处理难度大、成功率低；(2) L型水平注浆孔由于注浆加固的目标区域(巷道和巷道宽度及高度在几米范围)较小，并且要考虑浆液扩散半径、加固范围的因素，设计的钻孔靶域误差要求较高，要求钻孔准确进入靶域，而且钻孔方位与靶域轴线一致。同时由于钻孔中还要经常上下止浆塞进行注浆，轨迹设计需要更顺滑，钻孔过程控制难度较高；(3)注浆钻孔内钻具受力复杂，钻孔轨迹顶角大，曲率大，钻杆在孔内受到较大的摩阻，致使起下钻困难，下套管困难、钻头加压困难；弯曲应力较大，在钻杆旋转条件下的应力应变将加剧钻具的疲劳破坏。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明在于提供一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺，不仅满足千米深井筒水平巷道围岩改性地面预注浆钻孔施工要求，解决了钻孔至水平定向段时岩粉上返阻力大、起下钻难度大以及卡钻、塌孔等问题，而且降低了钻杆旋转条件下的应力应变对钻具的疲劳破坏。
[0007]为解决上述问题，本发明采用如下技术方案:一种千米深L型地面预注浆钻孔工艺，包括直孔段钻进、造斜段钻进和水平段钻进，造斜段钻进包括井斜角大于45°的造斜段钻进和井斜角小于45°的造斜段钻进；造斜段钻进过程中，在造斜率满足设计要求的前提下，每钻进I个单根钻杆长度后更换钻具组合并复合钻进2m ;每钻进2?3个立根钻杆或纯钻进超过24h，短起下钻10?15立根钻杆；在钻孔曲率大于或等于6° /30m的复杂井段，每钻进50?100m，短起3?10立根钻杆；井斜角大于45°后，起钻时，前5?10立根钻杆采用动力头起钻，下钻时，最后5?10立根钻杆采用动力头下钻；钻压为15?35kN，螺杆钻具钻速为180?200r/min，栗量:615L/min。
[0008]上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺，直孔段钻进过程中，开孔时，钻机低压慢转，大排量循环泥浆；钻压:0.3?0.5t，螺杆钻具钻速:30?40r/min，栗量:990L/min。
[0009]上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺，直孔段钻进过程中，正常钻进时，钻压小于或等于加重钻具重量的2/3，且每钻进4?5m进行一次扫孔；钻压为1.5?3.5t ;表土、风化岩段，钻速为70?80r/min ;硬岩段，钻速为50?60r/min栗量:990L/min。
[0010]上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺，直孔段钻进过程中，正常钻进时，每钻进9m，扫孔次数大于或等于2次。
[0011 ] 上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺中使用的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，造斜段钻进过程中，井斜角小于45°时，钻具组合包括Φ 133mm牙轮钻头或I3DC钻头、Φ 105mm螺杆、Φ 105mm无磁钻铤、Φ 105mm钻铤和Φ 73mm高强度钻杆，所述Φ 73mm钻杆的下端与所述Φ 105mm钻铤的上端固定连接，所述Φ 105mm钻铤的下端与所述Φ 105mm无磁钻铤的上端通过悬挂接头固定连接，所述Φ 105mm无磁钻铤的下端与所述Φ 105mm螺杆的上端固定连接，所述Φ 105mm螺杆的下端与所述Φ 133mm牙轮钻头或F1DC钻头固定连接；井斜角大于45°时，钻具组合包括Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头、Φ 105mm螺杆、Φ 105mm无磁钻铤和Φ73ι?πι高强度钻杆，所述C>73mm钻杆(5)的下端与所述Φ 105mm无磁钻铤的上端通过悬挂接头固定连接，所述Φ 105mm无磁钻铤的下端与所述Φ 105mm螺杆的上端固定连接，所述Φ 105mm螺杆的下端与所述Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头固定连接。
[0012]上述千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，造斜段钻进过程中，钻进地层为复杂地层时，钻具组合包括Φ 133mm三牙轮钻头、Φ 105mm单弯螺杆、Φ 105mm无磁钻铤、10?13立根Φ 73mm高强度钻杆、I单根Φ 105mm钻铤、I单根Φ 73mm高强度钻杆、I单根Φ 105mm钻铤和Φ73_高强度钻杆。
[0013]上述千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，直孔段钻进过程中，钻具组合包括开孔钻具和正常钻进钻具组合，所述开孔钻具包括Φ215.9πιπι牙轮钻头、Φ159πιπι钻铤和Φ73mm短钻杆，所述正常钻进钻具组合包括Φ215.9mm牙轮钻头、2?4根Φ 159mm钻铤、Φ89πιπι高强度钻杆和073mm高强度钻杆。
[0014]上述千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，直孔段钻进过程中，纠斜钻具组合包括Φ215.9mm钻头、1.25。或1.5。5LZ146螺杆、Φ89_钻杆和Φ73_钻杆。
[0015]上述千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，水平段钻进过程中，钻具组合包括Φ 133mm PDC钻头、Φ 105_螺杆、Φ 105_无磁钻铤和Φ73_高强度钻杆。
[0016]上述千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，所述Φ105πιπι螺杆为1.25°或1.5°单弯螺杆。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]1.本发明不仅提高了 L型注浆钻孔的施工质量，而且还节约了工程施工成本，产生了良好的社会经济效益。
[0019]2.本发明中的L型注浆钻孔钻头选用三牙轮钻头和roc钻头，钻进效率提高一倍，单个钻头的成本降低80%。
[0020]3.本发明将钻具组合结构进行优化，由4根钻铤减少到2根钻铤，更好地满足了螺杆钻具定向钻进的技术要求。
[0021]4.本发明中L型钻孔的定向钻进方式采用复合钻进，将钻头的破岩转速降到了20r/min以下，实现了高效平稳钻进。
[0022]5.本发明不仅减少了岩肩床的形成，还保证了钻孔轨迹圆滑。
【附图说明】
[0023]图1为本发明千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺中井斜角大于45°时井下钻具组合的组装结构示意图；
[0024]图2为本发明千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺中井斜角小于45°时井下钻具的组装结构示意图。
[0025]图中:1-Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头；2-Φ 105mm螺杆；3-Φ 105mm无磁钻铤；4-悬挂接头；5-C>73mm高强度钻杆；6_Φ 105mm钻铤。
【具体实施方式】
[0026]为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。
[0027]以安徽省涡阳县信湖煤矿L型孔地面预注浆加固井下巷道的工程为例。
[0028]本实施例中，共钻孔3606m，其中造斜段共1806m，水平段共600m。其中:
[0029](I)直孔段钻进
[0030]开孔钻进时，采用的钻具组合包括Φ215.9mm牙轮钻头、Φ 159mm钻铤和Φ 73mm短钻杆；钻进参数为:钻压0.3?0.5t ;钻速:30?40r/min ;栗量:990L/min ;开孔时钻机低压慢转，大排量循环泥浆，保证钻孔开孔的垂直度。
[0031]正常钻进时，采用的钻具组合包括Φ215.9mm牙轮钻头、Φ 159mm钻铤(2根?4根)、089mm高强度钻杆和Φ73πιπι高强度钻杆；钻进参数为:钻压1.5?3.5t ;表土、风化岩段，钻速为70?80r/min，硬岩段，钻速为50?60r/min ;栗量为990L/min。
[0032]纠斜时，采用的钻具组合包括Φ215.9_钻头、1.25°或1.5° 5LZ146螺杆、Φ 89mm钻杆和Φ 73mm钻杆。
[0033](2)造斜段钻进
[0034]造斜段包括井斜角小于45°的造斜段和井斜角大于45°的造斜段，其中:
[0035](i)当井斜角小于45°时，采用的钻具组合包括Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头1、Φ 105mm螺杆2、Φ 105mm无磁钻铤3、Φ 105mm钻铤6和C>73mm高强度钻杆5，如图2所示，所述Φ 73mm钻杆5的下端与所述Φ 105mm钻铤6的上端固定连接，所述Φ 105mm钻铤6的下端与所述Φ 105mm无磁钻铤3的上端通过悬挂接头4固定连接，所述Φ 105mm无磁钻铤3的下端与所述Φ 105mm螺杆2的上端固定连接，所述Φ 105mm螺杆2的下端与所述Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头I固定连接；其中，所述Φ 105mm螺杆2为1.25。或1.5°单弯螺杆。
[0036]在井斜角小于45°的造斜段钻进过程中，1.25°螺杆和1.5°螺杆连续造斜角度最大分别可达17.2° /30m及20.64° /30m ;与大弯角的螺杆相比，曲率变化不会过快，避免了因过度造斜引起精度不足情况的发生，同时还能完全满足定向钻进时设计为4.5° /30m的要求，且在复合钻进过程中，小角度单弯螺杆钻孔孔径变化相对较小，如Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头I复合钻进时孔径为150mm，容易实现注浆时止浆塞下放的工艺，同时注浆孔孔径变化小，钻孔轨迹相对顺滑，不会形成大的孔内台阶，提升及下放过程中阻力也相应较小。且在使用该钻具组合时，钻压要控制在15?35kN范围内，而循环泥浆栗的流量控制到615L/min，而所述井下动力钻具组合的钻速控制在180?200r/min。且在造斜率满足设计要求的前提下，每钻进I个单根更换钻具组合并且复合钻进2m左右，以减少岩肩床的形成，并且每钻进2?3立根钻杆或纯钻进时间超过24h，需要短起下钻10?15立根钻杆；在钻孔曲率大于或等于6° /30m的复杂井段，每钻进50?100m，需要短起下钻3?10立根钻杆，以保证钻孔轨迹圆滑。
[0037](ii)当井斜角大于45°时，采用的钻具组合包括Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头1、Φ 105mm螺杆2、Φ 105mm无磁钻铤3和Φ 73mm高强度钻杆5，如图1所示，所述Φ 73mm钻杆5的下端与所述Φ 105mm无磁钻铤3的上端通过悬挂接头4固定连接，所述Φ 105mm无磁钻铤3的下端与所述Φ 105mm螺杆2的上端固定连接，所述Φ 105mm螺杆2的下端与所述Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头I固定连接；其中，所述Φ 105mm螺杆2为1.25°或1.5°单弯螺杆。
[0038]对于井斜角大于45°的造斜段的钻进，起钻时，前5?10立根采用动力头起钻，下钻时，最后5?10立根采用动力头下钻，即边循环泥浆边起下钻。
[0039](iii)对于千米深L型地面预注浆钻孔造斜段所在地层为复杂地层时，钻具组合包括Φ 133mm三牙轮钻头、Φ 105mm单弯螺杆、Φ 105mm无磁钻铤、10?13立根Φ 73mm高强度钻杆、I单根Φ 105mm钻铤、I单根Φ 73mm高强度钻杆、I单根Φ 105mm钻铤和Φ73_
高强度钻杆。
[0040]在井斜角大于45°的造斜段钻进过程中以及在千米深L型地面预注浆钻孔造斜段所在地层为复杂地层时，钻进参数与井斜角小于45°的造斜段钻进时相同。
[0041](3)水平段钻进
[0042]水平注浆加固段，即水平段，是千米深L型地面预注浆钻孔的目的段，钻孔要求为:水平钻孔平直且无弯曲段，直径大于或等于水平段钻进采用滑动钻进的方式，为纠偏方便，采用直螺杆或小角度螺杆钻进(1.25°或1° )，钻头压力为钻具自重。
[0043]由于在水平段施工过程中钻铤所起到的增加钻压的作用受限，反而由于钻杆刚性较强、重量大，滑动钻进中容易增大孔壁摩擦力，不利于排出岩肩，因此在水平段钻进过程中采用的钻具组合中去掉钻铤。
[0044]水平段钻进时，采用的钻具组合包括Φ 133mm PDC钻头、Φ 105mm螺杆、Φ 105mm无磁钻铤和?73mm高强度钻杆。经过试验，在不增加其它钻具的情况，在千米深L型地面预注浆钻孔水平段采用该钻具组合，复合钻进时钻进速度可达2.7m/h0
[0045]安徽省涡阳县信湖煤矿L型孔地面预注浆加固井下巷道的工程顺利完成，并顺利完成钻孔内的注浆施工，而且在定向造斜段最高可保证50m/d的钻进速度，而在水平段连续定向钻进速度最快可达30m/d。
[0046]本发明通过钻具组合合理配置和钻孔工艺的科学应用，提高了千米深L型地面预注浆钻孔的施工质量，节约了工程施工成本，产生了良好的社会经济效益。而且将L型注浆钻孔钻头由最初的单牙轮钻头发展到三牙轮钻头，再到PDC钻头，钻进效率提高一倍，单个钻头的成本降低80%，并且钻具组合结构的不断优化，由4根钻铤减少到2根钻铤，更好地满足了螺杆钻具定向钻进的技术要求。
[0047]上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造【具体实施方式】的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
【主权项】
1.一种千米深L型地面预注浆钻孔工艺，包括直孔段钻进、造斜段钻进和水平段钻进，其特征在于，造斜段钻进包括井斜角大于45°的造斜段钻进和井斜角小于45°的造斜段钻进；造斜段钻进过程中，在造斜率满足设计要求的前提下，每钻进I个单根钻杆长度后更换钻具组合并复合钻进2m ;每钻进2?3个立根钻杆或纯钻进超过24h，短起下钻10?15立根钻杆；在钻孔曲率大于或等于6° /30m的复杂井段，每钻进50?100m，短起3?10立根钻杆；井斜角大于45°后，起钻时，前5?10立根钻杆采用动力头起钻，下钻时，最后5?10立根钻杆采用动力头下钻；钻压为15?35kN，螺杆钻具钻速为180?200r/min，栗量:615L/min。2.根据权利要求1所述的千米深L型地面预注浆钻孔工艺，其特征在于，直孔段钻进过程中，开孔时，钻机低压慢转，大排量循环泥浆；钻压:0.3?0.5t，螺杆钻具钻速:30?40r/min，栗量:990L/min。3.根据权利要求2所述的千米深L型地面预注浆钻孔工艺，其特征在于，直孔段钻进过程中，正常钻进时，钻压小于或等于加重钻具重量的2/3，且每钻进4?5m进行一次扫孔；钻压为1.5?3.5t ;表土、风化岩段，钻速为70?80r/min ;硬岩段，钻速为50?60r/min栗量:990L/min。4.根据权利要求3所述的千米深L型地面预注浆钻孔工艺，其特征在于，直孔段钻进过程中，正常钻进时，每钻进9m，扫孔次数大于或等于2次。5.权利要求1?4任一所述的千米深L型地面预注浆钻孔工艺中使用的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，其特征在于，造斜段钻进过程中，井斜角小于45°时，钻具组合包括Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头(I)、Φ 105mm螺杆⑵、Φ 105mm无磁钻铤(3)、Φ 105mm钻铤(6)和Φ73_高强度钻杆(5)，所述C>73mm钻杆(5)的下端与所述Φ105_钻铤(6)的上端固定连接，所述Φ 105mm钻铤(6)的下端与所述Φ 105mm无磁钻铤(3)的上端通过悬挂接头(4)固定连接，所述Φ 105mm无磁钻铤(3)的下端与所述Φ 105mm螺杆(2)的上端固定连接，所述Φ 105mm螺杆(2)的下端与所述Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头(I)固定连接；井斜角大于45°时，钻具组合包括Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头⑴、Φ 105mm螺杆(2)、Φ 105mm无磁钻铤(3)和Φ73ι?πι高强度钻杆(5)，所述C>73mm钻杆(5)的下端与所述Φ 105mm无磁钻铤(3)的上端通过悬挂接头(4)固定连接，所述Φ 105mm无磁钻铤(3)的下端与所述Φ 105mm螺杆(2)的上端固定连接，所述Φ 105mm螺杆(2)的下端与所述Φ 133mm牙轮钻头或PDC钻头(I)固定连接。6.根据权利要求5所述的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，其特征在于，造斜段钻进过程中，钻进地层为复杂地层时，钻具组合包括Φ 133mm三牙轮钻头、Φ 105mm单弯螺杆、Φ 105mm无磁钻铤、10?13立根Φ 73mm高强度钻杆、I单根Φ 105mm钻铤、I单根Φ73_高强度钻杆、I单根Φ 105mm钻铤和Φ 73mm高强度钻杆。7.根据权利要求6所述的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，其特征在于，直孔段钻进过程中，钻具组合包括开孔钻具和正常钻进钻具组合，所述开孔钻具包括Φ215.9mm牙轮钻头、Φ159_钻铤和Φ73_短钻杆，所述正常钻进钻具组合包括Φ215.9_牙轮钻头、2?4根Φ 159mm钻铤、Φ89πιπι高强度钻杆和Φ73πιπι高强度钻杆。8.根据权利要求7所述的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，其特征在于，直孔段钻进过程中，纠斜钻具组合包括Φ215.9mm钻头、1.25°或1.5° 5LZ146螺杆、Φ89πιπι钻杆和Φ 73mm钻杆。9.根据权利要求8所述的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，其特征在于，水平段钻进过程中，钻具组合包括Φ 133mm PDC钻头、Φ 105mm螺杆、Φ 105mm无磁钻铤和C>73mm高强度钻杆。10.根据权利要求5?9任一所述的千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合，其特征在于，所述Φ 105mm螺杆(2)为1.25。或1.5°单弯螺杆。
【文档编号】E21B7/04GK105888549SQ201510367691
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年6月26日
【发明人】田忠喜, 刘书杰, 王渭明, 刘业斌
【申请人】山东科技大学