煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法
【专利摘要】一种煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法，包含外部护孔组件和中心定向钻进组件，所述外部护孔组件包含护孔套管，通过接头连接铰接接头，铰接接头前端再通过接头连接于套管靴，所述中心定向钻进组件包含中心钻杆、随钻测量短节、螺杆钻具和中心钻头。钻进施工时，通过调整内部螺杆钻具弯头朝向来控制钻孔轨迹，当钻进至预定深度时，将中心钻杆、随钻测量短节、螺杆钻具和中心钻头提出孔外，套管则留在孔内起到护孔作用；然后从孔口下入小一级直径继续进行定向钻进施工直至设计深度。本发明针对煤矿井下局部破碎、泥岩缩径等复杂地层实现定向长钻孔施工，解决煤矿井下复杂地层的瓦斯治理和水害防治问题，保障煤矿安全高效生产。
【专利说明】
煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法采用同心跟管定向钻具进行定向钻孔施工，钻进时外部套管随着钻具一同进入孔内，穿过破碎地层或泥岩缩径等复杂岩层后，提出中心钻具，再下入小一级螺杆定向钻具组合进行定向钻进，以实现复杂地层定向长钻孔施工。
【背景技术】
[0002]采用定向钻进技术解决煤矿井下瓦斯治理和水害防治问题过程中，常常会遇见泥岩缩径、破碎带塌孔、高地应力软岩塌孔等成孔难题;在这些复杂地层进行定向钻孔施工，存在钻孔深度浅、施工难度大、事故发生几率高等问题。遇到这些地层情况，主要采取避让不稳定地层、孔内注浆和孔口下套管护孔等几种方法予以处理，但往往难以取得理想的效果O
[0003]由于地层因素的限制，定向钻进技术不能充分发挥其技术优势，在这种情况下，对于煤矿井下采空区瓦斯治理、防治水方面，则只能采取其它技术方法和手段来解决问题，如开拓巷道、钻场，增加钻孔施工量等方法，这就直接增加了工程量和施工成本。在这种情况下，研究一种随钻跟管护孔的方法实现复杂岩层定向长钻孔施工具有重要意义。
[0004]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同心跟管定向钻进装置及其施工方法，以克服上述缺陷。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法，其针对煤矿井下局部破碎、泥岩缩径等复杂地层的同心跟管定向钻进技术方法，以实现定向长钻孔施工，解决煤矿井下复杂地层的瓦斯治理和水害防治问题，保障煤矿安全高效生产。
[0006]为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下同心跟管定向钻进装置，包含外部护孔组件和中心定向钻进组件，其特征在于:
[0007]所述外部护孔组件包含护孔套管，其前端通过接头连接铰接接头，铰接接头前端通过接头连接于套管靴，所述套管靴采用滚珠结构连接扩孔套，所述扩孔套的端缘设有多个切削元件；
[0008]所述中心定向钻进组件包含中心钻杆、随钻测量短节、螺杆钻具和中心钻头，所述中心钻杆的前端通过随钻测量短节连接于螺杆钻具，所述螺杆钻具的前端连接有中心钻头，所述中心钻头和扩孔套之间设有快拆结构，所述中心钻头的前端缘设有多个切削元件。
[0009]其中:外部套管和套管靴之间采用铰接连接，所述铰接接头一端内缘设有弧形的铰接槽，一端外缘设有铰接于铰接槽内的铰接凸起，所述铰接凸起的外缘为与铰接槽相适配的弧形段，从而实现径向铰接。
[0010]其中:中心钻头与扩孔套切削刃出刃高度基本一致，实现定向钻进时中心钻头和扩孔套造斜力方向一致。
[0011]其中:所述快拆结构包含设置于中心钻头上的轴向滑槽和旋转滑槽以及扩孔套内壁的定位凸起，所述轴向滑槽从中心钻头的前端径向延伸至后部，所述旋转滑槽位于中心钻头的中部且连通于轴向滑槽，所述定位凸起沿轴向滑槽滑入并定位于旋转滑槽内而实现中心钻头和扩孔套之间的相对固定。
[0012]还公开了如上所述的煤矿井下同心跟管定向钻进装置的施工方法，包含如下步骤:
[0013]步骤一:跟管定向钻进，连接该钻具组合进行跟管定向钻进，钻进过程中，通过旋转中心钻杆带动螺杆钻具转动从而改变螺杆钻具弯头朝向，外部铰接外管、接头、套管靴和扩孔套随着螺杆钻具弯头朝向改变而一同改变，即可改变中心钻头和扩孔套在孔底的切削方向，实现定向钻孔轨迹控制;而外部套管随钻具一同下入孔内；
[0014]步骤二:提出中心钻具，当钻进至预定深度时，慢慢反转中心钻杆，中心钻头和扩孔套脱开，将中心钻杆、随钻测量短节、螺杆钻具和中心钻头提出孔外，套管则留在孔内起到护孔作用；
[0015]步骤三:小直径定向钻具钻进，从孔口下入小一级直径的螺杆钻具、测量短节和钻头继续进行定向钻进施工直至设计深度。
[0016]通过上述结构可知，本发明的煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法具有如下效果:
[0017]1、能够实现煤矿井下局部破碎、泥岩缩径等复杂地层定向长钻孔施工；
[0018]2、能够一次完成定向钻进和套管护孔两个工艺步骤，减少先成孔后下套管存在风险因素；
[0019]3、由于钻具回转而外部套管不回转，避免套管因回转产生磨损或损坏，能提高套管下入深度和成功率；
[0020]4、套管的护孔作用减少了钻孔裸露段长度，提高钻孔使用寿命，可拓展定向钻技术在煤矿井下应用范围，实现煤矿瓦斯和水害高效治理，节约煤矿生产成本，保障煤矿安全尚效生广。
[0021]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】
[0022]图1显示了本发明的煤矿井下同心跟管定向钻进装置的结构示意图。
[0023]图2A-2D分别显示了本发明中铰接外管、管靴、扩孔套和中心钻头的结构示意图。
[0024]图3显示了本发明同心跟管定向钻具钻进示意图。
[0025]图4显示了本发明同心跟管定向钻进完成后提钻示意图。
[0026]图5显示了本发明同心跟管定向钻进完成后套管护孔示意图。
[0027]图6显示了本发明下破岩定向钻具钻进示意图。
[0028]附图标记:
[0029]1-中心钻杆；2-护孔套管；3-随钻测量短节;4-螺杆钻具；5-铰接接头；6_连接接头;7-套管靴;8-扩孔套;9-中心钻头；I O-轴向滑槽;11-旋转滑槽;12-小直径钻杆;13-小直径随钻测量短节;14-下直径螺杆钻具;15-小直径钻头。
【具体实施方式】
[0030]参见图1，显示了本发明的煤矿井下同心跟管定向钻进装置。
[0031]所述煤矿井下同心跟管定向钻进装置包含外部护孔组件和中心定向钻进组件，所述外部护孔组件包含护孔套管2，其为中空圆筒状的中空结构，其前端通过接头连接铰接接头5，铰接接头5前端通过连接接头6连接于套管靴7，参见图2C，所述套管靴7采用滚珠结构连接扩孔套8，所述扩孔套8的端缘间隔设有多个切削元件。
[0032]其中，参见图2A，所述铰接接头5—端内缘设有弧形的铰接槽，一端外缘设有铰接于铰接槽内的铰接凸起，所述铰接凸起的外缘为与铰接槽相适配的弧形段，从而实现径向铰接。
[0033]所述中心定向钻进组件包含中心钻杆1、随钻测量短节3、螺杆钻具4和中心钻头9，所述中心钻杆I的前端通过随钻测量短节3连接于螺杆钻具4，所述螺杆钻具4前端设有弯头，所述螺杆钻具4的前端连接有中心钻头9，为实现中心钻头9和扩孔套8的协同切削，所述中心钻头9和扩孔套8之间设有快拆结构，参见图2B和图2D，所述快拆结构可包含设置于中心钻头9上的轴向滑槽1和旋转滑槽11以及扩孔套8内壁的定位凸起，所述轴向滑槽10从中心钻头9的前端径向延伸至后部，所述旋转滑槽11位于中心钻头9的中部且连通于轴向滑槽，所述定位凸起可沿轴向滑槽10滑入并定位于旋转滑槽11内，从而实现中心钻头9和扩孔套8之间的相对固定，所述中心钻头9的前端缘设有多个切削元件。
[0034]参见图6，小直径定向钻具包括小直径钻杆12、小直径随钻测量短节13、小直径螺杆钻具14和小直径钻头15，所述小直径钻杆12的前端通过小直径随钻测量短节13连接于小直径螺杆钻具14，所述小直径螺杆钻具14的前端连接有小直径定向钻头15，所述小直径钻头15的前端缘设有多个破岩切削元件。
[0035]由此，本发明通过上述装置，能实现煤矿井下煤矿井下局部破碎、泥岩缩径等复杂地层的同心跟管定向钻进，以实现定向长钻孔施工。具体施工方法包含如下步骤:
[0036]步骤一:同心跟管定向钻进，参见图3，将定向钻削组件装入护孔组件内，驱动源驱动螺杆钻具4回转从而带动中心钻头9和扩孔套8回转，在轴向给进力作用下，切削破碎孔底，护孔套管2在孔底的扩孔套8通过套管靴7、接头6、铰接外管5传递的拉力作用以及在孔口的给进推力作用下，沿着钻孔下入孔内，钻入时，随钻测量短节3将钻孔测量参数实时传递到孔口，而由于铰接外管5在螺杆钻具4的弯头处采用铰接连接，中心钻头9与扩孔套8切削刃出刃基本一致，转动中心钻杆I带动螺杆钻具4回转从而改变螺杆钻具弯头朝向时，夕卜部铰接外管5、接头6、套管靴7和扩孔套8随着螺杆钻具弯头朝向改变而一同改变，即可改变中心钻头9和扩孔套8在孔底的切削方向，实现定向钻孔轨迹控制；而冲洗介质携带钻渣通过外部套管2和中心钻杆I之间环空间隙返出孔外。
[0037]步骤二:提出中心钻具，采用同心跟管定向钻具将护孔套管2下到预定深度后，慢慢逆时针旋转中心钻杆I，中心钻头9顺着与套管靴8配合处的旋转滑槽11退出，然后轻轻提拉中心钻杆I，中心钻头9顺着钻具轴向滑槽10退出，参见图4，此时中心钻头9与扩孔套8分离，继续向外提中心钻杆I，将中心钻杆1、随钻测量短节3、螺杆钻具4和中心钻头9提出孔夕卜，外部护孔套管2、铰接接头5、连接接头6、套管靴7和扩孔套8则留在孔内，起到护孔作用，参加图5。
[0038]步骤三:小直径定向钻具钻进，参见图6，连接小直径钻杆12、小直径随钻测量短节13、小直径螺杆钻具14和小直径钻头15，从护孔套管2内下入孔底，此时套管2起到护孔作用，冲洗介质驱动小直径螺杆钻具14转子回转从而带动小直径钻头15回转，在给进作用下破碎孔底岩石。
[0039]小直径随钻测量短节13则将钻孔测量参数实时传到孔口，进而调整小直径螺杆钻具14的弯头朝向进行定向钻孔轨迹控制，直至钻进到设计孔深。冲洗介质从小直径钻杆12中心进入孔底，携带钻渣沿着钻杆与孔壁间隙外返至扩孔套位置后，再沿着套管与钻杆之间环空间隙返出孔外。
[0040]本发明能够实现局部破碎、泥岩缩径等复杂岩层定向长钻孔施工，由于套管护孔作用，避免了裸眼钻孔塌孔失效，保证钻孔的使用寿命，对于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治等方面具有极其重要意义。
[0041]本发明对于局部破碎、泥岩缩径等不稳定岩层，能采用同心跟管定向钻具组合进行定向钻孔施工，对于较硬岩石，可采用破岩钻削组件进行破岩操作。
[0042]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。
【主权项】
1.一种煤矿井下同心跟管定向钻进装置，包含外部护孔组件和中心定向钻进组件，其特征在于: 所述外部护孔组件包含护孔套管，其前端通过接头连接铰接接头，铰接接头前端通过接头连接于套管靴，所述套管靴采用滚珠结构连接扩孔套，所述扩孔套的端缘设有多个切削元件； 所述中心定向钻进组件包含中心钻杆、随钻测量短节、螺杆钻具和中心钻头，所述中心钻杆的前端通过随钻测量短节连接于螺杆钻具，所述螺杆钻具的前端连接有中心钻头，所述中心钻头和扩孔套之间设有快拆结构，所述中心钻头的前端缘设有多个切削元件。2.如权利要求1所述的煤矿井下同心跟管定向钻进装置，其特征在于:外部套管和套管靴之间采用铰接连接，所述铰接接头一端内缘设有弧形的铰接槽，一端外缘设有铰接于铰接槽内的铰接凸起，所述铰接凸起的外缘为与铰接槽相适配的弧形段，从而实现径向铰接。3.如权利要求1所述的煤矿井下同心跟管定向钻进装置，其特征在于:中心钻头与扩孔套切削刃出刃高度基本一致，实现定向钻进时中心钻头和扩孔套造斜力方向一致。4.如权利要求1所述的煤矿井下同心跟管定向钻进装置，其特征在于:所述快拆结构包含设置于中心钻头上的轴向滑槽和旋转滑槽以及扩孔套内壁的定位凸起，所述轴向滑槽从中心钻头的前端径向延伸至后部，所述旋转滑槽位于中心钻头的中部且连通于轴向滑槽，所述定位凸起沿轴向滑槽滑入并定位于旋转滑槽内而实现中心钻头和扩孔套之间的相对固定。5.如权利要求1-4中任一所述的煤矿井下同心跟管定向钻进装置的施工方法，包含如下步骤: 步骤一:跟管定向钻进，连接该钻具组合进行跟管定向钻进，钻进过程中，通过旋转中心钻杆带动螺杆钻具转动从而改变螺杆钻具弯头朝向，外部铰接外管、接头、套管靴和扩孔套随着螺杆钻具弯头朝向改变而一同改变，即可改变中心钻头和扩孔套在孔底的切削方向，实现定向钻孔轨迹控制;而外部套管随钻具一同下入孔内； 步骤二:提出中心钻具，当钻进至预定深度时，慢慢反转中心钻杆，中心钻头和扩孔套脱开，将中心钻杆、随钻测量短节、螺杆钻具和中心钻头提出孔外，套管则留在孔内起到护孔作用； 步骤三:小直径定向钻具钻进，从孔口下入小一级直径的螺杆钻具、测量短节和钻头继续进行定向钻进施工直至设计深度。
【文档编号】E21B7/04GK106014258SQ201610329723
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】姚宁平, 张 杰, 姚亚峰, 黄寒静, 曹静, 王力, 石浩
【申请人】中煤科工集团西安研究院有限公司