CN108343380B - 煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法，旋转定向钻进工具由弯外壳、传动轴、万向轴、旋转芯轴、支撑固定系统和随钻测量系统组成，所述旋转芯轴、万向轴和传动轴顺序连接于弯外壳内，所述随钻测量系统包含无磁钻杆和设置在无磁钻杆内部的测量探管，所述支撑固定系统包含多个可伸缩翼肋、异形活塞和弹簧；由此，本发明其结构简单，实现快捷方便，可以取代弯螺杆实现旋转定向钻进，且工具的动力来源于钻杆的转动扭矩，克服了滑动钻进摩阻大的问题，可以充分发挥大功率定向钻机的能力，使钻孔向深部地层延伸，提高定向钻进效率。

Description

煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔的配套设备技术领域，尤其涉及一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法。

背景技术

随着我国煤炭向科学开采和绿色开采模式转变，对降本增效提出了更高的要求，利用井下长钻孔对工作面上隅角进行瓦斯抽采，以代替传统的高抽巷而形成的以孔代巷工艺技术具有广泛的应用前景，其中对长钻孔的施工导向工具是关键。

目前在煤矿井下定向钻孔施工中应用比较成熟的主要是采用随钻测量加弯螺杆造斜的工艺技术，基本能够实现本煤层瓦斯抽采定向钻孔、底板探放水定向钻孔及顶板高位定向瓦斯抽采钻孔的施工，但这种工艺技术存在其局限性，钻进时主要依靠孔底动力钻具破碎岩石，在顶底板岩层中钻进效率低，特别是在顶底板大直径钻孔中成孔难度大，不能充分发挥大功率定向钻机的能力。另外一种是在石油钻井中应用的相对成熟的旋转导向工艺技术，实现了钻柱旋转过程中的定向钻进，具有明显的技术优势，但受煤矿钻孔直径的限制，及导向工具的复杂性，尚不能适应煤矿井下作业环境。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法，其结构简单，实现快捷方便，可以取代弯螺杆实现旋转定向钻进，且工具的动力来源于钻杆的转动扭矩，克服了滑动钻进摩阻大的问题，可以充分发挥大功率定向钻机的能力，使钻孔向深部地层延伸，提高定向钻进效率。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，由弯外壳、传动轴、万向轴、旋转芯轴、支撑固定系统和随钻测量系统组成，其特征在于：

所述旋转芯轴、万向轴和传动轴顺序连接于弯外壳内，所述随钻测量系统包含无磁钻杆和设置在无磁钻杆内部的测量探管；

所述支撑固定系统包含多个可伸缩翼肋、异形活塞和弹簧，所述弯外壳位于所述旋转芯轴的外缘至少设有第一凸台，所述第一凸台的前方与旋转芯轴之间形成一第一活动空间，所述第一凸台与旋转芯轴之间形成第二活动空间，所述多个可伸缩翼肋等距间隔的旋转贯穿设置于弯外壳在第二活动空间的周缘上，所述异形活塞包含中间台阶、上台阶和下台阶，所述中间台阶可滑动的设置于第二活动空间内，所述上台阶位于中间台阶的前端并可滑动的设置于第一活动空间内，所述弹簧位于所述第一活动空间内且顶推于上台阶的后端，所述下台阶位于中间台阶的后端，所述旋转芯轴位于第一空间的位置设有过水孔；所述旋转芯轴位于第一空间的位置设有一第一花键，所述上台阶的内侧设有第一键槽以对应容纳所述第一花键，所述第三台阶上设置有在滑动中能顶推可伸缩翼肋进行伸缩的凸轮。

其中：所述中台阶的外壁上设置有周向均匀分布的多个第二花键，所述弯外壳的第二空间的内壁设有对应的多个第二键槽，第二花键与第二键槽的配合使异形活塞与弯外壳之间只能相对滑动而不能相对转动。

其中：所述可伸缩翼肋上正向旋转的一侧安装有硬质合金齿，外表面上镶嵌有硬质合金耐磨颗粒。

其中：所述可伸缩翼肋为一组或多组可伸缩翼肋，其三个为一组且周向120°均匀分布。

其中：所述传动轴的下部通过下推力轴承支撑固定于弯外壳内，所述旋转芯轴的上部通过上推力轴承支撑固定于弯外壳内，所述传动轴的下端设置有连接钻头的转接头。

其中：测量探管为有线随钻测量探管。

还公开了一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进方法，利用上述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，该方法包含如下步骤：该方法通过以下步骤实现：

步骤一：孔口调试

当定向钻进工具在孔口时，定向钻进工具的下端接定向钻头，上端接钻杆，固定钻杆后手动旋转定向钻进工具的弯外壳，当弯外壳无法旋转时表明异形活塞的第一键槽与旋转芯轴的第一花键形成配合；

步骤二：修正工具面

转动钻具使工具的弯外壳随钻杆一起旋转至弯头朝向正上方，此时修正工具面为0°，因为异形活塞的键槽和旋转芯轴上的花键均唯一，因此以后每次异形活塞的键槽与旋转芯轴的花键形成配合而使工具的弯外壳随钻柱一起旋转时，工具的工具面向角均为0°；

步骤三：调整工具面

把定向钻进工具下放到孔内指定位置后，按钻孔轨迹需要转动钻具，根据需要在开泵之前调整定向钻进工具的工具面向角调整工具面；

步骤四：定向钻进

开泵，当冲洗液压力达到一定值后，异形活塞在冲洗液压力和弹簧弹力的共同作用下上行，使可伸缩翼肋伸出支撑于孔壁，使工具的弯外壳相对于孔壁固定，从而固定工具的工具面，可伸缩翼肋可以在钻具压力的作用下滑动前进，实现定向钻进；

步骤五：调整工具面

单次定向钻进完成后，关泵，加单根，然后转动钻具，工具的弯外壳会在孔壁摩擦力的作用下相对于内部旋转芯轴旋转，当异形活塞的键槽与旋转芯轴的花键形成配合以后，可以继续旋转钻柱调整工具面，重复步骤四继续定向钻进。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法具有如下效果：

1、能实现钻柱旋转过程中的定向钻进，克服了滑动定向钻进过程中摩阻过大及托压的问题。

2、提高了定向钻进效率，有利于充分发挥大功率定向钻机的能力，使钻孔轨迹向深部地层延伸。

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显示了本发明的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具的结构图；

图2显示了本发明的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具的结构图；

图3为A-A截面的右视图；

图4为B-B截面的右视图；

其中：1-传动轴，2-弯外壳，3-第一花键，5-第二花键，4-第一键槽，6-第二键槽，7-可伸缩翼肋，8-转换接头，9-无磁钻杆，10-下推力轴承，11-万向轴，13-过水孔，14-异形活塞，15-弹簧，16-凸轮，17-旋转芯轴，18-上推力轴承，19-探管。

具体实施方式

参见图1和图2，显示了本发明的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具。

所述煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具由弯外壳2、传动轴1、万向轴11、旋转芯轴17、支撑固定系统和随钻测量系统组成，所述弯外壳2可以为可调角弯外壳，也可以为固定角度弯外壳，为加工简单，可以跟螺杆钻具一样根据造斜率需要选取1.25°、1.75°或更大角度的弯外壳，再次不进行进一步累述，所述旋转芯轴17、万向轴11和传动轴1顺序连接于弯外壳2内，所述万向轴11设置在弯外壳2的下端与传动轴1连接，上端与旋转芯轴7连接，由此，传动轴1通过万向轴11能将动力传递至旋转芯轴，所述随钻测量系统包含无磁钻杆9和设置在无磁钻杆9内部的测量探管19，所述随钻测量系统通过无磁钻杆9连接至旋转芯轴7上端的转换接头8。

其中，所述传动轴1的下部通过下推力轴承支撑固定于弯外壳2内，所述旋转芯轴7的上部通过上推力轴承18支撑固定于弯外壳2内，所述传动轴1的下端可设置有连接钻头的转接头。

其中，所述支撑固定系统包含多个可伸缩翼肋7、异形活塞14和弹簧15，所述异形活塞滑动设置于旋转芯轴17的外缘和弯外壳2的内缘之间，所述弯外壳2位于所述旋转芯轴17的外缘部至少设有第一凸台21，所述第一凸台21的前方(即图中的右侧)与旋转芯轴17之间形成一第一活动空间，所述第一凸台21与旋转芯轴17之间形成第二活动空间，所述多个可伸缩翼肋7等距间隔的旋转贯穿设置于弯外壳2的第二活动空间的周缘上，优选的可为三个周向均布的可伸缩翼肋7，优选的是，可伸缩翼肋7可三个为一组，周向120°均匀分布，可根据需要设置一组或多组可伸缩翼肋；所述可伸缩翼肋7的一端活动，另一端由插销铰接固定于弯外壳2周缘，从而该可伸缩翼肋7可进行旋转的伸缩活动，其中，所述插销铰接设置为可在外部快速拆卸，以方便更换可伸缩翼肋7；更为优选的是，所述可伸缩翼肋7上正向旋转的一侧安装有硬质合金齿，外表面上镶嵌有硬质合金耐磨颗粒。

所述异形活塞14为阶梯状，其至少包含中间台阶141、上台阶142和下台阶143，所述中间台阶141可滑动的设置于第二活动空间内，所述上台阶142位于中间台阶141的前端并可滑动的设置于第一活动空间内，所述弹簧15位于所述第一活动空间内且顶推于上台阶142的后端，所述下台阶143位于中间台阶141的后端，所述旋转芯轴17位于第一空间的位置设有过水孔13，所述过水孔13连通旋转芯轴17内部的冲洗液通道和异形活塞上台阶142前端与第一空间21之间的腔室。

其中，所述旋转芯轴17位于第一空间21的位置设有一第一花键3，所述上台阶142的内侧设有第一键槽4，以可对应容纳所述花键3(参见图3)，所述中台阶141的外壁上设置有周向90°均匀分布的多个第二花键5，所述弯外壳2的第二空间22的内壁设有对应的多个第二键槽6(参见图4)，且异形活塞的所述第一键槽4对应弯外壳的弯角朝向(即工具的工具面向角方向)，第二花键5与第二键槽6的配合使异形活塞14与弯外壳2之间只能相对滑动而不能相对转动。

其中，所述第三台阶143上设置有在滑动中可顶推可伸缩翼肋7的凸轮16，从而当异形活塞14在冲洗液压力和弹簧弹力15的共同作用下来回运动时，凸轮结构控制可伸缩翼肋7在弯外壳内的伸出和回收(参见图4)。

其中，测量探管19为有线随钻测量探管。

其中，定向钻进工具内部设置有与异形活塞外部的第二花键相配合的第二键槽，用以固定异形活塞14的旋转自由度。

其中，定向钻进工具的异形活塞14在开泵后通过过水孔13的钻井液压力，及设置在异形活塞14与不旋转外壳之间的弹簧15和第二花键5与第二键槽6的共同作用下，在行程之内上下运动。

由此，可伸缩翼肋7在异形活塞14的凸轮16的作用下，可伸出支撑与钻孔壁上，从而固定弯外壳2的旋转自由度，工具的可伸缩翼肋7可为3个一组，若轴承摩擦过大，可设置多组可伸缩翼肋7，由此延伸的多组可伸缩翼肋7固定弯外壳方案均在本发明保护范围之内，在工具面固定的情况下，工具在钻压的作用下外壳不旋转滑动前进，内部芯轴带动钻头旋转前进，实现工具的旋转定向钻进。

本发明还提供一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进方法，利用上述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，该方法包含如下步骤：

步骤一：孔口调试

当定向钻进工具在孔口时，定向钻进工具的下端接定向钻头，上端接钻杆，固定钻杆后手动旋转定向钻进工具的弯外壳，当弯外壳无法旋转时表明异形活塞的第一键槽与旋转芯轴的第一花键形成配合；

具体而言，当前面描述的定向钻进工具在孔口时，手动旋转定向钻进工具的弯外壳2，弹簧15推动异形活塞14使第一花键3卡进第一键槽4，此时定向钻进工具的弯外壳2与旋转芯轴17相对固定；

步骤二：修正工具面

转动钻具使工具的弯外壳随钻杆一起旋转至弯头朝向正上方，此时修正工具面为0°，因为异形活塞的键槽和旋转芯轴上的花键均唯一，因此以后每次异形活塞的键槽与旋转芯轴的花键形成配合而使工具的弯外壳随钻柱一起旋转时，工具的工具面向角均为0°；

具体而言，转动钻柱使定向钻进工具的弯外壳2指向朝正上方，此时修正测量探管19的工具面为0°，使得以后每次第一花键3卡进第一键槽4的时候，工具的弯外壳2朝向与测量探管19测定的工具面方向一致；

步骤三：调整工具面

把定向钻进工具下放到孔内指定位置后，按钻孔轨迹需要转动钻具，根据需要在开泵之前调整定向钻进工具的工具面向角调整工具面；

步骤四：定向钻进

开泵，当冲洗液压力达到一定值后，异形活塞在冲洗液压力和弹簧弹力的共同作用下上行，使可伸缩翼肋伸出支撑于孔壁，使工具的弯外壳相对于孔壁固定，从而固定工具的工具面，可伸缩翼肋可以在钻具压力的作用下滑动前进，实现定向钻进；

具体而言，开泵，达到一定流量后，冲洗液通过过水孔13进入到第一活动空间，推动异形活塞14上行，使第一花键3和第二键槽4脱开，异形活塞14的凸轮16推动可伸缩翼肋7伸出顶到钻孔壁上，定向钻进工具的弯外壳2被固定而不随钻杆柱的旋转而旋转，弯外壳2的工具面被固定；

旋转钻柱带动钻头旋转并施加加压，定向钻进工具的弯外壳2在可伸缩翼肋7和钻压的共同作用下滑动前进，将使定向钻进工具朝弯外壳2指向方向前进，实现工具的旋转导向；

步骤五：调整工具面

单次定向钻进完成后，关泵，加单根，然后转动钻具，工具的弯外壳会在孔壁摩擦力的作用下相对于内部旋转芯轴旋转，当异形活塞的键槽与旋转芯轴的花键形成配合以后，可以继续旋转钻柱调整工具面，重复步骤四继续定向钻进。

具体而言，一次造斜完成以后需要停泵加单根，停泵状态下异形活塞14在弹簧15的作用下回弹，将第一花键3卡进第一键槽4，而一旦第一花键3没有卡进第一键槽4里，转动钻柱时定向钻进工具的旋转芯轴7随钻柱一起旋转，弯外壳2及未完全收回的可伸缩翼肋7在孔壁摩擦力的作用下不旋转或旋转速度慢，当第一花键3与第一键槽4回到同一角度后，弹簧15使第一花键3和第一键槽4形成配合，定向钻进工具的弯外壳2随钻柱一起旋转，重新调整工具面重复步骤四继续定向钻进。

由此可见，本发明的定向钻进原理借鉴于螺杆钻具和测量探管组合的传统滑动定向原理，把钻井液驱动的螺杆转子换成由钻柱驱动的旋转芯轴，核心是利用钻井液的水力能量控制伸缩翼肋支撑到孔壁上固定工具的弯外壳，本质上是固定弯头的工具面向角，使钻头朝弯角指向方向前进，实现可控定向钻进。

本发明与螺杆钻具定向相比，有效解决了定向过程中钻柱不旋转问题，防止托压的发生，降低了摩阻，提高了机械钻速；与石油钻井中常用的旋转导向相比，本发明除测量探管外，为纯机械化结构，结构相对简单，可靠性高。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (7)

1.一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，由弯外壳、传动轴、万向轴、旋转芯轴、支撑固定系统和随钻测量系统组成，其特征在于：

所述旋转芯轴、万向轴和传动轴顺序连接于弯外壳内，所述随钻测量系统包含无磁钻杆和设置在无磁钻杆内部的测量探管；

所述支撑固定系统包含多个可伸缩翼肋、异形活塞和弹簧，所述弯外壳位于所述旋转芯轴的外缘至少设有第一凸台，所述第一凸台的前方与旋转芯轴之间形成一第一活动空间，所述第一凸台与旋转芯轴之间形成第二活动空间，所述多个可伸缩翼肋等距间隔的旋转贯穿设置于弯外壳在第二活动空间的周缘上，所述异形活塞包含中间台阶、上台阶和下台阶，所述中间台阶可滑动的设置于第二活动空间内，所述上台阶位于中间台阶的前端并可滑动的设置于第一活动空间内，所述弹簧位于所述第一活动空间内且顶推于上台阶的后端，所述下台阶位于中间台阶的后端，所述旋转芯轴位于第一活动空间的位置设有过水孔；所述旋转芯轴位于第一活动空间的位置设有一第一花键，所述上台阶的内侧设有第一键槽以对应容纳所述第一花键，所述下台阶上设置有在滑动中能顶推可伸缩翼肋进行伸缩的凸轮。

2.如权利要求1所述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，其特征在于：所述中间台阶的外壁上设置有周向均匀分布的多个第二花键，所述弯外壳的第二活动空间的内壁设有对应的多个第二键槽，第二花键与第二键槽的配合使异形活塞与弯外壳之间只能相对滑动而不能相对转动。

3.如权利要求1所述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，其特征在于：所述可伸缩翼肋上正向旋转的一侧安装有硬质合金齿，外表面上镶嵌有硬质合金耐磨颗粒。

4.如权利要求1所述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，其特征在于：所述可伸缩翼肋为一组或多组可伸缩翼肋，其三个为一组且周向120°均匀分布。

5.如权利要求1所述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，其特征在于：所述传动轴的下部通过下推力轴承支撑固定于弯外壳内，所述旋转芯轴的上部通过上推力轴承支撑固定于弯外壳内，所述传动轴的下端设置有连接钻头的转接头。

6.如权利要求1所述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，其特征在于：测量探管为有线随钻测量探管。

7.一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进方法，利用权利要求1-6中任一所述的煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具，该方法包含如下步骤：该方法通过以下步骤实现：

步骤一：孔口调试

当定向钻进工具在孔口时，定向钻进工具的下端接定向钻头，上端接钻杆，固定钻杆后手动旋转定向钻进工具的弯外壳，当弯外壳无法旋转时表明异形活塞的第一键槽与旋转芯轴的第一花键形成配合；

步骤二：修正工具面

转动钻具使工具的弯外壳随钻杆一起旋转至弯头朝向正上方，此时修正工具面为0°，因为异形活塞的键槽和旋转芯轴上的花键均唯一，因此以后每次异形活塞的键槽与旋转芯轴的花键形成配合而使工具的弯外壳随钻柱一起旋转时，工具的工具面向角均为0°；

步骤三：调整工具面

把定向钻进工具下放到孔内指定位置后，按钻孔轨迹需要转动钻具，根据需要在开泵之前调整定向钻进工具的工具面向角调整工具面；

步骤四：定向钻进

开泵，当冲洗液压力达到一定值后，异形活塞在冲洗液压力和弹簧弹力的共同作用下上行，使可伸缩翼肋伸出支撑于孔壁，使工具的弯外壳相对于孔壁固定，从而固定工具的工具面，可伸缩翼肋能在钻具压力的作用下滑动前进，实现定向钻进；

步骤五：调整工具面

单次定向钻进完成后，关泵，加单根，然后转动钻具，工具的弯外壳会在孔壁摩擦力的作用下相对于内部旋转芯轴旋转，当异形活塞的键槽与旋转芯轴的花键形成配合以后，可以继续旋转钻柱调整工具面，重复步骤四继续定向钻进。