本发明涉及煤矿井下坑道钻探领域，具体涉及一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用。
背景技术：
定向钻进技术起源于油气勘探开发领域，随着钻探技术的不断发展深入，该技术逐渐被引入地质勘探、煤矿井下钻探等新领域。近钻头随钻测量定向钻进技术是煤矿井下钻探工程领域中的一项新技术，目前主要用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治以及地质构造勘探等钻探工程。定向钻进施工中，若孔眼轨迹狗腿度(全角变化率)过大，则容易引起卡钻、压钻、埋钻、掉钻具等井下事故的发生，因此，保证孔眼轨迹平滑是定向钻孔施工过程中的关键环节。
目前，在煤矿钻孔施工中，定向钻孔由于钻进时上部钻具不旋转，只是单纯的滑动定向钻进(钻头依靠螺杆马达的旋转动力旋转)方式来改变孔眼方向、增倾角或减倾角。在整个滑动钻进过程中，钻具与孔壁间的摩擦力导致钻机所施加的钻压有一部分没有施加到钻头上，这种钻头所受钻压小于钻机所施加的钻压的现象称为滑动钻进的托压。其次，在送钻过程中，钻具与孔壁黏卡的解除、摩擦状态由静摩擦向动摩擦的转换等原因会造成钻具的弹性能量突然释放而导致无法均匀送钻，有时钻头突然撞击孔底，甚至损坏钻头和孔内动力钻具，这种钻具弹性能量突然释放并导致钻具不均匀送入的现象称为钻具蛙动。尤其是近水平段钻孔施工过程中，随着水平位移的加长，大部分钻具躺在孔内的底部，钻具与孔壁的接触摩阻力很大，转动钻具需要很大的扭矩，通常钻具通过钻机驱动机构驱动而获得一个固定的转速。钻具越长，钻具传递扭矩和钻压的能力也随之降低，使得钻具端部即钻头处产生扭转振动，振动速度约为孔外钻具的转速，振动的剧烈程度取决于孔外驱动系统的特性、钻头与岩石的相互作用及钻具与孔壁的摩擦。当钻头周期性地粘滞和重新滑动时，钻具将产生“粘滞-滑动”现象，这种现象被认为是一种使钻孔效率下降且常常造成钻具破坏的一种危害性很强的振动，振动相当剧烈，钻具处于或停或转“粘滞-滑动”的状态，滑动瞬间钻头速度远远超过孔外钻具的转速，钻头和钻具承受巨大的动载。由于摩擦力、托压、蛙动及粘滞-滑动等原因使得整个孔眼轨迹不够平滑，进而导致钻头破碎的岩屑无法顺利返出，给正常钻进带来一定的风险，必须勤洗孔，保持孔内清洁，进而又延长了整个施工周期。
目前煤矿定向钻孔施工中常采用“螺杆马达+mwd系统”。滑动钻进时，钻头依靠螺杆马达的旋转动力旋转钻进。在狗腿度(全角变化率)较大的地方，由于部分钻具躺在孔眼下侧，钻具与孔壁的静摩擦力增大，导致钻机给钻头施加钻压、钻探工程师进行工具面定向带来极大困难，频繁出现滑动托压，严重制约着定向钻孔的速度。
摩擦力的大小等于摩擦系数乘以钻具与孔壁的侧向接触力，在倾角较大的情况下，正常钻进施加钻压时孔眼的静摩擦力会随之增大，当该部分的重力分量不足以克服孔眼的静摩擦力时会出现托压，一旦克服孔眼的静摩擦，滑动摩擦会随之减弱。钻具开始下滑时的摩擦系数称为静摩擦系数，一般静摩擦系数比滑动开始后的动摩擦系数约大25％。
扭矩与反扭矩对孔眼摩阻的影响十分重要。滑动钻进托压时，由钻机驱动的钻具左右旋转和钻具向前运动共同作用产生一个钻进速度，相关研究表明该钻进速度是钻具沿孔眼轨道运动的函数。左右旋转钻具可以降低孔眼的轴向摩阻，在理想工具面时，钻具从孔口旋转至钻具的某一位置，在该位置上钻具旋转摩擦产生的扭矩对抗孔壁摩擦，使钻具停止旋转；同时，由钻头产生的反扭矩向上传送至钻具的某一位置，该位置就是克服孔底钻具组合和下部钻具反扭矩的位置，该位置被称为干扰点，干扰点与钻头之间的区域称为干扰区。如果从孔口旋转钻具使其进入了干扰区，就会影响工具面向角。
为了避免孔口旋转钻具使其进入干扰区，需根据每次施工作业采集的钻进扭矩和钻头悬空扭矩，经过精确计算控制钻具左右旋转。在理想工具面时，要达到不影响工具面就必须控制好扭矩和钻具旋转的深度。相关研究表明，对于该项特殊的作业，左右旋转扭矩远小于上扣和卸扣扭矩，因此不会出现反转卸扣的问题。
滑动导向钻具组合(带弯外壳螺杆钻具的bha)连续导向钻孔技术具有独特的优点，这种连续导向钻孔技术主要包括3部分：定向钻孔、复合钻孔和轨迹导向。具体操作：在现场施工中，若孔内摩阻过大，钻速过慢，可以复合钻孔一部分，再接着定向钻孔，甚至于一根钻杆定向钻孔一部分，复合钻孔一部分，但是前提必须了解该地层该螺杆马达的造斜率。现场实践证明，这种技术可以解决定向孔施工中遇到的种种难题，使得施工周期大大缩短，钻孔速度较大幅度提高，降低施工成本，并能很好地保证孔眼轨迹控制精度。但在实际应用中，很难预测复合钻孔段的导向能力，因而一般用滑动导向来频繁调整孔眼轨迹。复合钻孔的特征可以看作是工具面角作连续周期性变化的滑动导向钻孔，这种工具面角连续变化由卡盘的转动来实现。如假设卡盘每转过程中钻头在孔底的运动具有相近的规律，就可以用钻具旋转1周内的钻头上的合导向力矢量来表述其总体导向效果。
滑动导向钻进技术有如下优点：
1.使用的滑动导向钻具组合可以很好地实现连续导向功能；
2.使用了滑动导向钻具连续导向钻井技术，钻孔周期明显缩短，钻孔速度明显提高；
3.滑动导向钻具组合复合钻进时导向力可以用卡盘旋转l周内的平均合力和方向进行描述；
4.复合钻进时可以有效释放扭矩，降低孔内事故的发生几率；
5.钻压对合导向力影响程度不是很大。
随钻测量(measurementwhiledrilling)简称mwd，是一种随钻测量的定向钻进技术手段，可以不间断地定向钻进并实时测量近钻头的孔底参数，有效测量各种孔底参数，并将孔底参数及时有效地传送至孔口电脑，为钻探工程师提供分析孔内工况的良好依据，以便更好的控制孔眼轨迹，从而达到减少孔内事故的目的，更为钻孔安全中靶提供了有价值的参考数据。
目前，煤矿定向钻孔施工中，多使用有线随钻测量系统来测量各种孔底参数，即通过通缆钻杆来传递孔底轨迹的相关数据，这种系统的优点是可以实现孔内和孔口设备之间的双向通信，尤其可以使用外部电源并沿着钻杆中的铜芯向孔内传感器供电。但该系统有以下五个缺点：第一：加工铜缆钻杆费用高；第二：该钻杆较普通钻杆强度低，容易引起断钻具等孔内事故；第三：由于加工精度、误操作等导致接触不良易造成无信号或信号不稳定；第四：由于技术上的复杂性，不适用在大位移定向井、超深井、超长水平段水平井施工；第五：铜缆钻杆结构复杂，后期维修保养费用高昂。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用，维护成本低，安全系数高。
为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
本发明涉及一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，包括：钻杆、定向螺杆马达、无线电磁波随钻测量系统、钻头；连接关系如下：钻头+定向螺杆马达+无线电磁波随钻测量系统+普通钻杆+水辫，所有连接方式均为丝扣连接；
所述钻头为pdc钻头，pdc钻头的优点主要集中于钻头结构简单和耐磨性高两点上。pdc钻头所采用的人造金刚石，其硬质合金的耐磨性更高。在钻头构成上，切削齿是其主要部件，在钻进破岩中无需钻头自身，因此pdc钻头也被称作固定式钻头。在pdc钻头的使用早期，主要是在一些软页岩层中使用，而随着pdc钻头在性能和结构上的不断优化，目前pdc钻头已经可以在长段中硬岩地层和硬夹层中使用；
所述pdc钻头刀翼设计原则：①增大刀翼及排屑槽圆角，形成光滑曲面，刀翼形状为流线体；②刀翼顶部宽度能够安放切削齿即可，根部大大增厚，刀翼背面具有较大的斜度，保径块与刀翼平滑连接并且延续这一斜度，钻孔时可以引导岩屑上返；③钻头水眼处排屑槽，由相邻两组刀翼形成夹角，靠近出口狭小，远离出口扩大，呈喇叭形，高速流体能量损失小，在冲刷孔底过程中更能够充分移运岩屑；
所述钻杆包括异型螺旋槽钻杆和异型螺旋槽无磁钻杆，异型螺旋槽钻杆和异型螺旋槽无磁钻杆的截面为多边形异型结构，并在钻杆外壁上设有螺旋凹槽，从钻头开始，连接关系如下：异型螺旋槽无磁钻杆(内部装有测量探管)+异型螺旋槽钻杆；
所述定向螺杆马达为异型定向容积式螺杆马达，马达外壁定子套截面为多边形异型结构，在马达外壁定子套上设有螺旋凹槽，其工作原理是以莫诺原理为基础的正容积式马达工作原理，即将钻井液的压力能转化为机械能；
所述定向螺杆马达虽结构简单，但对材质和制造质量要求非常严格。一方面要求定子橡胶衬套必须与金属壳体的内壁粘接牢固，施工过程中不能脱胶；另一方面，橡胶材料的物理性能也非常重要，要求橡胶不仅具有较强的承受荷载能力，而且高温下不变形.在使用期内不发生橡胶老化和掉块现象。在制造过程中.定子衬套存在注胶后收缩变形问题，而且因橡胶厚度不同、收缩不均匀.使定子内腔严重脱离理论形状，因此必须对定子注腔芯轴进行修正，保证注胶变形后的形状符台理论形状。在螺杆马达的装配过程中.为保证马达具有良好的密封性，应对转子、定子多次进行选配.使马达具有良好的配合状态；
所述无线电磁波随钻测量技术是20世纪80年代进入工业化应用的，是在有线随钻测量技术的基础上发展起来的一种新型随钻测量技术，以电磁波传输方式上传数据，不受钻井循环介质影响，具有信号传输速率高、不需要循环钻井液便可传输数据、测量时间短、成本低等特点；
所述无线电磁波随钻测量系统包括孔口部分、探管部分，其中，所述孔口部分包括接收天线、矿用隔爆兼本安型计算机、波形解码软件与随钻测量处理软件，连接关系如下：矿用隔爆兼本安型计算机(里面安装有波形解码软件及随钻测量软件)固定在钻机上，接收天线一端接在钻机上，一端连接在地锚上并接地；所述探管部分包括绝缘天线、发射与测量短节、电池短节和无磁外管，连接关系如下：探管(发射与测量短节)+电池短节+绝缘天线，其中电池短节与探管均处于无磁钻杆内；探管部分将倾角、方位角、工具面向角等孔底参数利用低频电磁波信号传送至孔口，由孔口部分的接收装置(接收天线)采集数据，经过放大器分析进行数据处理，然后利用处理后的数据作为孔眼轨迹控制的依据。
前述的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，所述钻具为三棱螺旋槽钻杆，钻具截面为三棱形状。
前述的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，所述定向螺杆马达的马达外壁定子套截面为三棱形状。
前述的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，所述钻头为pdc钻头。
本发明还提供一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备在复合定向钻进方向的应用。
本发明公开的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用，具有以下有益效果：
本发明采用无线电磁波随钻测量装备配合复合定向钻进工艺，既能保持孔眼轨迹更加平滑、返渣顺畅，又避免了卡钻、压钻、埋钻等孔内事故的发生，保证了井下施工安全，整个钻具组合对孔眼没有静止点，能减小摩阻、利于孔眼清洗、优化孔身质量、减少卡钻风险、有利于孔深的延长；
复合定向钻进的优点：①简化施工方案，利用复合定向钻进技术完成直孔段、定向段、增稳倾角段施工，有时一趟钻便可完孔，极大的提高了钻进效率；②降低定向孔施工难度。直孔段短，钻孔施工安全，如需要扭方位，调整倾角，不需要起下钻即可完成；③定向时效快。一般定向施工2～3根钻杆，减少了测量、定向等辅助时间，施工时效高；④定向轨迹控制的好。利用复合定向钻进，可更好更方便的控制孔身轨迹，随时调整，各项指标均达到设计要求；
利用电磁波作为传输介质，遥测深度深，传输速率快且数据传输可靠有效，对井下工况的适应性强；仅使用普通钻杆和地层即可完成孔内所测数据的有效传输，与有线随钻测量相比，钻杆强度更高，抗剪切、抗疲劳强度更好，节省了大量的人力、物力及财力，将为煤矿井下定向钻孔的首选方式及装备。
附图说明
图1是本发明组装示意图，
图2是三棱螺旋槽无磁钻杆结构示意图；
图3是电磁波发射原理示意图，其中，8为底层，9为电磁波，10为绝缘天线，11为钻机，12为地锚；
图4是无线随钻测量系统组装图，
图5是定向螺杆马达结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例涉及一种本发明涉及一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，如附图1、2、3、4、5所示：包括：钻杆、定向螺杆马达、无线电磁波随钻测量系统5、钻头7；连接关系如下：钻头7+定向螺杆马达6+无线电磁波随钻测量系统5+普通钻杆+水辫，所有连接方式均为丝扣连接；所述定向螺杆马达6通过无磁外管4与钻杆连接，所述无线电磁波随钻测量系统5设置在所述无磁外管4内部。
所述钻头7为pdc钻头，pdc钻头的优点主要集中于钻头结构简单和耐磨性高两点上。pdc钻头所采用的人造金刚石，其硬质合金的耐磨性更高。在钻头构成上，切削齿是其主要部件，在钻进破岩中无需钻头自身，因此pdc钻头也被称作固定式钻头。在pdc钻头的使用早期，主要是在一些软页岩层中使用，而随着pdc钻头在性能和结构上的不断优化，目前pdc钻头已经可以在长段中硬岩地层和硬夹层中使用；
所述pdc钻头刀翼设计原则：①增大刀翼及排屑槽圆角，形成光滑曲面，刀翼形状为流线体；②刀翼顶部宽度能够安放切削齿即可，根部大大增厚，刀翼背面具有较大的斜度，保径块与刀翼平滑连接并且延续这一斜度，钻孔时可以引导岩屑上返；③钻头水眼处排屑槽，由相邻两组刀翼形成夹角，靠近出口狭小，远离出口扩大，呈喇叭形，高速流体能量损失小，在冲刷孔底过程中更能够充分移运岩屑；
所述钻杆包括高强度螺旋槽钻杆1和三棱螺旋槽无磁钻杆2，高强度螺旋槽钻杆1和三棱螺旋槽无磁钻杆2的截面为多边形异型结构，并在钻杆外壁上设有螺旋凹槽，从钻头开始，连接关系如下：三棱螺旋槽无磁钻杆2(内部装有测量探管)+高强度螺旋槽钻杆1；所述三棱螺旋槽无磁钻杆2内设置有绝缘天线3。
所述定向螺杆马达6为异型定向容积式螺杆马达，马达外壁定子套截面为多边形异型结构，在马达外壁定子套上设有螺旋凹槽，其工作原理是以莫诺原理为基础的正容积式马达工作原理，即将钻井液的压力能转化为机械能；
所述定向螺杆马达虽结构简单，但对材质和制造质量要求非常严格。一方面要求定子橡胶衬套必须与金属壳体的内壁粘接牢固，施工过程中不能脱胶；另一方面，橡胶材料的物理性能也非常重要，要求橡胶不仅具有较强的承受荷载能力，而且高温下不变形.在使用期内不发生橡胶老化和掉块现象。在制造过程中.定子衬套存在注胶后收缩变形问题，而且因橡胶厚度不同、收缩不均匀.使定子内腔严重脱离理论形状，因此必须对定子注腔芯轴进行修正，保证注胶变形后的形状符台理论形状。在螺杆马达的装配过程中.为保证马达具有良好的密封性，应对转子、定子多次进行选配，使马达具有良好的配合状态；
所述无线电磁波随钻测量技术是20世纪80年代进入工业化应用的，是在有线随钻测量技术的基础上发展起来的一种新型随钻测量技术，以电磁波传输方式上传数据，不受钻井循环介质影响，具有信号传输速率高、不需要循环钻井液便可传输数据、测量时间短、成本低等特点；
电磁波发射原理见附图3所示，其中，8为底层，9为电磁波，10为绝缘天线，11为钻机，12为地锚。
所述无线电磁波随钻测量系统，其组装图见图4所示：包括尾部接头13、电池组短节14、中间接头15、测量和发射短节16、上部接头17；
包括孔口部分、探管部分，其中，所述孔口部分包括接收天线、矿用隔爆兼本安型计算机、波形解码软件与随钻测量处理软件，连接关系如下：矿用隔爆兼本安型计算机(里面安装有波形解码软件及随钻测量软件)固定在钻机上，接收天线一端接在钻机上，一端连接在地锚上并接地；所述探管部分包括绝缘天线、发射与测量短节16、电池短节14和无磁外管，连接关系如下：探管(发射与测量短节16)+电池短节14+绝缘天线，其中电池短节14与探管均处于无磁钻杆内；探管部分将倾角、方位角、工具面向角等孔底参数利用低频电磁波信号传送至孔口，由孔口部分的接收装置(接收天线)采集数据，经过放大器分析进行数据处理，然后利用处理后的数据作为孔眼轨迹控制的依据。
前述的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，所述钻具为三棱螺旋槽钻杆，钻具截面为三棱形状。
前述的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，所述定向螺杆马达的马达外壁定子套截面为三棱形状。
前述的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备，所述钻头为pdc钻头。
本发明还提供一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备在复合定向钻进方向的应用。
本发明公开的一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用，具有以下有益效果：
本发明采用无线电磁波随钻测量装备配合复合定向钻进工艺，既能保持孔眼轨迹更加平滑、返渣顺畅，又避免了卡钻、压钻、埋钻等孔内事故的发生，保证了井下施工安全，整个钻具组合对孔眼没有静止点，能减小摩阻、利于孔眼清洗、优化孔身质量、减少卡钻风险、有利于孔深的延长；
复合定向钻进的优点：①简化施工方案，利用复合定向钻进技术完成直孔段、定向段、增稳倾角段施工，有时一趟钻便可完孔，极大的提高了钻进效率；②降低定向孔施工难度。直孔段短，钻孔施工安全，如需要扭方位，调整倾角，不需要起下钻即可完成；③定向时效快。一般定向施工2～3根钻杆，减少了测量、定向等辅助时间，施工时效高；④定向轨迹控制的好。利用复合定向钻进，可更好更方便的控制孔身轨迹，随时调整，各项指标均达到设计要求；
利用电磁波作为传输介质，遥测深度深，传输速率快且数据传输可靠有效，对井下工况的适应性强；仅使用普通钻杆和地层即可完成孔内所测数据的有效传输，与有线随钻测量相比，钻杆强度更高，抗剪切、抗疲劳强度更好，节省了大量的人力、物力及财力，将为煤矿井下定向钻孔的首选方式及装备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。