深井软煤岩棱状钻具钻进方法与流程

本发明属于钻探工程技术领域，具体涉及一种深井软煤岩棱状钻具钻进方法。

背景技术：

软弱煤岩层（煤岩坚固性系数f<1）钻进过程中，由于钻孔变形量大且易失稳破坏，造成钻孔孔底易存渣、钻孔易弯曲、钻进阻力大、排渣困难，致使钻孔深度浅、钻进效率低，同时钻进过程中卡钻、断钻等钻孔事故频发。针对软煤岩钻进难题，科研及工程人员开展了大量的研究，发明了系列棱状类钻具，例如，专利名称“非对称异型截面钻杆”（zl200910064223.3）、“异型多棱刻槽钻杆”（zl200910064973.0）、“软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆及钻进方法”（zl201610062293.5），棱状类钻具的应用推进了我国软煤岩钻探工程技术水平的提高。基于岩石力学理论，钻进过程中，前段钻孔由钻孔前端面向外呈锥形变化趋势，如未充分考虑钻孔变形特征而盲目选择某一型号棱状钻杆施工，将难以发挥棱状钻杆的优势。选择的棱状类钻具外径过大，棱状钻具的旋转阻力将增大；选择的棱状类钻具外径过小，钻杆扰动大，钻孔易弯曲，钻屑容易在钻孔底部堆积。可见，棱状类钻具的应用缺乏科学的使用方法，难以发挥其最优使用效果。本发明针对棱状类钻具在深井软煤岩钻孔施工中存在的问题，建立了深井软煤岩棱状钻具钻进工艺体系，可有效改善棱状类钻具应用于软煤岩的钻探效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种深井软煤岩棱状钻具钻进方法，解决常规棱状钻具因缺乏科学的方法指导而导致钻孔孔底易存渣、钻孔易弯曲、钻进阻力大、钻孔深度浅、排渣效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

深井软煤岩棱状钻具钻进方法，包括以下步骤：

①.根据钻头直径d0确定钻孔前段钻孔长度l0；

②.根据前段钻孔长度l0，确定前端棱状钻杆结构和长度l1；

③.根据后段钻孔变形量s确定后端棱状钻杆外径d1；

④.依据钻探介质属性确定钻进速度νd、钻杆旋转速度νr；

⑤.钻具连接方式依次为钻头、前端棱状钻杆和后端棱状钻杆，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。

所述的步骤①前段钻孔长度l0为3d0～5d0。

所述的步骤②确定前端棱状钻杆结构和长度l1的具体方法为：前端棱状钻杆旋转外径由钻头端向外呈逐渐减小趋势，前端棱状钻杆与钻头连接端的大端外径与钻头直径相同，前端棱状钻杆与后端棱状钻杆连接端的小端外径与后端棱状钻杆外径相同；前端棱状钻杆的长度l1设计为5d0~15d0。

所述的步骤③确定后端棱状钻杆外径d1的具体方法为：d1=d0－2s。

所述的步骤④依据钻探介质确定钻进速度νd、钻杆旋转速度νr的具体方法为：

当钻探介质为煤时，钻进速度νd设计为0.1m/min～0.5m/min，钻杆旋转速度νr设计为180r/min～360r/min；当钻探煤和其他岩石的混合介质时，钻进速度νd设计为0.1m/min～0.6m/min，钻杆旋转速度νr设计为120r/min～240r/min；当钻探除煤以外的岩石介质时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.8m/min，钻杆旋转速度νr设计为100r/min～200r/min。

由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：

①.基于钻孔变形特征设计与之相匹配的前端棱状钻杆结构，能够更加有效的预防钻屑在钻孔孔底堆积，从而提高排渣效率，预防钻孔堵塞，有利于提高软煤岩的钻孔深度和钻进效率；

②.基于后段钻孔变形量确定后端棱状钻杆外径，可以预防因钻杆外径过大而造成旋转阻力大的问题，使“钻机-钻杆-钻头-排渣动力”得到合理匹配，能够有效降低卡钻、断钻的概率；

③.基于后段钻孔变形量确定后端棱状钻杆外径，使变形后钻孔的直径与钻杆外径大小接近，钻杆的棱边能够对钻孔孔壁形成有效的支撑，减少了钻杆对钻孔形成不均匀的冲击，有利于降低塌孔的概率，也有利于减小钻孔的弯曲。

附图说明

图1是本发明示意图；

图2是前端棱状钻杆上视图；

图3是前端棱状钻杆a-a剖面图；

图4是前端棱状钻杆b-b剖面图；

图5是前端棱状钻杆c-c剖面图；

图6是前端棱状钻杆三维结构图；

图7是本发明钻具连接示意图；

图8是常规棱状钻杆外径过大切削煤岩体示意图；

图9是常规棱状钻杆外径过小钻屑堆积示意图。

具体实施方式

如图1~图7所示，深井软煤岩棱状钻具钻进方法，包括以下步骤：

①.根据钻头直径d0确定钻孔前段钻孔长度l0，前段钻孔长度l0为3d0～5d0。

②.根据前段钻孔长度l0，确定前端棱状钻杆2结构和长度l1，如图2、图3、图4、图5、图6所示，前端棱状钻杆2旋转外径由钻头1端向外呈逐渐减小趋势，前端棱状钻杆2与钻头1连接端的大端外径与钻头直径相同，前端棱状钻杆2与后端棱状钻杆3连接端的小端外径与后端棱状钻杆3外径相同；前端棱状钻杆2的长度l1设计为5d0~15d0。

③.根据后段钻孔变形量s确定后端棱状钻杆外径d1，确定后端棱状钻杆3外径d1的具体方法为：d1=d0－2s。

④.依据钻探介质属性确定钻进速度νd、钻杆旋转速度νr，当钻探介质为煤时，钻进速度νd设计为0.1m/min～0.5m/min，钻杆旋转速度νr设计为180r/min～360r/min；当钻探煤和其他岩石的混合介质时，钻进速度νd设计为0.1m/min～0.6m/min，钻杆旋转速度νr设计为120r/min～240r/min；当钻探除煤以外的岩石介质时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.8m/min，钻杆旋转速度νr设计为100r/min～200r/min。

⑤.钻具连接方式依次为钻头1、前端棱状钻杆2和后端棱状钻杆3，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。

下面介绍一下本发明实施钻进原理：

如图8所示，当棱状钻杆尺寸选择未考虑钻孔变形量时，有可能选择的棱状钻杆旋转外径过大，参考钻孔变形后的边界线4、钻孔未变形的边界线5位置，该情况下，棱状钻杆与钻孔周围煤岩体之间呈挤压状态，并且，伴随棱状钻杆旋转，不断切削钻孔周围煤岩体，致使钻屑量增多，钻进阻力增大，容易造成卡钻、断钻等孔内事故，致使钻孔深度浅、钻进效率低等问题。

如图9所示，当选择的棱状钻杆8旋转外径过小时，棱状钻杆周围的间隙较大，导致钻杆在孔内扰动角度增大，不仅不利于排渣，还容易造成钻孔偏斜，致使钻孔偏离了设计方向，特别是施工瓦斯抽放钻孔，钻孔偏斜较大时，容易致使煤体中形成宽度较大的盲区，为后期的开采埋下安全隐患；此外，当排渣动力不稳定或出现塌孔、喷孔等动力现象时，钻屑容易在钻孔前端的锥形空间内形成底部堆积9，不利于钻屑排出，钻孔发生堵塞的概率将升高。

如图1~图7所示，由于设计了与钻孔前段变形特征相匹配的前端棱状钻杆2，降低了钻屑在钻孔前端堆积造成钻孔堵塞的概率，克服了以往等径钻杆前段钻孔锥形空间内煤渣不尽的难题；在钻孔施工过程中，前段钻孔的长度一般在5d0~15d0范围之内，因此，后段钻孔的长度为钻孔的主体长度，后段钻孔与钻杆尺寸的匹配情况决定着钻进阻力、钻杆扰动的大小，考虑后段钻孔变形量设计后端棱状钻杆3外径的方法，保障了棱状钻杆最大旋转外径与钻孔变形后的边界线4接近，减少了钻杆与钻孔之间的间隙，有效降低了钻杆的扰动，有利于降低施工钻孔的偏斜程度。