一种回转钻机钻进轨迹控制方法及钻进设备与流程

1.本发明涉及回转钻机技术领域，具体涉及一种回转钻机钻进轨迹控制方法及钻进设备。


背景技术：

2.目前在进行定向钻孔作业时，通常采用孔底马达定向钻机，但是由于需要配备高压泵站导致成本过高，而且由于孔底马达提供的有效动力（带动钻头作业的动力）受到钻孔直径尺寸限制，导致孔底马达的有效动力不超过300 n
·
m难以满足复杂工况。随着我国技术的进步，如今已经有相关文献或报道阐述了利用普通回转钻机进行定向钻进的巨大前景，但是由于随着钻孔深度的增加，尤其是达到70m以上时，如何实现钻进轨迹的控制以使得钻孔轨迹满足设计要求，目前仍处于理论和摸索状态。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种回转钻机钻进轨迹控制方法及钻进设备，能够有效解决利用普通回转钻机进行定向钻进时钻孔轨迹难以控制的问题，具有钻孔成功率高、成本低和不易塌孔的优点。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种回转钻机钻进轨迹控制方法，包括以下步骤：回转钻机钻进：回转钻机带动转动安装在弯管机构前端的钻头进行与空心钻杆同步旋转和进给，此时弯管机构随空心钻杆作同步进给而不随空心钻杆旋转；钻头监测：随钻测量信号器将钻头的位置姿态信息实时反馈至随钻测量仪；钻进轨迹判断及控制：随钻测量仪判断钻头的钻进轨迹是否超出设计轨迹范围，当钻头的钻进轨迹未超出设计轨迹范围时，回转钻机继续正常钻孔作业；当钻头的钻进轨迹超出设计轨迹范围时，通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至弯管机构的壳体且与钻头脱离，之后回转钻机带动空心钻杆旋转继而带动弯管机构的壳体旋转角度，使得钻头的钻进轨迹符合设计轨迹，之后通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至钻头且与弯管机构的壳体脱离，之后回转钻机继续钻孔作业；钻进过程中实时监测、判断和控制钻进轨迹，直至完成整个定向钻孔作业。
5.本发明通过随钻测量信号器实时采集钻头的位置姿态信息并实时反馈至随钻测量仪，随后随钻测量仪判断钻头的钻进轨迹是否超出设计轨迹范围，如果判断结果是未超出设计轨迹范围时，则回转钻机继续正常钻孔作业；如果判断结果是超出设计轨迹范围时，则通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至弯管机构的壳体且与钻头脱离，之后回转钻机带动空心钻杆旋转继而带动弯管机构旋转至需要角度，以保证钻进轨迹符合设计轨迹，之后通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至钻头且与弯管机构的壳体脱离，之后回转钻机继续钻孔作业；钻进过程中实时监测、判断和控制钻进轨迹，直至完成整个定向钻孔作业。采用上述技术方案后，就可以达到对普通回转钻机的
钻进轨迹进行精确控制的目的，而且具有钻孔成功率高、成本低和不易塌孔的优点。
6.作为本发明的进一步改进，为了便于对钻孔过程中产生的渣屑进行及时排出，空心钻杆采用表面带有螺旋排屑槽的钻杆，这样，钻孔过程产生的渣屑被螺旋排屑槽同步输送至回转钻机一端排出。当然，并不限于采用上述方案，也可以采用以下方案：钻头上部带有喷口，喷口通过内部管路与空心钻杆相连通，回转钻机钻进时，由空心钻杆的后端注入高压流体并由钻头上的喷口喷出，以使得钻孔过程中产生的渣屑被喷口喷出的高压流体沿着钻孔向回转钻机一端排出。
7.作为本发明的进一步改进，所述内部管路采用由钻头、随钻测量信号器和空心钻杆的内孔依次连通构成的管路；或者，所述内部管路采用自由转动穿设在钻头、随钻测量信号器和空心钻杆的内孔中的高压管道，且高压管道的前端与喷口之间采用旋转接头相连接。
8.作为本发明的进一步改进，在进行钻进轨迹判断及控制时，设计轨迹参数包括孔深、测量深度、倾角和磁方位角，经过设计轨迹参数的计算后将钻孔的设计轨迹平面进行投影显示，钻进轨迹参数包括孔深、测量深度、倾角、磁方位角和工具面向角，随钻测量仪对实时接收到钻进轨迹参数进行计算后将钻进轨迹平面同样进行投影显示，工作人员对钻进轨迹平面和设计轨迹平面进行对比分析，判断随钻测量仪判断钻头的钻进轨迹是否超出设计轨迹范围。
9.另外，本发明还提供一种钻进设备，包括：回转钻机本体，作为主体设备，且回转钻机本体上带有随钻测量仪；空心钻杆，安装在回转钻机本体的回转器上；弯管机构，其一端通过随钻测量信号器安装在空心钻杆的前端且另一端用于安装钻头；正常钻进时，回转器带动钻头进行与空心钻杆同步旋转和进给，此时弯管机构随空心钻杆作同步进给而不随空心钻杆旋转；调整钻进轨迹时，通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至弯管机构的壳体且与钻头脱离，之后回转钻机带动空心钻杆旋转继而带动弯管机构的壳体旋转角度，之后通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至钻头且与弯管机构的壳体脱离；钻头，转动安装在弯管机构的前端，且钻头的轴线与空心钻杆的轴线呈倾斜布置。
10.通过采用上述技术方案，只需要对普通的回转钻机进行上述升级改造，就能够有效控制钻进轨迹，进而使得升级改造后的普通回转钻机就可以完成定向钻机达到的定向钻进效果，同时，由于采用的主体设备是普通回转钻机，在进行钻孔作业时，钻杆是旋转的，能够适应更多复杂的工况，比如软岩、软煤层和硬度不均匀的岩层等，具有切削力范围调整空间大和避免软地质工况下塌孔抱钻的优点。
11.作为本发明的进一步改进，所述空心钻杆的表面设置有螺旋排屑槽，用于钻孔时将渣屑同步输送至回转钻机一端排出。
12.作为本发明的又一种改进，所述钻头上部带有喷口，喷口通过内部管路与空心钻杆相连通，空心钻杆的后端注入高压流体；所述内部管路采用由钻头、随钻测量信号器和空心钻杆的内孔依次连通构成的管路；或者，所述内部管路采用自由转动穿设在钻头、随钻测量信号器和空心钻杆的内孔中的高压管道，且高压管道的前端与喷口之间采用旋转接头相连接。
13.作为本发明的进一步改进，所述弯管机构包括壳体和挠性联轴器，壳体的内部设置有支撑座，挠性联轴器的前端用于倾斜转动安装钻头，挠性联轴器的后端通过空心轴杆转动设置在支撑座上，所述壳体内设置有离合结构，调整钻进轨迹时，通过离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至弯管机构的壳体且与钻头脱离，之后回转钻机带动空心钻杆旋转继而带动弯管机构的壳体旋转角度，之后通过离合结构以使得空心钻杆的旋转动力传递至钻头且与弯管机构的壳体脱离。
14.所述离合结构包括设置在空心轴杆的端部的第一花键体/第一花键套，随钻测量信号器的前端设置有与第一花键体/第一花键套相配合的第一花键套/第一花键体，用于安装随钻测量信号器一端的壳体的内部设置有第二花键套，随钻测量信号器上安装有与第二花键套相配合的第二花键体。
15.或者，所述离合结构包括沿轴向设置在所述壳体上的若干组伸缩支撑机构，每组伸缩支撑机构的数量为多个且呈周向开设在所述随钻测量信号器的管壁上，所述随钻测量信号器的内部用于通入压力水，全部的伸缩支撑机构统一由压力控制机构提供的水压力变化来实现伸出和缩回；所述伸缩支撑机构包括沿径向开设在所述壳体上的导向孔，所述导向孔内滑动设置有活塞，所述活塞的上部设置有支撑杆，所述支撑杆的外端设置有支撑块，所述导向孔的外端设置有起到密和封限位作用的密封环，所述支撑杆由所述密封环穿出；所述随钻测量信号器的管壁上开设有与所述导向孔相连通的第一通孔；所述导向孔的外端开设有用于容纳缩回后的支撑块的容纳腔；所述压力控制机构包括设置在所述随钻测量信号器内的低压常开的第一高压堵塞阀，且所述第一高压堵塞阀位于全部的第一通孔的右侧，位于所述第一高压堵塞阀右侧的所述随钻测量信号器的管壁上开设有数量与每组伸缩支撑机构的数量相同的第二通孔，相对应的各组伸缩支撑机构的导向孔上段分别通过一个高压通道与相应的第二通孔相连通，所述高压通道内靠近所述第二通孔位置设置有低压常闭的第二高压堵塞阀；当所述伸缩支撑机构需要处于伸出状态或缩回状态时，所述随钻测量信号器内分别对应通入低压水或高压水。
16.作为本发明的进一步改进，所述壳体采用角度与钻头安装倾斜角度相一致的弯壳体；或者所述壳体采用直壳体，且直壳体的前端内部设置有与所述钻头的安装杆相配合的导向套。
17.作为本发明的进一步改进，所述壳体内设置有空心的滑套轴，随钻测量信号器的前端设置有轴肩，轴肩滑动设置在滑套轴内，所述第二花键套设置在滑套轴的内部。
18.作为本发明的进一步改进所述支撑座上设置有与所述空心轴杆相配合的第一轴承。
19.作为本发明的进一步改进所述壳体内设置有与所述随钻测量信号器的杆体相配合的第二轴承。
20.作为本发明的进一步改进，所述挠性联轴器采用花瓣式万向联轴器、球式万向联轴器、十字轴式万向联轴器，或者膜片联轴器，或者波纹管式联轴器，或者柔性绳索。
21.综上所述，本技术与现有技术相比至少具有以下一种有益技术效果：1、本发明中回转钻机钻进轨迹控制方法，能够有效控制回转钻机的钻进轨迹，保证钻进轨迹符合设计轨迹要求，使得回转钻机应用在定向钻进领域成为可能。
22.2、本发明中钻进设备采用回转钻机作为主要设备，代替了传统的价格昂贵的孔底
马达定向钻机，不仅能够实现定向钻进，而且本钻进设备在进行钻孔作业时，由于钻杆是旋转的，能够适应更多复杂的工况，比如软岩、软煤层和硬度不均匀的岩层等，具有切削力范围调整空间大和避免软地质工况下塌孔抱钻的优点，同时能够大幅提高钻机的有效动力。
附图说明
23.图1为本发明一种回转钻机钻进轨迹控制方法的步骤示意图；图2为本发明一种回转钻机钻进轨迹控制方法的流程示意图；图3为本发明一种钻进设备的结构示意图；图4为本发明中弯管机构的一种结构剖面示意图；图5为本发明中弯管机构的另一种结构剖面示意图。
24.附图标记：100、回转钻机本体；110、随钻测量仪；120、空心钻杆；121、螺旋排屑槽；130、回转器；140、弯管机构；141、壳体；142、挠性联轴器；143、支撑座；144、第二花键套；145、第二花键体；146、导向套；147、滑套轴；148、第一轴承；149、第二轴承；150、随钻测量信号器；151、轴肩；160、钻头；161、安装杆；170、凹槽；180、压紧块；200、伸缩支撑机构；210、导向孔；220、活塞；230、支撑杆；240、支撑块；250、密封环；260、第一通孔；
270、容纳腔；300、压力控制机构；310、第一高压堵塞阀；320、第二通孔；330、高压通道；340、第二高压堵塞阀。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-5，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.参阅附图1和附图2，本发明针对利用普通回转钻机进行定向钻进时钻孔轨迹难以控制的问题，提供一种回转钻机钻进轨迹控制方法，只需要对普通的回转钻机进行上述升级改造，就能够有效控制钻进轨迹，进而使得升级改造后的普通回转钻机就可以完成定向钻机达到的定向钻进效果。具体的，包括以下步骤：回转钻机钻进：回转钻机带动转动安装在弯管机构前端的钻头进行与空心钻杆同步旋转和进给，此时弯管机构随空心钻杆作同步进给而不随空心钻杆旋转；钻头监测：随钻测量信号器将钻头的位置姿态信息实时反馈至随钻测量仪；钻进轨迹判断及控制：随钻测量仪判断钻头的钻进轨迹是否超出设计轨迹范围，当钻头的钻进轨迹未超出设计轨迹范围时，回转钻机继续正常钻孔作业；当钻头的钻进轨迹超出设计轨迹范围时，通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至弯管机构的壳体且与钻头脱离，之后回转钻机带动空心钻杆旋转继而带动弯管机构的壳体旋转角度，使得钻头的钻进轨迹符合设计轨迹，之后通过弯管机构内的离合结构使得空心钻杆的旋转动力传递至钻头且与弯管机构的壳体脱离，之后回转钻机继续钻孔作业；钻进过程中实时监测、判断和控制钻进轨迹，直至完成整个定向钻孔作业。
27.另外，空心钻杆采用表面带有螺旋排屑槽的钻杆，这样，钻孔过程产生的渣屑被螺旋排屑槽同步输送至回转钻机一端排出。当然，为了便于对钻孔过程中产生的渣屑进行及时排出，并不限于采用上述方案，也可以采用以下方案：钻头上部带有喷口，喷口通过内部管路与空心钻杆相连通，回转钻机钻进时，由空心钻杆的后端注入高压流体并由钻头上的喷口喷出，以使得钻孔过程中产生的渣屑被喷口喷出的高压流体沿着钻孔向回转钻机一端排出。
28.其中，内部管路可以采用至少两种方案，第一种方案是采用由钻头、随钻测量信号器和空心钻杆的内孔依次连通构成的管路；第二种方案是采用自由转动穿设在钻头、随钻测量信号器和空心钻杆的内孔中的高压管道，且高压管道的前端与喷口之间采用旋转接头相连接。第一种方案中的内部管路是直接采用钻头、测量信号器和空心钻杆的内部空心结构，结构更加简单；而第二种方案是在利用钻头、测量信号器和空心钻杆的内部空心结构的基础上采用内部设置的独立的高压管道，可靠性更高，但成本相对较高。
29.另外，在进行钻进轨迹判断及控制时，设计轨迹参数包括孔深、测量深度、倾角和
磁方位角，经过设计轨迹参数的计算后将钻孔的设计轨迹平面进行投影显示，钻进轨迹参数包括孔深、测量深度、倾角、磁方位角和工具面向角，随钻测量仪对实时接收到钻进轨迹参数进行计算后将钻进轨迹平面同样进行投影显示，工作人员对钻进轨迹平面和设计轨迹平面进行对比分析，判断随钻测量仪判断钻头的钻进轨迹是否超出设计轨迹范围。
30.另外，如图3所示，本发明还提供一种钻进设备，包括：回转钻机本体100，作为主体设备，且回转钻机本体100上带有随钻测量仪110；空心钻杆120，安装在回转钻机本体100的回转器130上；弯管机构140，其一端通过随钻测量信号器150安装在空心钻杆120的前端且另一端用于安装钻头160；正常钻进时，回转器130带动钻头160进行与空心钻杆120同步旋转和进给，此时弯管机构140随空心钻杆120作同步进给而不随空心钻杆120旋转；调整钻进轨迹时，通过弯管机构140内的离合结构使得空心钻杆120的旋转动力传递至弯管机构140的壳体141且与钻头160脱离，之后回转钻机带动空心钻杆120旋转继而带动弯管机构140的壳体141旋转角度，之后通过弯管机构140内的离合结构使得空心钻杆120的旋转动力传递至钻头160且与弯管机构140的壳体141旋转动力脱离；钻头160，转动安装在弯管机构140的前端，且钻头160的轴线与空心钻杆120的轴线呈倾斜布置。
31.现有的回转钻机钻深孔时，随着孔深的增加，尤其是达到70米以上时，由于钻头钻杆自重，钻杆钢度，煤层中遇到硬岩时钻头自动偏向等原因，导制钻进轨迹与设计轨迹偏差过大，在钻进过程中会出现偏差，导制钻孔轨迹不能满足设计要求,现有孔底马达定向钻机需配备高压泵站导致成本过高，并且由孔底马达提供动力由于钻孔直径尺寸受限，孔底马达马达有效动力不超过300n
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m，导致对于硬度高的岩层切削力不足，由于孔底马达定向钻机钻杆不转，导致遇到软岩及软煤层易塌孔抱钻。该实施例通过采用上述技术方案，只需要对普通的回转钻机进行上述升级改造，就能够有效控制钻进轨迹，进而使得升级改造后的普通回转钻机就可以完成定向钻机达到的定向钻进效果，同时，由于采用的主体设备是普通回转钻机，在进行钻孔作业时，钻杆是旋转的，能够适应更多复杂的工况，比如软岩、软煤层和硬度不均匀的岩层等，具有切削力范围调整空间大和避免软地质工况下塌孔抱钻的优点。具体地，本发明方案与普通回转钻机和孔底马达定向钻机的设备成本、钻孔效率、孔底动力（即有效动力）和成孔率对比如下：另外，如图3所示，所述空心钻杆120的表面设置有螺旋排屑槽121，这样，钻孔过程产生的渣屑被螺旋排屑槽同步输送至回转钻机一端排出。很显然，排屑的结构并不限于上
述，也可以是其他技术方案，比如：所述钻头160上部带有喷口，喷口通过内部管路与空心钻杆120相连通，空心钻杆120的后端注入高压流体；所述内部管路采用由钻头160、随钻测量信号器150和空心钻杆120的内孔依次连通构成的管路；或者，所述内部管路采用自由转动穿设在钻头160、随钻测量信号器150和空心钻杆120的内孔中的高压管道，且高压管道的前端与喷口之间采用旋转接头相连接。同样能够起到排屑的作用，而且排屑能力强不易发生塌孔抱钻。
32.另外，如图4所示，所述弯管机构140包括壳体141和挠性联轴器142，壳体141的内部设置有支撑座143，挠性联轴器142的前端用于倾斜转动安装钻头160，挠性联轴器142的后端通过空心轴杆转动设置在支撑座143上，所述壳体141内设置有离合结构，调整钻进轨迹时，通过离合结构使得空心钻杆120的旋转动力传递至弯管机构140的壳体141且与钻头160脱离，之后回转钻机带动空心钻杆120旋转继而带动弯管机构140的壳体141旋转角度，之后通过离合结构以使得空心钻杆120的旋转动力传递至钻头160且与弯管机构140的壳体141脱离。
33.其中，离合结构的具体结构有多种，比如插拔式，或者液压式，或者气动式等。其中一种插拔式离合结构如图4所示，所述离合结构包括设置在空心轴杆的端部的第一花键体/第一花键套，随钻测量信号器150的前端设置有与第一花键体/第一花键套相配合的第一花键套/第一花键体，用于安装随钻测量信号器150一端的壳体141的内部设置有第二花键套144，随钻测量信号器150上安装有与第二花键套144相配合的第二花键体145；当然，插拔式离合结构的具体设置并不限于上述结构也可以其他插拔式离合结构，比如采用申请号为cn2022110005133的一种用于钻头定向钻进的转换装置的离合切换结构。离合结构采用如图4所示的结构后，当调整钻进轨迹时，回转钻机带动空心钻杆后退使得空心钻杆的旋转动力传递至弯管机构且与钻头脱离，之后回转钻机带动空心钻杆旋转继而带动弯管机构旋转角度，之后回转钻机带动空心钻杆进给移动以使得空心钻杆的旋转动力传递至钻头且与弯管机构脱离。
34.另外，本发明也不限于采用插拔式离合结构，也可以采用液压式离合结构，具体如图5所示，所述离合结构包括沿轴向设置在所述壳体141上的2组伸缩支撑机构200（很显然伸缩支撑机构200的组数并不限于2组，也可以是其他数量），每组伸缩支撑机构200的数量为2个且呈周向开设在所述空心轴杆的管壁上（很显然，每组伸缩支撑机构200的数量并不限于2个，也可以是其他数量），所述空心轴杆的内部用于通入压力水，全部的伸缩支撑机构200统一由压力控制机构300提供的水压力变化来实现伸出和缩回；所述伸缩支撑机构200包括沿径向开设在所述壳体141上的导向孔210，所述导向孔210内滑动设置有活塞220，所述活塞220的上部设置有支撑杆230，所述支撑杆230的外端设置有支撑块240，所述导向孔210的外端设置有起到密和封限位作用的密封环250，所述支撑杆230由所述密封环250穿出；所述空心轴杆的管壁上开设有与所述导向孔210相连通的第一通孔260；所述导向孔210的外端开设有用于容纳缩回后的支撑块240的容纳腔270；所述压力控制机构300包括设置在所述空心轴杆内的低压常开的第一高压堵塞阀310，且所述第一高压堵塞阀310位于全部的第一通孔260的右侧，位于所述第一高压堵塞阀310右侧的所述空心轴杆的管壁上开设有数量与每组伸缩支撑机构200的数量相同的第二通孔320，相对应的各组伸缩支撑机构200的导向孔210上段分别通过一个高压通道330与相应的第二通孔320相连通，所述高压通道
330内靠近所述第二通孔320位置设置有低压常闭的第二高压堵塞阀340；当所述伸缩支撑机构200需要处于伸出状态或缩回状态时，所述空心轴杆内分别对应通入低压水或高压水。在位于所述第二通孔320左侧的所述壳体141内开设有凹槽170，所述凹槽170的外侧与所述高压通道330之间相连通，所述凹槽170内滑动设置有压紧块180。离合结构采用如图5所示的结构后，当钻杆内为低压水时，空心钻杆高速旋转带动挠性联轴器，挠性联轴器带动钻头旋转，而低压水通过常开状态的第一高压堵塞阀直通钻头，同时低压水能够使得伸缩支撑机构伸出撑紧孔壁，致使壳体不会转动，实现正常钻进；当调整钻进轨迹时，钻机停止钻进，空心钻杆内通入高压水，持续高压水作用下第一高压堵塞阀闭合且第二高压堵塞阀打开，高压水转向由高压通道使伸缩支撑机构缩回，同时活塞将空心轴杆与壳体进行抱紧（同时，高压水向压紧块施压以进一步将空心轴杆与壳体进行抱紧），这时，启动钻机带动空心轴杆与壳体慢速旋转一定设置角度，完成精确转角。
35.另外，如图4所示，壳体141采用直壳体，且直壳体的前端内部设置有与所述钻头160的安装杆161相配合的导向套146。当然，所述壳体141采用角度与钻头160安装倾斜角度相一致的弯壳体。
36.另外，如图4所示，在壳体141内设置有空心的滑套轴147，随钻测量信号器150的前端设置有轴肩151，轴肩151滑动设置在滑套轴147内从而起到导向的作用，而第二花键套144设置在滑套轴147的内部。
37.另外，如图4所示，所述支撑座143上设置有与所述轴杆相配合的第一轴承148。
38.另外，如图4所示，进所述壳体141内设置有与所述随钻测量信号器150的杆体相配合的第二轴承149。
39.另外，如图4所示，所述挠性联轴器142采用十字轴式万向联轴器，或者膜片联轴器，很显然，所述挠性联轴器并不限于此，也可以采用其他的能够实现两端轴的偏角位移的联轴器，比如花瓣式万向联轴器，或者球式万向联轴器，或者膜片联轴器，或者波纹管式联轴器，或者柔性绳索等。
40.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。