CN104314482B - 用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法，包括封闭式螺旋护孔钻杆、螺旋导渣钻头，螺旋导渣钻头安装在封闭式螺旋护孔钻杆的前端，本发明主要应用于软弱、破碎煤岩层钻探工程。其使用方法：完成钻机、封闭式螺旋护孔钻杆、螺旋导渣钻头、孔口放渣装置安装与连接，启动钻机，螺旋导渣钻头破煤钻进，钻屑沿钻头导渣螺旋槽导入封闭式螺旋护孔钻杆螺旋排渣空间内，通过螺旋叶片的摩擦力将钻屑排出孔外。本发明设计新颖，通过螺旋叶片结构创新，使其具有护孔功能，钻屑在受保护空间内运移，免受钻孔变形、塌孔的影响，克服了常规套管钻具钻进阻力大、排渣效率低等问题。

Description

用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿井下软弱、破碎煤岩层钻探工程技术领域，具体涉及一种用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法。

背景技术

钻孔施工是井下瓦斯抽采的关键技术，对于松软、破碎、复合应力耦合的难钻低渗煤层，受地应力、瓦斯压力、构造应力及钻杆扰动等因素影响，钻孔变形量大，钻孔易失稳破坏，钻孔容易发生堵塞，钻孔堵塞段区域形成的摩擦阻力将影响钻杆的旋转和移动，最终导致钻孔施工无法进行。解决松软、破碎煤岩层的钻进问题，应从护孔和降低钻进阻力两方面着手，目前，常规的套管钻具，配套钻具分为外管、内管、小口径管，当外管被卡死后，内管作为外管使用，内管中再插入小口径管继续分段钻进，实践表明，应用该钻具施工，多数钻孔深度仅50～100m，且该钻机配套设备庞大，需要较大钻场，难以适应井下条件，钻进工艺相对复杂，钻进效率偏低，未进一步推广应用。因此，为了解决松软、破碎煤岩层的钻进难题，应开发一种新型的护孔钻具及其施工工艺。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，通过螺旋叶片结构创新，使其具有护孔功能，钻屑在受保护空间内运移，免受钻孔变形、塌孔的影响，克服了常规套管钻具钻进阻力大、排渣效率低等问题，提供一种护孔效果好、有利于改善软煤岩钻进效果的用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具，包括封闭式螺旋护孔钻杆、螺旋导渣钻头，所述螺旋导渣钻头安装在封闭式螺旋护孔钻杆的前端；封闭式螺旋护孔钻杆由封闭式螺旋护孔叶片、多棱钻杆体组成；封闭式螺旋护孔叶片由螺旋叶顶、螺旋叶柄组成，螺旋叶顶宽度大于螺旋叶柄宽度，螺旋叶顶和螺旋叶柄结构设计为无孔或有孔两种结构方式，螺旋叶顶连接起来，形成封闭护孔空间，螺旋叶柄之间形成排渣空间，且螺旋叶柄设有凹槽；多棱钻杆体由钻杆体、直线凸棱条组成，直线凸棱条固定于钻杆体表面，并与螺旋叶柄凹槽相配合，钻杆体由凹接头、凸接头、圆杆体组成，凹接头、凸接头固定于圆杆体两端，多棱钻杆体连接起来，其内腔形成流体通道。

所述螺旋导渣钻头由芯杆、导渣螺旋叶片组成。芯杆一端设有芯杆接头，另一端设置锥面结构，芯杆接头与封闭式螺旋护孔钻杆连接，导渣螺旋叶片固定在芯杆上，其叶片最大外圆直径大于封闭式螺旋护孔钻杆直径，叶片最大外圆切线形成弧形过渡趋势。

用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法，包括以下步骤：

①.测试施工地点煤层钻屑量指标，确定排渣方法。对施工地点打直径42mm钻孔，当钻屑量S＜6kg/m时，不需通风辅助排渣，封闭式螺旋护孔叶片的螺旋叶柄无需设置孔结构；当钻屑量S≥6kg/m时，钻杆尾部需连接供风管，实施通风辅助排渣，封闭式螺旋护孔叶片的螺旋叶柄需设置孔结构；

②.完成钻机、封闭式螺旋护孔钻杆、螺旋导渣钻头、孔口放渣装置安装与连接，钻机上需安装1根圆钻杆，该圆钻杆前端连接封闭式螺旋护孔钻杆，螺旋导渣钻头安装在封闭式螺旋护孔钻杆的前端；

③.启动钻机，钻机夹持圆钻杆，将动力传递给封闭式螺旋护孔钻杆，并带动螺旋导渣钻头破煤钻进，钻头破煤形成的钻屑由螺旋导渣钻头芯杆上的导渣螺旋叶片排入封闭式螺旋护孔钻杆的螺旋排渣空间内，依靠螺旋叶片的摩擦力或结合风力辅助将钻屑向外排出，钻屑进入孔口放渣装置，实现降尘；

④.钻孔达到设计深度后，将孔内的封闭式螺旋护孔钻杆退出，准备下一个钻孔施工。

采用上述技术方案，通过螺旋叶片结构创新，封闭式螺旋护孔叶片螺旋叶顶之间相连形成封闭的螺旋排渣空间，使其具有护孔功能，钻屑在受保护空间内运移，免受钻孔变形、塌孔的影响，同时，由于螺旋叶顶、螺旋叶柄相连，且螺旋叶柄固定在多棱钻杆体上，使护孔空间与排渣通道融为一体，该钻具结构的创新，克服了常规套管钻具装备庞大、工艺繁琐、钻进阻力大、排渣效率低等问题。对于软弱煤岩体钻孔施工，钻孔变形量大，钻屑量高，钻进阻力大，排渣效率低，可在封闭式螺旋护孔叶片的螺旋叶柄设置孔结构，实施通风辅助排渣，提高排渣效率，此外，可在封闭式螺旋护孔叶片螺旋叶顶上设置孔结构，降低钻杆的旋转阻力。可见，本发明用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法，针对煤矿井下软弱、破碎煤岩层钻探工程存在的技术难题，通过钻具结构创新，针对不同地质条件煤层，形成系列护孔钻具，有利于提高软弱、破碎煤岩钻孔深度和钻进效率。

附图说明

图1是本发明工作状态的结构示意图；

图2是本发明实施例一的结构示意图；

图3是本发明封闭式螺旋护孔叶片剖视图；

图4是图3的右视图；

图5是本发明多棱钻杆体的剖视图；

图6是图5的右视图；

图7是本发明螺旋导渣钻头剖视图；

图8是本发明封闭式螺旋护孔钻杆与螺旋导渣钻头连接图；

图9是本发明实施例二的结构示意图；

图10是图9的右视图；

图11是本发明实施例三的结构示意图；

图12是图11的右视图；

图13是本发明实施例四的结构示意图；

图14是本发明实施例五的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：如图1～图8所示，本发明的用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法，包括封闭式螺旋护孔钻杆4、螺旋导渣钻头5，螺旋导渣钻头5安装在封闭式螺旋护孔钻杆4的前端。封闭式螺旋护孔钻杆4由封闭式螺旋护孔叶片9、多棱钻杆体10组成。封闭式螺旋护孔叶片9由螺旋叶顶901、螺旋叶柄902组成，螺旋叶顶901宽度大于螺旋叶柄902宽度，螺旋叶顶901和螺旋叶柄902结构设计为无孔或有孔两种结构方式，螺旋叶顶901连接起来，形成封闭护孔空间，螺旋叶柄之间形成排渣空间，且螺旋叶柄设有凹槽903。多棱钻杆体10由钻杆体11、直线凸棱条12组成，直线凸棱条12固定于钻杆体11表面，并与螺旋叶柄凹槽903相配合，钻杆体11由凹接头1101、凸接头1103、圆杆体1102组成，凹接头1101、凸接头1103固定于圆杆体1102两端，多棱钻杆体10连接起来，其内腔形成流体通道。螺旋导渣钻头5由芯杆13、导渣螺旋叶片14组成。芯杆13一端设有芯杆接头1301，另一端设置锥面结构1302，芯杆接头1301与封闭式螺旋护孔钻杆4连接，导渣螺旋叶片14固定在芯杆13上，其叶片最大外圆直径大于封闭式螺旋护孔钻杆直径，叶片最大外圆切线形成弧形过渡趋势。

用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法，包括以下步骤：

①.测试施工地点煤层钻屑量指标，确定排渣方法。对施工地点打直径42mm钻孔，当钻屑量S＜6kg/m时，不需通风辅助排渣，封闭式螺旋护孔叶片9的螺旋叶柄902无需设置孔结构；当钻屑量S≥6kg/m时，钻杆尾部需连接供风管，实施通风辅助排渣，封闭式螺旋护孔叶片9的螺旋叶柄902需设置孔结构；

②.完成钻机6、封闭式螺旋护孔钻杆4、螺旋导渣钻头5、孔口放渣装置7安装与连接，钻机6上需安装1根圆钻杆3，该圆钻杆3前端连接封闭式螺旋护孔钻杆4，螺旋导渣钻头5安装在封闭式螺旋护孔钻杆4的前端；

③.启动钻机6，钻机6夹持圆钻杆3，将动力传递给封闭式螺旋护孔钻杆4，并带动螺旋导渣钻头5破煤钻进，钻头破煤形成的钻屑由螺旋导渣钻头5芯杆13上的导渣螺旋叶片14排入封闭式螺旋护孔钻杆4的螺旋排渣空间内，依靠螺旋叶片的摩擦力或结合风力辅助将钻屑向外排出，钻屑进入孔口放渣装置7，实现降尘；

④.钻孔达到设计深度后，将孔内的封闭式螺旋护孔钻杆4退出，准备下一个钻孔施工。

下面介绍一下本发明实施例一封闭式螺旋护孔钻具应用原理：

通过螺旋叶片结构创新，封闭式螺旋护孔叶片9螺旋叶顶901之间相连形成封闭的螺旋排渣空间，使其具有护孔功能，钻屑在受保护空间内运移，免受钻孔变形、塌孔的影响，同时，由于螺旋叶顶901、螺旋叶柄902相连，且螺旋叶柄902固定在多棱钻杆体10上，使护孔空间与排渣通道融为一体，该钻具结构的创新，克服了常规套管钻具装备庞大、工艺繁琐、钻进阻力大、排渣效率低等问题。对于极为软弱的煤岩体钻孔施工，钻孔变形量大，钻屑量高，钻进阻力大，排渣效率低，该条件下，可在封闭式螺旋护孔叶片9的螺旋叶柄902设置孔结，实施通风辅助排渣，提高排渣效率，此外，可在封闭式螺旋护孔叶片9的螺旋叶顶901上设置孔结构，从而降低钻杆的旋转阻力。

实施例二：如图9、图10所示，与实施例一不同的在于，改变了钻杆接头的连接方式，插接式凸接头1105设计为六方结构，插接式凹接头1104上设置为与插接式凸接头1105相对应的内六方结构，插接式连接，可实现钻杆的反转。

实施例三：如图11、图12所示，与实施例一不同的在于，在螺旋叶柄902上设置圆孔结构15，在封闭式螺旋护孔叶片9的螺旋叶柄902之间形成排渣通道，应用该结构钻杆，胶管1一端与巷道供风管相连，另一端连接钻尾供风器2，实施通风辅助排渣，提高排渣效率。

实施例四：如图13所示，与实施例一不同的在于，在螺旋叶顶901上设置圆孔结构16，减小了钻孔壁与封闭式螺旋护孔钻杆4之间的接触面积，从而降低钻杆的钻进及旋转阻力，有利于充分发挥钻机的最大功效。

实施例五：如图14所示，结合实施例三、实施例四，在螺旋叶柄902上设置圆孔结构15，同时在螺旋叶顶901上设置圆孔结构16，能够同时发挥实施例三、实施例四两种结构钻具的优势。

Claims (3)

1.用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具，包括封闭式螺旋护孔钻杆、螺旋导渣钻头，其特征在于：所述螺旋导渣钻头安装在封闭式螺旋护孔钻杆的前端；封闭式螺旋护孔钻杆由封闭式螺旋护孔叶片、多棱钻杆体组成；封闭式螺旋护孔叶片由螺旋叶顶、螺旋叶柄组成，螺旋叶顶宽度大于螺旋叶柄宽度，螺旋叶顶和螺旋叶柄结构设计为无孔或有孔两种结构方式，螺旋叶顶连接起来，形成封闭护孔空间，螺旋叶柄之间形成排渣空间，且螺旋叶柄设有凹槽；多棱钻杆体由钻杆体、直线凸棱条组成，直线凸棱条固定于钻杆体表面，并与螺旋叶柄凹槽相配合，钻杆体由凹接头、凸接头、圆杆体组成，凹接头、凸接头固定于圆杆体两端。

2.根据权利要求1所述的用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具，其特征在于：所述螺旋导渣钻头由芯杆、导渣螺旋叶片组成，芯杆一端设有芯杆接头，另一端设置锥面结构，芯杆接头与封闭式螺旋护孔钻杆连接，导渣螺旋叶片固定在芯杆上，其叶片最大外圆直径大于封闭式螺旋护孔钻杆直径，叶片最大外圆切线形成弧形过渡趋势。

3.用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法，采用如权利要求1所述的用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具，其特征在于：包括以下步骤：

①.测试施工地点煤层钻屑量指标，确定排渣方法，对施工地点打直径42mm钻孔，当钻屑量S＜6kg/m时，不需通风辅助排渣，封闭式螺旋护孔叶片的螺旋叶柄无需设置孔结构；当钻屑量S≥6kg/m时，钻杆尾部需连接供风管，实施通风辅助排渣，封闭式螺旋护孔叶片的螺旋叶柄需设置孔结构；

②.完成钻机、封闭式螺旋护孔钻杆、螺旋导渣钻头、孔口放渣装置安装与连接，钻机上需安装1根圆钻杆，该圆钻杆前端连接封闭式螺旋护孔钻杆，螺旋导渣钻头安装在封闭式螺旋护孔钻杆的前端；

③.启动钻机，钻机夹持圆钻杆，将动力传递给封闭式螺旋护孔钻杆，并带动螺旋导渣钻头破煤钻进，钻头破煤形成的钻屑由螺旋导渣钻头芯杆上的导渣螺旋叶片排入封闭式螺旋护孔钻杆的螺旋排渣空间内，依靠螺旋叶片的摩擦力或结合风力辅助将钻屑向外排出，钻屑进入孔口放渣装置，实现降尘；

④.钻孔达到设计深度后，将孔内的封闭式螺旋护孔钻杆退出，准备下一个钻孔施工。