CN105525900A - 煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一套煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，整套装备可分为成孔系统和压裂系统。成孔系统包括钻机、钻杆、钻头、支架、水箱、高压泵、绞盘、推进机构、卡盘、高压软管、自进式钻头等设备；压裂系统包括水箱、高压泵、压力表、高压橡胶管、封孔装置等设备。该套装备适用于在煤矿井下对煤层进行体积压裂，能够达到对煤层进行均匀增透提高瓦斯抽采率的效果，设备操作简单，经济性好。

Description

煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备

技术领域

本发明涉及煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，适配于体积压裂方法对松软低透气煤层进行全面增透，属于煤矿井下区域瓦斯治理技术领域。

背景技术

瓦斯作为一种非常规天然气，是导致我国煤矿安全事故的主要原因，并且瓦斯的排放会造成能源浪费。针对常规瓦斯抽采在我国高瓦斯低渗透煤层应用时出现的问题(王耀锋，何学秋，王恩元，等.水力化煤层增透技术研究进展及发展趋势[J].煤炭学报，2014，39(10):1945－1955.)，提出采用复合压裂均匀增透的方法。在该方法中，树状钻孔能对煤层进行卸压，水力压裂会进一步扩大压裂范围，在不影响顶底板稳定性的前提下提高煤层通透性，扩大了常规穿层钻孔和水力压裂的卸压范围；均匀布置的“树状”钻孔子孔能够降低起裂压力，压裂后会产生大量裂缝，裂缝分布均匀，效果好，消除了常规水力压裂单一主裂缝对顶底板的不良影响；并且该方法工艺简单，成本较低，增大了单个穿层钻孔的压裂范围，提高了穿层钻孔的利用率和压裂效率，大幅提高了增透范围和增透效果，为煤矿井下安全生产提供保障。

传统煤矿井下压裂方法是对穿层钻孔或者割缝后的穿层钻孔进行压裂，因此传统煤矿井下压裂装备只能完成穿层钻孔的钻进工作，不能形成上述方法中的树状钻孔，不适用于新型压裂方法。并且市场调研发现，现阶段存在的煤矿井下压裂设备组合之后也不能完成上述方法中的成孔工作，因此研究设计出该套煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，该套装备是依据复合压裂均匀增透方法而设计，参照复合压裂均匀增透方法能够实现对煤层的大范围均匀增透，增透效果良好。装备中大多数器械设备为煤矿常用设备，如水箱、高压泵、钻机、钻杆等，组成整套装备所需成本较低，且整套装备可多次利用，经济性好；整套装备设计合理，机械化程度高，操作简单，方便工人使用。

发明内容

本发明的目的是设计出一套适配于煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备。该套装备需能够完成树状钻孔的成孔，水力压裂等工作，并应具有设计合理、操作简单等优点。

本发明的技术解决方案如下：

煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，包括成孔系统和压裂系统。

所述成孔系统包括钻机、钻杆、钻头、导向器、支架、水箱、高压泵、绞盘、推进机构、刻度盘、卡盘、高压软管、自进式钻头。

所述钻机安装在支架上，所述钻杆连接在钻机上，钻杆前端连接导向器，导向器前端连接钻头，所述水箱连接高压泵，所述高压泵连接高压软管，所述高压软管缠绕在绞盘上，并穿过推进机构，高压软管前端连接自进式钻头；高压软管和自进式钻头在钻树状孔的子孔时穿过钻杆并通过导向器导向，依靠射流产生自进力钻出子孔；在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘，刻度盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向器的转动角度通过刻度盘控制。

所述导向器上端为具有内螺纹的钻杆连接部，下端为具有外螺纹的钻头连接部，两个连接部内都有上下贯通的通孔。

所述导向器内有双曲率转弯导向轨道，其宽度为高压软管前端喷嘴宽度的2倍，范围在20-50mm之间，转弯半径为75-150mm，属超短半径径向水平井导向器。

所述导向轨道的进口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从入口到出口依次包括轴向直管段、第一圆弧段、斜管段和第二圆弧段。

所述轴向直管段其长度为30-50mm，钻杆连接部的通孔通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段。所述第一圆弧段的圆弧弧度α＝10°-30°，直径75-150mm；所述斜管段与两圆弧段相切，连接第一圆弧段和第二圆弧段；所述第二圆弧段的圆弧弧度β＝α+90°，直径75-130mm；在第二圆弧段的底部分布有细孔，且使导向器轨道的高压水流能够通过细孔经连接部分的通孔到达钻头；第二圆弧段的末端是导向轨道出口位置，安装有空心螺环，在使用组合钻具进行扩孔时，圆形水泥块固定在空心螺环上，封住导向轨道出口。

所述导向轨道的壁上设有四个滚轮，滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁约2mm；且在第一圆弧段上布置一个滚轮、在第二圆弧段上布置三个滚轮；。

所述钻头大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于与导向器连接；钻头内部有与导向器连接部分连通的流道，使水流能够通过导向器后再通过钻头，以便进行排渣，钻头内流道由上向下逐渐缩小，并在中间位置有一段增大的空间，形成空化腔体，空化腔体的纵剖面为上下对称的平行四边形，腔体上下游喷嘴碰撞壁为锥形面，且上游喷嘴碰撞壁凸向上游，下游喷嘴碰撞壁凹向下游。

所述自进式钻头包括钻头体和钻头体上的中心自激振荡喷嘴、边喷嘴、中部喷嘴和后部喷嘴，钻头体具有前部平台和内部空腔；所述钻头体前部为球形，前端面为前部平台，在平台中心即自进式钻头轴线上设置中心自激振荡喷嘴，在平台上围绕中心自激振荡喷嘴四周均匀布置边喷嘴；所述钻头体后端为开口端，设有内螺纹用于连接高压软管；钻头体的内部空腔为前段圆锥形和后段圆柱形的组合空腔，圆锥形段的锥度为

所述推进机构是采用同步带轮和压紧带轮构成送管机构，并同时设置高度和角度两级调节的管托机构。

所述压裂系统包括所述水箱、所述高压泵、压力表、高压橡胶管、压力流量控制系统、封孔装置；所述高压泵连接高压橡胶管，所述高压橡胶管连接压力流量控制系统，所述压力流量控制系统连接封孔装置，所述压裂系统中所使用压裂液为低粘度压裂液。

本发明具有以下特点：

1、本装备的成孔系统将钻杆、导向器、钻头、高压软管、自进式钻头以及刻度盘进行合理组合，能同时完成树状钻孔母孔钻进与导向器的带入，即通过钻头扩孔，钻进之后不需退钻安装导向器，可直接进行煤层树状钻孔的钻进，节约了由于退钻、导向器单独送入所产生的时间，并减轻工作量。钻杆、导向装置、钻头的相互连接采用标准螺纹，方便加工与使用。

2、导向器的结构设计紧凑合理，体积小，属超短半径径向水平井导向器，在导向轨道上设有滚轮，能减小高压软管通过时的摩擦力，并诱导高压软管顺利通过导向器，使高压软管和自进式钻头顺利完成90°转向，钻头能进行钻进破岩；

3、导向器前端连接的钻头为空化钻头，导向器的导向轨道与前端连接的钻头的流道连通，高压水通过流道后，能以较低水压力进行辅助的破岩，增加钻进效率。

4、自进式钻头为一体化结构，设计相对简单，钻头尺寸小，钻孔尺寸大，不会形成凸台，钻头不易钻偏，钻头寿命长，自进式钻头能将高压水分为四股射流，具有分级破岩的功能，破岩效果好。

5、通过刻度盘对导向器出口方向的调整，能够实现树状钻孔的均匀分布，更好的提高煤层透气性。

6、通过设置推进机构来有效配合自进式钻头的钻进，因为在自进式钻孔过程中，仅靠钻头自进力难以钻出深长孔。所以通过推进机构对管道进行推进再结合自进式钻头的自进力就能钻出中深孔，也能实现大角度仰孔的钻进。推进装置采用同步齿形带轮和异形同步带配合，由压紧机构压紧，可以提供较大的，并且稳定的摩擦力，适合为高压树脂管类管线提供推力，并能有效减少对管线的局部损伤。

7、推进装置采用的压紧机构结构简单，通过蝶形螺母、压紧杆和弹簧部件可以获得足够的弹性压紧力，有利于推进装置在不良的环境下工作。并且设计了管路托举导向机构，采用两级调节，可以根据钻孔之间的位置、倾斜角度的不同，调节高压树脂管的角度和高度，使高压管能平滑的进入不同类型的钻孔中。

8、推进装置采用气动马达提供动力，在煤矿井下具有防爆性能，转速相对较慢，扭矩大，能正反转和无极调速，能实现高压管的输送和收线，而且整体尺寸小，质量轻。并且采用气动马达提供动力，能直接利用井下现有铺设的压缩空气管道作为动力源，无需另设单独的动力装置。

9、本装备采用的绞盘为输水旋转绞盘，密封性好，可以进行正转和反转，完成对高压软管的放出和收回工作。

10、本装备中大多数器械设备为煤矿常用设备，如水箱、高压泵、钻机、钻杆等，组成整套装备所需成本较低，且整套装备可多次利用，经济性好，整套装备设计合理，机械化程度高，操作简单，方便工人使用。

附图说明

图1为成孔系统的结构示意图；

图2为压裂系统的结构示图；

图3所示是本发明的钻具示意图；

图4所示是本发明的导向器结构示意图；

图5导向器上供水流通过的细孔结构图；

图6所示是本发明的钻头结构示意图；

图7所示是本发明自进式钻头的左视图；

图8所示是本发明自进式钻头的A—A剖面图；

图9所示是本发明自进式钻头的B—B剖面图；

图10所示是本发明自进式钻头的中心自激振荡喷嘴剖面的放大图；

图11所示是本发明自进式钻头边喷嘴偏角和张角的示意图；

图12所示是本发明的刻度盘主视图；

图13所示是本发明的刻度盘侧面剖面图；

图14是推进装置的主视图(不带防尘罩)；

图15是推进装置的A—A剖面图；

图16是推进装置的B—B剖面图；

图17和图18是推进装置管托机构的正面图和E—E剖面图。

图中各标记如下：

1—水箱，2—高压泵，3—绞盘，4—钻机，5—支架，6—推进机构，7—转向刻度盘，8—卡盘，9—钻杆，10-导向器，11—钻头，12—高压软管，13—自进式钻头，14—高压橡胶管，15—封孔装置，16—压力流量控制系统；

6.1—机架，6.2—异型同步齿形带，6.3—同步带轮，6.4—沉头螺钉，6.5—轴端挡板，6.6—压紧轮轴，6.7—压紧带轮，6.8—压紧杆，6.9—弹簧，6.10—弹簧盖，6.11—蝶形螺母，6.12—管托机构，6.13—从动轮轴，6.14—圆螺母，6.15—销轴(包括开口销)，6.16—平垫，6.17—螺栓和及其螺母，6.18—减速机输出轴，6.19—带减速机的气动马达，6.20—圆柱头螺钉，6.21—防尘罩，6.22—导轨，6.23—导向轮轴，6.24—拉伸弹簧，6.25—尼龙导向轮，6.26—调节长杆，6.27—调节定位孔；

10.1—钻杆连接部，10.2—轴向直管段，10.3—第一圆弧段，10.4—斜管段，10.5—第二圆弧段，10.6—滚轮，10.7—细孔，10.8—空心螺环，10.9—圆形水泥块，10.10—钻头连接部；

11.1—空化腔体；

13.1—前部平台，13.2—自激振荡喷嘴，13.3—边喷嘴、13.4—中部喷嘴，13.5—后部喷嘴，13.6—内螺纹，13.7—内部空腔，13.8—上游喷嘴，13.9—自激振荡腔，13.10—下游喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和复合压裂均匀增透具体实施例对本发明作进一步说明。

本煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备包括成孔系统和压裂系统。

参见图1，成孔系统包括钻机(4)、钻杆(9)、钻头(11)、导向器(10)、支架(5)、水箱(1)、高压泵(2)、绞盘(3)、推进机构(6)、刻度盘(7)、卡盘(8)、高压软管(12)、自进式钻头(13)。

钻机(4)安装在支架(5)上，位置可以进行调整；并且支架(5)的高度和倾角也可以进行调整，以便完成多角度多方位钻进工作。

钻杆(9)连接在钻机(4)上，钻杆(9)前端连接导向器(10)，导向器(10)前端连接钻头(11)，转向器能使高压软管(10)顺利完成90°转向，钻头能进行钻进破岩。

水箱(1)连接高压泵(2)，高压泵(2)连接高压软管(12)，高压软管(12)缠绕在绞盘(3)上，绞盘(3)为输水旋转绞盘，密封性好，可以进行正转和反转，完成对高压软管的放出和收回工作。

高压软管(12)穿过推进机构(6)，推进机构(6)能够将高压软管缓慢匀速推进和收回，并且推进机构(6)的夹持力不会将软管(12)损坏。

高压软管(12)前端连接自进式钻头(13)，高压软管(12)和自进式钻头(13)在钻树状孔的子孔时穿过钻杆(9)并通过导向器(10)导向，依靠射流产生自进力钻出子孔。

在钻杆与钻机前端连接的卡盘(8)上安装有转向刻度盘(7)，转向刻度盘(7)一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向器(10)的转动角度通过转向刻度盘(7)控制。

参见图2，压裂系统包括所述水箱(1)、所述高压泵(2)、压力表、高压橡胶管(14)、压力流量控制系统(16)、封孔装置(15)；高压泵(2)连接高压橡胶管(14)，高压橡胶管(14)连接压力流量控制系统(16)，压力流量控制系统(16)连接封孔装置(15)，压力流量控制系统(16)能够有效控制压力和流量的关系。封孔装置(15)能够有效对钻孔母孔进行封堵。压裂系统中所使用压裂液为低粘度压裂液，低粘度压裂液能够有效增大压裂裂缝的长度和宽度。

具体地，本装备的成孔系统的关键点之一是采用了由钻杆(9)、导向器(10)、钻头(11)、高压软管(12)、自进式钻头(13)和转向刻度盘(7)等组成的组合钻具，如图3所示。其中钻杆(9)、导向器(10)和钻头(11)依次连接在扩孔时配合使用。高压软管(12)、自进式钻头(13)和转向刻度盘(7)在钻进树状钻孔时使用。转向刻度盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向器(10)的转动角度通过刻度盘控制。高压软管(12)前端安装有自进式钻头(13)，高压软管能够承受一定的高压，并且具有一定柔韧性。该组合钻具在低位巷向煤层预先使用普通钻头钻孔，成孔后使用组合钻具进行扩孔，形成自进式水力喷射树状钻孔的母孔，再利用高压软管和自进式钻头在煤层预定位置钻进树状钻孔，实现煤层的均匀增透。

组合钻具的钻杆(9)的直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为73mm，内径50mm。钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接，钻杆内部为光滑的通孔，高压软管能顺利通过。该钻杆有利于准确将导向器送到指定位置，并带动导向器转向。

图4所示是导向器的结构，导向器(10)上端为钻杆连接部(10.1)，下端为钻头连接部(10.10)，它们的螺纹为标准螺纹，大小与所连接的钻杆和钻头螺纹相符，两个连接部都有上下贯通的通孔。

导向器(10)内设有对高压软管导向的导向轨道，导向轨道的入口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从进口到出口依次包括轴向直管段(10.2)、第一圆弧段(10.3)、斜管段(10.4)和第二圆弧段(10.5)，它们的具体设计是：

轴向直管段(10.2)长度为30-50mm，钻杆连接部(10.1)的通孔下端通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段(10.2)。

第一圆弧段(10.3)的圆弧弧度α＝10°-30°，直径75-150mm。

斜管段(10.4)与两圆弧段相切，连接第一圆弧段(10.3)和第二圆弧段(10.5)。

第二圆弧段(10.5)的圆弧弧度β＝α+90°，直径75-130mm。结合图5可见，在第二圆弧段(10.5)底部分布有细孔(10.7)，与连接部分(10.10)内的通孔连通，在使用组合钻具进行扩孔时，高压水流能够通过导向器轨道后再通过细孔(10.7)和连接部分(10.10的通孔到达钻头,这样可以使高压水流在行使排渣功能时，能以较低水压力进行辅助的破岩，增加钻进效率。第二圆弧段(10.5)的末端是导向轨道出口位置，安装有空心螺环(10.8)，为空心内六角结构，且圆环外刻有安装螺纹。在使用组合钻具进行扩孔时，空心螺环(10.8)上固定圆形水泥块(10.9)，用于封住导向轨道出口。因此，导向器的空心螺环和圆形水泥块应在扩孔时使用，并在扩孔前安装。圆形水泥块在组合钻具钻进时能够将导向器出口处密封，使导向器轨道的高压水流能够通过轨道上的细孔到达钻头。圆形水泥块的强度虽然可以承受组合钻具钻进过程中使用的高压水的压力，但是自进式钻头能够将圆形水泥块破碎并通过导向器。

同时，在导向轨道的壁上设有四个滚轮(10.6)，滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁约2mm，在第一圆弧段(10.3)上布置一个滚轮、在第二圆弧段(10.5)上布置三个滚轮，作用是辅助高压软管的钻头正确导向，同时能够有效减小高压软管通过的阻力。

如图6所示，导向器前端连接的钻头(11)大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于与导向器连接。该钻头整体导向装置的一部分，能够在母孔成孔不够规则和有阻碍的情况下更容易将导向装置送入母孔，同时能够完成小幅度的扩孔。钻头内部有与导向器的钻头连接部(10.10)通孔连通的流道，使水流能够通过导向器后再通过钻头，以便进行排渣，钻头为空化钻头，导向装置的导向轨道与前端连接的钻头的流道连通，高压水通过流道后，能以较低水压力进行辅助的破岩，增加钻进效率。钻头内流道由上向下逐渐缩小，并在中间位置有一段增大的空间，形成空化腔体(11.1)，能够使用于排渣的水流兼具辅助破岩的效果，提升破岩效率。

如图7至图10所示，自进式钻头(13)包括钻头体和钻头体的中心自激振荡喷嘴(13.2)、边喷嘴(13.3)、中部喷嘴(13.4)和后部喷嘴(13.5)。自进式钻头(13)前部为球形，前端为一平台(13.1)，平台中心设置中心自激振荡喷嘴(13.2)，其四周均匀布置具有一定张角α和偏角β的边喷嘴(13.3)。

如图11所示，对张角α和偏角β的定义为：在内部空腔圆锥形段的前端面上距钻头轴线1.0mm-10.0mm距离确定一点为边喷嘴起点c，将过边喷嘴起点c且与钻头轴线oo＇平行的直线cc＇定义为直线一，直线一和钻头轴线所确定的平面oo＇d＇d定义为平面一；以直线一为基线，先在平面一内向边射流出口方向向远离钻头轴线的方向偏转一定角度，此角度设定为张角α，此时将喷嘴轴线ce定义为直线二；再将直线二以边喷嘴起点为原点，以直线一为旋转轴，旋转一定锥角，所得的喷嘴轴线cf定义为直线三，即为前喷嘴的实际轴线，此时将直线二和直线三在自进式钻头横截面上的投影ec＇和fc＇的夹角设定为偏角β。所有边喷嘴都按此方法均匀布置，且偏转的角度和方向均一致。钻头中部均匀分布有在横截面中具有一定偏向角θ的中部喷嘴(13.4)，如图9所示，横截面是指过中部喷嘴的轴线且与钻头轴线垂直的平面，偏向角θ是指中部喷嘴的轴线与径向半径的夹角。钻头后端为开口端，内部设有内螺纹(13.6)用于连接高压软管，其上面均匀布置有与轴线呈一定锥角Φ的后部喷嘴(13.5)，如图2所示，锥角Φ是指后部喷嘴的轴线与钻头轴线的夹角；钻头内部是锥角为的圆锥体和圆柱体的组合空腔(13.7)。

结合图7和图9可见，钻头的边喷嘴(13.3)数目为3—4个，喷嘴直径为0.5mm—1.0mm，分布半径R1为1.0mm-10.0mm，张角α在15°—30°之间，最好为25°，偏角β在60°—90°之间，最优为360°/n(n指边喷嘴个数)。分布半径R1是指边喷嘴射流出口中心到钻头轴线的距离。

结合图8可见，钻头的前端平台(13.1)减小了钻头的整体尺寸，便于在平台上钻出中心自激振荡喷嘴(13.2)和边喷嘴(13.3)，其半径R2为10.5mm—4.0mm。后部喷嘴(13.5)的数目为6—8个，喷嘴直径为0.5mm—1.5mm，轴向锥角Φ在10°—30°之间，最优为25°。钻头体内部为圆锥体和圆柱体的组合空腔，组合空腔圆锥段的锥角在20°—45°之间，该锥角的选取原则是使射流的局部损失最小，加工方便。

结合图9可见，钻头的中部喷嘴(13.4)数目为3—4个，喷嘴直径为0.5mm—1.0mm，偏向角θ在30°—45°之间。中部喷嘴的主要作用是扶正作用，破岩修孔作用较弱，同时其射流的反冲力产生的力矩能使钻头拧紧。因此，不能太大也不能太小，

结合图10可见，钻头的中心自激振荡喷嘴(13.2)布置在自进式钻头轴线上，依次由上游喷嘴(13.8)、自激振荡腔(13.9)和下游喷嘴(13.10)组成。自激振荡腔长度L一般为上游喷嘴直径d1的2.3～3.3倍，下游喷嘴直径d2一般为上游喷嘴直径d1的1.2～1.3倍。自激振荡腔(13.9)的主体为圆柱形腔，其直径为上游喷嘴直径d1的18倍；腔体的纵剖面为上下对称的平行四边形，腔体上下游喷嘴碰撞壁为锥形面，且上游喷嘴碰撞壁凸向上游，下游喷嘴碰撞壁凹向下游。

以上自进式钻头能将高压水分为四股射流，使本钻头具有分级破岩的功能：

首先，一部分流体通过中心自激振荡喷嘴，依靠喷嘴的自激振荡腔室，将连续射流转变为脉冲射流，提高了中心射流的瞬时打击力，率先产生中心破碎坑。在其原理为：上游喷嘴完成腔内射流束的形成，其几何参数、加工精度等将影响射流束的流动特性和剪切层初始分离的位置、扰动大小等。自激振荡腔能形成反馈路径，能根据不同的长度和直径对频率进行选择。当由剪切层放大的扰动尖峰到达下游碰撞壁时，与之发生碰撞，由于该处射流的局部横截面积大于下游出口的截面积，受速度的影响，在这里会产生一个压力瞬变。该瞬变以声速沿射流轴心向上游反射，在上游喷嘴出再产生压力瞬变，进而在这里生成一个强大的扰动，该扰动又随剪切层向下游输运，并被放大，到达下游时又发生碰撞，产生压力瞬变。如此往返重复，构成正反馈闭合回路，形成自激振荡。在这过程中流体能量得到聚集，然后间断性地释放出来，就形成瞬时能量比连续射流能量高几倍的脉冲射流。具体的产生机理见自激振荡脉冲射流的产生机理。

接着，一部分流体通过具有一定张角和偏角的边喷嘴，产生的射流具有三维速度：轴向速度、径向速度和环向速度，使岩石不只发生冲击破坏，还有剪切拉伸破坏，而且在钻进过程中，钻头与岩石之间的靶距是由远到近的动靶距，与传统的只有张角的钻头的破岩效果相比，带有偏角和张角的钻头所产生的冲蚀孔能有效地形成中心连通孔，因为自进式钻头的钻进过程是由远到近的动态的过程，即动靶距的过程，所以不同钻进时刻水射流的作用点是变化的。对只带张角的钻头，其射流作用点的轨迹为过中心的直线，而对带偏角和张角的钻头，其作用点轨迹为螺旋线，所以其轨迹线更长，且破坏面积更大，更容易使各射流所导致的破碎坑形成钻孔，从而破岩效果好，能围绕中心破碎坑继续破岩钻进，形成一个先导孔，使钻头前进。

然后，经过在横截面中具有一定偏向角的中部喷嘴而形成的射流具有径向分速度和切向分速度(切向速度是指沿钻头圆周壁的切线方向的分速度。)，射流的径向速度可以使钻头始终悬空，具有扶正作用，保持钻头和高压管的钻进平衡，在一定程度上能防止钻头钻偏；切向速度可以对先导孔周围的岩石进行切割破坏，对钻孔进行再次扩孔，并且修正钻孔，使钻孔形状更规整。

最后，另一部高压流体将通过与钻头轴线呈一定锥角的后部喷嘴，产生的射流将为钻头和高压管的钻进提供自推力，并进一步扩孔。此外，由于后部喷嘴的数量相对较多，大量向后的射流具有很好的排渣功能，向后的射流与轴线具有相同的夹角，夹角越小，产生射流的反冲力越大，但是随着锥角的减小，射流出口方向与进口方向偏转角增大，局部压力损失增大，射流速度减小，从而降低了自进力，故锥角一般在10°—30°之间。

参见图12、图13，在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘(7)，导向器(10)的转动角度通过刻度盘控制。刻度盘是在扩孔完成后，钻进树状钻孔时使用，使用时刻度盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上。通过刻度盘可读出钻杆旋转角度，刻度盘可在360°范围内读数，钻杆旋转角度即导向器旋转角度，合理的控制旋转角度能实现树状钻孔的均匀分布。

本装备的成孔系统的另一关键点之一是采用了推进机构(6)，推进机构(6)包括机架(6.1)、同步带轮(6.3)、压紧带轮(6.7)、异型同步齿形带(6.2)、带减速机的气动马达(6.19)、减速机输出轴(6.18)、从动轮轴(6.13)、压紧轮轴(6.6)、压紧杆(6.8)、弹簧(6.9)、蝶形螺母(6.11)、管托机构(6.12)、防尘罩(6.21)以及相应的链接部件。

参见图14,、图15和图16，高压软管上下两侧各对称设置一对带轮，下侧为传动带轮(6.3)，包括主动带轮和从动带轮，上侧为压紧带轮(6.7)，均安装在机架(6.1)上。主动带轮(6.3)通过减速机输出轴(6.18)与带减速机的气动马达(6.19)相连，主动带轮与从动带轮(6.3)之间套有带U型凹槽的异型同步齿形带(6.2)，当气动马达(6.19)带动主动带轮(6.3)转动时，从动带轮(6.3)将在异型同步齿形带(6.2)的作用下一起转动。所用的气动马达(6.19)多采用活塞式气动马达，转速相对较慢，但提供的扭矩大，且可通过调节进气量来调节转速，从而与不同时刻的不同钻进速度相匹配。

压紧带轮(6.7)的压紧杆(6.8)是一根上部为圆柱下部为立方体的杆件，且上部圆柱带有螺纹，其尺寸与蝶形螺母(6.11)配套，下部立方体的横截面为正方形，其尺寸与压紧轮轴(6.6)配套。

压紧轮轴(6.6)的左边为圆柱传动轴，右边为空心立方体，其尺寸能使其刚好套在压紧杆(6.8)下部立方体上，从而实现压紧轮的上下移动。

整个压紧杆(6.8)是焊接在推进装置的机架(6.1)上的。压紧轮轴(6.6)上安装压紧轮(6.7)，两压紧轮(6.7)间套有相同的异型同步齿形带(6.2)。通过拧紧压紧杆(6.8)上的蝶形螺母(6.11)来压紧弹簧盖(6.10)和弹簧(6.9)，从而推动压紧轮(6.7)的下移，完成对高压软管的压紧，实现摩擦力的提供。本压紧方式具有一定弹性，能在不良的环境下工作。

如图17和图18所示，推进装置前端是一管托机构(6.12)，它由调节长杆(6.26)、尼龙导向轮(6.25)、导轨(6.22)、拉伸弹簧(6.24)及其他链接部件组成。调节长杆(6.26)下端通过轴销安装在机架(6.1)上，能绕轴销进行不同角度的转动，并在机架上以轴销为中心在相同半径上设置多个调节孔，调节长杆上设有一个调节定位孔(6.27)，调节定位孔分别与各个调节孔对应并通过螺栓和螺母固定在某一需要的角度，实现调节长杆的角度调节，形成第一级调节，这是第一级调节。调节长杆(6.26)的上端用螺栓(6.17)固定了一个导轨(6.22)，导轨为“T”字形，两端各开一个孔以便导向轮轴(6.23)通过；带有凹槽的尼龙导向轮(6.25)串在导向轮轴(6.23)的一边，两导向轮(6.25)之间为高压树脂管通过的空间；导向轮轴(6.23)两端通过垫片(6.16)和开口销(6.15)固定，并在两端各套了一个拉伸弹簧(6.24)以保持整体导向轮轴(6.23)和导向轮(6.25)的平衡；调节长杆(6.26)的整个前端可以通过调节螺栓使其随着导轨(6.22)绕螺栓转动，便于将高压管平滑的送入孔内，从而避免高压管在孔口壁转弯过急导致阻力过大，这是第二级调节。整个托管机构通过第一级调节调节长杆(6.26)和第二级调节导轨(6.22)来实现将高压树脂管平滑地送入不同位置和倾角的钻孔中。

此外，整个推进装置用铝合金薄板防尘罩(6.21)保护，可以有效减少粉尘的进入，提高机构的推进效果和使用寿命，保证操作人员的安全。

本煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备的具体操作步骤如下：

1、先用钻机(4)连接钻杆(9)和钻头(11)，在岩巷(3)向煤层(1)预先钻进先导孔，形成树状钻孔的母孔(4)，母孔(4)需穿过煤层钻至煤层顶板或底板(若从煤层下方向上钻进需钻至顶板，若从煤层上方向下钻进需钻至底板)，母孔(4)应足够大且不会塌孔，大小可根据现场情况进行调整，直径一般为130～150mm，即矿井常用钻杆直径的二倍左右；

2、将钻杆(9)依次从钻机(4)上取下，再将钻杆(9)、导向器(10)与钻头(11)依次连接，并将圆形水泥块(10.9)、空心螺环(10.8)安装在导向器轨道出口处；

3、使用钻头(11)进行扩孔，在扩孔的同时将导向器(10)带入至母孔中的预定位置，省去了扩孔后退钻以及导向器的送入等工序。

4、将推进机构(6)放置到钻机(4)和卡盘(7)之间，将高压泵(2)通过高压橡胶管(14)连接到绞盘(3)，再用高压软管(12)从绞盘(3)接出，将高压软管(12)连接自进式钻头(13)并将其穿过钻机(4)、推进机构(6)，送入钻杆(9)和导向器(10)；

5、启动高压泵(2)，自进式钻头(13)带动高压软管(10)进行自进式钻进，在到达导向器出口处时，自进式钻头将孔口的圆形水泥块破碎，进入煤层，进行树状钻孔的子孔钻进，形成第一个树状钻孔子孔；

6、降低泵压，反旋绞盘(3)收回自进式钻头(13)至转向器内，参照卡盘(8)上的转向刻度盘(7)旋转卡盘；

7、重复5、6步骤，直至形成钻孔子孔网；

8、关闭高压泵(2)，收回高压软管(12)、钻杆(9)、钻头(11)等，并对钻孔母孔进行封孔；

9、将高压泵(2)连接压力流量控制系统(16)和封孔装置(15)，启动高压泵(2)进行压裂。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以定本发明的范围，在本发明公开的技术及方案的基础上，本领域的技术人员能根据本专利公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些修改和变化，这些修改和变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，包括成孔系统和压裂系统；其特征在于：

所述成孔系统包括钻机(4)、钻杆(9)、钻头(11)、导向器(10)、支架(5)、水箱(1)、高压泵(2)、绞盘(3)、推进机构(6)、刻度盘(7)、卡盘(8)、高压软管(12)、自进式钻头(13)；

所述钻机(4)安装在支架(5)上，所述钻杆(9)连接在钻机(4)上，钻杆(9)前端连接导向器(10)，导向器(10)前端连接钻头(11)，所述水箱(1)连接高压泵(2)，所述高压泵(2)连接高压软管(12)，所述高压软管(12)缠绕在绞盘(3)上，并穿过推进机构(6)，高压软管(12)前端连接自进式钻头(13)；高压软管(12)和自进式钻头(13)在钻树状孔的子孔时穿过钻杆(9)并通过导向器(10)导向，依靠射流产生自进力钻出子孔；在钻杆与钻机前端连接的卡盘(8)上安装有转向刻度盘(7)，导向器(10)的转动角度通过转向刻度盘(7)控制；

所述导向器(10)上端为具有内螺纹的钻杆连接部(10.1)，下端为具有外螺纹的钻头连接部(10.10)，两个连接部内都有上下贯通的通孔；

所述导向器(10)内有双曲率转弯导向轨道，其宽度为高压软管前端喷嘴宽度的2倍，范围在20-50mm之间，转弯半径为75-150mm，属超短半径径向水平井导向器；

所述导向轨道的进口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从入口到出口依次包括轴向直管段(10.2)、第一圆弧段(10.3)、斜管段(10.4)和第二圆弧段(10.5)；

所述轴向直管段(10.2)其长度为30-50mm，钻杆连接部(10.1)的通孔通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段(10.2)；

所述第一圆弧段(10.3)的圆弧弧度α=10°-30°，直径75-150mm；

所述斜管段(10.4)与两圆弧段相切，连接第一圆弧段(10.3)和第二圆弧段(10.5)；

所述第二圆弧段(10.5)的圆弧弧度β=α+90°，直径75-130mm；在第二圆弧段(10.5)的底部分布有细孔(10.7)，使导向器轨道的高压水流能够通过细孔经连接部分(10.10)的通孔到达钻头(11)；第二圆弧段(10.5)的末端是导向轨道出口位置，安装有空心螺环(10.8)，在使用组合钻具进行扩孔时，圆形水泥块(10.9)固定在空心螺环(10.8)上，封住导向轨道出口；

所述导向轨道的壁上设有四个滚轮(10.6)，滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁约2mm；且在第一圆弧段(10.3)上布置一个滚轮、在第二圆弧段(10.5)上布置三个滚轮；

所述钻头(11)大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于与导向器连接；钻头内部有与导向器连接部分(10.10)连通的流道，使水流能够通过导向器后再通过钻头，以便进行排渣，钻头内流道由上向下逐渐缩小，并在中间位置有一段增大的空间，形成空化腔体(11.1)，空化腔体的纵剖面为上下对称的平行四边形，腔体上下游喷嘴碰撞壁为锥形面，且上游喷嘴碰撞壁凸向上游，下游喷嘴碰撞壁凹向下游；

所述自进式钻头(13)包括钻头体和钻头体的中心自激振荡喷嘴(13.2)、边喷嘴(13.3)、中部喷嘴(13.4)和后部喷嘴(13.5)，钻头体具有前部平台(13.1)和内部空腔(13.7)；所述钻头体前部为球形，前端面为前部平台(13.1)，在平台中心即自进式钻头轴线上设置中心自激振荡喷嘴(13.2)，在平台上围绕中心自激振荡喷嘴(13.2)四周均匀布置边喷嘴(13.3)；所述钻头体后端为开口端，设有内螺纹(13.6)用于连接高压软管；钻头体的内部空腔(13.7)为前段圆锥形和后段圆柱形的组合空腔，圆锥形段的锥度为φ；

所述推进机构(6)是采用同步带轮(6.3)和压紧带轮(6.7)构成送管机构，并同时设置高度和角度两级调节的管托机构(6.12)；

压裂系统包括所述水箱(1)、所述高压泵(2)、压力表、高压橡胶管(14)、压力流量控制系统(16)、封孔装置(15)；所述高压泵(2)连接高压橡胶管(14)，所述高压橡胶管(14)连接压力流量控制系统(16)，所述压力流量控制系统(16)连接封孔装置(15)，所述压裂系统中所使用压裂液为低粘度压裂液。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于，所述自进式钻头(13)的平台(13.1)的半径R2为10.5mm—4.0mm，边喷嘴(53)的数目为3—4个，喷嘴直径为0.5mm—1.0mm，围绕平台中心的分布半径R1为1.0mm-10.0mm，所述自进式钻头的边喷嘴(13.3)具有张角α和偏角β；张角α在15°—30°之间，偏角β在60°—90°之间；边喷嘴设定是：在内部空腔(10.7)圆锥形段的前端面上距钻头轴线1.0mm-10.0mm距离确定一点为边喷嘴起点，将过边喷嘴起点且与钻头轴线平行的直线定义为直线一，直线一和钻头轴线所确定的平面定义为平面一；以直线一为基线，先在平面一内向边射流出口方向向远离钻头轴线的方向偏转一定角度，此角度设定为张角α；此时将喷嘴轴线定义为直线二；再将直线二以边喷嘴起点为原点，以直线一为旋转轴，旋转一定锥角，所得的喷嘴轴线定义为直线三，即为边喷嘴的实际轴线，此时将直线二和直线三在自进式钻头横截面上投影的夹角设定为偏角β；所有边喷嘴都按此方法均匀布置，且偏转的角度和方向均一致。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于，所述自进式钻头(13)的钻头体中部均匀分布有在横截面中具有偏向角θ的中部喷嘴(13.4)，所述中部喷嘴(13.4)的数目为3—4个，喷嘴直径为0.5mm—1.0mm，偏向角θ在30°—45°之间，偏向角θ是指中部喷嘴的轴线与径向半径的夹角，横截面是指过中部喷嘴的轴线且与钻头轴线垂直的平面。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于，所述自进式钻头(13)的钻头体后端侧壁上均匀布置有与钻头体轴线呈锥角Φ的后部喷嘴(13.5)，后部喷嘴(13.5)的数目为6—8个，喷嘴直径为0.5mm—1.5mm，轴向锥角Φ在10°—30°之间，轴向锥角Φ是指后部喷嘴的轴线与钻头轴线的夹角。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于：所述自激振荡喷嘴(13.2)依次由上游喷嘴(13.8)、自激振荡腔(13.9)和下游喷嘴(13.10)组成；自激振荡腔长度L为上游喷嘴直径d1的2.3~3.3倍，下游喷嘴直径d2为上游喷嘴直径d1的1.2~1.3倍；自激振荡腔(13.9)的主体为圆柱形腔，其直径为上游喷嘴直径d1的18倍；腔体的纵剖面为上下对称的平行四边形，腔体上下游喷嘴碰撞壁为锥形面，且上游喷嘴碰撞壁凸向上游，下游喷嘴碰撞壁凹向下游。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于：所述推进机构(6)包括机架(6.1)、同步带轮(6.3)、压紧带轮(6.7)、异型同步齿形带(6.2)、带减速机的气动马达(6.19)、减速机输出轴(6.18)、从动轮轴(6.13)、压紧轮轴(6.6)、压紧杆(6.8)、弹簧(6.9)、蝶形螺母(6.11)、管托机构(6.12)、防尘罩(6.21)以及相应的链接部件；

一对同步带轮(6.3)安装在机架(6.1)上，一个为主动轮，与气动马达(6.19)的减速机输出轴(6.18)连接，另一个为从动轮，两带轮之间通过异形同步齿形带(6.2)连接，异形同步齿形带的外表面有与高压树脂管外径匹配的U形槽；

一对压紧带轮(6.7)通过压紧轮轴(6.6)安装在机架(6.1)上，与同步带轮(6.3)上下正对配合，两压紧带轮(6.7)之间通过另一条异形同步齿形带(6.2)连接，通过异形同步齿形带(6.2)与高压树脂管的充分接触所产生的摩擦力来提供推进力，从而实现对高压树脂管的压紧；

压紧轮轴(6.6)的一端、弹簧(6.9)以及弹簧盖(6.10)均套在压紧杆(6.8)上，蝶形螺母拧入在压紧杆(6.8)上端紧抵弹簧盖(6.10)，弹簧(6.9)下端压在压紧轮轴(6.6)上，通过调节蝶形螺母(6.11)可以使压紧杆(6.8)上的弹簧(6.9)压缩，实现压紧带轮(6.7)上下调节；

管托机构(6.12)安装在整个推进装置的最前端，其具有调节长杆(6.26)，调节长杆(6.26)下端通过轴销安装在机架(6.1)上，能绕轴销进行不同角度的转动，并在机架上以轴销为中心在相同半径上设置多个调节孔，调节长杆上设有一个调节定位孔(6.27)，调节定位孔分别与各个调节孔对应并连接固定后，实现调节长杆的角度调节，形成第一级调节；调节长杆(6.26)的上端用调节螺栓固定一个“T”字形导轨(6.22)，导轨(6.22)通过调节螺栓能绕调节长杆(6.26)上端转动，形成二级调节；导轨(6.22)两端各开一个孔以便导向轮轴(6.23)通过，带有凹槽的导向轮(6.25)安装导向轮轴(6.23)上，两导向轮(6.25)之间为高压树脂管通过的空间；导向轮轴(6.23)两端通过垫片和开口销(6.15)固定，并在两端各套了一个拉伸弹簧(6.24)以保持整体导向轮轴(6.23)和导向轮(6.25)的平衡。

7.根据权利要求1所述的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于：所述钻杆(1)直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为73mm，内径50mm；钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接；钻杆内部为光滑的通孔，高压软管能顺利通过；所述导向器(2)的直径大小为100-150mm。

8.根据权利要求1的煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透装备，其特征在于：绞盘(3)为输水旋转绞盘，密封性好，可以进行正转和反转，完成对高压软管的放出和收回工作。