CN110566127A - 一种用于钻探的扩孔钻具及其扩孔方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于钻探的扩孔钻具及其扩孔方法,在钻具主体中安装有圆柱销(9),扩孔刀(10)可旋转地安装在圆柱销的前侧,在钻具主体前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀旋进旋出的通孔,在扩孔刀内部开设气水通道Ⅱ(7),在扩孔刀的一侧设置有气水分支通道(14);在圆柱销的后部设置有用来限制扩孔刀旋转角度的限位结构,包括限位块(8)、限位杆(8.1),在限位杆内部开设气水通道Ⅰ(15),气水通道Ⅰ的前端安装有可伸缩软管(5)的后端,可伸缩软管前端连接气水通道Ⅱ上的进水口。本发明结构简单,操作方便,在不需要改变扩孔刀长度的情况下,可以适应不同扩孔直径的需求,能够降低瓦斯抽采时间,提高瓦斯抽采效率。

Description

一种用于钻探的扩孔钻具及其扩孔方法
技术领域
本发明涉及一种用于钻探的扩孔钻具,具体是一种用于钻探的扩孔钻具及其扩孔方法,属于煤矿瓦斯抽采技术领域。
背景技术
随着我国煤矿开采水平的提高,煤矿开采逐渐向深部延伸,深部煤层地质构造更加复杂,煤层瓦斯含量和瓦斯压力显著增加,不少原来中浅埋深的低瓦斯矿井,转化为高瓦斯矿井。
高瓦斯矿井瓦斯灾害的治本措施是瓦斯抽采。我国70%的国有重点煤矿均为高瓦斯矿井,且大部分为低透气性煤层,这使得瓦斯抽采时间大大增加,严重阻碍了矿井瓦斯的抽采率和抽采量,从而影响了矿井生产的接替。对于不具备开采保护层条件的单一高瓦斯低透性煤层,需借助层内卸压增透的方法,提高煤层的渗透性,再采用合理的抽采方法,使本煤层可解析瓦斯含量降到规定指标。
为有效地解决低透气性煤层瓦斯抽采难题,已相继研究出了一系列强化增透技术,如深孔预裂爆破、水力冲孔、压裂、割缝技术等,这些措施的共同点是通过外界的高能量对煤体扰动,形成裂隙,扩大抽放孔的内表面积,从而增加煤层的透气性。但是高能量对煤体的扰动容易诱导突出,这对矿井通风系统、施工过程中采取的安全防护措施提出很高的要求。因此,上述增透措施具有一定的适应性,对这些增透措施的选择要慎重,且部分增透技术施工工艺复杂并对矿井作业环境有较大影响,不能适用于所有煤层,推广应用有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于钻探的扩孔钻具及其扩孔方法,结构简单,操作方便,在不需要改变扩孔刀长度的情况下,可以适应不同扩孔直径的需求,能够降低瓦斯抽采时间,提高瓦斯抽采效率。
为了实现上述目的,本发明提供一种用于钻探的扩孔钻具,包括与钻杆连接的螺纹接头、钻具主体、PDC钻头,钻具主体的前端安装PDC钻头,钻具主体的后端连接螺纹接头,钻具主体为中空结构,在钻具主体中安装有圆柱销,扩孔刀可旋转地安装在圆柱销的前侧,在钻具主体前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀旋进旋出的通孔,在扩孔刀内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ,在扩孔刀的一侧设置有至少一个与气水通道Ⅱ连通的气水分支通道,通过气水分支通道的高压水流与钻具主体的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀反向旋出通孔;在圆柱销的后部设置有用来限制扩孔刀旋转角度的限位结构,所述限位结构包括向前开口的限位块以及与限位块一体连接的限位杆,限位块的外径与刀具主体的空腔侧壁相适配,且限位块的档距大于圆柱销的外径,在限位杆上套装有与其外径适配的弹簧,在圆柱销后部的空腔内设置用来阻止弹簧向前移动的挡板,挡板的内径小于限位块的外径;限位杆的后端设置有用来防止弹簧的后端弹出的轴肩,在限位杆内部设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ,所述气水通道Ⅰ的前端连接可伸缩软管后端的固定端,可伸缩软管前端的可伸缩段连接气水通道Ⅱ上的进水口,高压水流依次经螺纹接头、气水通道Ⅰ、可伸缩软管、气水通道Ⅱ上的进水口、气水通道Ⅱ后从气水分支通道流出。
为了满足扩孔直径的需求,将本发明扩孔刀的旋转范围设置在0~90°之间,通过扩孔刀的旋转角度来满足扩孔直径的变化。
气水分支通道流出的高压水流与钻具主体的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀反向旋出通孔,本发明将气水分支通道与气水通道Ⅱ垂直连通,使气水分支通道流出的高压水流与煤层扩孔段形成的作用力得到最大值,方便带动扩孔刀的旋出。
扩孔刀是用来扩孔的刀具,可以用来破碎井下煤层,由于煤层中煤的硬度不一致以及煤层中夹带有矸石,需要耐磨度高、使用寿命长的扩孔刀,为了满足要求在扩孔刀以及PDC 钻头的硬度要求,本发明选择在扩孔刀以及PDC钻头上均安装金刚石复合片。
为了密封弹簧防止弹簧出现漏水,本发明在轴肩与弹簧的连接处装有密封圈。
为了保护弹簧,防止弹簧损坏,延长弹簧的使用寿命,本发明在弹簧与钻具主体的内壁之间设有弹簧保护圈。
为了防止弹簧力过大把限位结构左端弹出,本发明在限位杆的后端装有挡圈。
一种用于钻探的扩孔钻具的扩孔方法,包括以下步骤:
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流,在外接高压水流的作用下,保证弹簧一直处于收缩状态,限位块在弹簧收缩力的作用下,将圆柱销完全包围,限制扩孔刀的打开,钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业;
②钻杆钻进至需要扩孔段时,减小高压水流的水压,弹簧扩张使限位块向后移动,同时,高压水流依次通过接头、气水通道Ⅰ、可伸缩软管、气水通道Ⅱ上的进水口、气水通道Ⅱ、气水分支通道后流出,通过气水分支通道的高压水流与钻具主体的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀反向旋出通孔,控制转机缓慢转动钻杆,扩孔刀的打开角度慢慢增大直至完全打开,与钻具主体成90°,使扩孔直径最大;当需要减小扩孔刀的打开角度时,增加高压水流的水压,产生的作用力作用在限位块后端使弹簧收缩,限位块向前移动,扩孔刀受到限位块的限制打开角度逐渐缩小,扩孔直径相应减小;
③当扩孔完成后,停止供应高压水流,钻机回拉,扩孔刀在普通钻孔壁的作用下自动闭合;钻具取出后用水清洗干净,以备下次使用。
高压水流与扩孔刀展开角度及扩孔半径的关系为:
限位杆的受力面积S满足公式(1)
式中:L为限位杆受高压水流作用面的直径;
L1为气水通道的直径;
限位杆受到的作用力F满足公式(2)
式中:P为高压水流的水压;
弹簧受力之后的长度L3满足公式(3)
式中:f为限位结构与钻具主体之间的摩擦力;
K为弹簧的弹性系数;
限位块超出扩孔刀的距离满足公式(4)
式中:L2为弹簧的长度;
L4为弹簧未受力时的圆柱销距离限位块的垂直距离;
则扩孔刀在高压水流水压为P时展开的理论角度α满足公式(5)
式中:L5为限位块的内径长度;
考虑到限位块受到高压水流作用时,由于高压水流从钻杆流入气水分支通道沿程阻力损失以及扩孔刀的重力,引入一个角度修正系数β,则扩孔刀在高压水流的水压为P时展开的角度满足公式(6)
αm=αβ (6)
式中:αm为扩孔刀展开角度;
α为扩孔刀展开理论角度;
β为角度修正系数;
扩孔刀在高压水流的水压为P时的展开长度即扩孔半径R满足公式(7)
R=h sinαm (7)
式中:h为扩孔刀长度。
与现有技术相比,本发明通过在钻具主体中安装扩孔刀以及限制扩孔刀旋转角度的限位结构,并在扩孔刀内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ,在扩孔刀的一侧设置有至少一个与气水通道Ⅱ连通的气水分支通道,通过气水分支通道的高压水流与钻具主体的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀反向旋出通孔;在限位杆内部开设供高压水流通过的气水通道Ⅰ,高压水流依次通过接头、气水通道Ⅰ、可伸缩软管、气水通道Ⅱ上的进水口、气水通道Ⅱ、气水分支通道后流出;通过上述结构,当钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业时,在外接高压水流的作用下,保证弹簧一直处于收缩状态,限位块在弹簧收缩力的作用下,将圆柱销完全包围,限制扩孔刀的打开,钻杆钻进至需要扩孔段时,减小高压水流的水压,弹簧扩张使限位块向后移动,同时,高压水流依次通过接头、气水通道Ⅰ、可伸缩软管、气水通道Ⅱ上的进水口、气水通道Ⅱ、气水分支通道后流出,通过气水分支通道的高压水流与钻具主体的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀反向旋出通孔,控制转机缓慢转动钻杆,扩孔刀的打开角度慢慢增大直至完全打开,使扩孔直径最大;当需要减小扩孔刀的打开角度时,增加高压水流的水压,产生的作用力作用在限位块后端使弹簧收缩,限位块向前移动,扩孔刀受到限位块的限制打开角度逐渐缩小,扩孔直径相应减小;本发明结构简单,操作方便,在不需要改变扩孔刀长度的情况下,可以适应不同扩孔直径的需求,能够降低瓦斯抽采时间,提高瓦斯抽采效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明的扩孔刀完全被限位块限制时的结构示意图;
图3是本发明的扩孔刀受到限位块限制时的第一状态图;
图4是本发明的扩孔刀受到限位块限制时的第二状态图;
图5是本发明的扩孔刀完全打开时的结构示意图。
图中:1、螺纹接头,2、挡圈,3、钻具主体,4、弹簧,5、可伸缩软管,6、PDC钻头,7、气水通道Ⅱ,8、限位块,8.1、限位杆,8.2、轴肩,9、圆柱销,10、扩孔刀,11、金刚石复合片,12、密封圈,13、弹簧保护圈,14、气水分支通道,15、气水通道Ⅰ,16、挡板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种用于钻探的扩孔钻具,包括与钻杆连接的螺纹接头1、钻具主体3、PDC钻头6,钻具主体3的前端安装PDC钻头6,钻具主体3的后端连接螺纹接头1,钻具主体3为中空结构,在钻具主体3中安装有圆柱销9,扩孔刀10可旋转地安装在圆柱销 9的前侧,在钻具主体3前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀10旋进旋出的通孔,在扩孔刀10内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ7,在扩孔刀10的一侧设置有至少一个与气水通道Ⅱ7连通的气水分支通道14,通过气水分支通道14的高压水流与钻具主体3的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀10反向旋出通孔;在圆柱销9的后部设置有用来限制扩孔刀旋转角度的限位结构,所述限位结构包括向前开口的限位块8以及与限位块8 一体连接的限位杆8.1,为了防止限位结构在钻具主体中发生旋转,将限位杆8.1采用周向定位,限位块8的外径与刀具主体3的空腔侧壁相适配,且限位块8的档距大于圆柱销9 的外径,在限位杆8.1上套装有与其外径适配的弹簧4,在圆柱销9后部的空腔内设置用来阻止弹簧4向前移动的挡板16,挡板16的内径小于限位块8的外径;限位杆8.1的后端设置有用来防止弹簧4的后端弹出的轴肩8.2,在限位杆8.1内部设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ15,所述气水通道Ⅰ15的前端连接可伸缩软管5后端的固定端,可伸缩软管5前端的可伸缩段连接气水通道Ⅱ7上的进水口,高压水流依次经螺纹接头1、气水通道Ⅰ15、可伸缩软管5、气水通道Ⅱ7上的进水口、气水通道Ⅱ7后从气水分支通道14流出。
扩孔刀10的旋转范围在0~90°。
气水分支通道14与气水通道Ⅱ7垂直连通。
在扩孔刀10以及PDC钻头6上均安装有金刚石复合片11。
在轴肩8.2与弹簧4的连接处装有密封圈12。
在弹簧4与钻具主体3的内壁之间设有弹簧保护圈13。
在限位杆8.1的后端装有挡圈2。
如图1-图5所示,一种用于钻探的扩孔钻具的扩孔方法,包括以下步骤:
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流,在外接高压水流的作用下,保证弹簧4一直处于收缩状态,限位块8在弹簧收缩力的作用下,将圆柱销9完全包围,限制扩孔刀10的打开,钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业;
②钻杆钻进至需要扩孔段时,减小高压水流的水压,弹簧4扩张使限位块8向后移动,同时,高压水流依次通过接头1、气水通道Ⅰ15、可伸缩软管5、气水通道Ⅱ7上的进水口、气水通道Ⅱ7、气水分支通道14后流出,通过气水分支通道14的高压水流与钻具主体3的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀10反向旋出通孔,控制转机缓慢转动钻杆,扩孔刀10 的打开角度慢慢增大直至完全打开,与钻具主体3成90°,使扩孔直径最大;当需要减小扩孔刀10的打开角度时,增加高压水流的水压,产生的作用力作用在限位块8后端使弹簧 4收缩,限位块8向前移动,扩孔刀10受到限位块8的限制打开角度逐渐缩小,扩孔直径相应减小;
③当扩孔完成后,停止供应高压水流,钻机回拉,扩孔刀10在普通钻孔壁的作用下自动闭合;钻具取出后用水清洗干净,以备下次使用。
高压水流与扩孔刀10展开角度及扩孔半径的关系为:
限位杆8.1的受力面积S满足公式(1)
式中:L为限位杆受高压水流作用面的直径;
L1为气水通道的直径;
限位杆8.1受到的作用力F满足公式(2)
式中:P为高压水流的水压;
弹簧4受力之后的长度L3满足公式(3)
式中:f为限位结构与钻具主体之间的摩擦力;
K为弹簧的弹性系数;
限位块8超出扩孔刀10的距离满足公式(4)
式中:L2为弹簧的长度;
L4为弹簧未受力时的圆柱销距离限位块的垂直距离;
则扩孔刀10在高压水流水压为P时展开的理论角度α满足公式(5)
式中:L5为限位块的内径长度;
考虑到限位块8受到高压水流作用时,由于高压水流从钻杆流入气水分支通道14沿程阻力损失以及扩孔刀10的重力,引入一个角度修正系数β,则扩孔刀10在高压水流的水压为P时展开的角度满足公式(6)
αm=αβ (6)
式中:αm为扩孔刀展开角度;
α为扩孔刀展开理论角度;
β为角度修正系数;
扩孔刀10在高压水流的水压为P时的展开长度即扩孔半径R满足公式(7)
R=h sinαm (7)
式中:h为扩孔刀长度。
实施例
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流,在外接高压水流的作用下,保证弹簧4一直处于收缩状态,限位块8在弹簧收缩力的作用下,将圆柱销9完全包围,限制扩孔刀10的打开,钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业。将反向回拉限位扩孔钻具送至20m处,在钻杆尾部装上高压水尾提供1MPa水压,限位块8受到高压水流作用面直径为30mm,气水通道直径为10mm,作用在限位块的作用力为628N,弹簧弹性系数K为4187N/m,限位块与刀具主体之间的摩擦力f为628N,提供的1MPa水压刚好和摩擦力平衡,限位块不移动对扩孔刀不起限制作用。高压水流从扩孔刀的气水分支通道14后流出,流出的高压水流与煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀10反向旋出通孔并打开;
②控制钻机缓慢转动钻杆,配合1MPa的高压水使扩孔刀打开,扩孔刀10的打开角度慢慢增大直至完全打开,与钻具主体3成90°角;
③增加高压水流的压强至1.5MPa,弹簧收缩70mm,圆柱销距离限位块的垂直距离为 10mm,限位块内径长度为70mm,角度修正系数为0.8,则扩孔刀展开角度为39.2°,扩孔刀长度为300mm,扩孔直径为190mm;
④扩孔至68m后停止供水,钻机回拉,扩孔刀在普通钻孔壁的作用下自动闭合,钻具退出后,冲洗反向回拉扩孔钻具,以备下次使用。

Claims (9)

1.一种用于钻探的扩孔钻具,包括与钻杆连接的螺纹接头(1)、钻具主体(3)、PDC钻头(6),钻具主体(3)的前端安装PDC钻头(6),钻具主体(3)的后端连接螺纹接头(1),其特征在于,钻具主体(3)为中空结构,在钻具主体(3)中安装有圆柱销(9),扩孔刀(10)可旋转地安装在圆柱销(9)的前侧,在钻具主体(3)前部的管道侧壁上开设有可供扩孔刀(10)旋进旋出的通孔,在扩孔刀(10)内部开设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅱ(7),在扩孔刀(10)的一侧设置有至少一个与气水通道Ⅱ(7)连通的气水分支通道(14),通过气水分支通道(14)的高压水流与钻具主体(3)的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀(10)反向旋出通孔;在圆柱销(9)的后部设置有用来限制扩孔刀旋转角度的限位结构,所述限位结构包括向前开口的限位块(8)以及与限位块(8)一体连接的限位杆(8.1),限位块(8)的外径与刀具主体(3)的空腔侧壁相适配,且限位块(8)的档距大于圆柱销(9)的外径,在限位杆(8.1)上套装有与其外径适配的弹簧(4),在圆柱销(9)后部的空腔内设置用来阻止弹簧(4)向前移动的挡板(16);限位杆(8.1)的后端设置有用来防止弹簧(4)的后端弹出的轴肩(8.2),在限位杆(8.1)内部设有供压缩空气以及高压水流通过的气水通道Ⅰ(15),所述气水通道Ⅰ(15)的前端连接可伸缩软管(5)后端的固定端,可伸缩软管(5)前端的可伸缩段连接气水通道Ⅱ(7)上的进水口,高压水流依次经螺纹接头(1)、气水通道Ⅰ(15)、可伸缩软管(5)、气水通道Ⅱ(7)上的进水口、气水通道Ⅱ(7)后从气水分支通道(14)流出。
2.根据权利要求1所述的一种用于钻探的扩孔钻具,其特征在于,扩孔刀(10)的旋转范围在0~90°。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于钻探的扩孔钻具,其特征在于,气水分支通道(14)与气水通道Ⅱ(7)垂直连通。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于钻探的扩孔钻具,其特征在于,在扩孔刀(10)以及PDC钻头(6)上均安装有金刚石复合片(11)。
5.根据权利要求3所述的一种用于钻探的扩孔钻具,其特征在于,在轴肩(8.2)与弹簧(4)的连接处装有密封圈(12)。
6.根据权利要求3所述的一种用于钻探的扩孔钻具,其特征在于,在弹簧(4)与钻具主体(3)的内壁之间设有弹簧保护圈(13)。
7.根据权利要求3所述的一种用于钻探的扩孔钻具,其特征在于,在限位杆(8.1)的后端装有挡圈(2)。
8.一种用于钻探的扩孔钻具的扩孔方法,其特征在于,包括以下步骤:
①在钻杆尾部安装高压水尾提供高压水流,在外接高压水流的作用下,保证弹簧(4)一直处于收缩状态,限位块(8)在弹簧收缩力的作用下,将圆柱销(9)完全包围,限制扩孔刀(10)的打开,钻具用作普通钻头正常进行钻孔作业;
②钻杆钻进至需要扩孔段时,减小高压水流的水压,弹簧(4)扩张使限位块(8)向后移动,同时,高压水流依次通过接头(1)、气水通道Ⅰ(15)、可伸缩软管(5)、气水通道Ⅱ(7)上的进水口、气水通道Ⅱ(7)、气水分支通道(14)后流出,通过气水分支通道(14)的高压水流与钻具主体(3)的煤层扩孔段形成的作用力使扩孔刀(10)反向旋出通孔,控制转机缓慢转动钻杆,扩孔刀(10)的打开角度慢慢增大直至完全打开,与钻具主体(3)成90°,使扩孔直径最大;当需要减小扩孔刀(10)的打开角度时,增加高压水流的水压,产生的作用力作用在限位块(8)后端使弹簧(4)收缩,限位块(8)向前移动,扩孔刀(10)受到限位块(8)的限制打开角度逐渐缩小,扩孔直径相应减小;
③当扩孔完成后,停止供应高压水流,钻机回拉,扩孔刀(10)在普通钻孔壁的作用下自动闭合;钻具取出后用水清洗干净,以备下次使用。
9.根据权利要求8所述的一种用于钻探的扩孔钻具的扩孔方法,其特征在于,高压水流与扩孔刀(10)展开角度及扩孔半径的关系为:
限位杆(8.1)的受力面积S满足公式(1)
式中:L为限位杆受高压水流作用面的直径;
L1为气水通道的直径;
限位杆(8.1)受到的作用力F满足公式(2)
式中:P为高压水流的水压;
弹簧(4)受力之后的长度L3满足公式(3)
式中:f为限位结构与钻具主体之间的摩擦力;
K为弹簧的弹性系数;
限位块(8)超出扩孔刀(10)的距离满足公式(4)
式中:L2为弹簧的长度;
L4为弹簧未受力时的圆柱销距离限位块的垂直距离;
则扩孔刀(10)在高压水流水压为P时展开的理论角度α满足公式(5)
式中:L5为限位块的内径长度;
考虑到限位块(8)受到高压水流作用时,由于高压水流从钻杆流入气水分支通道(14)沿程阻力损失以及扩孔刀(10)的重力,引入一个角度修正系数β,则扩孔刀(10)在高压水流的水压为P时展开的角度满足公式(6)
αm=αβ (6)
式中:αm为扩孔刀展开角度;
α为扩孔刀展开理论角度;
β为角度修正系数;
扩孔刀(10)在高压水流的水压为P时的展开长度即扩孔半径R满足公式(7)
R=hsinαm (7)
式中:h为扩孔刀长度。
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