CN105113987B - 软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法，该装备由定向钻头、孔底马达、无磁变丝接手、无磁钻杆、无磁仪器定位接手、无磁仪器外管、无磁水脉冲发生器、变丝接手、三棱刻槽钻杆、无缆送水器、流量开关、测控短节、电池筒、驱动短节、高压水管、三通接手、压力传感器、通讯电缆、数据处理器和泥浆泵等组成，中硬煤层孔段结合采用滑动定向钻进与复合钻进，松软煤层孔段采用复合钻进，利用压力水脉冲随钻测量装置进行随钻测量，利用孔底马达进行轨迹调控，利用三棱刻槽钻杆进行加强排渣，实现了软硬互层煤层中顺煤层随钻测量定向钻进，提高软硬互层煤层钻孔深度和轨迹调控精度。

Description

软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻进的技术领域，尤其涉及一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法。

背景技术

我国煤矿煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，瓦斯灾害事故频发，严重影响了我国煤炭开采。生产实践表明，利用钻孔抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合治理与利用的常用且有效措施。钻孔的深度和煤层段延伸率是影响瓦斯抽采效果和生产效率的重要因素，钻孔深度增大可提高钻孔的覆盖面积，减少钻孔数量，提高生产效率；煤层段延伸越长，有效孔段越多，瓦斯抽采浓度越高。

根据煤层普氏硬度系数和完整情况可分为松软煤层、中硬煤层和软硬互层煤层。根据钻孔类型可分为高位钻孔、底板钻孔、穿层钻孔和顺煤层钻孔等。

目前中硬煤层瓦斯抽采技术发展迅速，尤其是随钻测量定向钻进技术的研究与推广，实现了钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹顺煤层有效延伸，增长钻孔有效抽采距离，增加钻孔瓦斯抽采量进而提高瓦斯抽采率；同时多分支孔的施工，使钻孔能均匀覆盖整个工作面，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采的优点，能显著地提高煤层瓦斯治理效果，现已成为我国煤矿区中硬煤层瓦斯高效抽采的主要技术途径，最大应用孔深达1881m。

而松软煤层及软硬互层煤层瓦斯抽采钻孔施工一直是困绕我国坑道钻探技术发展的难题。由于松软煤层及软硬互层煤层钻进过程中容易出现喷孔、塌孔和卡钻等情况，我国先后尝试了水力排渣钻进、螺旋钻杆排渣钻进、中风压空气钻进、雾化钻进、泡沫钻进等多种钻进工艺方法，虽然钻孔深度已经可达到200m，但由于均采用传统回转钻进工艺技术施工，主要为穿层钻孔，存在钻孔深度浅、钻孔轨迹不可控制、煤层段较短、钻孔利用率低及单孔瓦斯抽采量小等缺点，不能满足煤矿区瓦斯高效抽采的需求。

根据随钻测量定向钻进技术在中硬煤层瓦斯抽采中的优良应用效果和软硬互层煤层瓦斯抽采钻孔施工难题，国内进行了将随钻测量定向钻进技术引入到松软煤层及软硬互层瓦斯抽采领域的相关研究，但由于现有技术采用滑动定向钻进工艺，利用有线随钻测量装置通过特制的中心通缆式外平钻杆实现信号传输，提高了钻杆加工要求，降低了钻杆强度，排渣效果差，易出现卡埋钻、断钻杆等钻孔事故，无法实现软硬互层煤层顺层定向钻进。虽然2008年发展出梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯技术，即：通过在目标煤层上(下)较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层进行瓦斯抽采，但是由于这种钻孔在煤层中延伸较短，瓦斯抽采效果有待提高。

因此，本发明结合软硬互层煤层瓦斯抽采需要，针对目前煤矿井下随钻测量定向钻进装备及软硬互层煤层常规回转钻进方法存在的不足，研究设计了一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法，克服了上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法，其针对现有施工方法的缺陷：软硬互层煤层无法实现顺煤层定向钻进，而常规回转钻进孔深浅且轨迹不可控，且能提高抽采效果和开采效率。

为解决上述问题，本发明公开了一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备，包括孔内钻具和孔口设备，其特征在于：

所述孔内钻具包含依次连接的定向钻头、孔底马达、无磁变丝接手、无磁钻杆、无磁仪器定位接手、无磁仪器外管、无磁水脉冲发生器、变丝接手、三棱刻槽钻杆和无缆送水器，所述无磁仪器外管内设有随钻测量仪器串；

所述孔口设备包含数据处理器和泥浆泵，所述无缆送水器通过高压水管和三通接手与泥浆泵连接，所述三通接手通过压力传感器连接至数据处理器，所述的泥浆泵未传输信号时泵压跳动幅度小于0.3MPa，传输信号时泵压跳动为0.3～1.0Mpa。

其中：所述三棱刻槽钻杆为内部空心，且钻杆体的外缘设有三个圆弧凸棱，所述钻杆体上刻有排渣槽。

其中：包含通过螺纹连接的多根三棱刻槽钻杆，且每两根三棱刻槽钻杆连接后各三棱刻槽钻杆的排渣槽相互连通。

其中：流量开关、测控短节、电池筒和驱动短节依次连接组成随钻测量仪器串，前端的流量开关固定于无磁仪器定位接手，后端的驱动短节由无磁水脉冲发生器限位且具有1～2cm的活动空间，从而保证整个随钻测量仪器串前后窜动不会发生脱键。

还公开了一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进的施工方法，包含如下步骤：

步骤一：煤层预分层，根据煤层普氏硬度系数和完整情况可将煤层分为两种：其中，普氏硬度系数不小于1的较完整煤层为中硬煤层孔段；普氏硬度系数小于1或破碎煤层为松软煤层孔段；

步骤二：轨迹设计，根据煤层起伏情况和煤层硬度确定定向钻孔的轨迹，将钻孔轨迹尽可能布置在中硬煤层孔段中，并获得从开孔点起每隔3m时的钻孔轨迹设计倾角、方位角、左右位移和上下位移等钻孔轨迹参数；

步骤三：开孔操作，从孔口进行开孔，并下入套管封固孔口；

步骤四：钻进操作，连接好孔口设备，下入孔内钻具，回次钻进结束后，进行随钻测量操作，钻进的同时获得钻孔实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移；

步骤五：纠偏，在钻进时，通过获得的钻孔实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移与钻孔设计轨迹比对，以将钻孔实际轨迹至与设计轨迹相符，从而完成整个钻孔操作。

其中：在步骤二中，根据钻孔设计倾角和方位角是否变化可将设计的钻孔轨迹分为两种：倾角和方位角均不变的为稳斜孔段，倾角或方位角变化的为造斜孔段；在步骤三中，根据钻孔实钻倾角、方位角、左右位移、上下位移与设计值的偏差情况将钻孔实际轨迹分为两种：实钻钻钻孔倾角和方位角与设计值偏差均小于3°，且实钻左右位移和上下位移与设计值偏差均小于1m，为保直孔段，否则为纠斜孔段；在步骤五中，当钻孔轨迹为松软煤层孔段时，采用复合钻进；当钻孔轨迹处于中硬煤层孔段时，并同时处于稳斜孔段和保直孔段时，采用复合钻进，否则采用滑动定向钻进。

其中：所述滑动定向钻进是指钻进过程中定向钻机不回转三棱刻槽钻杆而仅向孔内钻具施加钻压，孔底马达的工具面稳定至合适方向不变，泥浆泵提供高压水流驱动孔底马达带动孔底马达转子和定向钻头回转。

其中：复合钻进是指钻进过程中定向钻机回转三棱刻槽钻杆并向孔内钻具施加钻压，孔底马达的工具面方向连续变化，同时泥浆泵提供高压水流驱动孔底马达带动孔底马达转子和定向钻头快速回转碎岩。

其中：复合钻进时定向钻头的回转速度为定向钻机回转三棱刻槽钻杆的速度与孔底马达转子回转速度的叠加，其中定向钻机回转三棱刻槽钻杆的速度为30～50r/min，孔底马达转子回转速度为160～375r/min。

通过上述结构可知，本发明的软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备及其施工方法具有如下效果：

1、通过压力水脉冲随钻测量装置进行随钻测量，提高了信号传输可靠性，降低对钻杆的要求，使三棱刻槽钻杆应用于定向钻进成为可行；

2、利用孔底马达进行轨迹调控的同时采用三棱刻槽钻杆进行加强排渣，实现了软硬互层煤层中顺煤层随钻测量定向钻进，提高软硬互层煤层钻孔深度和轨迹调控精度，进而提高软硬互层煤层瓦斯抽采效果。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备的示意图。

图2显示了本发明施工方法的示例图。

附图标记：

定向钻头1、孔底马达2、无磁变丝接手3、无磁钻杆4、无磁仪器定位接手5、无磁仪器外管6、无磁水脉冲发生器7、变丝接手8、三棱刻槽钻杆9、无缆送水器10、流量开关11、测控短节12、电池筒13、驱动短节14、高压水管15、三通接手16、压力传感器17、通讯电缆18、数据处理器19、泥浆泵20。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备。

所述软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进装备包括孔内钻具和孔口设备，其中孔内钻具包含依次连接的定向钻头1、孔底马达2、无磁变丝接手3、无磁钻杆4、无磁仪器定位接手5、无磁仪器外管6、无磁水脉冲发生器7、变丝接手8、三棱刻槽钻杆9和无缆送水器10，优选各部件采用螺纹进行连接，其中，所述无磁仪器外管内设有随钻测量仪器串，所述随钻测量仪器串包含依次连接的流量开关11、测控短节12、电池筒13和驱动短节14；所述孔口设备可包含数据处理器19和泥浆泵20，所述无缆送水器10通过高压水管15和三通接手16与泥浆泵20连接，所述三通接手16的另一通接口通过压力传感器17和通讯电缆18连接至数据处理器19。

可选的是，所述三棱刻槽钻杆9为内部空心，且钻杆体的外缘设有三个圆弧凸棱，所述钻杆体上刻有排渣槽，其中，还可包含通过螺纹连接的多根三棱刻槽钻杆9，且每两根三棱刻槽钻杆9连接后各三棱刻槽钻杆9的排渣槽相互连通。

可选的是，所述泥浆泵20未传输信号时泵压跳动幅度小于0.3MPa，传输信号时泵压跳动为0.3～1.0MPa。

可选的是，所述的三通接手16可通过螺纹连接在无缆送水器10和泥浆泵20之间的合适位置，所述三通接手16另一通接口通过螺纹连接所述压力传感器17。

可选的是，所述的流量开关11、测控短节12、电池筒13和驱动短节14依次连接组成的随钻测量仪器串，前端的流量开关通过座键固定于无磁仪器定位接手5，以限制随钻测量仪器串的径向转动，后端的驱动短节14由无磁水脉冲发生器7限位，在驱动短节14和无磁水脉冲发生器7之间具有1～2cm的活动空间，从而保证整个随钻测量仪器串前后窜动不会发生脱键。

本发明的随钻测量定向钻进装备通过各部件的合适设置和相互配合，通过采用流量开关、测控短节、电池筒、驱动短节、无磁水脉冲发射器、压力传感器和数据处理器组成的压力水脉冲随钻测量装置进行随钻测量，提高了信号传输可靠性，降低对钻杆的要求，使三棱刻槽钻杆应用于定向钻进成为可行；所述孔底马达设置于定向钻头后端，可通过孔底马达进行钻孔轨迹调控，同时采用中部的三棱刻槽钻杆进行加强排渣，实现了软硬互层煤层中顺煤层随钻测量定向钻进；由此，在各部件的共同作用下提高软硬互层煤层钻孔深度和轨迹调控精度，进而提高软硬互层煤层瓦斯抽采效果。

而本发明还包含软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进的施工方法(该方法可通过上述设备实现)，该施工方法的步骤如下：

步骤一：煤层预分层，根据煤层普氏硬度系数和完整情况可将煤层分为两种：其中，普氏硬度系数不小于1的较完整煤层为中硬煤层孔段；普氏硬度系数小于1或破碎煤层为松软煤层孔段；

可选的是，煤层的情况可根据前期勘探资料进行确定，也可根据钻孔轨迹在煤层中的位置判断，参见图2，即在设计时根据已探明资料进行煤层分类，钻进时根据实钻轨迹与设计轨迹偏差调整实钻轨迹；

步骤二：轨迹确定，根据煤层起伏情况和煤层硬度确定定向钻孔的轨迹，将钻孔轨迹尽可能布置在中硬煤层孔段中，并获得从开孔点起每隔3m时的钻孔轨迹设计倾角、方位角、左右位移和上下位移等钻孔轨迹参数；

可选的是，钻孔轨迹参数的具体设计方法为：从钻孔设计轨迹平面图上获得钻孔轨迹设计方位角，从钻孔设计轨迹剖面图上获得设计倾角；将设计方位角和设计倾角代入钻孔轨迹计算公式，获得钻孔设计左右位移和上下位移等钻孔轨迹参数。(钻孔轨迹设计和参数获取在本行业中且有相关行业标准，无须详细展开具体操作。)

可选的是，根据钻孔设计倾角和方位角是否变化可将设计的钻孔轨迹分为两种：倾角和方位角均不变的为稳斜孔段，倾角或方位角变化的为造斜孔段。

步骤三：开孔操作，从孔口进行开孔，即可根据设计开孔倾角和方位角仅采用定向钻头1与三棱刻槽钻杆9回转钻进9m，然后提钻更换扩孔钻头扩孔至9m，再下入孔口管并密封，完成开孔操作；

步骤四：钻进操作，连接好孔口设备，下入孔内钻具，回次钻进结束后，进行随钻测量操作，钻进的同时获得钻孔实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移；

可选的是，根据钻孔实钻倾角、方位角、左右位移、上下位移与设计值的偏差情况将实际钻孔轨迹分为两种：实钻钻钻孔倾角和方位角与设计值偏差均小于3°，且实钻左右位移和上下位移与设计值偏差均小于1m，为保直孔段，否则为纠斜孔段；

步骤五：纠偏，在钻进时，通过获得的钻孔实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移与设计钻孔轨迹比对，以将实际钻孔轨迹至与设计轨迹相符，从而完成整个钻孔操作。

可选的是，当钻孔轨迹为松软煤层孔段时，采用复合钻进；当钻孔轨迹处于中硬煤层孔段时，并同时处于稳斜孔段和保直孔段时，采用复合钻进，否则采用滑动定向钻进，以将钻孔轨迹纠正至与设计钻孔轨迹相符，参见图2。

其中，在钻进操作中可采用水脉冲方式进行随钻测量和信号传输，其具体过程为：回次钻进结束后，关泵泥浆泵20，流量开关11关闭并将泥浆泵20的停泵状态发给测控短节12，测控短节12启动测量倾角、方位角和工具面向角等钻孔轨迹参数；泥浆泵20关闭30s后，开启泥浆泵20，流量开关11打开并将泥浆泵20的开泵状态发给测控短节12，测控短节12将测量的钻孔轨迹参数数据编码并发送至驱动短节14，驱动短节14内电磁阀按照数据编码工作，控制无磁水脉冲发生器7开关，从而控制钻杆内流通面积，调节钻进用清水的流动阻力，从而在泥浆泵出水口产生相应的压力正脉冲，利用压力传感器17采集到泵压脉冲信号，通过通讯电缆18传递给数据处理器19，数据处理器19进行解码，计算出实钻钻孔倾角、方位角、左右位移和上下位移等参数，并绘制实钻钻孔轨迹图。

其中，所述滑动定向钻进是指钻进过程中定向钻机不回转三棱刻槽钻杆9而仅向孔内钻具施加钻压，孔底马达2的工具面稳定至合适方向不变，泥浆泵20提供高压水流驱动孔底马达2带动孔底马达2转子和定向钻头1快速回转。

其中，复合钻进是指钻进过程中定向钻机回转三棱刻槽钻杆9并向孔内钻具施加钻压，孔底马达2的工具面方向连续变化，同时泥浆泵20提供高压水流驱动孔底马达2带动孔底马达2转子和定向钻头1快速回转碎岩，复合钻进时定向钻头1的回转速度为定向钻机回转三棱刻槽钻杆9的速度与孔底马达2转子回转速度的叠加，其中定向钻机回转三棱刻槽钻杆9的速度为30～50r/min，孔底马达2转子回转速度为160～375r/min。

参见图2，在煤巷内钻场设计了一个软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻孔的具体操作过程，设计钻孔轨迹以在中硬煤层中延伸为主，其中设计轨迹的AD、EF、GH为中硬煤层孔段，DE、FG为松软煤层孔段；AB、CH为稳斜孔段，BC为造斜孔段。按该设计轨迹进行随钻测量定向钻进，实钻轨迹的de、gh孔段为松软煤层孔段，采用复合钻进工艺施工；ab、cd、ef、jk既是中硬煤层孔段，同时又是保直孔段和稳斜孔段，采用复合钻进工艺施工；bc、fg、hj既是中硬煤层孔段，又是纠斜孔段或造斜孔段，采用复合钻进工艺施工，由此，顺利完成煤巷内钻场的快速高效施工。

尽管本发明较多地使用了定向钻头1、孔底马达2、无磁变丝接手3、无磁钻杆4、无磁仪器定位接手5、无磁仪器外管6、无磁水脉冲发生器7、变丝接手8、三棱刻槽钻杆9、无缆送水器10、流量开关11、测控短节12、电池筒13、驱动短节14、高压水管15、三通接手16、压力传感器17、通讯电缆18、数据处理器19、泥浆泵20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种软硬互层煤层顺层随钻测量定向钻进设备的施工方法，所述钻进装备包括孔内钻具和孔口设备，所述孔内钻具包含依次连接的定向钻头、孔底马达、无磁变丝接手、无磁钻杆、无磁仪器定位接手、无磁仪器外管、无磁水脉冲发生器、变丝接手、三棱刻槽钻杆和无缆送水器，所述无磁仪器外管内设有随钻测量仪器串；所述孔口设备包含数据处理器和泥浆泵，所述无缆送水器通过高压水管和三通接手与泥浆泵连接，所述三通接手通过压力传感器连接至数据处理器，所述的泥浆泵未传输信号时泵压跳动幅度小于0.3MPa，传输信号时泵压跳动为0.3～1.0Mpa，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：煤层预分层，根据煤层普氏硬度系数和完整情况可将煤层分为两种：其中，普氏硬度系数不小于1的较完整煤层为中硬煤层孔段；普氏硬度系数小于1或破碎煤层为松软煤层孔段；

步骤二：轨迹设计，根据煤层起伏情况和煤层硬度确定定向钻孔的轨迹，将钻孔轨迹尽可能布置在中硬煤层孔段中，并获得从开孔点起每隔3m时的钻孔轨迹设计倾角、方位角、左右位移和上下位移等钻孔轨迹参数，根据钻孔设计倾角和方位角是否变化可将设计的钻孔轨迹分为两种：倾角和方位角均不变的为稳斜孔段，倾角或方位角变化的为造斜孔段；

步骤三：开孔操作，从孔口进行开孔，并下入套管封固孔口，根据钻孔实钻倾角、方位角、左右位移、上下位移与设计值的偏差情况将钻孔实际轨迹分为两种：实钻钻孔倾角和方位角与设计值偏差均小于3°，且实钻左右位移和上下位移与设计值偏差均小于1m，为保直孔段，否则为纠斜孔段；

步骤四：钻进操作，连接好孔口设备，下入孔内钻具，回次钻进结束后，进行随钻测量操作，钻进的同时获得钻孔实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移；

步骤五：纠偏，在钻进时，通过获得的钻孔实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移与钻孔设计轨迹比对，以将钻孔实际轨迹至与设计轨迹相符，从而完成整个钻孔操作，当钻孔轨迹为松软煤层孔段时，采用复合钻进；当钻孔轨迹处于中硬煤层孔段时，并同时处于稳斜孔段和保直孔段时，采用复合钻进，否则采用滑动定向钻进，所述滑动定向钻进是指钻进过程中定向钻机不回转三棱刻槽钻杆而仅向孔内钻具施加钻压，孔底马达的工具面稳定至合适方向不变，泥浆泵提供高压水流驱动孔底马达带动孔底马达转子和定向钻头回转，所述复合钻进是指钻进过程中定向钻机回转三棱刻槽钻杆并向孔内钻具施加钻压，孔底马达的工具面方向连续变化，同时泥浆泵提供高压水流驱动孔底马达带动孔底马达转子和定向钻头快速回转碎岩。

2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：复合钻进时定向钻头的回转速度为定向钻机回转三棱刻槽钻杆的速度与孔底马达转子回转速度的叠加，其中定向钻机回转三棱刻槽钻杆的速度为30～50r/min，孔底马达转子回转速度为160～375r/min。

3.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：所述三棱刻槽钻杆为内部空心，且钻杆体的外缘设有三个圆弧凸棱，所述钻杆体上刻有排渣槽。

4.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：包含通过螺纹连接的多根三棱刻槽钻杆，且每两根三棱刻槽钻杆连接后各三棱刻槽钻杆的排渣槽相互连通。

5.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：流量开关、测控短节、电池筒和驱动短节依次连接组成随钻测量仪器串，前端的流量开关固定于无磁仪器定位接手，后端的驱动短节由无磁水脉冲发生器限位且具有1～2cm的活动空间，从而保证整个随钻测量仪器串前后窜动不会发生脱键。