专利名称：一种煤层松散段随钻注浆工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤层松散段随钻注浆工具。
背景技术：
采掘衔接、采抽衔接的矛盾和抽采与生产抢地盘的矛盾是井下抽采方式存在的主要矛盾。加上密集钻孔的需要，就要求施工人员“高效”钻孔。“高效”体现在两个方面，即钻孔周期短和成孔正常率高。目前井下瓦斯抽采孔的钻井采用欠平衡钻井，主要采用空气 /雾化钻井方式，钻井周期大为缩短，有国外学者研究认为欠平衡钻井周期是普通泥浆钻井周期的1/10，满足工程需要。但成孔正常率一般较低，可以用“十钻九不正常”来形容。究其原因，孔壁失稳，引起钻孔不正常率大约占53%以上，事故多发生在钻遇松散煤层。因此根据生产的需要，研究松散段煤层钻井的高效护壁技术，对提高钻井效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为解决上述松散段煤层钻井孔壁失稳问题，提供一种结构简单、 控制方便和使用可靠、经济的煤层松散段随钻注浆工具。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种煤层松散段随钻注浆工具， 包括单向阀、阀座、棘轮控制机构、壳体和喷嘴，所述的单向阀由托盘轴、阀弹簧、托盘、橡胶垫、阀螺母组成，所述的阀座为一个圆筒，圆筒一端有起导向和限位作用的带斜边直槽，另一端带有圆端面，圆端面中心有托盘轴孔，托盘轴安装在所述的托盘轴孔中，通过阀螺母将阀弹簧、托盘、橡胶垫限位在托盘轴上；
所述的棘轮控制机构由棘轮弹簧、滑盘、转盘、定槽组成，滑盘和转盘均有一个端面，滑盘端面与转盘端面等径，滑盘一侧安装有棘轮弹簧，另一侧安装有转盘，定槽的一端有2条定槽凸起，定槽凸起卡在套筒内的套筒短槽中，通过定槽凸起使定槽在套筒中的定位，定槽另一端与钻头短接连接和定位；
所述的壳体由钻头短接和套筒构成，托盘轴以及阀座的一部分安装在钻头短接内，棘轮控制机构安装在套筒内，钻头短接与套筒之间通过管螺纹连接；同样，钻头与钻头短接之间、套筒与钻杆之间也通过管螺纹连接，接头处均设有密封圈； 所述的喷嘴对称地装在套筒的外壁上。本发明所述的阀座为一个带有圆端面的圆筒，圆端面的托盘轴孔四周还有4个均布的阀座通孔，圆筒外壁上设有6个阀座凸起。本发明所述的滑盘的盘面上有3个滑盘孔，滑盘的外周上对称设有2条滑盘凸起； 转盘的盘端面上也有3个与滑盘孔相同设计的转盘孔；所述的转盘转动时，通过控制转盘转动角度，实现每间隔转动一次，3个滑盘孔与3个转盘孔两两相通。本发明所述的滑盘的外周上对称设有2条滑盘凸起，滑盘凸起卡在套筒内的套筒长槽中，可沿套筒长槽滑动，周向固定。所述的套筒的外壁上对称地设有2个刮板。本发明的煤层松散段随钻注浆工具安装在钻头与钻杆之间，是一种在钻井过程中实现向破碎煤层注浆护壁的工具。只需通过反循环传递“正常钻进”和“注浆”两种信号， 即可完成风压钻井和随钻注浆两种功能。正常钻进循环介质为雾化风，雾化风通过钻孔流入孔底，经由钻头、钻杆与钻孔间的环隙携钻渣流出。注浆循环介质为特殊钻井液，钻井液经由钻杆孔、喷头将钻井液喷向孔壁。反循环循环介质是雾化风，雾化风由钻杆和钻孔环隙流入，注浆工具的单向阀关闭，对注浆工具施加压力控制棘轮换向机构换向，完成控制信号传递功能。司钻通过经验和地质资料判断是否到达松散地层，当钻进到松散煤层时，司钻实施第一次反循环，向孔底传输“注浆”信号，由钻头和钻杆之间安装的注浆工具的棘轮控制机构感知并保持这一信号状态，此时正常钻进循环介质通道关闭，注浆通道开启，浆液通过通道套筒的筒壁上安装的喷头，边钻进边向孔壁注入满足固壁深度和强度要求的护壁浆液，此过程中不返渣，将钻渣和多余的钻井液一起通过套筒的外壁上的刮板压入孔壁；当钻出松散地层时，司钻控制再次反循环，向孔底传输“正常钻进”信号，同样由注浆工具的棘轮控制机构感知并保持该信号状态，正常钻进循环介质通道开启，注浆通道关闭，循环介质通过钻杆孔，流经注浆工具上的循环介质通道和钻杆与钻孔间环隙，携渣返出钻孔。本发明一种煤层松散段随钻注浆工具具有如下优点
1、本发明的注浆工具直接与钻头和钻杆螺纹连接，操作方便。2、本发明采用机械式信号传输和控制方式，注浆工具使用可靠性、安全性好。3、本发明的钻井液通道出口有单向阀，保证钻井液的单向流动。4、本发明控制信号的执行机构采用类棘轮机构，保证钻井液通道开启正确，可靠。5、本发明采用在套筒外壁上的刮板清孔有利于正常钻进时返渣流畅。6、使用本发明的注浆工具可大幅提高护壁效率和钻井效率。
图1为本发明的一种煤层松散段随钻注浆工具总体结构示意图。图2为本发明单向阀和棘轮控制机构外观结构示意图。图3为本发明棘轮控制机构结构剖面示意图。图4、图5为本发明的阀座端面结构和阀座结构示意图。图6为本发明套筒结构主视示意图。图7为图6的A-A向视图。图8为本发明滑盘结构示意图。图9、图10为本发明转盘端面结构和转盘结构示意图。图11本发明定槽结构示意图。图12为本发明反向风传递控制信号时雾化空气路径图。图13为本发明正常钻进雾化风的流向图。图14为本发明注浆钻进浆液的流向图。上述图中1-托盘轴、2-阀弹簧、3-托盘、4-阀座、5-喷嘴、6-套筒、7-棘轮弹簧、 8-滑盘、9-转盘、10-定槽、11-橡胶垫、12-钻头短接、13-阀螺母、14-托轴孔、15-阀座凸起、16-阀座通孔、17-刮板、18-套筒长槽、19-套筒短槽、20-滑盘孔、21-滑盘凸起、22-转盘孔、23-斜边槽、24-定槽凸起。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明的内容进行详细描述。实施例1 本发明一种煤层松散段随钻注浆工具，其结构如图1、2、3所示。包括单向阀、阀座4、棘轮控制机构、壳体和喷嘴5，所述的单向阀由托盘轴1、阀弹簧2、托盘3、橡胶垫11、阀螺母13组成，所述的阀座4为一个圆筒，圆筒一端有起导向和限位作用的带斜边直槽，另一端带有圆端面，圆端面中心有托盘轴孔14，托盘轴1安装在所述的托盘轴孔14中， 通过阀螺母13将阀弹簧2、托盘3、橡胶垫11限位在托盘轴1上；
本发明中的棘轮控制机构，参见图2、3，由棘轮弹簧7、滑盘8、转盘9、定槽10组成，滑盘8端面与转盘9端面等径，滑盘8 一侧安装有棘轮弹簧7，另一侧安装有转盘9，转盘9的另一端带有带斜边槽23与阀座4 一端的带斜边槽口相对；定槽10套在阀座4和转盘9的外面，定槽10 —端外圈对称地设有2条定槽凸起M，定槽凸起M卡在套筒6内的套筒短槽19中，通过定槽凸起M使定槽在套筒6中定位，定槽10另一端与钻头短接12连接和定位；
所述的壳体由钻头短接12和套筒6构成，托盘轴1以及阀座4的一部分安装在钻头短接12内，棘轮控制机构安装在套筒6内，钻头短接12与套筒6之间通过管螺纹连接；同样， 钻头与钻头短接12之间、套筒6与钻杆之间也通过管螺纹连接，接头处均设有密封圈； 所述的喷嘴5对称地装在套筒6的筒壁上。参见图4、5，本发明中的阀座4为一个带有圆端面的圆筒，圆端面的中心有托盘轴孔14，四周还有4个均布的阀座通孔16，圆筒外壁上设有6个阀座凸起15，圆筒的一端设有起导向和限位作用的带斜边直槽。参见图6、7，本发明中的套筒6的圆壁上对称地装有2个喷嘴5，外壁上对称地设有2个刮板17，刮板17将钻渣和注浆过程多余的钻井液一起压入破碎煤层的钻孔壁；套筒 6的内壁上设有套筒长槽18、套筒短槽19，套筒长槽18用于定位滑盘8，套筒短槽19用于定位定槽10。参见图8、9和10，滑盘8的盘面上有3个滑盘孔20，滑盘8的外周上对称设有2条滑盘凸起21，滑盘凸起卡在套筒内套筒长槽18中，滑盘凸起可沿套筒长槽18滑动，周向固定 ’转盘9的盘端面上也有3个与滑盘孔20相同设计的转盘孔22 ；所述的转盘9转动时， 由转动角度控制每间隔转动一次，3个滑盘孔20与3个转盘孔22实现两两相通，即第1次转动3个滑盘孔20与3个转盘孔22实现两两相通，第2次转动则不通。参见图11，定槽10的一端有2条定槽凸起24，定槽凸起M可以卡在套筒内的套筒短槽19中，通过定槽凸起M使定槽在套筒6中的定位，定槽10另一端与钻头短接12连接和定位。实施例2 将本发明的一种煤层松散段随钻注浆工具用于井下煤层气抽采松散段钻井和其它欠平衡钻井工程。使用时通过反循环传递“正常钻进”和“注浆钻进”的命令， 控制信号的传递方法相同，循环介质都是雾化风，压力在0. 5-0. 7MPa，“正常钻进”雾化风流正向，如图12所示。传递“正常钻进”或“注浆钻进”信号时，雾化风流均反向，即由钻杆与钻孔的环隙流入，经钻头进入钻杆，由托盘轴1、阀弹簧2、托盘3、橡胶垫11和阀螺母13组成的单向阀关闭，在风力的作用下，阀座4向右移动，推动转盘9右移，滑盘8右移压缩棘轮弹簧7 ；当转盘9的带斜边槽23和定槽10 —端的斜面在同一面上时，在弹簧的作用下，转盘9转动一次，就转过一个角度，使带斜边槽的斜形的峰点滑落入定槽另一槽中。每次反循环控制转盘转动一次，转盘第一次转动使其可以实现3个滑盘孔20与3个转盘孔22实现两两相通，这是正常钻进状态也是注浆工具的初始状态。转盘第二次转动3个滑盘孔20与3个转盘孔 22被滑盘与转盘相互遮挡而不相通，这是注浆状态。“正常钻进”时，在开始钻进时注浆工具的状态应保持3个滑盘孔20与3个转盘孔 22实现两两相通状态，此时雾化风由钻杆内孔流经棘轮弹簧7、滑盘8和转盘9间的孔至单向阀，在风力作用下单向阀开启，雾化风继续流经钻头、钻杆和钻孔的环隙，然后流出。如图 13所示，在此过程中，风压不足以开启喷嘴，因此喷嘴处于关闭状态。当钻遇松软煤层时，首先执行一次反循环操作，向孔底传输“注浆”信号，随钻注浆工具中的3个滑盘孔20与3个转盘孔22的通道被阻挡，雾化风处于不通的状态；开启注浆泵，浆液由钻杆内孔流入，由于转盘孔22和滑盘孔20间不相通，处于关闭状态，在浆液压力作用下，喷嘴5开启，向孔壁喷雾状浆液，实现注浆护壁目的。如图14所示。注浆结束后，再执行一次反循环操作，注浆工具恢复正常钻进状态。本发明的一种煤层松散段随钻注浆工具适用于井下煤层气抽采松散段钻井和其它欠平衡钻井工程。
权利要求
1.一种煤层松散段随钻注浆工具，包括单向阀、阀座、棘轮控制机构、壳体和喷嘴，其特征在于所述的单向阀由托盘轴、阀弹簧、托盘、橡胶垫、阀螺母组成，所述的阀座为一个圆筒，圆筒一端有起导向和限位作用的带斜边直槽，另一端带有圆端面，圆端面中心有托盘轴孔，托盘轴安装在所述的托盘轴孔中，通过阀螺母将阀弹簧、托盘、橡胶垫限位在托盘轴上；所述的棘轮控制机构由棘轮弹簧、滑盘、转盘、定槽组成，滑盘和转盘均有一个端面，滑盘端面与转盘端面等径，滑盘一侧安装有棘轮弹簧，另一侧安装有转盘，定槽的一端有2条定槽凸起，定槽凸起卡在套筒内的套筒短槽中，通过定槽凸起使定槽在套筒中的定位，定槽另一端与钻头短接连接和定位；所述的壳体由钻头短接和套筒构成，托盘轴以及阀座的一部分安装在钻头短接内，棘轮控制机构安装在套筒内，钻头短接与套筒之间通过管螺纹连接；同样，钻头与钻头短接之间、套筒与钻杆之间也通过管螺纹连接，接头处均设有密封圈；所述的喷嘴对称地装在套筒的外壁上。
2.根据权利要求1所述的一种煤层松散段随钻注浆工具，其特征在于所述的阀座为一个带有圆端面的圆筒，圆端面的托盘轴孔四周还有4个均布的阀座通孔，圆筒外壁上设有6个阀座凸起。
3 根据权利要求1所述的一种煤层松散段随钻注浆工具，其特征在于所述的滑盘的盘面上有3个滑盘孔，滑盘的外周上对称设有2条滑盘凸起；转盘的盘端面上也有3个与滑盘孔相同设计的转盘孔；所述的转盘转动时，通过控制转盘转动角度，实现每间隔转动一次，3个滑盘孔与3个转盘孔两两相通。
4.根据权利要求3所述的一种煤层松散段随钻注浆工具，其特征在于所述的滑盘的外周上对称设有2条滑盘凸起，滑盘凸起卡在套筒内的套筒长槽中，可沿套筒长槽滑动，周向固定。
5.根据权利要求1所述的一种煤层松散段随钻注浆工具，其特征在于所述的套筒的外壁上对称地设有2个刮板。
全文摘要
本发明涉及一种煤层松散段随钻注浆工具，包括单向阀、阀座、棘轮控制机构、壳体和喷嘴，托盘轴装在阀座的托盘轴孔中，阀螺母将阀弹簧、托盘、橡胶垫限位在托盘轴上；棘轮控制机构由棘轮弹簧、滑盘、转盘、定槽组成，滑盘两侧装有棘轮弹簧和转盘，滑盘和转盘的端面等径且均有3个设计相同的通孔；不执行控制信号时，定槽套在阀座和转盘外，定槽上有定槽凸起卡在套筒内的套筒短槽中实现在套筒中的定位；壳体由钻头短接和套筒构成，喷嘴设在套筒的外壁上。壳体两端与钻头、钻杆由管螺纹连接并设密封圈；本注浆工具结构简单，采用机械式信号传输和控制正常钻进和注浆钻进，使用安全可靠，适用于井下煤层气抽采松散段钻井和其它欠平衡钻井工程。
文档编号E21B33/13GK102337858SQ201110254159
公开日2012年2月1日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者乌效鸣, 张永权, 王生维, 王院生, 路桂英 申请人:中国地质大学(武汉)