CN105401893B - 用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆，包括护孔螺旋叶片、助排螺旋叶片、中空钻杆体，助排螺旋叶片高度低于护孔螺旋叶片高度，护孔螺旋叶片截面设计为外宽内窄结构。本发明依靠护孔螺旋叶片外侧的宽叶片结构，对软弱煤岩层钻孔壁起到护孔作用，有效避免了钻孔变形引起的排渣通道堵塞，钻屑在护孔螺旋叶片的保护下排出；助排螺旋叶片能够增加钻杆的排渣能力，预防护孔螺旋叶片下形成钻屑堆积堵塞。本发明设计新颖，护孔螺旋叶片具有护孔和排渣双重作用，同时，护孔螺旋叶片之间形成的间隔式护孔空间，具有卸压作用，减少了护孔管壁与钻孔壁的接触面积，降低了钻杆的旋转阻力，可降低卡钻发生的概率，提高钻进深度和钻进效率。

Description

用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆

技术领域

本发明属于煤矿复杂条件煤层钻孔施工、软弱破碎岩层钻探工程等技术领域，具体涉及一种用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆。

背景技术

软煤岩钻孔施工困难是公认世界性难题。钻孔施工过程中，由于煤岩体强度低，钻孔孔壁变形量大，局部易失稳破坏，钻孔内易形成钻屑堆积并致使钻孔堵塞，钻孔失去排渣空间后，钻孔施工难以进行。近10年，我国煤矿企业和钻进装备生产单位投入了大量的人力和财力，整体上，钻进装备趋于大功率、高扭矩，机械化程度高。许多煤炭企业过于倾向钻进装备在松软煤层钻进中的作用，为解决松软煤层钻进问题，消耗大量资金，引入国外千米钻机，但并未达到预期使用效果。解决软煤岩钻进难题，不应只注重“孔外装备”的发展，同时也应注重钻杆、钻头等“孔内装备”的研究。科研及工程技术人员针对软煤岩钻进发展了双套管钻具，该钻具存在两方面问题：一方面，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；另一方面，在软煤岩区域施工钻孔时，钻孔变形量大，作为起护孔作用的外管与钻孔壁完全接触，其摩擦阻力大，钻进过程中，卡钻、断钻现象频繁，致使钻孔深度浅、钻进效率低。因此，常规的双套管钻具并不适用于地质条件复杂的软煤岩区域，急需开发一种新型钻具，即具有护孔功能，同时又能够有效降低钻杆的旋转阻力，间接降低钻机动力损耗。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，结合现有常规护孔钻具在使用中存的问题，充分发挥螺旋幅的机械排渣原理，通过螺旋幅的结构创新，将护孔功能与钻进排渣融为一体，提供一种护孔效果好、排渣效率高、有利于提高钻进深度和效率的用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆，包括护孔螺旋叶片、助排螺旋叶片、中空钻杆体，所述护孔螺旋叶片、助排螺旋叶片和中空钻杆体同轴，护孔螺旋叶片和助排螺旋叶片固定在中空钻杆体上；护孔螺旋叶片由叶顶、叶柄组成，叶顶宽度L₁大于叶柄宽度L₂，叶顶宽度L₁为叶柄宽度L₂的2～10倍；护孔螺旋叶片，叶柄结构设计为无排渣孔或设置排渣孔两种方式；助排螺旋叶片高度H₂低于护孔螺旋叶片高度H₁，助排螺旋叶片高度H₂取值范围为：0m≤H₂≤0.4m，护孔螺旋叶片高度H₁为助排螺旋叶片高度H₂的2～8倍。

所述的中空钻杆体由中空凹接头、中空圆杆体、中空凸接头组成，中空凹接头和中空凸接头固定在中空圆杆体的两端，中空凹接头和中空凸接头设计为螺纹连接或插接式连接，中空钻杆体连接起来，其内腔形成流体通道。

采用上述结构，通过改变护孔螺旋叶片结构，调整叶顶与叶柄宽度，是否在护孔螺旋叶片上设置排渣孔，从而改变护孔面积和排渣方式，可形成系列不同类型钻杆。在地应力大、瓦斯压力大、煤岩坚固性系数f≤0.5区域，钻孔变形量大，且煤炮、喷孔等瓦斯动力现象频繁，钻头破煤形成的钻屑量是常规钻进的数倍，钻屑极易堆积并形成钻孔堵塞，该条件下，增大叶顶与叶柄宽度比，尽量扩大护孔面积，同时在护孔螺旋叶片的叶柄上设置较大面积的排渣孔，并通过压风进行辅助排渣，护孔螺旋叶片的排渣孔之间形成排渣通道，有效缓解钻孔堵塞问题，可实现提高钻进深度和效率的目标；在煤岩坚固性系数0.5<f≤1区域，很多煤层为软硬复合煤层或复合破碎煤层，该条件煤层，钻孔变形及稳定性有所改善，可适当降低叶顶与叶柄宽度比，从而减少护孔面积，间接减小钻杆的旋转阻力，同时在护孔螺旋叶片的叶柄上设置较小面积排渣孔，该排渣孔主要用于释放叶片之间堵塞段的挤压应力，从而预防叶片破损，同时有利于堵塞段的疏通；在煤岩坚固性系数1<f≤1.5区域，该条件下，尽管钻孔的变形量有所降低，但受地应力、瓦斯压力及构造应力等因素作用，钻孔的稳定性仍然较差，钻孔局部易失稳破坏形成钻孔堵塞，因此，依然有必要应用本发明的护孔钻杆，根据施工地点的地质条件及钻孔设计参数，可进一步降低叶顶与叶柄宽度比，合理的确定护孔面积，从而降低钻机的动力损耗，充分发挥钻机的最大钻探能力。可见，本发明螺旋卸压护孔钻杆，针对软煤岩钻进困难的技术问题，通过结构创新，钻杆实现了护孔和辅助排渣功能，解决了制约软煤岩钻进的瓶颈问题，有利于提高软煤岩钻孔深度，提高钻进效率及成孔率，值得在煤矿企业推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1的局部放大图Ⅰ；

图4是常规圆钻杆钻孔堵塞示意图；

图5是常规螺旋钻杆钻孔堵塞示意图；

图6是本发明实施时排渣原理示意图；

图7是本发明实施例二的结构示意图；

图8是图7的局部放大图Ⅱ；

图9是本发明实施例三的结构示意图；

图10是图9的右视图；

图11是本发明实施例四的结构示意图；

图12是图11的右视图；

图13是本发明实施例五的结构示意图；

图14是本发明实施例六的结构示意图；

图15是本发明实施例七的结构示意图；

图16是本发明实施例八的结构示意图；

图17是本发明实施例九的结构示意图；

图18是本发明实施例十的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：如图1～图4所示，本发明的用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆，包括护孔螺旋叶片1、助排螺旋叶片2、中空钻杆体3，所述护孔螺旋叶片1、助排螺旋叶片2和中空钻杆体3同轴，助排螺旋叶片1和护孔螺旋叶片2固定在中空钻杆体3上。助排螺旋叶片2布置于护孔螺旋叶片1螺距的中间位置，助排螺旋叶片2位于护孔螺旋叶片1叶顶8的下部。护孔螺旋叶片由叶顶8、叶柄9组成，叶顶8宽度L₁大于叶柄9宽度L₂，叶顶8宽度L₁为叶柄9宽度L₂的2～10倍。护孔螺旋叶片1，叶柄9结构设计为无排渣孔4或设置排渣孔4两种方式。助排螺旋叶片2高度H₂低于护孔螺旋叶片1高度H₁，助排螺旋叶片2高度H₂取值范围为：0m≤H₂≤0.4m，护孔螺旋叶片1高度H₁为助排螺旋叶片2高度H₂的2～8。中空钻杆体3由中空凹接头7、中空圆杆体6、中空凸接头5组成，中空凹接头7和中空凸接头5固定在中空圆杆体6的两端，中空凹接头7和中空凸接头5设计为螺纹连接或插接式连接，中空钻杆体3连接起来，其内腔形成流体通道13。

下面介绍一下本发明实施例一卸压护孔钻杆护孔钻进原理：

对于松软煤层钻孔施工，受地应力、瓦斯压力、构造应力及钻杆扰动作用影响，钻孔变形量大，且煤炮、喷孔等瓦斯动力现象频繁，钻头破煤形成的钻屑量是常规钻进的数倍，钻屑极易堆积并形成钻孔堵塞。参照图4，应用常规圆钻杆时，排渣方式为流体排渣，钻孔周边煤体11大变形及破坏，迅速在钻杆周围形成堵塞，钻杆周边的排渣通道完全被堵塞，堵塞段对钻杆的包裹作用，致使钻杆旋转困难，处理不当时，钻杆与周围煤渣产生强烈的干摩擦，热量聚集并难以释放，易造成孔内钻孔瓦斯燃烧、钻孔CO中毒等孔内事故，严重威胁矿井的安全生产和工人的生命安全，因此，对于软煤层钻进，目前已很少应用圆钻杆。

参照图5，应用常规螺旋钻杆时，排渣是通过螺旋叶片旋转形成的摩擦力将钻屑排出孔外，同样，钻孔周边煤体11大变形及破坏，迅速在螺旋钻杆周围形成堵塞，叶片12之间堵塞的钻屑逐渐被压缩，钻杆的旋转阻力迅速增大，很快将超过钻杆的最大扭矩，处理不当，钻杆易发生断钻现象，在实际工程中，也验证了常规螺旋钻杆应用松软煤层钻进时，钻进效率低、卡钻、断钻事故频繁，因此，常规的螺旋钻杆并不适用于松软煤层钻进。

参照图6，针对常规螺旋钻杆结构的缺陷，本发明从护孔、卸压和辅助排渣三个技术层面考虑，提出一种新型钻杆。通过螺旋叶片结构创新，设计一种护孔螺旋叶片1，其截面形状为外宽内窄结构，叶顶8形成护孔断面，在叶顶8下部和叶柄9两侧形成受保护的排渣空间14，通过调整护孔螺旋叶片1的截面形状、叶顶8与叶柄9宽度比例，来调节排渣空间14的大小；护孔螺旋叶片1之间形成悬空带，与常规的套管钻具相比，减少了钻具与孔壁的接触面积，另一方面，钻进过程中，尽管将有钻屑沿该区域进入被保护的排渣空间14，一定程度增加了排渣量，但同时也缓解了护孔螺旋叶片1与孔壁之间的应力集中问题，因此，与常规的套管钻具相比，大大降低了钻杆的摩擦阻力；同时，在护孔螺旋叶片1的叶柄9上设置排渣孔，可实现通过13流体通道压风进行辅助排渣。

实施例二：如图7、图8所示，与实施例一不同的在于，保持护孔螺旋叶片1外宽内窄结构，减小叶顶的厚度，增大了排渣空间14。在地应力大、瓦斯压力大、煤岩坚固性系数f≤0.5区域进行钻孔施工时，钻孔变形量大、钻孔壁破坏严重，该条件下，参照图8，使叶顶8与叶柄9宽度比较大，从而扩大了护孔面积，同时在护孔螺旋叶片1的叶柄9上设置排渣孔4，并通过压风进行辅助排渣，护孔螺旋叶片1的排渣孔4之间形成排渣通道，可有效缓解钻孔堵塞问题。

实施例三：如图9、图10所示，与实施例一不同的在于，改变了叶柄9上排渣孔4的截面形状，在护孔螺旋叶片1的排渣孔4之间形成更大面积的排渣通道，能够更加充分的发挥压力辅助排渣效果。

实施例四：如图11、图12所示，与实施例一不同的在于，改变了钻杆接头的连接方式，参照12，插接式中空凹接头16设计为内六方结构，且一侧设计销钉孔17，插接式中空凸接头15上设置与销钉孔17相对应的凹槽18。插接式连接，可实现钻杆的反转，避免了螺旋连接方式不能反转的缺陷。

实施例五：如图13所示，与实施例一、实例二不同的在于，减小叶顶8的宽度，从而减小了护孔面积。在煤岩坚固性系数0.5<f≤1区域，很多煤层为软硬复合煤层或复合破碎煤层，与煤岩坚固性系数f≤0.5区域相比，该条件煤层，钻孔变形及稳定性有所改善，为了充分的挥本发明钻杆的性能，可适当降低叶顶8与叶柄9宽度比，从而减少护孔面积，间接减小钻杆的旋转阻力，同时在护孔螺旋叶片1的叶柄9上设置较小面积排渣孔4，该排渣孔主要用于释放叶片之间堵塞段的挤压应力，从而预防叶片破损，同时有利于堵塞段的疏通。

实施例六：如图14所示，与实施例五不同的在于，取消了护孔螺旋叶片的叶柄9上排渣孔4，当煤岩层较稳定，钻孔变形量较小，可考虑取消护孔螺旋叶片叶柄9上排渣孔4，从而能够保证钻杆的强度不降低，且降低了钻杆的加工成本。

实施例七：如图15所示，与实施例六不同的在于，助排螺旋叶片2高度H₂＝0m，即钻杆表面不设置助排螺旋叶片2，该钻杆为本发明保护范围内结构最简单的一种护孔钻杆，叶柄9上不设置排渣孔4，也取消了助排螺旋叶片2，该钻杆完全依靠护孔螺旋叶片1的叶顶8护孔，依靠护孔螺旋叶片1的叶柄9形成的螺旋结构进行排渣，排渣动力完全取决于钻机，不能进行压风辅助排渣，因此，煤岩层稳定性较好时，可以考虑采用，同时，该结构钻杆也进一步降低了钻杆的加工成本，经济性较好。

实施例八：如图16所示，与实施例五不同的在于，进一步减小叶顶8的宽度，从而进一步减小了护孔面积。在煤岩坚固性系数1<f≤1.5区域，煤岩层地质条件较好，钻孔变形及稳定性进一步有所改善，但受地应力、瓦斯压力及构造应力等因素作用，钻孔局部依然易失稳破坏，因此，有必要应用本发明的护孔钻杆，根据施工地点的地质条件及钻孔设计参数，进一步降低叶顶8与叶柄9宽度比，合理的确定护孔面积，从而降低钻机的动力损耗，充分发挥钻机的最大钻探能力。

实施例九：如图17所示，与实施例一不同的在于，保持护孔螺旋叶片1叶顶8宽叶柄9窄的结构特征，截面形状为单翼结构，呈“□”型，护孔螺旋叶片1开口方向与钻进方向相同，该结构护孔钻杆，会增加钻杆的推进阻力，同时，钻进过程中，受钻杆扰动影响，护孔螺旋叶片1对钻孔的破坏较为严重；由于护孔螺旋叶片1的单翼结构，使得叶顶8与叶柄9的受力呈现不均匀状态，因此，护孔的面积不宜过大。

实施例十：如图18所示，与实施例九不同的在于，护孔螺旋叶片1截面形状呈“□”型，且叶顶8与叶柄9连接处设置为圆弧过渡，与实施例九相比，该结构护孔钻杆具有更好的实用性，钻进过程中，可有效降低钻杆的旋转及推进阻力，但同样存在护孔面积不宜过大的问题。

Claims (2)

1.用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆，包括护孔螺旋叶片、助排螺旋叶片、中空钻杆体，其特征在于：所述护孔螺旋叶片、助排螺旋叶片和中空钻杆体同轴，护孔螺旋叶片和助排螺旋叶片固定在中空钻杆体上；助排螺旋叶片布置于护孔螺旋叶片螺距的中间位置，助排螺旋叶片位于护孔螺旋叶片叶顶的下部；护孔螺旋叶片由叶顶、叶柄组成，叶顶宽度L₁大于叶柄宽度L₂，叶顶宽度L₁为叶柄宽度L₂的2～10倍，叶柄结构设计为无排渣孔或设置排渣孔两种方式；助排螺旋叶片高度H₂低于护孔螺旋叶片高度H₁，助排螺旋叶片高度H₂取值范围为0m≤H₂≤0.4m，护孔螺旋叶片高度H₁为助排螺旋叶片高度H₂的2～8倍。

2.根据权利要求1所述的用于软煤岩钻进卸压护孔钻杆，其特征在于：所述的中空钻杆体由中空凹接头、中空圆杆体、中空凸接头组成，中空凹接头和中空凸接头固定在中空圆杆体的两端，中空凹接头和中空凸接头设计为螺纹连接或插接式连接，中空钻杆体连接起来，其内腔形成流体通道。