一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头、系统及成孔方法与流程

本发明属于煤矿井下瓦斯开采，具体涉及一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头、系统及成孔方法。

背景技术：

1、采用井下钻孔实施瓦斯预抽是目前我国治理矿井瓦斯的最主要方法，底抽巷结合穿层钻孔是抽采高瓦斯、低透气性突出煤层瓦斯的最主要手段。基于穿层钻孔的水力冲孔技术由于能够增大单个钻孔的瓦斯抽采范围、减少穿层抽采钻孔的数量、有效降低瓦斯抽采成本、提高抽放效率，保证工作面的安全生产，所以在松软、低渗煤层发育区取得了较广泛的应用。目前主要采用常规刚性钻具结合水力冲孔工具在穿层钻孔的煤层段进行冲孔造穴，其缺陷在于：冲孔段受刚性钻具的结构限制，水力喷射有效范围小，只能将孔眼轴线附近的煤掏出，单孔卸压范围有限；工程量大；且在孔内发生事故时难以处理。

2、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，设计出一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头、系统及成孔方法，以增加穿层孔单孔瓦斯卸压范围，提高穿层孔的抽采效益。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头、系统及成孔方法，以解决现有穿层钻孔抽采瓦斯时单孔泄压范围小、工程量大、抽采效益低的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头，包括成孔钻头本体，所述成孔钻头本体内设有第一导流腔；

4、所述成孔钻头本体头端设置有与第一导流腔同轴连通的射流喷孔，成孔钻头本体的侧壁上开设有与第一导流腔连通的第一导向喷孔和第二导向喷孔；

5、所述成孔钻头本体侧壁上沿轴向布设有与所述第一导向喷孔连通的第一安装腔，以及与所述第二导向喷孔连通的第二安装腔；所述第一安装腔内设置有用于调节第一导向喷孔开度的第一流量调节机构；第二安装腔内设置有用于调节第一导向喷孔开度的第二流量调节机构；

6、所述成孔钻头本体侧壁上设置有控制模块、岩性测量模块和轨迹测量模块；

7、所述岩性测量模块用于采集地层参数，并将采集到的地层参数发送给控制模块；

8、所述轨迹测量模块用于采集成孔钻头运动轨迹参数，并将采集到的成孔钻头运动轨迹参数发送给控制模块；

9、所述控制模块用于根据接收到的地层参数和成孔钻头运动轨迹参数控制第一流量调节机构和第二流量调节机构的位置，以实现对第一导向喷孔和第二导向喷孔开度的调整。

10、本发明还具有以下技术特征：

11、具体的，所述第一流量调节机构与第二流量调节机构的结构相同，所述第一流量调节机构包括设置在第一安装腔底部的驱动电机，以及与所述驱动电机的驱动轴相连的伸缩杆，所述驱动电机与所述控制模块相连，能够在控制模块的控制下带动伸缩杆沿第一安装腔轴向移动，。

12、更进一步的，所述成孔钻头本体侧壁上还设置有电池模块，所述电池模块用于为控制模块、岩性测量模块、轨迹测量模块、第一流量调节机构和第二流量调节机构供电。

13、本发明还保护一种可旋转自导向多分支孔成孔系统，包括上述的可旋转自导向多分支孔成孔钻头，以及与所述成孔钻头相连的柔性钻杆、钻具和高压泵，所述高压泵经柔性钻杆为成孔钻头提供喷射液。

14、本发明还保护一种可旋转自导向多分支孔成孔方法，通过上述的可旋转自导向多分支孔成孔系统实现，包括以下步骤：

15、步骤1、根据勘探数据确定煤层厚度和地层倾角，进而确定岩孔段钻进轨迹和布设在煤层中的多个径向分支孔的钻进轨迹，每个径向分支孔的钻进轨迹包括拐弯段钻进轨迹和直线段钻进轨迹，其中，拐弯段钻进轨迹是弧度为四分之一圆周的弧形轨迹；

16、步骤2、采用刚性钻具按照步骤1确定的岩孔段钻进轨迹实施岩孔段钻进至揭露煤层后退出钻具，完成岩孔段钻孔的施工；

17、步骤3、关闭朝向煤层顶板的第二导向喷孔，根据步骤1确定的拐弯段钻进轨迹确定成孔钻头轴线与柔性钻具轴线间的夹角，进而确定朝向煤层底板的第一导向喷孔的开度，完成可旋转自导向多分支孔成孔系统的设置；

18、步骤4、在岩孔段钻孔中下入设置好的可旋转自导向多分支孔成孔系统，钻进至拐弯段钻进轨迹的终点；

19、步骤5、从拐弯段钻进轨迹的终点处开始实施直线段钻进至成孔钻头推送距离到达设计深度；在直线段钻进过程中采集成孔钻头倾角，并根据采集到的成孔钻头倾角和步骤1获得的地层倾角调整第一导向喷孔和第二导向喷孔的开度，使成孔钻头顺煤层钻进，钻进完成后，将第一导向喷孔和第二导向喷孔打开至最大开度，然后将可旋转自导向多分支孔成孔系统逐步回撤至见煤点，完成一个径向分支孔的钻进；

20、步骤6、重复步骤3至步骤5，完成其他径向分支孔的施工。

21、更进一步的，步骤5中所述实施直线段钻进，在直线段钻进过程中实时采集成孔钻头倾角，并根据采集到的成孔钻头倾角和步骤1获得的地层倾角，实时调整第一导向喷孔和第二导向喷孔的开度，使得成孔钻头顺煤层钻进具体包括：当成孔钻头倾角大于地层倾角时，减少远离煤层底板的第二导向喷孔的开度，增加靠近煤层底板的第一导向喷孔的开度；当成孔钻头倾角小于地层倾角时，增加远离煤层底板的第二导向喷孔的开度，减少靠近煤层底板的第一导向喷孔的开度。

22、更进一步的，步骤1中所述的四分之一圆周的弧形轨迹对应的弯曲半径r与煤层高度h的关系满足以下条件：1/2h≤r≤3/4h。

23、更进一步的，步骤3所述的成孔钻头轴线与柔性钻具轴线间的夹角通过以下公式确定：

24、

25、式中：

26、θ为成孔钻头轴线与柔性钻具轴线间的夹角，单位为°；

27、r为拐弯曲线钻进的弯曲半径，单位为m；

28、l为成孔钻头长度，单位为m。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、(1)本发明提供的可旋转自导向多分支孔成孔钻头能够通过对第一导向喷孔和第二导向喷孔的开度的调整，实现对成孔钻头反推力的调整，进而调整钻孔轨迹，控制成孔钻头在煤层中延伸，达到孔眼在煤层中可控的目的。

31、(2)本发明提供的可旋转自导向多分支孔成孔方法在岩孔段内借助采用刚性钻具进行直线钻进，在煤层内使用柔性钻具，通过采集到的数据调整第一导向喷孔和第二导向喷孔的开度，确保孔眼在煤层中延伸，实现了极小半径多分支孔施工，能够增加单穿层钻孔泄压范围、减少钻孔工程量。

32、本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头，包括成孔钻头本体(1)，所述成孔钻头本体(1)内设有第一导流腔(11)，其特征在于，所述成孔钻头本体(1)头端设置有与第一导流腔(11)同轴连通的射流喷孔(12)，成孔钻头本体(1)的侧壁上开设有与第一导流腔(11)连通的第一导向喷孔(13)和第二导向喷孔(14)；

2.如权利要求1所述的可旋转自导向多分支孔成孔钻头，其特征在于，所述第一流量调节机构(5)与第二流量调节机构(6)的结构相同，所述第一流量调节机构(5)包括设置在第一安装腔(15)底部的驱动电机(51)，以及与所述驱动电机(51)的驱动轴相连的伸缩杆(52)，所述驱动电机(51)与所述控制模块(2)相连，能够在控制模块(2)的控制下带动伸缩杆(52)沿第一安装腔(15)轴向移动。

3.如权利要求1所述的可旋转自导向多分支孔成孔钻头，其特征在于，所述成孔钻头本体(1)侧壁上还设置有电池模块(7)，所述电池模块(7)用于为控制模块(2)、岩性测量模块(3)、轨迹测量模块(4)、第一流量调节机构(5)和第二流量调节机构(6)供电。

4.一种可旋转自导向多分支孔成孔系统，其特征在于，包括如权利要求1至权利要求3任意一项所述的可旋转自导向多分支孔成孔钻头，以及与所述成孔钻头相连的柔性钻杆(8)、钻具(9)和高压泵(10)，所述高压泵(10)经柔性钻杆(8)为成孔钻头提供喷射液。

5.一种可旋转自导向多分支孔成孔方法，其特征在于，通过权利要求4所述的可旋转自导向多分支孔成孔系统实现，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的可旋转自导向多分支孔成孔方法，其特征在于，步骤5中所述实施直线段钻进，在直线段钻进过程中实时采集成孔钻头倾角，并根据采集到的成孔钻头倾角和步骤1获得的地层倾角，实时调整第一导向喷孔和第二导向喷孔的开度，使得成孔钻头顺煤层钻进具体包括：当成孔钻头倾角大于地层倾角时，减少远离煤层底板的第二导向喷孔的开度，增加靠近煤层底板的第一导向喷孔的开度；当成孔钻头倾角小于地层倾角时，增加远离煤层底板的第二导向喷孔的开度，减少靠近煤层底板的第一导向喷孔的开度。

7.如权利要求5所述的可旋转自导向多分支孔成孔方法，其特征在于，步骤1中所述的四分之一圆周的弧形轨迹对应的弯曲半径r与煤层高度h的关系满足以下条件：1/2h≤r≤3/4h。

8.如权利要求6所述的可旋转自导向多分支孔成孔方法，其特征在于，步骤3所述的成孔钻头轴线与柔性钻具轴线间的夹角通过以下公式确定：

技术总结
本发明属于煤开采技术领域，公开了一种可旋转自导向多分支孔成孔钻头、系统及成孔方法，成孔钻头包括成孔钻头本体，所述成孔钻头本体内设有第一导流腔；所述成孔钻头本体头端设置有与第一导流腔同轴连通的射流喷孔，成孔钻头本体的侧壁上开设有与第一导流腔连通的开度能够调整的第一导向喷孔和第二导向喷孔，成孔方法包括以下内容：确定岩孔段钻进轨迹和布设在煤层中的多个径向分支孔的钻进轨迹；实施岩孔段钻进至揭露煤层后退出钻具，完成岩孔段钻孔的施工；完成可旋转自导向多分支孔成孔系统的设置；完成可旋转自导向多分支孔成孔系统的设置；完成一个径向分支孔的钻进；完成其他径向分支孔的施工。

技术研发人员：王海军,庞涛,姜在炳,杨新辉,李浩哲,杨建超,程斌,刘修刚
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15