CN103556940A - 用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法，包括钻尾旋转放渣装置、双通道多孔紊流卸压钻杆、双通道钻头，钻尾旋转放渣装置与钻机上的双通道多孔紊流卸压钻杆连接，双通道钻头安装在双通道多孔紊流卸压钻杆的前端，本发明主要用于易收缩、破碎软煤岩钻进。其施工方法：启动钻机和供风系统，风流进入双通道多孔紊流卸压钻杆内通道到达钻孔底部，风流携带钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆外通道返出进入与钻尾旋转放渣装置连接的除尘器。本发明设计新颖，排渣在钻杆内的环状空间完成，可有效避免钻孔收缩、破坏对钻孔排渣空间的影响；钻杆表面的多孔特征，能够有效释放钻孔堵塞区杆体与煤渣之间的应力、疏散堆积的钻屑和预防钻杆表面热量聚集。

Description

用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法

技术领域

本发明属于煤矿突出煤层瓦斯抽采钻孔施工、软岩钻孔施工等技术领域，具体涉及一种用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法。

背景技术

当前，井工瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的主要技术手段，井工瓦斯抽采以钻孔施工为前提，其中主要包括本煤层瓦斯抽采钻孔、穿层瓦斯抽采钻孔，对于地质条件复杂的软弱煤岩体，钻孔施工时，孔壁收缩、破坏严重，加之含瓦斯煤体喷孔现象频发，钻孔内易形成堵塞段，使排渣空间丧失，卡钻、断钻现象频繁，致使钻孔深度浅、钻进效率低和孔内事故频发，其结果严重影响瓦斯抽采施工进度和煤矿的安全生产，给矿方带来了一定的经济损失。目前常用的钻具，排渣通道为钻孔孔壁与钻杆之间的环状空间，对于地质条件复杂的软弱煤岩体施工钻孔，孔壁变形及破坏对钻孔排渣空间的影响较大，钻孔易堵塞，使钻进无法进行。因此，为了改善软煤岩钻进存在的诸多问题，应改变传统的钻进工艺方式，开发一种新的孔内钻具及钻进工艺系统，其核心指导思想是通过钻具结构创新，保护排渣通道不受钻孔变形、破坏的影响。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法，该钻进工艺系统排渣在双通道多孔紊流卸压钻具内完成，排渣通道受到钻杆保护，同时，钻杆表面的多孔特征，能够有效释放钻孔堵塞区域杆体与煤渣之间的应力、疏散堆积的钻屑和预防钻杆表面热量聚集，有利于软煤岩的安全钻进。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，包括双通道多孔紊流卸压钻杆、双通道钻头、钻尾旋转放渣装置，所述钻尾旋转放渣装置与钻机上的双通道多孔紊流卸压钻杆连接，双通道钻头安装在双通道多孔紊流卸压钻杆的前端。

所述的双通道多孔紊流卸压钻杆由多孔外钻杆体、内管组成。

所述的多孔外钻杆体由外螺纹接头、多孔杆体和内螺纹接头组成，杆体上设置多个小孔，小孔的形状可设计为圆形、方形或其它形式的多边形，外螺纹接头、内螺纹接头可设计为锥形丝扣或平扣，外钻杆体外表面设置为光面、螺旋凹槽或螺旋凸棱。

所述的内管接头连接可设计为丝扣连接或插接式连接，且其外径小于外钻杆体内径，保证内管外径与多孔外钻杆体内径之间形成钻屑排出的外通道，内管的中空腔体用于进风，为钻进系统的内通道。

所述的双通道钻头由外钻头内螺纹接头、进气芯管内螺纹接头、胎体和合金刀片组成，接头可设计为锥形丝扣或平扣。进气芯管设置于钻头中心一端连接钻杆内管，另一端与钻头胎体中心通孔连接，形成中心进气通道；钻头冠部周边设置多个进渣孔，钻头内螺纹接头与进气芯管之间形成回流环形空间，形成与双通道多孔紊流卸压钻杆相通的排渣外通道。

所述的钻尾旋转放渣装置由进气接头、旋转放渣接头、放渣箱体组成，旋转放渣接头与多孔外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进，进气接头与内管连接，工作中气流由进气接头进入内管到达钻孔孔底，风流携带钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆与内管之间形成的环状空间形成的外通道返出进入与钻尾旋转放渣装置，旋转放渣接头上设置放渣口，钻屑沿放渣口进入放渣箱，沿排渣口进入除尘装置。

用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法，施工方法包括以下步骤：

①. 完成钻机、钻具及其供风系统安装与连接，利用供风装置将风流送入双通道多孔紊流卸压钻杆内通道。工作中进风内管不旋转，旋转放渣接头与多孔外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进；

②. 带压风流通过内管经由双通道钻头内通道到达孔底，将钻头破煤形成的钻屑送入双通道多孔紊流卸压钻杆外通道，排渣在多孔外钻杆体与内管之间的环状空间内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响，钻杆表面的多孔特征，使风流沿钻杆表面的孔间内外穿梭，钻杆表面的钻屑颗粒与气流形成强紊流状态，不仅利于疏散堆积的钻屑，同时有利于钻杆表面散热；

③. 风流将钻头破煤形成的钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆外通道返出进入与钻杆尾部连接放渣装置，最后渣体进入除尘器，完成排渣和除尘。

附图说明

图1是本发明工作状态的结构示意图；

图2是本发明双通道多孔紊流卸压钻杆实施例一的三维结构剖视图；

图3是本发明实施例一的轴向剖视图；

图4是图3当中A-A剖视图；

图5是本发明图3局部放大图Ⅰ；

图6是本发明双通道钻头结构剖视图；

图7是本发明钻尾旋转放渣装置结构图；

图8是本发明实施时排渣原理示意图；

图9是本发明实施时孔壁卸压和强紊流防堵塞原理示意图；

图10是本发明双通道多孔紊流卸压钻杆实施例二的三维结构剖视图；

图11是本发明实施例二的轴向剖视图；

图12是图10当中B-B剖视图；

图13是本发明图11局部放大图Ⅱ；

图14是本发明双通道多孔紊流卸压钻杆实施例三的三维结构剖视图；

图15是本发明实施例三的轴向剖视图；

图16是图15当中C-C剖视图；

图17是本发明图15局部放大图Ⅲ。

具体实施方式

实施例一：如图1～图9所示，本发明一种用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法，包括双通道多孔紊流卸压钻杆4、双通道钻头5、钻尾旋转放渣装置3，所述钻尾旋转放渣装置3与钻机上的双通道多孔紊流卸压钻杆4连接，双通道钻头5安装在双通道多孔紊流卸压钻杆4的前端。双通道多孔紊流卸压钻杆4由多孔外钻杆体9、内管10组成。多孔外钻杆体9由内螺纹接头13、多孔杆体12和外螺纹接头11组成，杆体上设置多个小孔16，小孔的形状可设计为圆形、方形或其它形式的多边形，外螺纹接头13、内螺纹接头11可设计为锥形丝扣或平扣。内管10接头连接可设计为丝扣连接或插接式连接，且其外径小于多孔外钻杆体9内径，保证内管10外径与多孔外钻杆体9内径之间形成钻屑排出的外通道15，内管的中空腔体用于进风，为钻进系统的内通道14。双通道钻头由外钻头内螺纹接头17、进气芯管内螺纹接头18、胎体19和合金刀片20组成，接头可设计为锥形丝扣或平扣。进气芯管内螺纹接头18设置于钻头中心一端连接钻杆内管10，另一端与钻头胎体中心通孔连接，形成中心进气通道22；钻头冠部周边设置多个进渣孔，外钻头内螺纹接头17与进气芯管18之间形成回流环形通道21，形成与双通道多孔紊流卸压钻杆相通的排渣外通道15。钻尾旋转放渣装置3由进气接头23、旋转放渣接头25、放渣箱体24组成，旋转放渣接头与多孔外钻杆体9连接并保持同步旋转，实现回转钻进，进气接头23与内管10连接，工作中气流由进气接头23进入内管10到达钻孔孔底，风流携带钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆4与内管10之间形成的环状空间形成的外通道15返出进入与钻尾旋转放渣装置3，旋转放渣接头25上设置放渣口26，钻屑沿放渣口26进入放渣箱24，沿排渣口27进入除尘装置1。

用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法，施工方法包括以下步骤：

完成钻机6、双通道多孔紊流卸压钻杆4、双通道钻头5、孔口除尘装置7及其供风系统安装与连接，利用钻尾旋转放渣装置3将风流送入双通道多孔紊流卸压钻杆4内通道14。施工时，要求双通道钻头5旋转外径与双通道多孔紊流卸压钻杆4外径接近，进风内管10不旋转，旋转放渣接头25与多孔外钻杆体9连接并保持同步旋转，实现回转钻进，在施工初期，会有部分钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆4外部空间排出，粉尘较大，通过在孔口安装孔口除尘装置7，实现排渣降尘，伴随钻进深度的增长，受钻孔收缩的影响，钻屑主要通过双通道多孔紊流卸压钻杆外通道15排出；

参照图8，带压风流通过内管经由双通道钻头内通道22到达孔底，钻头破煤形成的钻屑通过钻头冠部周边进渣孔进入钻头内螺纹接头17与进气芯管18之间形成回流环形通道21，送入双通道多孔紊流卸压钻杆外通道15，排渣在多孔外钻杆体9与内管10之间的环状空间15内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响，钻杆表面的多孔特征，使风流沿钻杆表面的孔16内外穿梭，钻杆表面的钻屑颗粒与气流形成强紊流状态，不仅利于疏散堆积的钻屑，同时有利于钻杆表面散热；

风流将钻头破煤形成的钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆4外通道15返出进入与钻杆尾部连接放渣装置3，旋转放渣接头25上设置放渣口26，钻屑沿放渣口26进入放渣箱24，沿排渣口27进入除尘装置1。

下面介绍一下本发明实施例一双钻杆多孔紊流卸压预防堵塞原理：

参照图8，风流由双通道多孔紊流卸压钻杆内通道14进入，排渣在多孔外钻杆体9与内管10之间的环状空间15内完成，排渣空间受到多孔外钻杆体9的保护，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响；参照图9，在易收缩、破碎的软煤岩钻进过程中，当孔外钻杆体9被包裹时，钻杆表面的多孔特征，使孔壁少量煤渣沿钻杆表面小孔进入外通道15，能够有效释放杆体与煤渣之间形成的应力，降低钻杆旋转的切向摩擦力，且风流沿钻杆表面的多孔16内外穿梭，使钻杆表面的钻屑颗粒与气流形成强紊流状态，钻屑颗粒处于松散运动状态中，有利于预防外通道15内钻屑堆积造成的排渣通道堵塞现象，同时钻屑颗粒与气流形成强紊流状态，有利于钻杆表面散热，可辅助预防钻杆表面高温形成的钻孔瓦斯燃烧、CO中毒及钻杆烧断等孔内事故。

实施例二：如图10～图13所示，与实施例一不同的在于，外钻杆体9的外表面设置了螺旋凸棱28，螺旋凸棱采用焊接螺旋叶片或等离子熔涂工艺，在钻孔严重收缩区或钻穴区，钻杆旋转时，钻杆表面螺旋凸棱形成螺旋输送状态，可实现辅助排渣，同时，有利于钻杆表面散热，避免热量聚集形成的钻具高温；另一方面，钻杆表面的螺旋凸棱可有效提高了孔外钻杆体9的强度，间接延长了钻杆的使用寿命。实施例二的施工方法与实施例一相同。

实施例三：如图14～图17所示，与实施例一、实施例二不同的在于，外钻杆体9的外表面设置了螺旋凹槽29，螺旋凹槽的作用与实例二类似，但其辅助排渣能力较弱，其重要的作用是发挥其在卡钻区域的散热功能，可有效预防卡钻区域形成的钻孔瓦斯燃烧、钻孔CO中毒等孔内事故。实施例三的施工方法与实施例一、实施例二相同。

Claims (7)

1.用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，包括双通道多孔紊流卸压钻杆、双通道钻头、钻尾旋转放渣装置，其特征在于：所述钻尾旋转放渣装置与钻机上的双通道多孔紊流卸压钻杆连接，双通道钻头安装在双通道多孔紊流卸压钻杆的前端。

2.根据权利要求1所述的用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，其特征在于：所述的双通道多孔紊流卸压钻杆由多孔外钻杆体、内管组成。

3.根据权利要求2所述的用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，其特征在于：所述的多孔外钻杆体由外螺纹接头、多孔杆体和内螺纹接头组成，杆体上设置多个小孔，小孔的形状可设计为圆形、方形或其它形式的多边形，外螺纹接头、内螺纹接头可设计为锥形丝扣或平扣，外钻杆体外表面设置为光面、螺旋凹槽或螺旋凸棱。

4.根据权利要求2所述的用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，其特征在于：所述的内管接头连接可设计为丝扣连接或插接式连接，且其外径小于外钻杆体内径，保证内管外径与多孔外钻杆体内径之间形成钻屑排出的外通道，内管的中空腔体用于进风，为钻进系统的内通道。

5.根据权利要求1所述的用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，其特征在于：所述的双通道钻头由外钻头内螺纹接头、进气芯管内螺纹接头、胎体和合金刀片组成，接头可设计为锥形丝扣或平扣；进气芯管设置于钻头中心一端连接钻杆内管，另一端与钻头胎体中心通孔连接，形成中心进气通道；钻头冠部周边设置多个进渣孔，钻头内螺纹接头与进气芯管之间形成回流环形空间，形成与双通道多孔紊流卸压钻杆相通的排渣外通道。

6.根据权利要求1所述的用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，其特征在于：所述的钻尾旋转放渣装置由进气接头、旋转放渣接头、放渣箱体组成，旋转放渣接头与多孔外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进，进气接头与内管连接，工作中气流由进气接头进入内管到达钻孔孔底，风流携带钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆与内管之间形成的环状空间形成的外通道返出进入与钻尾旋转放渣装置，旋转放渣接头上设置放渣口，钻屑沿放渣口进入放渣箱，沿排渣口进入除尘装置。

7.用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法，采用如权利要求1所述的用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具，其特征在于：包括以下步骤：

①. 完成钻机、钻具及其供风系统安装与连接，利用供风装置将风流送入双通道多孔紊流卸压钻杆内通道，工作中进风内管不旋转，旋转放渣接头与多孔外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进；

②. 带压风流通过内管经由双通道钻头内通道到达孔底，将钻头破煤形成的钻屑送入双通道多孔紊流卸压钻杆外通道，排渣在多孔外钻杆体与内管之间的环状空间内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响，钻杆表面的多孔特征，使风流沿钻杆表面的孔间内外穿梭，钻杆表面的钻屑颗粒与气流形成强紊流状态，不仅利于疏散堆积的钻屑，同时有利于钻杆表面散热；

③. 风流将钻头破煤形成的钻屑沿双通道多孔紊流卸压钻杆外通道返出进入与钻杆尾部连接放渣装置，最后渣体进入除尘器，完成排渣和除尘。

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