CN105464589B - 用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法及钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法及钻杆，根据煤层地质条件，依据用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法，评估钻孔收缩比d c并确定钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸形或凹形结构高度、钻杆表面凸形或凹形结构之间间距和钻进速度，用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，包括杆体、凸连接件、凹连接件，钻杆表面设置凸形或凹形结构。本发明针对软煤岩钻进困难的技术难题，考虑煤层地质条件，发明了用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法及钻杆，钻进过程中，应用降阻散热仿生钻杆施工钻孔，实现低阻、低温一体化钻进工艺体系，可有效改善软弱煤岩地层的钻进效果。
Description
技术领域
本发明属于软弱煤岩层钻探工程技术领域，具体涉及一种用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法及钻杆。
背景技术
目前，软弱煤岩层钻孔施工是钻探工程技术领域一项难题。软弱煤岩层钻进过程中，由于钻孔变形破坏严重，钻进阻力大、排渣困难，致使钻孔深度浅、钻进效率低，同时钻进过程中卡钻、断钻等钻孔事故频发。特别是软煤层钻孔施工，由于煤体强度低，受地应力、瓦斯压力、构造应力等因素作用，钻孔收缩比变形极为严重，钻进过程中，钻杆处于被煤渣完全包裹状态，钻进阻力大，卡钻现象严重，我国多个矿区已发生多起钻孔瓦斯燃烧、钻孔CO中毒事故。例如，河南豫北、豫西煤田很多矿井煤层为软煤层，煤层以Ⅲ类碎粒煤（煤坚固性系数f=0.25~0.5）和Ⅳ类糜棱煤（f<0.3）为主，很多区域的钻孔施工深度不足20 m，致使煤层中形成抽采盲区，其结果严重影响煤层瓦斯抽采效率，同时影响煤矿安全高效开采，给煤矿生产带来了严重的经济损失。针对软煤层钻进难题，发展了一系列新型钻具，专利名称为“突出煤层扒孔降温钻具及其钻进方法”（ZL200610111830.7）、“用于瓦斯抽采钻孔施工的低螺旋耐磨钻杆及其加工工艺”（ZL200810049974.3）、“非对称异型截面钻杆”（ZL200910064223.3）、“异型多棱刻槽钻杆”（ZL200910064973.0）都取到了较好的钻进效果，一定程度上推进了我国软煤岩钻探工程技术水平的提高。由于我国煤层地质条件复杂多变，软煤层钻孔施工仍然是制约煤层瓦斯抽采效率的重要难题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法及钻杆, 解决常规钻具钻进阻力大、钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故多的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法，包括以下步骤；
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验、理论计算评估钻孔收缩比d c；钻孔收缩比d c为钻孔孔壁变形最大位移u p与钻孔未收缩时半径r的比值；
②.根据施工地点软煤岩的钻孔收缩比d c设计钻杆旋转外径d 1，当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.5r（1-d c）～1.8r（1-d c）；当钻孔收缩比20%＜d c≤40%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.7r（1-d c）～2.1r（1-d c）；当钻孔收缩比40%＜d c≤60%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.8r（1-d c）～2.5r（1-d c）；当钻孔收缩比d c>60%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.9r（1-d c）～1.8r；
③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻杆表面凸起高度或凹槽深度；当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆表面凸起高度设置为0 mm～5 mm范围内；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻杆表面凸起高度设置为3 mm～8 mm范围内；当钻孔收缩比40＜d c≤60%时，钻杆表面凸起高度设置为5 mm～11 mm范围内；当钻孔收缩比d c>60%时，钻杆表面凸起高度设置为5 mm～15 mm范围内；当钻孔收缩比0≤d c≤50%时，钻杆表面凹槽深度设置为0 mm～3 mm范围内；当钻孔收缩比d c>50%时，钻杆表面凹槽深度设置为3 mm～5 mm范围内；
④.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻杆表面凸起或凹槽之间间距，当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为10 mm～40 mm范围内；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为20 mm～50 mm范围内；当钻孔收缩比40＜d c≤100%时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为40 mm～80 mm范围内；
⑤.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻进速度；当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻进速度设计为0.8 m/min～1 m/min；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻进速度设计为0.6 m/min～0.8 m/min；当钻孔收缩比40＜d c≤60%时，钻进速度设计为0.4 m/min～0.6m/min；当钻孔收缩比60＜d c≤100%时，钻进速度设计为0.2 m/min～0.4 m/min；
⑥.根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑤，确定钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度或凹槽深度、钻杆表面凸起或凹槽之间间距、钻进速度，并确定降阻散热仿生钻杆的结构设计形式。
用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，包括同轴向顺次连接的凹连接件、杆体和凸连接件，凹连接件、杆体和凸连接件内部沿轴向方向具有贯通的空腔，杆体、凸连接件及凹连接件的外圆周表面或者杆体及凸连接件的外圆周表面或者杆体及凹连接件的外圆周表面或者杆体的外圆周表面均匀设置有仿生结构，仿生结构为凹槽和/或凸起。
相邻的两个凹槽、相邻的两个凸起或者相邻的凹槽及凸起之间的距离为10mm～80mm。
凹槽的深度为0.1mm～5 mm。
凸起的高度为0.1mm～15 mm。
以上技术方案所采用的原理如下：钻进过程中，当钻孔内发生堵塞、钻杆被完全包裹时，根据仿生学理论，将钻具表面设计为凸凹不平结构，可有效降低钻杆与堵塞段接触面积，从而降低钻杆的旋转和推进阻力，此外，钻杆表面的凹凸结构使煤渣处于流动状态，及时将散失，预防堵塞段局部热量聚集，避免钻孔内热量聚集引起的钻孔事故。本发明根据煤层地质条件评估钻孔收缩比d c并确定钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度或凹槽深度、钻杆表面凸形或凹槽之间间距、钻进速度等技术参数，应用降阻散热仿生钻杆施工钻孔，实现低阻、低温一体化钻进。
由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：
本发明提供一种钻进方法并设计相应钻杆，从而有效降低钻杆的钻进阻力，有利于提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。通过本发明钻进方法指导降阻散热仿生钻杆的合理钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度或凹槽深度、钻杆表面凸形或凹槽之间间距和钻进速度，实现了基于煤层地质条件仿生钻杆的优化设计，从而有效降低了钻杆的钻进阻力。
本发明针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合大量工程实践，依据岩石力学、仿生学相关理论，充分考虑煤层地质条件，发明了用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法及钻杆，钻进方法指导降阻散热仿生钻杆结构设计，充分发挥降阻散热仿生钻杆的“降阻”和“散热”的双重作用，有利于提高软煤岩钻孔深度，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是本发明实施例一的轴向剖视图；
图3是图2中A处的局部放大图；
图4是本发明实施例二的结构示意图；
图5是本发明实施例二的轴向剖视图；
图6是图5中B处的局部放大图；
图7是本发明实施例三的结构示意图；
图8是本发明实施例三的轴向剖视图；
图9是图8中C处的局部放大图；
图10是本发明实施例四的结构示意图；
图11是本发明实施例四的轴向剖视图；
图12是图11中D处的局部放大图。
具体实施方式
实施例一：
如图1～图3所示，用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法，根据煤层地质条件评估钻孔收缩比d c并确定钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度H1、钻杆表面凸形之间间距L和钻进速度，应用降阻散热仿生钻杆施工钻孔，实现低阻、低温一体化钻进，具体包括以下步骤：
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验、理论计算评估钻孔收缩比d c（钻孔收缩比d c为钻孔孔壁变形最大位移u p与钻孔未收缩时半径r的比值）；
②.根据施工地点软煤岩的钻孔收缩比d c设计钻杆旋转外径d 1，当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.5r（1-d c）～1.8r（1-d c）；当钻孔收缩20%＜d c≤40%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.7r（1-d c）～2.1r（1-d c）；当钻孔收缩40%＜d c≤60%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.8r（1-d c）～2.5r（1-d c）；当钻孔收缩d c>60%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.9r（1-d c）～1.8r；
③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻杆表面凸起高度H1或凹槽深度H2；当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆表面凸起高度H1设置为0 mm～5 mm范围内；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻杆表面凸起高度H1设置为3 mm～8 mm范围内；当钻孔收缩比40＜d c≤60%时，钻杆表面凸起高度H1设置为5 mm～11 mm范围内；当钻孔收缩比d c>60%时，钻杆表面凸起高度H1设置为5 mm～15 mm范围内；
④.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻杆表面凸起之间间距L，当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆表面凸起之间间距L设置为10 mm～40 mm范围内；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻杆表面凸起之间间距L设置为20 mm～50 mm范围内；当钻孔收缩比40＜d c≤100%时，钻杆表面凸起之间间距L设置为40 mm～80 mm范围内；
⑤.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻进速度。当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻进速度设计为0.8 m/min～1 m/min；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻进速度设计为0.6 m/min～0.8 m/min；当钻孔收缩比40＜d c≤60%时，钻进速度设计为0.4 m/min～0.6m/min；当钻孔收缩比60＜d c≤100%时，钻进速度设计为0.2 m/min～0.4 m/min；
⑥.根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑤，确定钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度H1、钻杆表面凸起之间间距L、钻进速度，并确定降阻散热仿生钻杆的结构设计形式。
如图1～图3所示，用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，包括凹连接件1、杆体2、凸连接件3，凹连接件1、杆体2、凸连接件3同轴，凹连接件1连接于杆体2的一端，凸连接件3连接于杆体2的另一端。凹连接件1表面、杆体2表面和凸连接件3表面均设置圆弧凸起4，圆弧凸起4均匀分布于杆体2的表面。圆弧凸起4之间间距设置为10 mm～80 mm范围内，圆弧凸起4高度设置为 0 mm～15 mm范围内。
下面介绍一下本发明实施例一降阻散热仿生钻杆钻进原理：
软弱煤岩层钻进过程中，钻孔变形量大、孔壁破坏严重是导致钻进阻力大、排渣困难，是钻进困难的主要原因。本发明用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法，结合煤层地质条件，依据岩石力学、仿生学相关理论，确定施工地点煤层的钻孔收缩比，并据此确定降阻散热仿生钻杆的合理钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度或凹槽深度、钻杆表面凸形或凹槽之间间距和钻进速度。钻具表面设计为凸凹不平结构，可有效降低钻杆与堵塞段接触面积，从而降低钻杆的钻进阻力，实现降阻散热仿生钻杆的“降阻”作用；钻杆表面的凹凸结构使煤渣处于流动状态，及时将散失，预防堵塞段局部热量聚集，避免钻孔内热量聚集引起的钻孔事故，实现降阻散热仿生钻杆的“散热”作用。
实施例二：如图4～图6所示，与实施例一不同的在于，降阻散热仿生钻杆表面的仿生结构为方形凸起5。
实施例三：如图7～图9所示，与实施例一、实例二不同的在于，实施例三钻杆表面圆弧形凹槽6，圆弧形凹槽6之间间距L设置为10 mm～80 mm范围内，圆弧形凹槽6深度H2设置为 0 mm～5 mm范围内。当钻孔收缩比0≤d c≤50%时，钻杆表面凹槽深度H2设置为0 mm～3mm范围内；当钻孔收缩比d c>50%时，钻杆表面的圆弧形凹槽6深度H2设置为3 mm～5 mm范围内。
实施例四：如图10～图12所示，与实施例三不同的在于，实施例四降阻散热仿生钻杆表面的仿生结构为方形凹槽7。
另外，本发明的钻杆还可以在杆体2及凸连接件3的外圆周表面或者杆体2及凹连接件1的外圆周表面或者杆体2的外圆周表面均匀设置有仿生结构，这些仿生结构可以为凹槽和凸起的相结合。
本发明中的凹连接件1和凸连接件3均采用螺纹连接的结构，凹连接件1和凸连接件3分别同轴向焊接在杆体2的两端。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法，其特征在于：包括以下步骤；
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验、理论计算评估钻孔收缩比d c；钻孔收缩比d c为钻孔孔壁变形最大位移u p与钻孔未收缩时半径r的比值；
②.根据施工地点软煤岩的钻孔收缩比d c设计钻杆旋转外径d 1，当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.5r（1-d c）～1.8r（1-d c）；当钻孔收缩比20%＜d c≤40%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.7r（1-d c）～2.1r（1-d c）；当钻孔收缩比40%＜d c≤60%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.8r（1-d c）～2.5r（1-d c）；当钻孔收缩比d c>60%时，钻杆旋转外径d 1设计为1.9r（1-d c）～1.8r；
③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻杆表面凸起高度或凹槽深度；当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆表面凸起高度设置为0 mm～5 mm范围内；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻杆表面凸起高度设置为3 mm～8 mm范围内；当钻孔收缩比40＜d c≤60%时，钻杆表面凸起高度设置为5 mm～11 mm范围内；当钻孔收缩比d c>60%时，钻杆表面凸起高度设置为5mm～15 mm范围内；当钻孔收缩比0≤d c≤50%时，钻杆表面凹槽深度设置为0 mm～3 mm范围内；当钻孔收缩比d c>50%时，钻杆表面凹槽深度设置为3 mm～5 mm范围内；
④.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻杆表面凸起或凹槽之间间距，当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为10 mm～40 mm范围内；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为20 mm～50 mm范围内；当钻孔收缩比40＜d c≤100%时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为40 mm～80 mm范围内；
⑤.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d c设计钻进速度；当钻孔收缩比0≤d c≤20%时，钻进速度设计为0.8 m/min～1 m/min；当钻孔收缩比20＜d c≤40%时，钻进速度设计为0.6 m/min～0.8 m/min；当钻孔收缩比40＜d c≤60%时，钻进速度设计为0.4 m/min～0.6 m/min；当钻孔收缩比60＜d c≤100%时，钻进速度设计为0.2 m/min～0.4 m/min；
⑥.根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑤，确定钻杆旋转外径d 1、钻杆表面凸起高度或凹槽深度、钻杆表面凸起或凹槽之间间距、钻进速度，并确定降阻散热仿生钻杆的结构设计形式。
2.用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，采用如权利要求1所述的用于软煤岩降阻散热仿生钻进方法进行结构设计，包括同轴向顺次连接的凹连接件、杆体和凸连接件，凹连接件、杆体和凸连接件内部沿轴向方向具有贯通的空腔，其特征在于：杆体、凸连接件及凹连接件的外圆周表面或者杆体及凸连接件的外圆周表面或者杆体及凹连接件的外圆周表面或者杆体的外圆周表面均匀设置有仿生结构，仿生结构为凹槽和/或凸起。
3. 根据权利要求2所述的用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，其特征在于：相邻的两个凹槽、相邻的两个凸起或者相邻的凹槽及凸起之间的距离为10mm～80 mm。
4.根据权利要求2或3所述的用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，其特征在于：凹槽的深度为0mm～5 mm。
5.根据权利要求4所述的用于软煤岩降阻散热仿生钻杆，其特征在于：凸起的高度为0mm～15 mm。
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