煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备与方法与流程

本发明涉及一种煤矿井下坑道钻进方法，尤其是煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备与方法。

背景技术：

受我国“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋制约，煤炭长期是我国的主体能源和基础产业。

煤矿井下钻探工程是煤矿地质勘探、灾害防治和应急救援的重要技术手段，在矿井瓦斯抽采、水害防治和地质异常体超前探查等领域广泛应用，年钻探工程量近10亿延米，对提升矿井安全保障能力发挥了积极作用。

然而，我国煤炭主要采用井工方式开采，煤矿井下各类钻孔主要为近水平布置，受该特点影响，存在以下施工问题：①地层钻进后形成的钻孔孔壁会形成卸荷自由面，近水平钻孔的孔壁卸荷自由面方向与重力方向一致，易产生失稳破坏；②钻孔水平起伏一般较为平稳，高度差极小，无法形成冲洗液静液柱压力，不利于维护孔壁稳定；③目前煤矿井下钻进技术主要采用被动排渣来应对孔壁坍塌问题，即通过加快孔壁坍塌物的清理速度，提高钻进安全性，该方法既无法有效避免孔壁坍塌，又无法确保钻孔成孔率。

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，针对目前煤矿井下复杂破碎地层近水平钻孔施工中存在的孔壁易失稳破坏、成孔率低、安全风险高的技术难题，研究设计出一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备与方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前煤矿井下煤矿井下复杂破碎地层近水平钻孔施工中存在的孔壁易失稳破坏、成孔率低、安全风险高等技术难题，提供一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备与方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，包括：

孔口套管，用于在施工时封闭孔口；

定向钻具组合，在施工时穿过所述孔口套管进入地层，其上设置有单向导通的钻具中心孔；

节流加压系统，与所述定向钻具组合和所述孔口套管之间形成的第一流体通道相连，并且能够从所述第一流体通道内回收和输入流体。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，所述节流加压系统在定向钻具组合钻进时通过所述第一流体通道回收所述钻具中心孔输入的流体，并且在调整所述定向钻具组合时，通过第一流体通道向孔内输入流体。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，所述节流加压系统包括：

正压节流通道，连接第一流体通道与污染冲洗液处理系统；

回压节流通道，连接第一流体通道与流道切换阀；

所述流道切换阀用于在所述钻具中心孔和所述回压节流通道之间进行流体通道切换。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，还包括：

节流装置，设置于所述节流加压系统的流体通道中，包括依次连接的导流管、节流管和出液管，所述导流管与进液管相连，其内设置有可受驱移动的带有变径段的堵塞钢体，所述节流管内设置节流塞，所述节流塞的腔体与所述堵塞钢体相匹配。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，，所述堵塞钢体上设置有螺旋槽，并且可沿导流管轴向旋转移动。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，还包括：

破碎过滤装置，设置于所述节流加压系统的流体通道中，包括依次连接的破碎管、过滤管；其中，所述破碎管与进渣管相连并且其内部设置有搅拌器，所述过滤管内设置有过滤孔板。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，所述定向钻具组合包括单向逆止定向钻头，所述单向逆止定向钻头包括：

切削本体，其一端设置钻具中心孔，另一端与密封接手相连，其内设置有一密封轴；

所述密封接手一端与所述切削本体相连，另一端连接流体输入通道；

所述切削本体和密封接手之间设置有密封胶塞，所述密封轴一端连接弹簧，另一端设置有与所述密封胶塞相接触的堵塞体。

一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进方法，包括：

利用孔口套管封闭孔口；利用定向钻具组合穿过所述孔口套管进入地层；

利用定向钻具组合上设置的单向导通的钻具中心孔向钻孔内注入高压流体以支撑稳固钻孔孔壁，利用定向钻具组合和所述孔口套管之间形成的第一流体通道回收所述高压流体。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进方法，还包括：

在调整所述定向钻具组合时，利用所述第一流体通道向钻孔内输入高压流体。

优选的，上述的一种煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进方法，包括：

钻进准备步骤，孔口套管段钻进，下入孔口套管并固管，连接孔口密封系统和定向钻具组合；

正向加压钻进步骤，将流道切换阀调整至定向钻具组合方向，将冲洗液经定向钻具组合中心孔输入至钻孔内，然后沿定向钻具组合与孔口套管之间的通道流出并进行回收处理，控制返出冲洗液的过流通道面积，确保返液压力测量装置测得的压力值高于孔壁平衡压力；

反向回压控制步骤，当单根定向钻杆钻进完成，需要加接定向钻杆或提出孔内定向钻具组合时，将流道切换阀调整至节流加压系统方向，将冲洗液从定向钻具组合与孔口套管之间的第一流体通道流入钻孔，控制流出冲洗液的过流通道面积和流出量，确保随钻测压测斜装置测得的压力值高于孔壁平衡压力。

因此，本发明具有如下优点：

(1)提出利用钻进用冲洗液对孔壁提供径向附加支撑力的方法，提高了复杂破碎地层中近水平定向钻孔的孔壁稳定性，解决了煤矿井下近水平钻孔成孔难题。

(2)采用冲洗液循环系统提供高压冲洗液，采用孔口密封系统建立冲洗液压力，采用节流加压系统调控冲洗液压力大小，根据孔深和地层变化实现了不同施工状态下的动态调整，解决了冲洗液加压钻进关键技术难题。

(3)开发了可精确调控过流通道面积且防堵塞的节流装置、可对大颗粒钻屑或孔壁坍塌物进行强制破碎的破碎过滤装置，提高了冲洗液压力的调控精度和防堵能力。

(4)采用两个闸板防喷器和一个环形密封装置组成的孔口密封系统，避免了冲洗液沿定向钻具组合与孔口密封系统之间的间隙外泄，并可进行孔内问题应急处理；开发了单向逆止定向钻头，避免了冲洗液沿定向钻具组合中心孔外泄，从而提高了钻进安全性，确保可以建立起冲洗液压力。

(5)利用随钻测压测斜装置实时监测钻孔内冲洗液压力，利用返液压力测量装置实时监测孔口返出冲洗液压力，确保钻进和加卸钻杆时，钻孔内全部孔段的冲洗液压力值大于孔壁平衡压力值，为冲洗液循环系统和节流加压系统调控提供了决策依据，确保了调控的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明的钻进装备连接示意图。

图2是定向钻具组合连接示意图。

图3是节流加压系统连接示意图

图4是节流装置a和节流装置b结构示意图

图5是破碎过滤装置结构示意图

图6是随钻测压测斜装置结构示意图

图7是单向逆止定向钻头结构示意图

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。其中，

冲洗液循环系统1、孔口密封系统2、节流加压系统3、污染冲洗液处理系统4、定向钻具组合5和监测控制系统6、冲洗液箱7、蝶阀8、过滤器9、冲洗液泵10、供液流量测量装置11、供液压力测量装置12、流道切换阀13、环形密封装置14、闸板防喷器a15、密封三通16、闸板防喷器b17、套管18、气液分离装置19、固液分离装置20、瓦斯抽采管路21、旋转送水器22、定向钻杆23、随钻测压测斜装置24、定向造斜工具25、单向逆止定向钻头26、电气监测装置27、液压控制装置28、手动闸阀a29、液控闸阀a30、回压三通31、节流装置a32、单向阀33、手动闸阀b34、液控闸阀b35、破碎过滤装置36、节流装置b37、手动闸阀c38组成、四通39、返液压力测量装置40、集污管41、返液流量测量装置42、导流管43、节流管44、出液管45、旋转给进油缸46、堵塞钢体47、磁滞位移传感器48、进液管49、节流塞50、破碎管51、过滤管52、液压马达53、搅拌器54、进渣管55、过滤孔板56、测量探管57、外管58、定位环59、定位头60、内管61、测压接头62、测压管63、探管骨架64、压力传感器65、通讯模块66、测量模块67、加速度传感器组68、磁传感器组69、过水孔70、进水孔71、切削本体72、密封接手73、弹簧底座74、弹簧75、弹簧保护筒76、密封轴77、密封胶塞78

实施例：

参见图1、图2，本发明的煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备，包括冲洗液循环系统1、孔口密封系统2、节流加压系统3、污染冲洗液处理系统4、定向钻具组合5和监测控制系统6。

冲洗液循环系统1由冲洗液箱7、蝶阀8、过滤器9、冲洗液泵10、供液流量测量装置11、供液压力测量装置12、流道切换阀13依次连接组成，用于提供钻进及向孔壁加压的高压冲洗液，且冲洗液泵10输出流量应可无级调节。

孔口密封系统2由环形密封装置14、闸板防喷器a15、密封三通16、闸板防喷器b17、套管18依次连接组成，用于密闭钻孔与定向钻具组合5间的间隙，避免冲洗液泄漏，确保建立孔内冲洗液压力，向钻孔孔壁提供径向附加支撑力。节流加压系统3可在孔口控制冲洗液返出通道大小，调整和维持孔内冲洗液压力值，使其大于孔壁平衡压力值，确保孔壁维持稳定。污染冲洗液处理系统4由气液分离装置19、固液分离装置20依次连接组成，经气液分离装置19分离后的瓦斯气体由瓦斯抽采管路21连接，经固液分离装置20净化后的冲洗液返回冲洗液箱7，进行循环利用。

定向钻具组合5由旋转送水器22、定向钻杆23、随钻测压测斜装置24、定向造斜工具25、单向逆止定向钻头26依次连接组成，其中旋转送水器22与流道切换阀13连接，定向钻具组合5从孔口密封系统2穿过，伸入钻孔内，用于定向钻进施工和孔内冲洗液压力监测。监测控制系统6由电气监测装置27和液压控制装置28，主要用于监测控制各设备的工作状态。

参见图3，煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装中的节流加压系统3包括回压节流通道、正压节流通道、直流通道，其中回压节流通道由手动闸阀a29、液控闸阀a30、回压三通31、节流装置a32、单向阀33依次连接组成，正压节流通道由手动闸阀b34、液控闸阀b35、破碎过滤装置36、节流装置b37依次连接组成，直流通道由手动闸阀c38组成，手动闸阀a29、手动闸阀b34、手动闸阀c38均与四通39连接，四通39与返液压力测量装置40连接；所述的单向阀33、手动闸阀c38、节流装置b37均与集污管41连接，集污管41与返液流量测量装置42连接；所述的手动闸阀a29、液控闸阀a30、手动闸阀c38为常闭模式；手动闸阀b34、液控闸阀b35为常开模式。节流加压系统3的回压三通31与冲洗液循环系统1中的流道切换阀13连接，返液压力测量装置40与孔口密封系统2中的密封三通16连接，返液流量测量装置42与污染冲洗液处理系统4中的气液分离装置19连接，液控闸阀a30、液控闸阀b35、节流装置a32、破碎过滤装置36、节流装置b37均与液压控制装置28连接，节流装置a32、节流装置b37、返液压力测量装置40、返液流量测量装置42均与电气监测装置27连接。

参见图4，煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备中的节流装置a32和节流装置b37结构相同，包括依次连接的导流管43、节流管44和出液管45，所述的导流管43另外一端固定安装有旋转给进油缸46，内部安装有与旋转给进油缸46连接的堵塞钢体47，旋转给进油缸46中安装有磁滞位移传感器48；所述的导流管43侧壁焊接有与之导通的进液管49；所述的节流管44前端设置有限位凸台，内部固定安装有节流塞50，节流塞50由出液管45限定在节流管44内；所述的堵塞钢体47呈圆台形，表面铣削有螺旋槽；所述的节流塞50内部过流通道呈圆台形，且与堵塞钢体47圆台形状相同。节流装置a32和节流装置b37工作时，根据冲洗液压力控制需要，利用旋转给进油缸46沿导流管43前后移动堵塞钢体47，通过调整堵塞钢体47与节流塞50的距离，调整节流装置的过流通道面积，调整过程中利用磁滞位移传感器48实时测量旋转给进油缸46的伸缩长度；堵塞钢体47位置固定后，在旋转给进油缸46作用下沿导流管43轴向旋转，利用堵塞钢体47上的螺旋槽对大颗粒钻渣进行二次破碎，避免堵塞钢体47与节流塞50之间的过流通道被堵塞。

参见图5，煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备中的破碎过滤装置36包括依次连接的破碎管51、过滤管52，所述的破碎管51另外一端固定安装有液压马达53，内部安装有与液压马达53连接的搅拌器54；所述的搅拌器54前端为扇叶形结构；所述的破碎管51侧壁焊接有与之导通的进渣管55；所述的过滤管52与破碎管51连接端设置有限位凹槽，限位凹槽内安装有过滤孔板56；所述过滤孔板56的筛眼直径小于节流装置b37的最小节流间隙；所述的液压马达53与液压控制装置28连接。破碎过滤装置36使用时，大颗粒钻渣在过滤孔板56前被拦截；搅拌器54在液压马达53带到下沿破碎管51轴向旋转，将大颗粒钻渣进行搅拌破碎，破碎后的小颗粒钻渣及冲洗液沿过滤孔板56的筛眼流出。

参见图6，煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备中的随钻测压测斜装置24包括测量探管57和外管58，其中测量探管57由定位环59固定在外管58内，包括依次连接的定位头60、内管61、测压接头62和测压管63，内管61内设置有与定位头60连接的探管骨架64和与测压接头62连接的压力传感器65，探管骨架64上设置有通讯模块66、测量模块67、加速度传感器组68、磁传感器组69，测压管63与外管58内壁密封，且其上设置有过水孔70；所述的外管58上设置有进水孔71，且通过过水孔70与测压管63内腔导通。

参见图7，煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进装备中的单向逆止定向钻头26包括依次连接的切削本体72和密封接手73，切削本体72内设置有依次连接的弹簧底座74、弹簧75、弹簧保护筒76、密封轴77，弹簧75被限位在弹簧底座74与弹簧保护筒76腔体内，密封轴77伸入弹簧保护筒76内，并与弹簧75接触，在切削本体72和密封接手73之间固定有密封胶塞78。没有冲洗液流通时，密封轴77在弹簧75作用下，与密封胶塞78紧密接触，单向逆止定向钻头26的过流通道关闭；当冲洗液从密封接手73流向切削本体72时，密封轴77在冲洗液作用下沿弹簧保护筒76移动，打开单向逆止定向钻头26的过流通道；当冲洗液从切削本体72流向密封接手73时，密封轴77在冲洗液和弹簧75作用下，与密封胶塞78紧密接触，单向逆止定向钻头26的过流通道关闭，避免冲洗液沿定向钻具组合5的中心孔反向涌出。

参见图1～图7，煤矿井下复杂破碎地层近水平加压定向钻进方法包括以下步骤：

步骤一：钻进准备。孔口套管段钻进，下入孔口套管18并固管，连接孔口密封系统2和定向钻具组合5。

步骤二：正向加压钻进。将流道切换阀13调整至定向钻具组合5方向，冲洗液循环系统1提供的冲洗液经定向钻具组合5中心孔输入至钻孔内，然后沿定向钻具组合5与钻孔之间的环状间隙向外流出，经密封三通16流入节流加压系统3的正压节流通道，利用破碎过滤装置36将冲洗液中的大颗粒钻渣磨碎，通过调整节流装置b37中堵塞钢体47与节流塞50的距离，控制返出冲洗液的过流通道面积，确保返液压力测量装置40测得的压力值高于孔壁平衡压力，流出的冲洗液由污染冲洗液处理系统4回收处理。

步骤三：反向回压控制。当单根定向钻杆23钻进完成，需要加接定向钻杆23或提出孔内定向钻具组合5时，将流道切换阀13调整至节流加压系统3方向，关闭液控闸阀b35，打开液控闸阀a30，冲洗液循环系统1提供的冲洗液进入节流加压系统3的回压节流通道，部分冲洗液沿密封三通16从定向钻具组合5与钻孔之间的环状间隙流入钻孔，受单向逆止定向钻头26限制，不会沿定向钻具组合5的中心孔反向涌出；部分冲洗液从节流装置a32流出，通过调整节流装置a32中堵塞钢体47与节流塞50的距离，控制流出冲洗液的过流通道面积和流出量，确保随钻测压测斜装置24测得的压力值高于孔壁平衡压力，流出的冲洗液由污染冲洗液处理系统4回收处理。

步骤四：完孔与封孔。重复步骤二、步骤三，进行钻进、加钻杆，直至达到设计深度后，提出孔内定向钻具组合5，拆除孔口密封系统2，并安装后期作业所需要的管路设施，进行封孔。

尽管本文较多地使用了冲洗液循环系统1、孔口密封系统2、节流加压系统3、污染冲洗液处理系统4、定向钻具组合5和监测控制系统6、冲洗液箱7、蝶阀8、过滤器9、冲洗液泵10、供液流量测量装置11、供液压力测量装置12、流道切换阀13、环形密封装置14、闸板防喷器a15、密封三通16、闸板防喷器b17、套管18、气液分离装置19、固液分离装置20、瓦斯抽采管路21、旋转送水器22、定向钻杆23、随钻测压测斜装置24、定向造斜工具25、单向逆止定向钻头26、电气监测装置27、液压控制装置28、手动闸阀a29、液控闸阀a30、回压三通31、节流装置a32、单向阀33、手动闸阀b34、液控闸阀b35、破碎过滤装置36、节流装置b37、手动闸阀c38组成、四通39、返液压力测量装置40、集污管41、返液流量测量装置42、导流管43、节流管44、出液管45、旋转给进油缸46、堵塞钢体47、磁滞位移传感器48、进液管49、节流塞50、破碎管51、过滤管52、液压马达53、搅拌器54、进渣管55、过滤孔板56、测量探管57、外管58、定位环59、定位头60、内管61、测压接头62、测压管63、探管骨架64、压力传感器65、通讯模块66、测量模块67、加速度传感器组68、磁传感器组69、过水孔70、进水孔71、切削本体72、密封接手73、弹簧底座74、弹簧75、弹簧保护筒76、密封轴77、密封胶塞78等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

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