CN109138834B - 深井软煤岩螺旋钻进方法 - Google Patents

深井软煤岩螺旋钻进方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109138834B
CN109138834B CN201811387088.1A CN201811387088A CN109138834B CN 109138834 B CN109138834 B CN 109138834B CN 201811387088 A CN201811387088 A CN 201811387088A CN 109138834 B CN109138834 B CN 109138834B
Authority
CN
China
Prior art keywords
drilling
spiral
drill rod
coal rock
hole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811387088.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109138834A (zh
Inventor
王永龙
韦纯福
王振锋
孙志东
宋维宾
王志明
余在江
陆云飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Banghong Zhongchuang Intelligent Equipment Co ltd
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN201811387088.1A priority Critical patent/CN109138834B/zh
Publication of CN109138834A publication Critical patent/CN109138834A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109138834B publication Critical patent/CN109138834B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/22—Rods or pipes with helical structure

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

本发明公开了一种深井软煤岩螺旋钻进方法，根据钻头直径、钻孔变形量确定前端螺旋钻杆和后端螺旋钻杆的结构，前端螺旋钻杆的外径由大端到小端呈不断缩小的锥形结构；根据后段钻孔变形量确定后端螺旋钻杆外径。钻进过程中，前段钻孔由钻孔前端面向外呈锥形变化趋势，由于设计了与钻孔前段变形特征相匹配的前端螺旋钻杆，克服了常规等径钻杆在前段钻孔锥形空间内钻屑容易堆积堵塞的难题；考虑后段钻孔变形量设计后端螺旋钻杆外径，避免了过高螺旋叶片切削钻孔周围煤岩体或过低螺旋叶片排渣效率低的问题。本发明设计新颖，建立了深井软煤岩螺旋钻进工艺体系，可有效改善螺旋钻具应用于软煤岩的钻探效果。

Description

深井软煤岩螺旋钻进方法
技术领域
本发明属于钻探工程技术领域，具体涉及一种深井软煤岩螺旋钻进方法。
背景技术
伴随煤炭开采向纵深发展，煤层赋存呈“三高二低”特征(高地应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力、低渗透率、低煤体强度)，钻孔施工更为困难。目前，深井软煤岩钻孔施工存在着钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故频发等问题，我国多个矿区已发生多起钻孔瓦斯燃烧、钻孔CO中毒事故，不仅影响煤矿开采效率，同时威胁着煤矿工人的生命安全，给煤矿安全生产带来了严重的经济损失。软弱煤岩层钻进过程中，由于钻孔变形量大且易失稳破坏，造成钻进阻力大、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。针对软煤岩钻进难题，科研及工程人员开展了大量的研究，发展了系列钻进方法和新型钻具，例如，专利名称为“用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法”(ZL201310568692.5)、“用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法”(ZL201310566830.6)、“用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法”(ZL201410567089.X)、“用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆”(ZL201510173449.2)、“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”(ZL201610062293.5)一定程度上推进了我国软煤岩钻探工程技术水平的提高。目前，软煤岩层钻进工艺主要包括螺旋排渣钻进工艺、流体排渣钻进工艺。螺旋排渣钻进工艺由于工艺简单、施工现场灰尘较小，其应用较为广泛。螺旋钻杆的结构是在光面钻杆的表面上焊有一定高度的螺旋叶片，通过钻杆的旋转，叶片螺旋结构对钻屑产生摩擦力，带运钻屑向外运动。深井软煤岩钻孔的变形量大，且前段钻孔由钻孔前端面向外呈锥形变化趋势，因此，螺旋叶片的高度设计对于钻进效果影响较大，叶片过高，螺旋叶片切削钻孔周围煤岩体，致使钻屑量增多，钻进阻力增大；叶片过低，排渣效率低，钻屑容易在钻孔底部堆积，特别是在前段钻孔的锥形空间更容易堆积，致使钻孔发生堵塞的概率增高。本发明针对螺旋排渣类钻杆在深井软煤岩钻孔施工中存在的问题，建立了深井软煤岩螺旋钻进工艺体系，可有效改善螺旋钻具应用于软煤岩的钻探效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种深井软煤岩螺旋钻进方法，解决常规螺旋钻进工艺钻进阻力大、钻孔深度浅、排渣效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
深井软煤岩螺旋钻进方法，包括以下步骤：
①.根据钻头直径d0确定钻孔前段钻孔长度L0；
②.根据前段钻孔长度L0，确定前端螺旋钻杆结构和长度L1；
③.根据后段钻孔变形量s确定后端螺旋钻杆外径d1；
④.依据步骤①～③，得到前端螺旋钻杆和后端螺旋钻杆的结构；
⑤.钻具连接方式依次为钻头、前端螺旋钻杆和后端螺旋钻杆，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。
深井软煤岩螺旋钻进方法，所述的步骤①前段钻孔长度L0为3d0～5d0。
所述的步骤②确定前端螺旋钻杆结构和长度L1的具体方法为：前端螺旋钻杆与钻头连接端的大端外径与钻头直径相同，前端螺旋钻杆与后端螺旋钻杆连接端的小端外径与后端螺旋钻杆外径相同；前端螺旋钻杆的长度L1设计为5d0～15d0。
所述的步骤③确定后端螺旋钻杆外径d1的具体方法为：d1＝d0－2s。
由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：
①.基于岩体力学弹塑性理论，根据煤岩体的开挖直径，能够近似的判断钻孔的变形情况。结合钻孔施工使用的钻头型号，可以掌握前段钻孔长度L0、后段钻孔变形量s，进而确定前端螺旋钻杆结构和长度L1、后端螺旋钻杆外径d1。因此，本发明确定前端螺旋钻杆和后端螺旋钻杆结构的方法具有理论支撑，科学可行；
②.通过本发明钻进方法指导前端螺旋钻杆结构和长度L1的设计，前端螺旋钻杆结构由钻头端向外呈锥形，与前段钻孔的变形特征相匹配，解决了常规螺旋钻杆钻屑容易在前段钻孔底部堆积的问题，提高了钻孔底部的排渣效率；
③.通过本发明钻进方法指导后端螺旋钻杆外径d1的设计，使后端螺旋钻杆外径接近或略小于后段钻孔直径，解决了过高螺旋叶片切削钻孔周围煤岩体造成钻进阻力大的问题，使排渣空间与螺旋钻杆结构实现了合理匹配，提升了钻屑排渣效率，降低了钻孔堵塞的风险。
本发明针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合施工地点地质条件，基于岩石力学理论，发明了深井软煤岩螺旋钻进方法，钻进方法指导螺旋钻具结构设计，有利于克服常规螺旋钻具在使用中存的技术问题，优化螺旋钻具结构，改善螺旋钻进工艺的应用效果，值得在煤矿企业推广应用。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是前端螺旋钻杆前视图；
图3是端螺旋钻杆A-A剖面图；
图4是端螺旋钻杆B-B剖面图；
图5是端螺旋钻杆C-C剖面图；
图6是本发明钻具连接示意图；
图7是常规螺旋钻杆叶片过高切削煤岩体示意图；
图8是常规螺旋钻杆叶片过低钻屑堆积示意图。
具体实施方式
如图1～图6所示，深井软煤岩螺旋钻进方法，包括以下步骤：
①.根据钻头直径d0确定钻孔前段钻孔长度L0，前段钻孔长度L0为3d0～5d0。
②.根据前段钻孔长度L0，确定前端螺旋钻杆结构和长度L1，前端螺旋钻杆2与钻头1连接端的大端外径与钻头直径d0相同，前端螺旋钻杆2与后端螺旋钻杆3连接端的小端外径与后端螺旋钻杆3外径d1相同；前端螺旋钻杆2的长度L1设计为5d0～15d0。如图2、图3、图4、图5所示，前端螺旋钻杆2的结构是在前段钻孔长度L0范围内，沿钻孔孔底向外方向螺旋叶片外径逐渐变小，前段钻孔长度L0以外部分，前端螺旋钻杆2的螺旋叶片外径与后端螺旋钻杆3外径d1相同。
③.根据后段钻孔变形量s确定后端螺旋钻杆外径d1，后端螺旋钻杆外径d1为：d1＝d0－2s，后段钻孔是指前段钻孔长度L0以外的部分，后段钻孔变形量s的确定方法主要包括理论计算、数值计算、现场观测三种方法，理论计算：基于Mohr-Coulomb准则求解、基于Hoek-Brown准则求解、基于Drucker-Prager准则求解，数值计算：应用FLAC、ANSYS、ABAQUS等软件进行分析，现场观测：应用钻孔窥视仪、三维激光扫描仪等设备进行观测。
④.依据步骤①～③，得到前端螺旋钻杆2和后端螺旋钻杆3的结构。
⑤.如图6所示，钻具连接方式依次为钻头1、前端螺旋钻杆2和后端螺旋钻杆3，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。
下面介绍一下本发明实施钻进原理：
软煤岩强度低，受地应力、瓦斯压力、构造应力等因素影响，钻孔变形量大，前段钻孔由钻孔前端面6向外呈锥形变形趋势。如图7所示，当应用叶片过高的常规螺旋钻杆7钻进时，参考钻孔变形后的边界线4、钻孔未变形的边界线5位置，螺旋叶片切入钻孔周围煤岩体，致使钻屑量增多，钻进阻力增大，容易造成叶片脱落、卡钻等钻进事故，严重影响钻进效果；如图8所示，当应用叶片过低的常规螺旋钻杆8钻进时，影响钻杆的整体钻屑排渣效率，此外，钻屑容易在钻孔前端的锥形空间内形成底部堆积9，不利于钻屑排出，如出现塌孔、喷孔等动力现象，钻孔发生堵塞的概率将升高。如图1～图6所示，由于设计了与钻孔前段变形特征相匹配的前端螺旋钻杆2，降低了钻屑在钻孔前端堆积造成钻孔堵塞的概率，克服了以往等径钻杆前段钻孔锥形空间内煤渣不尽的难题；考虑后段钻孔变形量设计后端螺旋钻杆外径的方法，不仅避免了过高螺旋叶片切削钻孔周围煤岩体的技术问题，同时也解决了过低螺旋叶片排渣效率低的技术问题。

Claims (4)

1.深井软煤岩螺旋钻进方法，其特征在于：包括以下步骤：
①.根据钻头直径d0确定钻孔前段钻孔长度L0；
②.根据前段钻孔长度L0，确定前端螺旋钻杆结构和长度L1；
③.根据后段钻孔变形量s确定后端螺旋钻杆外径d1；
④.依据步骤①～③，得到前端螺旋钻杆和后端螺旋钻杆的结构；
⑤.钻具连接方式依次为钻头、前端螺旋钻杆和后端螺旋钻杆，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。
2.根据权利要求1所述的深井软煤岩螺旋钻进方法，其特征在于：所述的步骤①前段钻孔长度L0为3d0～5d0。
3.根据权利要求1所述的深井软煤岩螺旋钻进方法，其特征在于：所述的步骤②确定前端螺旋钻杆结构和长度L1的具体方法为：前端螺旋钻杆与钻头连接端的大端外径与钻头直径相同，前端螺旋钻杆与后端螺旋钻杆连接端的小端外径与后端螺旋钻杆外径相同；前端螺旋钻杆的长度L1设计为5d0～15d0。
4.根据权利要求1所述的深井软煤岩螺旋钻进方法，其特征在于：所述的步骤③确定后端螺旋钻杆外径d1的具体方法为：d1＝d0－2s。
CN201811387088.1A 2018-11-21 2018-11-21 深井软煤岩螺旋钻进方法 Active CN109138834B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811387088.1A CN109138834B (zh) 2018-11-21 2018-11-21 深井软煤岩螺旋钻进方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811387088.1A CN109138834B (zh) 2018-11-21 2018-11-21 深井软煤岩螺旋钻进方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109138834A CN109138834A (zh) 2019-01-04
CN109138834B true CN109138834B (zh) 2020-04-07

Family

ID=64806163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811387088.1A Active CN109138834B (zh) 2018-11-21 2018-11-21 深井软煤岩螺旋钻进方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109138834B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110130842A (zh) * 2019-07-02 2019-08-16 四川川煤华荣能源股份有限公司 防捂钻杆以及防捂钻

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU514948A1 (ru) * 1974-09-26 1976-05-25 Карагандинский Научно-Исследовательский Проектно-Конструкторский И Экспериментальный Институт Гипроуглегормаш Шнековый буровой инструмент
SU1089225A1 (ru) * 1982-10-14 1984-04-30 Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу Кондуктор дл креплени усть скважины при бурении
CN2866602Y (zh) * 2006-02-24 2007-02-07 祝慧佳 长螺旋钻孔扩底搅拌及孔中扩孔砼灌桩的成桩装置
CN201991461U (zh) * 2011-03-11 2011-09-28 安徽省阜阳市楚工机械有限公司 一种变径变距打桩机螺旋钻杆
CA2796136A1 (en) * 2012-11-13 2014-05-13 Stanley Marshall Paskar Earth auger reversing o-ring
JP6224803B1 (ja) * 2016-10-20 2017-11-01 株式会社サンテック 掘削土砂圧密形オーガ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU514948A1 (ru) * 1974-09-26 1976-05-25 Карагандинский Научно-Исследовательский Проектно-Конструкторский И Экспериментальный Институт Гипроуглегормаш Шнековый буровой инструмент
SU1089225A1 (ru) * 1982-10-14 1984-04-30 Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу Кондуктор дл креплени усть скважины при бурении
CN2866602Y (zh) * 2006-02-24 2007-02-07 祝慧佳 长螺旋钻孔扩底搅拌及孔中扩孔砼灌桩的成桩装置
CN201991461U (zh) * 2011-03-11 2011-09-28 安徽省阜阳市楚工机械有限公司 一种变径变距打桩机螺旋钻杆
CA2796136A1 (en) * 2012-11-13 2014-05-13 Stanley Marshall Paskar Earth auger reversing o-ring
JP6224803B1 (ja) * 2016-10-20 2017-11-01 株式会社サンテック 掘削土砂圧密形オーガ

Also Published As

Publication number Publication date
CN109138834A (zh) 2019-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN203905815U (zh) 一种具有多级扩眼体的双心扩眼钻头
CN111980706B (zh) 地面水平井分段复合掏煤方法
CN107100550A (zh) 一种渐变径式高效破岩锥形pdc钻头
CN103277037A (zh) 孤石群地质条件下管桩引孔施工方法
CN109138834B (zh) 深井软煤岩螺旋钻进方法
CN102678166A (zh) 单一厚煤层区域增透提高瓦斯抽采率的方法
CN103216196A (zh) 一种用于工程桩的入岩钻头
CN204691755U (zh) 连续油管无级限压裂工具
CN212177041U (zh) 一种使用方便的地质扩孔器
CN210122902U (zh) 一种软地层通井划眼工具
CN107461208B (zh) 一种用于倾斜矿体上的联络管线井及施工方法
CN204163632U (zh) 一种导向通井工具
CN212454260U (zh) 螺旋分级式破岩钻头
CN206903590U (zh) 一种带锥齿的新型六刀翼pdc钻头
CN201292769Y (zh) 一种钻井扩眼牵引工具
qiong Guo et al. Development of PDC drill bits for MWD directional drilling in underground coal mine
CN212406599U (zh) 一种煤矿用双向防卡钻钻头
CN212249848U (zh) 一种气举反循环连续取心牙轮钻头
CN202401998U (zh) 一种高效钻铰式铣锥
RU47042U1 (ru) Ребристая буровая коронка
CN203441365U (zh) 一种水刀
RU214947U1 (ru) Универсальная буровая коронка для колонкового бурения
CN109538115B (zh) 深井软煤岩棱状钻具钻进方法
CN110259503A (zh) 一种膨胀岩层高位平行钻孔瓦斯抽采方法
CN203756035U (zh) 一种适用于径向钻孔套管开窗的带钻穿显示双顶钻头

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230920

Address after: 454000 No. 2001 Century Avenue, hi tech Zone, Henan, Jiaozuo

Patentee after: HENAN POLYTECHNIC University

Patentee after: Shandong Banghong Zhongchuang Intelligent Equipment Co.,Ltd.

Address before: 454000 2001 Century Road, hi tech Zone, Jiaozuo, Henan

Patentee before: HENAN POLYTECHNIC University