煤矿井下套管钻进装置、套管钻头钻进回收系统及方法与流程

本发明属于煤矿井下坑道钻探，涉及一种煤矿井下套管钻进装置、套管钻头钻进回收系统及方法。

背景技术：

1、煤矿井下定向钻进技术在矿井安全生产保障领域发挥着越来越重要的作用，已成为矿井瓦斯高效抽采、水害超前探查与治理和隐蔽致灾地质因素精准探测与验证的重要技术手段。

2、套管作为定向钻孔的重要组成部分，即用于封堵孔口段煤岩壁裂隙，保证钻孔密闭与承压性能，也是钻进过程中孔口防喷装置安装的载体，保证钻孔施工过程中的钻进安全。此外，在定向钻孔钻进成孔后，还需结合具体钻孔用途，将瓦斯抽采管路、放水管路以及注浆管路与套管连接，最终实现对矿井瓦斯的可靠抽采、煤层顶底板水体的疏放与控制，以及孔壁出水裂隙与地质异常体的注浆封堵与加固。因此，套管施工是煤矿井下定向钻孔施工的重要环节，其施工质量与效率会直接影响定向钻孔的成孔质量与效率，最终关系到定向钻孔能否可靠利用。

3、目前，煤矿井下定向钻孔套管施工主要采用“先钻后下，钻下分离”的施工方法，首先采用分级成孔技术，依据套管规格，通过“先导孔+分级扩孔”完成套管孔段钻进；然后，利用钻机并借助人工辅助逐节向孔内下入护孔套管。该工艺方法相对简单，应用广泛，但因套管孔段钻进与套管下放两道工序分离，综合施工效率低，且套管下放成功率受套管孔段孔壁稳定性制约。尤其在大角度上扬开孔钻进工况下，套管孔段需穿过煤层、伪顶、直接顶，岩石强度低、岩性变化大、煤岩胶结性差，穿层段极易出现孔壁坍塌掉块现象，导致套管下放受阻，甚至造成套管下放失败。直接影响定向钻孔的综合利用效果。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种煤矿井下套管钻进装置、套管钻头钻进回收系统及方法，以解决现有技术中煤矿井下套管钻进装置在复杂煤岩层中，因套管孔段钻进与套管下放两道工序分离而导致的施工效率低的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

3、一种煤矿井下套管钻进装置，包括套管，还包括设置在所述套管轴向前端的套管鞋，所述套管鞋的后端伸入所述套管内，套管鞋的前端连接有套管钻头；

4、所述套管鞋包括设置有第二中心通孔的套管鞋本体，所述套管鞋本体的头端沿周向等间隔开设有多个刀槽；

5、所述套管钻头包括钻头本体，所述钻头本体包括连接设置的冠部和设置有第一中心通孔的传动芯轴，所述冠部前端面上设置有多个切削刀翼，相邻切削刀翼之间开设有与所述第一中心通孔连通的水眼，所述冠部后端面上设置有多个扩孔刀翼，所述扩孔刀翼切削面上布设有切削齿和滑块；

6、所述传动芯轴前端外套装有传扭套，所述传扭套外壁上轴向设置有第一键槽，所述第一键槽能够与设置在套管鞋本体内壁上的凸块配合安装；所述传扭套内壁上轴向设置有扇形第二键槽，所述第二键槽能够与设置在传动芯轴外壁上的传扭块配合安装；

7、当扩孔刀翼发生离心或向心移动时，所述扩孔刀翼能够进入或退出刀槽，实现套管钻头切削直径的改变。

8、本发明还具有以下技术特征：

9、具体的，所述冠部后端面上沿周向等间隔布置有多个螺旋形离心槽，每个离心槽均由冠部外圆周向内部延伸；所述滑块能够与所述离心槽滑动连接。

10、更进一步的，所述传扭套前端外壁上沿周向等间隔贯通开设多个扩孔刀翼容纳槽，当扩孔刀翼产生向心移动时，扩孔刀翼经刀槽和扩孔刀翼容纳槽收回；当扩孔刀翼产生离心移动时，扩孔刀翼经扩孔刀翼容纳槽和刀槽伸出。

11、更进一步的，所述传动芯轴经芯轴接头连接打捞接头。

12、更进一步的，所述传动芯轴与芯轴接头外套装有用于对传扭套的轴向移动进行限位的挡环。

13、本发明还保护一种煤矿井下套管钻头钻进回收系统，包括上述套管钻进装置，还包括能够插接配合的打捞器与打捞杆；

14、所述打捞器包括中心通孔的芯杆和套设在所述芯杆上的扶正体，所述扶正体沿周向均匀布设多个对芯杆具有扶正作用的支撑翼；所述芯杆能够与所述打捞接头插接配合。

15、更进一步的，所述芯杆的前端设置有用于连接打捞接头的第一接头，芯杆的后端设置有用于连接打捞杆的第二接头；所述芯杆上还设置有用于对扶正体进行轴向定位的第一限位挡圈和第二限位挡圈。

16、更近一步的，所述支撑翼远离芯杆外壁的端面上开设有滚轮槽，每个滚轮槽内均布设至少两个用于降低支撑翼与套管内壁间摩擦阻力的滚轮。

17、更进一步的，所述第二键槽对应的圆心角比传扭块对应的圆心角大30°～60°。

18、本法明还保护一种套管钻头钻进回收方法，该方法通过上述的套管钻头钻进系统实现，包括以下步骤：

19、步骤1、将套管鞋套合于套管钻头上，逆时针转动打捞接头，带动钻头本体(3)逆时针旋转，扩孔刀翼在离心作用下自扩孔刀翼容纳槽膨出，卡入刀槽；

20、步骤2、将套管鞋安装在套管前端，并在套管后加接多个套管形成套管柱，使用钻机驱动套管柱，将套管钻头送至开孔点；

21、步骤3、向套管内输入循环介质，启动钻机实施钻进，在钻进至设计孔深后，将套管上提0.5～1.0米；

22、步骤4、停止输入循环介质，移除孔口剩余套管，通过插接方式在打捞器后方逐节加长打捞杆，同时，借助钻机向套管内送入打捞器，在扶正体的扶正作用下，完成芯杆与打捞接头的连接；

23、步骤5、使用钻机顺时针转动打捞杆，扩孔刀翼在离心槽内向心移动，驱动下向心运动并回收至传扭套的扩孔刀翼容纳槽内；

24、步骤6、退出打捞杆与打捞器，卸下打捞器前端的套管钻头，完成套管钻头回收；

25、步骤7、在套管与孔壁间隙注入封孔材料对套管进行封固。

26、本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

27、1.本发明提供的套管钻进装置通过设置能够进行离心或向心移动的扩孔刀翼，实现套管钻头切削直径的改变。

28、2.本发明提供的套管钻进装置能够实现套管孔段钻进与下放套管的同步实施，有效解决了传统套管施工存在的工序繁琐、施工效率低以及复杂孔段套管下放易受阻的问题，可大大提升套管孔段施工效率与套管下放成功率。

29、3.本发明提供的钻头钻进回收系统的套管钻头可回收，当套管钻进至设计孔深后，可通过借助打捞器和打捞杆，将套管钻头自套管内回收，解决了套管孔段钻进与套管下放两道工序分离的问题，提高了综合施工效率。

技术特征：

1.一种煤矿井下套管钻进装置，包括套管(1)，其特征在于，还包括设置在所述套管(1)轴向前端的套管鞋，所述套管鞋的后端伸入所述套管(1)内，套管鞋的前端连接有套管钻头；

2.如权利要求1所述的煤矿井下套管钻进装置，其特征在于，所述冠部(31)后端面上沿周向等间隔布置有多个螺旋形离心槽(313)，每个离心槽(313)均由冠部(31)外圆周向内部延伸；所述滑块(332)能够与所述离心槽(313)滑动连接。

3.如权利要求1所述的煤矿井下套管钻进装置，其特征在于，所述传扭套(34)前端外壁上沿周向等间隔贯通开设多个扩孔刀翼容纳槽(343)，当扩孔刀翼(33)产生向心移动时，扩孔刀翼(33)从刀槽(21)中收回进入扩孔刀翼容纳槽(343)；当扩孔刀翼(33)产生离心移动时，扩孔刀翼(33)经扩孔刀翼容纳槽(343)进入刀槽(21)。

4.如权利要求1所述的煤矿井下套管钻进装置，其特征在于，所述传动芯轴(32)经芯轴接头(4)连接打捞接头(5)。

5.如权利要求1所述的煤矿井下套管钻进装置，其特征在于，所述传动芯轴(32)与芯轴接头(4)外套装有用于对传扭套(34)的轴向移动进行限位的挡环(6)。

6.一种套管钻头钻进回收系统，其特征在于，包括权利要求1～5其中任意一项所述的套管钻进装置，还包括打捞装置，所述打捞装置包括能够插接配合的打捞器(7)与打捞杆(8)；

7.如权利要求6所述的钻头钻进回收系统，其特征在于，所述芯杆(71)的前端设置有用于连接打捞接头(5)的第一接头(9)，芯杆(71)的后端设置有用于连接打捞杆(8)的第二接头(10)；所述芯杆(71)上还设置有用于对扶正体(72)进行轴向定位的第一限位挡圈(73)和第二限位挡圈(74)。

8.如权利要求6所述的钻头钻进回收系统，其特征在于，所述支撑翼(721)远离芯杆(71)外壁的端面上开设有滚轮槽(723)，每个滚轮槽(723)内均布设至少两个用于降低支撑翼(721)与套管(1)内壁间摩擦阻力的滚轮(722)。

9.如权利要求6所述的钻头钻进回收系统，其特征在于，所述第二键槽(342)对应的圆心角比传扭块(321)对应的圆心角大30°～60°。

10.一种套管钻头钻进回收方法，其特征在于，该方法通过权利要求6至9所述的套管钻头钻进系统实现，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种煤矿井下套管钻进装置、套管钻头钻进回收系统及方法，装置包括套管，还包括设置在套管轴向前端的套管鞋，套管鞋的后端伸入所述套管内，套管鞋的前端连接有套管钻头，套管钻头内设置有扩孔刀翼，当扩孔刀翼发生离心或向心移动时，扩孔刀翼能够进入或退出刀槽，实现套管钻头切削直径的改变。本发明还保护一种煤矿井下套管钻头钻进回收系统，包括上述套管钻进装置，还包括能够插接配合的打捞器与打捞杆。本发明的钻头钻进回收系统的套管钻头采用可回收方式，当套管钻进至设计孔深后，可通过借助打捞器和打捞杆，将套管钻头自套管内回收，解决了套管孔段钻进与套管下放两道工序分离的问题，提高了综合施工效率。

技术研发人员：赵建国,王海军,郝世俊,刘建林,杨伟锋,赵江鹏,褚志伟
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：2024/2/19