松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺的制作方法
【专利摘要】松软突出煤层反循环钻进设备，包括钻机、主动双壁钻杆、双通道气水龙头、钻头以及空压机，所述钻机上设有动力头，所述主动双壁钻杆贯穿动力头安装，主动双壁钻杆一端的内管通过双通道气水龙头与胶管相连通，所述胶管末端连接有煤粉接收装置，所述双通道气水龙头上设有与主动双壁钻杆内外管环形通道相通的气盒子，所述气盒子通过气管与空压机相连，主动双壁钻杆的另一端连接有钻头。本发明最大限度地减少了对煤层的扰动，有效的防止了孔内坍塌的发生，也就避免了卡钻事故的频繁发生；不存在瓦斯聚集的情况，因而有效避免喷孔现象的发生；生产成本低，且有效改善了施工现场作业环境；实现一种钻杆同时在坍塌和缩径地层中钻进。
【专利说明】松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及地质钻探【技术领域】，具体为一种松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺。
【背景技术】
[0002]松软突出煤层在我国可采煤层中占有很大比例。在松软突出煤层中钻孔，尤其是地应力高的区域，容易出现喷孔、塌孔、卡钻等现象，导致钻孔成孔率低、成孔深度浅，钻孔施工困难。目前针对松软突出煤层最先进的工艺方法是由煤炭研究总院西安研究院研发的中风压空气钻进技术。
[0003]中风压空气钻进技术是利用独立钻进供风系统，对钻进过程供以中风压(I?1.3MPa)大排量(17m3/min)的压缩空气，再配以宽叶螺旋钻杆，扰动沉积在钻孔底部的煤粉，减少卡钻等孔内事故的发生，并具有一定自处理事故的能力；配以大通孔钻杆，以利于瓦斯抽排管的置入，从而解决缩径地层瓦斯抽排管难以置入的问题。该技术对解决松软突出煤层的钻进问题起到一定作用，但仍存在如下不足之处:
[0004]1、需配置中风压大风量空压机，消耗动力大，设备占用空间大，施工成本高；
[0005]2、对于坍塌地层和缩径地层要用两种钻杆，成本高，并且难以处理既坍塌又缩径的地层；
[0006]3、由于仍为正循环钻进，大量煤粉从钻杆与孔壁间的间隙涌出，一方面对钻杆产生较大的磨损，另一方面对于坍塌和缩径地层容易封堵煤粉通道，需用较大的扭矩和较高的空气压力与风量来打通煤粉通道；
[0007]4、孔壁间隙因塌孔和缩径而堵塞，即使用螺旋钻杆也不可能即刻疏通上返通道，一旦煤层中瓦斯大量释放，就会聚集于堵塞处，当瓦斯的释放量和释放压力达到一定程度时，喷孔现象将不可避免；
[0008]5、由于正循环钻进，煤粉从孔口排出，收集处理困难，无法有效改善现场作业环境。
【发明内容】
[0009]本发明所解决的技术问题在于提供一种松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺，以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0010]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
[0011]松软突出煤层反循环钻进设备，包括钻机、主动双壁钻杆、双通道气水龙头、钻头以及空压机，所述钻机上设有动力头，所述主动双壁钻杆贯穿动力头安装，主动双壁钻杆一端的内管通过双通道气水龙头与胶管相连通，所述胶管末端连接有煤粉接收装置(集尘器)，所述双通道气水龙头上设有与主动双壁钻杆内外管环形通道相通的气盒子，所述气盒子通过气管与空压机相连，主动双壁钻杆的另一端连接有钻头，随着钻头的不断钻入地层，在主动双壁钻杆和钻头之间不断地加接从动双壁钻杆，直至成孔。
[0012]进一步的，双壁钻杆的管体与其接头均采用高级合金钢制成，管体两端加厚再与接头摩擦焊接，外管为外径为Φ73πιπι的外平式结构，外管扣型为锥度的梯型扣，内管通径为Φ36_。这里只述及一种结构形式的双壁钻杆来实现本发明的钻进工艺，可使用不同结构形式的双壁钻杆，但适用这种钻进工艺的双壁钻杆的技术特征是外管的外平式结构，其目的是减小钻杆在给进和起拔时的阻力，及减小钻杆对地层的扰动。
[0013]进一步的，所述钻头内径不大于内管通径，钻头内设有内出刃，为利于将煤粉导入内管钻头底部设置为喇叭状，钻头外出刃大于双壁钻杆的外径。
[0014]进一步的，双通道气水龙头的外壳与动力头固定连接，且双通道气水龙头同主动双壁钻杆密封连接。
[0015]进一步的，所述空压机的压力为0.8MPa，排量为4m3/min，连接气盒子和空压机之间的气管上连接有用于向压缩空气中注入泡沫液的泡沫泵。在压缩空气中注入泡沫，有助于提高压缩空气携带煤粉的能力，同时能防止进入煤粉接收装置的粉尘扩散到空中而形成污染。
[0016]进一步的，使用内管取出的双壁钻杆，在成孔后取出内管和连接在内管上的钻头，以便下入瓦斯抽排管或割缝管，进行后续瓦斯抽排工序。
[0017]松软突出煤层反循环钻进设备的钻进工艺，包括如下步骤:
[0018]1、空压机输出的压缩空气通过气盒子进入双壁钻杆的环形通道中，再沿着环形通道通过钻头到达孔底；必要时，通过泡沫泵向空压机输出的压缩空气注入泡沫；其中压缩空气可以由泥浆或清水取代；
[0019]2、在开孔段因双壁钻杆与孔壁间阻力较小，空气携带煤粉大部分从孔壁间隙返出，小部分从内管返出；随着孔深加大，双壁钻杆与孔壁间阻力也加大，空气携带煤粉从孔壁间隙返出越来越少，从内管返出越来越多，孔深到达5?8米时空气携带煤粉全部从内管返出；
[0020]3、从内管返出的煤粉通过双通道气水龙头通孔，再通过胶管进入煤粉接收装置中。
[0021]反循环钻进是相对正循环而言的，利用双壁钻杆进行钻进，压缩空气或冲洗液(冲洗介质)从内外管间环形通道送入孔底，再携带岩粉或煤粉从内管中返出地面的一种钻进方法。很好地解决了复杂地层钻进和取样问题。
[0022]本发明应用于松软突出煤层的瓦斯抽排工程，将会大大提高钻进效率，提高成孔率，同时配合高压水割缝技术，必将成为解决松软突出煤层瓦斯抽排问题的有效方法，必将产生无可估量的经济效益，对推动能源技术的创新和发展具有重大的社会效益。
[0023]与现有的技术相比，本发明的有益效果如下:
[0024]1、由于冲洗介质从内管返出，而不是像正循环那样由孔壁间隙返出，因而最大限度地减少了对煤层的扰动，有效的防止了孔内坍塌的发生，也就避免了卡钻事故的频繁发生；
[0025]2、钻进过程中孔底释放的大量瓦斯可由通畅的内管通道返出，沿孔壁渗出的瓦斯通过稳定的通畅的孔壁间隙顺畅地排出，不存在瓦斯聚集的情况，因而有效避免喷孔现象的发生；
[0026]3、由于冲洗介质从内管返出，内管光滑且管径一致，因而冲洗介质的压力损失小且恒定，又因为过流断面要比正循环钻进时的孔壁间隙小得多，所以满足煤粉排出地面所需的冲洗液压力和排量都相对较小，因而可用较小的空压机或泥浆泵，使设备投资成本降低；
[0027]4、因为孔壁稳定，坍塌少，钻杆与孔壁摩擦力减小，因而所需钻机的扭矩和起拔力都减小，从而减少了钻机投资；
[0028]5、由于冲洗介质从内管返出，可以通过胶管直接导入煤粉接收装置，无需孔口捕尘装置，有效改善了施工现场作业环境；
[0029]6、对于缩径地层，钻进结束后，可将内管拔出，再下入瓦斯抽排管或割缝管，起到与大通孔钻杆同样的作用，实现一种钻杆同时在坍塌和缩径地层中钻进。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的结构示意图；
【具体实施方式】
[0031]为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
[0032]如图1所示，松软突出煤层反循环钻进设备，包括钻机1、双壁钻杆2、双通道气水龙头7、钻头4以及空压机3，所述钻机I上设有动力头6，所述双壁钻杆2贯穿动力头6安装，双壁钻杆2 —端的内管通过双通道气水龙头7与胶管10相连通，所述胶管10末端连接有煤粉接收装置5，所述双通道气水龙头7上设有与双壁钻杆2内外管环形通道相通的气盒子8，所述气盒子8通过气管与空压机3相连，双壁钻杆2的另一端连接有钻头4。
[0033]为尽量减小卡钻的可能性，将双壁钻杆2外管设计成外平式结构；为配合煤矿主流钻机，钻杆外径为Φ73_;为在有限的钻杆截面上达到尽可能高的连接强度，外管扣型为锥度的梯型扣；为承受更大的扭力和起拔力，用高级合金钢加工钻杆接头和管体；管体两端加厚再与接头摩擦焊接，以提高焊接处的强度；在保证内外管环形通道和内管强度的同时，尽可能地加大内管通径，拟定内管通径为36_。
[0034]钻头4的外径和外出刃的大小与反循环形成的效果和钻杆2与孔壁的摩擦力有关。钻头4的外径和外出刃越大，孔壁间隙越大，则钻杆2回转阻力越小，但越不容易形成反循环，且钻头的起拔力越大；钻头的外径和外出刃越小，孔壁间隙越小，则钻杆2回转阻力越大，越容易形成反循环。所以要通过试验确定适合松软突出煤层的钻头4直径和外出刃。为便于煤粉进入内管，钻头4内径设计成与内管通径相同，如需下入割缝管，则用较小的内出刃。为利于将煤粉导入内管钻头底部设置为喇叭状，钻头4外出刃大于双壁钻杆2的外径有利于提高钻进效率。
[0035]双通道气水龙头7与双壁钻杆2连接，其作用是将冲洗介质导入到钻杆2的内外管环形通道中。双通道气水龙头的7外壳与动力头6固定，芯轴转动，要有可靠且寿命长的密封结构，以保证钻进工作的正常进行。
[0036]本发明不局限于水平钻孔，向上、向下倾斜或垂直钻孔均适用。
[0037]松软突出煤层反循环钻进设备的钻进工艺，包括如下步骤:
[0038]1、通过泡沫泵9向空压机3输出的压缩空气注入泡沫，注入泡沫压缩空气通过气盒子进入双壁钻杆2的环形通道中，再沿着环形通道通过钻头4到达孔底；其中压缩空气可以由泥浆或清水取代；
[0039]2、在开孔段因双壁钻杆2与孔壁间阻力较小，空气携带煤粉大部分从孔壁间隙返出，小部分从内管返出；随着孔深加大，双壁钻杆2与孔壁间阻力也加大，空气携带煤粉从孔壁间隙返出越来越少，从内管返出越来越多，孔深到达5?8米时空气携带煤粉全部从内管返出；
[0040]3、从内管返出的煤粉通过双通道气水龙头7通孔，再通过胶管10进入煤粉接收装置中。
[0041]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.松软突出煤层反循环钻进设备，包括钻机、主动双壁钻杆、双通道气水龙头、钻头以及空压机，其特征是:所述钻机上设有动力头，所述主动双壁钻杆贯穿动力头安装，主动双壁钻杆一端的内管通过双通道气水龙头与胶管相连通，所述胶管末端连接有煤粉接收装置，所述双通道气水龙头上设有与主动双壁钻杆内外管环形通道相通的气盒子，所述气盒子通过气管与空压机相连，主动双壁钻杆的另一端连接有钻头，随着钻头的不断钻入地层，在主动双壁钻杆和钻头之间不断地加接从动双壁钻杆，直至成孔。
2.根据权利要求1所述的松软突出煤层反循环钻进设备，其特征是:双壁钻杆的管体与其接头均采用高级合金钢制成，管体两端加厚再与接头摩擦焊接，外管为外径为Φ 73mm的外平式结构，外管扣型为锥度的梯型扣，内管通径为Φ36πιπι。
3.根据权利要求1所述的松软突出煤层反循环钻进设备，其特征是:所述钻头内径不大于内管通径，钻头内设有内出刃，为利于将煤粉导入内管钻头底部设置为喇叭状，钻头外出刃大于双壁钻杆的外径。
4.根据权利要求1所述的松软突出煤层反循环钻进设备，其特征是:双通道气水龙头的外壳与动力头固定连接，且双通道气水龙头同主动双壁钻杆密封连接。
5.根据权利要求1所述的松软突出煤层反循环钻进设备，其特征是:所述空压机的压力为0.8MPa，排量为4m3/min，连接气盒子和空压机之间的气管上连接有用于向压缩空气中注入泡沫液的泡沫泵。
6.根据权利要求1所述的松软突出煤层反循环钻进设备，其特征是:使用内管可取出的双壁钻杆，在成孔后取出内管和连接在内管上的钻头，以便下入瓦斯抽排管或割缝管，进行后续瓦斯抽排工序。
7.松软突出煤层反循环钻进设备的钻进工艺，其特征是:包括如下步骤: (1)空压机输出的压缩空气通过气盒子进入双壁钻杆的环形通道中，再沿着环形通道通过钻头到达孔底； (2)在开孔段因双壁钻杆与孔壁间阻力较小，空气携带煤粉大部分从孔壁间隙返出，小部分从内管返出；随着孔深加大，双壁钻杆与孔壁间阻力也加大，空气携带煤粉从孔壁间隙返出越来越少，从内管返出越来越多，孔深到达5?8米时空气携带煤粉全部从内管返出； (3)从内管返出的煤粉通过双通道气水龙头通孔，再通过胶管进入煤粉接收装置中。
【文档编号】E21B21/14GK104514487SQ201310455280
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】周升风 申请人:周升风