CN105545218A - 软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆及钻进方法 - Google Patents

Abstract

软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，包括多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件，多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的表面沿轴向方向设有至少两条长槽，所有长槽均沿圆周方向均匀布置，长槽的横截面为弧形结构；多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的圆周表面由长槽隔开形成高速旋转钻孔的弧形翼，多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件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。本发明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。

Description

软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆及钻进方法

技术领域

本发明属于松软煤层钻探工程技术领域，具体涉及一种软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆及钻进方法。

背景技术

井下瓦斯抽采主要包括成孔、封孔、联孔等技术环节，其中以成孔技术最为关键，成孔深度及效率决定着瓦斯抽采的效率及范围。目前，软煤层钻孔施工是瓦斯抽采的一项技术难题，软煤层以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，钻进过程中，受地应力、瓦斯压力及煤体构造应力等因素影响，钻孔收缩严重，钻进过程中，钻孔易堵塞，钻进阻力大，卡钻、断钻现象频发，致使钻孔深度浅、钻进效率低、成孔率低，直接影响瓦斯的抽采范围和抽采效率，间接影响煤层的开采效率、安全生产及经济效益。解决软煤层钻进难题，应从降低钻进阻力、提高排渣效率两个方面着手，降低钻进阻力主要从改变钻杆的截面形状入手，提高排渣效率主要从钻杆结构、钻进速度、供风量等方面入手。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆及钻进方法，利用钻杆的多翼内凹结构提供护孔排渣通道，利用钻杆表面的凸形或凹槽降低钻进阻力，实现了护孔排渣、低阻钻进作业。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，包括多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件，所述多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件同轴向设置，多翼内凹开放式凹连接件和多翼内凹开放式凸连接件分别连接在多翼内凹开放式中空杆体的两端，多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件内部轴向设有连通的流体通道；多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的表面沿轴向方向设有至少两条长槽，所有长槽均沿圆周方向均匀布置，长槽的横截面为弧形结构；多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的圆周表面由长槽隔开形成高速旋转钻孔的弧形翼。

多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空杆体及多翼内凹开放式凸连接件的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空杆体及多翼内凹开放式凹连接件的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空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～100mm。

凹槽的深度为0mm～5mm。

凸起的高度为0mm～15mm。

软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆的钻进方法，包括以下步骤：

（1）、根据施工地点煤层瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、瓦斯压力p确定采用不同的钻杆；

（2）、在施工地点设置钻机，将钻杆安装到钻机上，钻杆连接风管或水管，开启钻机进行钻进，待钻进到煤层预定设计深度后停钻，退出钻杆；

（3）、调整钻机位置，对另一个钻孔进行钻进作业；

（4）、重复步骤（2）和（3）。

步骤（1）确定采用不同的钻杆结构的具体方式为：

当瓦斯放散初速度Δp≥10、煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆设计为两翼或三翼；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆设计为四翼或五翼；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆表面凸起高度设置为5mm～15mm范围内，钻杆表面凹槽深度设置为3mm～5mm范围内；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆表面凸起高度设置为0mm～8mm范围内，钻杆表面凹槽深度设置为0mm～3mm范围内；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为10mm～50mm范围内；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为20mm～100mm范围内。

步骤（2）在钻进过程中的具体技术参数为：

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力P≥0.74时，钻进速度设计为0.4m/min～0.8m/min；当瓦斯放散初速度Δp≥10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻进速度设计为0.8m/min～1.2m/min；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，供风风量设计为12m³/min～16m³/min；当瓦斯放散初速度Δp≥10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，供风风量设计为8m³/min～12m³/min。

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、钻杆表面凸起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，并且利用钻杆表面的凸起或凹槽降低钻进阻力，实现了护孔排渣、低阻钻进作业。钻杆表面设置的长槽起到顺畅排渣的作用。

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，本发明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1的左视图；

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4的左视图；

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7的左视图；

图10是本发明实施例四的结构示意图；

图11是图10的左视图。

具体实施方式

实施例一：如图1～图3所示，本发明的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，包括多翼内凹开放式凹连接件1、多翼内凹开放式中空杆体2和多翼内凹开放式凸连接件3，多翼内凹开放式凹连接件1、多翼内凹开放式中空杆体2和多翼内凹开放式凸连接件3同轴向设置，多翼内凹开放式凹连接件1和多翼内凹开放式凸连接件3分别连接在多翼内凹开放式中空杆体2的两端，多翼内凹开放式凹连接件1、多翼内凹开放式中空杆体2和多翼内凹开放式凸连接件3内部轴向设有连通的流体通道8；多翼内凹开放式凹连接件1、多翼内凹开放式中空杆体2和多翼内凹开放式凸连接件3的表面沿轴向方向设有至少两条长槽6，所有长槽6均沿圆周方向均匀布置，长槽6的横截面为弧形结构；多翼内凹开放式凹连接件1、多翼内凹开放式中空杆体2和多翼内凹开放式凸连接件3的圆周表面由长槽6隔开形成高速旋转钻孔的弧形翼5。

多翼内凹开放式凹连接件1、多翼内凹开放式中空杆体2和多翼内凹开放式凸连接件3的外圆周表面均匀设置有仿生结构，仿生结构为凸起。

相邻的两个凸起之间的距离为10mm～100mm。凸起的高度为0mm～15mm。

软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆的钻进方法，包括以下步骤：

（1）、根据施工地点煤层瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、瓦斯压力p确定采用不同的钻杆；

（2）、在施工地点设置钻机，将钻杆安装到钻机上，钻杆连接风管或水管，开启钻机进行钻进，待钻进到煤层预定设计深度后停钻，退出钻杆；

（3）、调整钻机位置，对另一个钻孔进行钻进作业；

（4）、重复步骤（2）和（3）。

步骤（1）确定采用不同的钻杆结构的具体方式为：

当瓦斯放散初速度Δp≥10、煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆设计为两翼或三翼；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆设计为四翼或五翼；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆表面凸起高度设置为5mm～15mm范围内，钻杆表面凹槽深度设置为3mm～5mm范围内；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆表面凸起高度设置为0mm～8mm范围内，钻杆表面凹槽深度设置为0mm～3mm范围内；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为10mm～50mm范围内；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为20mm～100mm范围内。

步骤（2）在钻进过程中的具体技术参数为：

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力P≥0.74时，钻进速度设计为0.4m/min～0.8m/min；当瓦斯放散初速度Δp≥10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻进速度设计为0.8m/min～1.2m/min；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，供风风量设计为12m³/min～16m³/min；当瓦斯放散初速度Δp≥10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，供风风量设计为8m³/min～12m³/min。

下面介绍一下本发明实施例一多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆钻进原理：

松软煤层钻进过程中，受地应力、瓦斯压力、构造应力等因素影响，煤体流变严重，钻孔变形量大、孔壁破坏严重，在较短时间内，钻孔迅速收缩，致使钻进阻力增大，此外，排渣通道变窄，排渣阻力也相应增大，钻屑易在孔内堆积并发生堵塞，堵塞段未及时疏通时，强行钻进或退钻时，易发生卡钻、断钻、钻孔瓦斯燃烧等事故。

本发明钻杆截面设计为多翼内凹结构，以弧形翼5作为护孔结构，阻止钻孔进一步变形，依靠长槽6形成排渣通道，钻杆结构创新实现了护孔、保护排渣通道双重功能。为了减小因钻孔收缩致使钻进阻力增大对钻孔施工的影响，依据仿生学原理，将钻杆表面设计为凸凹不平的仿生结构，仿生结构的设置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，实现钻杆的“降阻”作用。钻杆结构、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、钻进速度和供风风量的确定依据本发明钻进方法步骤①～⑤确定。

实施例二：如图4～图6所示，与实施例一不同的在于，钻杆截面设计的弧形翼5为三个，实施例二的使用方法与实施例一相同。

实施例三：如图7～图9所示，与实施例一、实施例二不同的在于，钻杆截面设计弧形翼5为四个，实施例三的使用方法与实施例一、实施例二相同。

实施例四：如图10～图11所示，与实施例三不同的在于，钻杆截面设计弧形翼5为四个，弧形翼5实施例四的使用方法与实施例三相同。

另外，本发明的钻杆还可以在多翼内凹开放式中空杆体2及多翼内凹开放式凸连接件3的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空杆体2及多翼内凹开放式凸连接件3的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空杆体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。

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 (8)

1.软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，其特征在于：包括多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件，所述多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件同轴向设置，多翼内凹开放式凹连接件和多翼内凹开放式凸连接件分别连接在多翼内凹开放式中空杆体的两端，多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件内部轴向设有连通的流体通道；多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的表面沿轴向方向设有至少两条长槽，所有长槽均沿圆周方向均匀布置，长槽的横截面为弧形结构；多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的圆周表面由长槽隔开形成高速旋转钻孔的弧形翼。

2.根据权利要求1所述的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，其特征在于：多翼内凹开放式凹连接件、多翼内凹开放式中空杆体和多翼内凹开放式凸连接件的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空杆体及多翼内凹开放式凸连接件的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空杆体及多翼内凹开放式凹连接件的外圆周表面，或者多翼内凹开放式中空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所述的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，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～100mm。

4.根据权利要求2或3所述的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，其特征在于：凹槽的深度为0mm～5mm。

5.根据权利要求4所述的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆，其特征在于：凸起的高度为0mm～15mm。

6.软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆的钻进方法，所述钻杆采用如权利要求5所述的结构，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、根据施工地点煤层瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f、瓦斯压力p确定采用不同的钻杆；

（2）、在施工地点设置钻机，将钻杆安装到钻机上，钻杆连接风管或水管，开启钻机进行钻进，待钻进到煤层预定设计深度后停钻，退出钻杆；

（3）、调整钻机位置，对另一个钻孔进行钻进作业；

（4）、重复步骤（2）和（3）。

7.根据权利要求6所述的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆的钻进方法，其特征在于：步骤（1）确定采用不同的钻杆结构的具体方式为：

当瓦斯放散初速度Δp≥10、煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆设计为两翼或三翼；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆设计为四翼或五翼；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆表面凸起高度设置为5mm～15mm范围内，钻杆表面凹槽深度设置为3mm～5mm范围内；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆表面凸起高度设置为0mm～8mm范围内，钻杆表面凹槽深度设置为0mm～3mm范围内；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为10mm～50mm范围内；当瓦斯放散初速度Δp<10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻杆表面凸起或凹槽之间间距设置为20mm～100mm范围内。

8.根据权利要求6或7所述的软煤层钻进多翼内凹开放式仿生降阻护孔钻杆的钻进方法，其特征在于：步骤（2）在钻进过程中的具体技术参数为：

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力P≥0.74时，钻进速度设计为0.4m/min～0.8m/min；当瓦斯放散初速度Δp≥10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，钻进速度设计为0.8m/min～1.2m/min；

当瓦斯放散初速度Δp≥10、当煤坚固性系数f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74时，供风风量设计为12m³/min～16m³/min；当瓦斯放散初速度Δp≥10或煤坚固性系数0.5<f≤1或瓦斯压力p<0.74时，供风风量设计为8m³/min～12m³/min。