CN111155929B - 一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法，其中定向钻具包括依次连接的钻柱体和定向钻头，围绕钻柱体外部设置有内环空流道；由中心流道、内环空流道以及钻具与孔壁之间形成的外环空流道构成的“Y型”结构冲洗液循环流道，冲洗液始终在“低背压”状态下流动，大幅降低了泥浆泵的“无功”负载，其液力能有效利用率可提高15％以上，保证高水压地层向孔内大量涌水的工况下，孔底动力钻具正常工作、输出扭矩参数无明显变化，该钻具可在6.0MPa以上地层出水压力条件下正常定向钻进，使井下定向钻进耐水压能力提高50％以上，顶水定向钻进成孔深度500m以上。

Description

一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法

技术领域

本发明涉及属于钻探技术领域，尤其涉及一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法。

背景技术

煤矿水害长期以来是制约我国煤炭资源安全高效开采最严重的灾害之一。据不完全统计，我国有30％至40％的原煤储量受到水害的威胁，包括煤层顶板含水层水害、煤层底板承压充水含水层水害、岩溶陷落柱水害、断层破碎带突出水害、老空积水透水害、地表水体透水水害等。其中底板承压充水含水层水害在我国煤矿中发生频率高，危害程度大，典型的华北型煤田底板存在太原组灰岩水、石炭二叠系基底奥灰岩溶水，基底碳酸盐岩分布范围广、厚度大，地质历史上经受过强烈的岩溶化作用；后期构造运动使其大面积裸露地表，接受大气降水和地表水补给的能力强。随着煤炭开采的延伸，作用于煤层底板的水压越来越大，而煤层底板隔水层的厚度、岩性在剖面上复杂多变，加之陷落柱、断层破碎带的发育，使得矿井生产面临严峻水害威胁，突水淹井事故时有发生。此外，随着煤炭开采深度的增加、范围的扩大，一些一直被认为井田矿床水文地质条件相对简单的矿井，也相继发生了顶板、底板水突水淹井事故。

煤矿井下近水平定向长钻孔是进行水害防治的高效手段，在疏排顶板水、探查老空积水、治理底板承压水等方面潜在技术优势明显。井下定向长钻孔利用单弯螺杆马达定向钻具组合、采用随钻测量定向钻进工艺施工，实钻轨迹精确可控，可围绕设计轨迹延伸。与以“穿层”形式设计的常规防治水孔相比，以“顺层”型式设计的定向防治水孔可在目标层内长距离延伸，有效进尺多，利用率高；此外，定向防治水钻孔的施工可在巷道掘进前或与工作面巷道掘进同步进行，能够实现超前疏排水、探放水、注浆加固改造等。

然而，随着定向防治水孔应用范围的扩展，钻进施工的客观条件越来越复杂、工况越来越严苛，具有代表性是大采深矿井，定向防治水孔施工面临高压涌水工况下顶水定向钻进难题。防治水孔钻遇或沟通底板高压含水地层后，在压差(地层孔隙压力大于孔内冲洗液循环流动压力)作用下，大量高压地层水涌入钻孔，使环空返水量增大、流速升高，导致冲洗液循环流动阻力增大，孔底压力(即背压)升高、直接影响冲洗液压力能转化量，进而影响孔底动力钻具的工作性能。特别是在地层涌水压力达到3MPa～4MPa时，定向钻进困难，突出表现为钻孔环空返水量增大、孔底背压升高、泥浆泵供液压力值显著增大、孔底动力钻具输出扭矩减小、机械钻速大幅降低、定向钻进成孔困难。对于煤矿井下探查、疏放类防治水定向钻孔，在地层高压涌水条件下、顶水定向钻进困难，成孔深度往往达不到设计要求，防治水效果差，需补充增加钻探工程量，成本高、周期长。对于煤矿井下注浆加固改造类防治水定向钻孔，在地层高压涌水工况下、顶水定向钻进困难，只能缩短单次注浆孔段长度、频繁提钻注浆，辅助工程量大、注浆候凝等附加作业时间长、综合钻进效率低，深孔钻进困难。而当地层涌水压力达到6MPa以上时，现有定向钻进技术装备已无法顶水施工，一定程度上限制了井下近水平定向孔在矿井水害防治领域的进一步推广应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法，解决现有的高水压顶水定向钻进中存在的钻孔环空返水量增大、孔底压力升高、泥浆泵“负载”骤增，影响冲洗液压力能转化、孔底动力钻具输出扭矩减小、碎岩能力减弱、机械钻进效率大幅降低、难以钻进成孔等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，包括依次连接的钻柱体和定向钻头，所述的钻柱体上设置有中心流道，该中心流道与定向钻头的底流孔贯通；围绕所述的钻柱体外部设置有内环空流道，所述的内环空流道靠近定向钻头的一端与所述的中心流道通过设置在钻柱体上的第一旁通流道贯通；内环空流道到的另一端通过设置在内环空流道上的第二旁流通道与钻具的外部连通；

还包括用于连通中心流道与内环空流道或者中心流道与外环空流道的流道切换装置；所述的流道切换装置上设置有第一封堵端和第二封堵端，所述的第一封堵端位于定向钻头内部，所述的第二封堵端位于第一旁通流道附近，所述的流道切换装置能够在水压推动下移动，当第一封堵端封闭定向钻头时，第二封堵端打开，中心流道与内环空流道连通；当第二封堵端封闭第一旁通流道时，第一封堵端打开，中心流道与外环空流道连通。

具体的，所述的流道切换装置包括阀头、连杆、阀球、阀座、复位弹簧、限位过流架，所述的阀球和阀头分别连接在连杆的两端形成所述的第一封堵端和第二封堵端；所述的阀头上设置有供冲洗液向定向钻头方向流动的第一过流孔；所述的阀座和限位过流架设置在定向钻头内，所述的阀球和复位弹簧依次设置在阀座和限位过流架之间；所述的限位过流架上设置有供冲洗液流通的第二过流孔。

具体的，所述的阀头为锥台形柱体，锥台形柱体直径较大的一端设置有第一通孔，直径较小的一端沿周向均匀设置有多个与所述的第一通孔连通的第二通孔。

具体的，所述的钻柱体包括依次连接的具有中心流道和内环空流道的双流道送水器、双壁钻杆和双壁单弯螺杆马达。

更具体的，所述的双壁钻杆包括同轴套设的钻杆内管和钻杆外管，所述的钻杆外管与钻杆内管之间的空腔形成所述的内环空流道。

更具体的，所述的双流道送水器包括送水器本体和送水器外壳，送水器本体上的中心孔与所述的中心流道连通，送水器本体和送水器外壳之间的空腔与所述的内环空流道连通，所述的第二旁流通道设置在送水器外壳上；所述的送水器本体和送水器外壳之间可相对旋转。

更具体的，所述的双壁单弯螺杆马达沿径向由内到外依次包括转子、定子橡胶、定子外管和马达外管，定子外管与马达外管之间形成所述的内环空流道；所述的定子外管上设置有定子外管旁通孔；单弯螺杆马达输出轴上设置有输出轴旁通孔，所述的定子外管旁通孔和输出轴旁通孔连通形成所述的第一旁通流道。

进一步的，所述的钻杆和单弯螺杆马达之间通过传扭转换接头连接，所述的传扭转换接头包括用于连接双壁钻杆内壁和双壁单弯螺杆马达内壁的转换接头内管以及连接双壁钻杆外壁和双壁单弯螺杆马达外壁的转换接头外管；所述的转换接头外管上设置有连通双壁钻杆侧内环空流道和双壁单弯螺杆马达侧内环空流道的连通孔。

进一步的，所述的双壁钻杆包含无磁钻杆，无磁双壁钻杆内设置有泥浆脉冲随钻测量装置。

本发明还公开一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻进方法，包括以下步骤：

步骤1，开孔钻进：依据封孔耐压要求及管套结构设计钻进直径、深度，先施工导向孔，再进行扩孔；

步骤2，下管固孔：由大到小逐级下套管，注浆、候凝、试压；

步骤3，钻进准备：将本发明所述的定向钻具下入步骤2处理后的孔内，将泥浆泵高压出水胶管与定向钻具的中心流道连接，在第二旁流通道上安装截止阀、输水管；

步骤4，当孔内无涌水或涌水量未超过泵量值的80％、水压不高于3.0MPa工况下：关闭第二旁流通道，从中心流道输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功后，推动流道切换装置向定向钻头方向移动，使得流道切换装置的第二封堵端封闭第一旁通流道，中心流道与外环空流道连通，冲洗液经定向钻头的底流孔达到孔底，携带孔底岩屑与地层涌水形成的混合多相流沿钻具与孔壁之间形成的外环空流道上返排出，沉淀分离后排出钻场；

步骤5，当孔内涌水量超过泵量值的80％、水压高于3.0MPa工况下：打开第二旁流通道，从中心流道输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功，流道切换装置在孔底高压水的作用下向钻柱体方向移动，使得第一封堵端封闭定向钻头，中心流道与内环空流道连通，冲洗液经第一旁通流道进入内环空流道上返，经第二旁流通道流出后循环再利用；同时，地层涌水携带孔底岩屑沿外环空流道上返排出，沉淀分离后排出钻场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明大幅提升了井下近水平防治水孔高水压顶水定向钻进能力，可在6.0MPa以上地层出水压力条件下正常定向钻进，使井下定向钻进耐水压能力提高50％以上，顶水定向钻进成孔深度500m以上。

(2)利用相同技术参数的钻进装备(包括钻机、泥浆泵、孔底动力钻具)，在同等地层、水文地质条件下施工防治水定向钻孔，本发明的钻具和钻进方法可大幅提高机械钻速、综合钻进效率，特别是在施工注浆加固钻孔时，间隔注浆长度主观可控，无需要频繁提钻注浆，可减少提下钻、注浆侯凝等辅助作业时间30％以上。

(4)本发明通过双环空流道(即内环流通道和外环流通道)和流道切换装置形成的“Y型”结构冲洗液循环流道，泵送的冲洗液始终在“低背压”状态下流动，大幅降低了泥浆泵的“无功”负载，其液力能有效利用率可提高15％以上，保证高水压地层向孔内大量涌水的工况下，孔底动力钻具正常工作、输出扭矩参数无明显变化。

(4)高水压地层向孔内大量涌水时，冲洗液与地层涌水经不同环空通道“分流”上返，其中冲洗液以单相流形式由钻具的内环空通道返出后可直接循环利用，大幅减少了定向钻进用水量。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例记载的高水压顶水定向钻进方法原理示意图。

图2是本发明实施例记载的高水压顶水定向钻具结构示意图。

图3是低背压工况下钻进时流道切换装置的工作状态示意图。

图4是高背压工况下钻进时流道切换装置的工作状态示意图。

图中各标号表示为：

1-双流道送水器，2-双壁钻杆，3-双壁单弯螺杆马达，4-定向钻头，5-钻柱体，6-中心流道，7-内环空流道，8-第一旁通流道，9-第二旁通流道，10-外环空流道，11-流道切换装置，12-传扭转换接头，13-泥浆脉冲随钻测量装置，14-钻场，15-下行冲洗液，16-上返单相冲洗液，17-上返混合多相流，18-“Y型”流道交汇点，19-高压含水层。

(1-1)-送水器本体，(1-2)-送水器外壳；

(2-1)-钻杆内管，(2-2)-钻杆外管；

(3-1)-转子，(3-2)-定子橡胶，(3-3)-定子外管，(3-4)-马达外管，(3-5)-单弯螺杆马达输出轴，(3-6)-定子外管旁通孔，(3-7)-输出轴旁通孔；

(4-1)-底流孔；

(11-1)-阀头，(11-2)-连杆，(11-3)-阀球，(11-4)-阀座，(11-5)-复位弹簧，(11-6)-限位过流架，(11-7)-第一过流孔，(11-9)-第一通孔，(11-10)-第二通孔；

(12-1)-转换接头内管，(12-2)-转换接头外管，(12-3)-连通孔，(12-4)-密封环。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明中的双环空流道包括外环空流道和内环空流道，其中，外环空流道为钻具与孔壁之间的环形空间，由于与裸眼孔壁周围地层连通，因此外环空通道属于“开放性”通道，在压差作用下地层水可大量涌入；内环空流道为钻具外管与内管之间的环形空间，由于与裸眼孔壁周围地层不直接“接触”，因此内环空通道属于“封闭性”通道，地层水涌入量变化对其循环流动特性无直接影响。

如图1所示为本发明防治水孔高水压顶水定向钻进的基本原理图，其基本原理为：煤矿井下防治水孔钻进过程中遇到的高压涌水主要来自煤层底板的高压含水层19，本发明是基于由中心流道6、内环空流道7和外环空流道10构成的“Y型”结构冲洗液循环流道，根据孔内涌水量大小、孔底背压高低控制下行冲洗液15的上返路径，即当孔内无涌水或涌水量小、孔底背压低时，下行冲洗液15经“Y型”流道交汇点18到达孔底、与地层涌水合流后经外环空流道10上返；当孔内涌水量大、孔底背压高时，下行冲洗液15经“Y型”流道交汇点18进入内环空流道7、与地层涌水分流上返，实现高压涌水工况下“低背压”循环流动，通过降低冲洗液循环压耗，减小泥浆泵无效负载，确保孔底螺杆马达钻具正常工作、高效碎岩，实现高水压顶水定向钻进。

基于上述原理，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

实施例1

如图2所示，本实施例公开的一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，包括依次连接的钻柱体5和定向钻头4，钻柱体5上设置有中心流道6，该中心流道6与定向钻头的底流孔4-1贯通。围绕钻柱体5外部设置有内环空流道7，内环空流道7靠近定向钻头4的一端与中心流道6通过设置在钻柱体5上的第一旁通流道8贯通；内环空通道7的另一端通过设置在内环空流道上的第二旁通流道9与钻具的外部连通。

本实施例中，钻柱体5包括依次连接的具有中心流道6和内环空流道7的双流道送水器1、双壁钻杆2和双壁单弯螺杆马达3。

其中，双流道送水器1包括送水器本体1-1和送水器外壳1-2，送水器本体1-1为目前市面上已有的定向钻具的送水器结构。送水器本体1-1上的中心孔是钻具中心流道6的起点，送水器本体1-1和送水器外壳1-2之间可相对旋转。送水器本体1-1和送水器外壳1-2之间的空腔是内环空流道7的末端，也是内环空孔流道由环形过流断面到圆形过流断面的转换点。第二旁通流道9设置在送水器外壳1-2上。

双壁钻杆2包括同轴套设的钻杆内管2-1和钻杆外管2-2，钻杆外管2-2与钻杆内管2-1之间的空腔形成内环空流道7的中间部分。多节双壁钻杆2连接时，钻杆内管2-1之间通过插接方式连接，钻杆外管2-2之间通过螺纹连接，钻杆外管2-2用于传递扭矩和轴向力。

双壁单弯螺杆马达3沿径向由内到外依次包括转子3-1、定子橡胶3-2、定子外管3-3和马达外管3-4，定子外管3-3与马达外管3-4之间形成内环空流道7起始段部分。其中，定子外管3-3上设置有定子外管旁通孔3-6。单弯螺杆马达输出轴3-5设置有与中心流道6连通的中心通孔，并在单弯螺杆马达输出轴3-5上设置有与其中心通孔连通的输出轴旁通孔3-7，定子外管旁通孔3-6和输出轴旁通孔3-7连通形成前文所说的第一旁通流道8。该单弯螺杆马达输出轴3-5的前端通过螺纹与定向钻头4相连。

本实施例中，双壁钻杆2和双壁单弯螺杆马达3之间通过传扭转换接头12连接。传扭转换接头12包括用于连接双壁钻杆2内壁和双壁单弯螺杆马达3内壁的转换接头内管12-1以及连接双壁钻杆2外壁和双壁单弯螺杆马达3的定子外管3-3的转换接头外管12-2，具体的：转换接头内管12-1与双壁钻杆2的钻杆外管2-2插接，转换接头外管12-2的两端分别与钻杆外管2-2、定子外管3-3螺纹连接，实现两者之间扭矩传递；马达外管3-4与转换接头外管12-2插接，并通过金属密封环12-4密封；并在转换接头外管12-2上设置有连通双壁钻杆2侧内环空流道部分和双壁单弯螺杆马达3侧内环空流道部分的连通孔12-3。

在本实施例中，还设置有用于连通中心流道6与内环空流道7或者中心流道6与外环空流道10的流道切换装置11，该装置可控制钻具中心流道6内下行冲洗液的上返流道。在流道切换装置11上设置有第一封堵端和第二封堵端，第一封堵端位于定向钻头4内部，第二封堵端位于第一旁通流道8附近，流道切换装置11能够在水压推动下移动，当第一封堵端封闭定向钻头4时，第二封堵端打开，中心流道6与内环空流道7连通；当第二封堵端封闭第一旁通流道8时，第一封堵端打开，中心流道6与外环空流道10连通。具体的：

如图3和图4所示，流道切换装置11包括阀头11-1、连杆11-2、阀球11-3、阀座11-4、复位弹簧11-5、限位过流架11-6，阀球11-3和阀头11-1分别连接在连杆11-2的两端形成第一封堵端和第二封堵端；阀头11-1上设置有供冲洗液向定向钻头方向流动的第一过流孔11-7；阀座11-4和限位过流架11-6设置在定向钻头4内，阀座11-4与阀头11-1接触面形状匹配；阀球11-3和复位弹簧11-5依次设置在阀座11-4和限位过流架11-6之间；限位过流架11-6上设置有供冲洗液流通的第二过流孔。

优选的，阀头11-1为锥台形柱体，锥台形柱体直径较大的一端设置有第一通孔11-9，直径较小的一端沿周向均匀设置有多个与第一通孔11-9连通的第二通孔11-10，第一通孔11-9与多个第二通孔11-10形成第一过流孔11-7。以下结合不同工况对流道切换装置11的工作状态进行说明：

如图3所示，在低背压工况下钻进时，阀球11-3在冲洗液推动下与阀座11-4脱离，压缩复位弹簧11-5移动至限位过流架11-6上，与此同时，在连杆11-2的带动下，阀头11-1下移(此处的“下移”是指钻进方向)，封堵第一旁通流道8，冲洗液经阀头11-1上的第一通孔11-9和第二通孔11-10继续向下流动，经限位过流架11-6上的第二过流孔、定向钻头上的底流孔4-1达到孔底，与孔内地层涌水合流后经外环空流道10上返。

如图4所示，在高背压工况下钻进时，阀球11-3在孔内高压涌水与冲洗液间压差作用下被推压在阀座11-4上，冲洗液下行通道关闭，与此同时，在连杆11-2的带动下，阀头11-1上移打开第一旁通流道8，冲洗液第一旁通流道8进入内环空流道7上返经第二旁通流道9流出，再重复利用。此时，冲洗液与地层水分流上返，不受孔内高压涌水的影响，进而实现高水压顶水定向钻进。

钻具内管中心流道6为下行供液通道，双环空流道为上行返出通道，高压冲洗液经钻具内管中心流道流向孔底驱动动力钻具即本实施例中的螺杆马达工作，实现流体压力能转化为旋转机械能、定向钻进。下行冲洗液到达孔底后，当地层水压高、钻孔内涌水量大时，冲洗液经内环空流道7上返、地层涌水经外环空流道10上返。使冲洗液始终在“低背压”状态下循环流动，进而通过降低冲洗液循环压耗，减小泥浆泵无效负载，保证孔底动力钻具正常工作、高效碎岩。

作为本发明的优选实施例，本实施例中，双壁钻杆2中包含无磁钻杆，并无磁双壁钻杆内设置有泥浆脉冲随钻测量装置13。

实施例2

本实施例公开了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻进方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，开孔钻进：依据封孔耐压要求和套管结构设计确定多层套管对应的钻孔直径、深度，以常规回转钻进工艺由浅及深、由小到大逐级施工套管孔段，如本实施例中先施工φ120mm的导向孔、再扩孔，二级套管扩孔至φ193mm以上，三级套管扩孔至φ220mm以上；

步骤2，下管固孔：由大到小逐级下套管，本实施例中，最里层套管内径尺寸≥Φ135mm；然后注浆、候凝、试压；其中试压要求承压能力应为预计最高水压的1.5～2.0倍。

步骤3，钻进准备：连接实施例1中的双壁钻杆2、双壁单弯螺杆马3、定向钻头4以及泥浆脉冲随钻测量装置15，下入孔内；在双壁钻杆2的末端连接双流道送水器1，将泥浆泵高压出水胶管与定向钻具的中心流道6连接，在第二旁通流道9上安装截止阀、输水管；

步骤4，当孔内无涌水或涌水量未超过泵量值的80％、水压不高于3.0MPa工况下(即低背压工况)：关闭第二旁通流道9，从中心流道6输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功后，推动流道切换装置11向定向钻头4方向移动，使得流道切换装置11的阀头11-1封堵第一旁通流道8，冲洗液经阀头11-1上的第一通孔11-9和第二通孔11-10继续向下流动，经限位过流架11-6上的第二过流孔、定向钻头上的底流孔4-1达到孔底，携带孔底岩屑与地层涌水形成的混合多相流沿外环空流道10上返排出，沉淀分离后排出钻场；

步骤5，当孔内涌水量超过泵量值的80％、水压高于3.0MPa工况下(高背压工况下钻进)：打开第二旁通流道9，从中心流道6输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功，流道切换装置11在孔内高压涌水与冲洗液间压差作用下向钻柱体5方向移动，阀球11-3被推压在阀座11-4上，冲洗液下行通道关闭，第一旁通流道8打开，中心流道6与内环空流道7连通，冲洗液经第一旁通流道8进入内环空流道7上返，经第二旁通流道9流出后经输水胶管注入泥浆泵水箱后循环利用；同时，地层涌水携带孔底岩屑沿外环空流道10上返排出，沉淀分离后排出钻场。

此处还需要说明的是：在高水压顶水定向钻进过程中，根据外环空流道10孔口返渣量情况，可适时(间隔3m或6m或更长距离)实施强排渣工艺，即将孔内钻具系统提离孔底0.5m～1.0m，关闭第二旁通流道9上的截止阀，使下行冲洗液在高压状态下推开定向钻头4内的阀球11-3，经限位过流架11-6上的第二过流孔、底流孔4-1达到孔底，与高压地层涌水混流后携带孔内煤渣屑上返，此时双壁单弯螺杆马达3空转，冲洗液携带的流体压力能量主要用于冲孔排渣、确保孔内清洁。

根据孔内涌水量大小、水压高低，交替实施步骤4和步骤5，定向钻进至设计孔深后提钻、终孔。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，包括依次连接的钻柱体(5)和定向钻头(4)，所述的钻柱体(5)上设置有中心流道(6)，该中心流道(6)与定向钻头的底流孔(4-1)贯通，其特征在于，

所述钻柱体(5)包括依次连接的双流道送水器(1)、双壁钻杆(2)和双壁单弯螺杆马达(3)，所述双流道送水器(1)、双壁钻杆(2)和双壁单弯螺杆马达(3)的中心通道形成中心流道(6)，所述双流道送水器(1)内壁与外壁之间、双壁钻杆(2)内壁与外壁之间以及双壁单弯螺杆马达(3)内壁与外壁之间的空间形成内环空流道(7)；所述的内环空流道(7)靠近定向钻头(4)的一端与所述的中心流道(6)通过设置在钻柱体(5)上的第一旁通流道(8)贯通；内环空流道(7)的另一端通过设置在内环空流道上的第二旁通流道(9)与钻具的外部连通；

还包括用于连通中心流道(6)与内环空流道(7)或者中心流道(6)与外环空流道(10)的流道切换装置(11)；所述外环空流道(10)为钻具与孔壁之间的环形空间；所述的流道切换装置(11)上设置有第一封堵端和第二封堵端，所述的第一封堵端位于定向钻头(4)内部，所述的第二封堵端位于第一旁通流道(8)附近，所述的流道切换装置(11)能够在水压推动下移动，当第一封堵端封闭定向钻头(4)时，第二封堵端打开，中心流道(6)与内环空流道(7)连通；当第二封堵端封闭第一旁通流道(8)时，第一封堵端打开，中心流道(6)与外环空流道(10)连通；

所述的流道切换装置(11)包括阀头(11-1)、连杆(11-2)、阀球(11-3)、阀座(11-4)、复位弹簧(11-5)、限位过流架(11-6)，所述的阀球(11-3)和阀头(11-1)分别连接在连杆(11-2)的两端形成所述的第一封堵端和第二封堵端；所述的阀头(11-1)上设置有供冲洗液向定向钻头方向流动的第一过流孔(11-7)；所述的阀座(11-4)和限位过流架(11-6)设置在定向钻头(4)内，所述的阀球(11-3)和复位弹簧(11-5)依次设置在阀座(11-4)和限位过流架(11-6)之间；所述的限位过流架(11-6)上设置有供冲洗液流通的第二过流孔。

2.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的阀头(11-1)为锥台形柱体，锥台形柱体直径较大的一端设置有第一通孔(11-9)，直径较小的一端沿周向均匀设置有多个与所述的第一通孔(11-9)连通的第二通孔(11-10)。

3.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双壁钻杆(2)包括同轴套设的钻杆内管(2-1)和钻杆外管(2-2)，所述的钻杆外管(2-2)与钻杆内管(2-1)之间的空腔形成所述的内环空流道(7)。

4.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双流道送水器(1)包括送水器本体(1-1)和送水器外壳(1-2)，送水器本体(1-1)上的中心孔与所述的中心流道(6)连通，送水器本体(1-1)和送水器外壳(1-2)之间的空腔与所述的内环空流道(7)连通，所述的第二旁通流道(9)设置在送水器外壳(1-2)上；所述的送水器本体(1-1)和送水器外壳(1-2)之间可相对旋转。

5.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双壁单弯螺杆马达(3)沿径向由内到外依次包括转子(3-1)、定子橡胶(3-2)、定子外管(3-3)和马达外管(3-4)，定子外管(3-3)与马达外管(3-4)之间形成所述的内环空流道(7)；所述的定子外管(3-3)上设置有定子外管旁通孔(3-6)；双壁单弯螺杆马达输出轴(3-5)上设置有输出轴旁通孔(3-7)，所述的定子外管旁通孔(3-6)和输出轴旁通孔(3-7)连通形成所述的第一旁通流道(8)。

6.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双壁钻杆(2)和双壁单弯螺杆马达(3)之间通过传扭转换接头(12)连接，所述的传扭转换接头(12)包括用于连接双壁钻杆(2)内壁和双壁单弯螺杆马达(3)内壁的转换接头内管(12-1)以及连接双壁钻杆(2)外壁和双壁单弯螺杆马达(3)的定子外管(3-3)的转换接头外管(12-2)；所述的转换接头外管(12-2)上设置有连通双壁钻杆(2)侧内环空流道和双壁单弯螺杆马达(3)侧内环空流道的连通孔(12-3)。

7.如权利要求1或3所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双壁钻杆(2)为无磁钻杆，双壁钻杆(2)内设置有泥浆脉冲随钻测量装置(13)。

8.一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，开孔钻进：依据封孔耐压要求及管套结构设计钻进直径、深度，先施工导向孔，再进行扩孔；

步骤2，下管固孔：由大到小逐级下套管，注浆、候凝、试压；

步骤3，钻进准备：将权利要求1～7任一项所述的定向钻具下入步骤2处理后的孔内，将泥浆泵高压出水胶管与定向钻具的中心流道(6)连接，在第二旁通流道(9)上安装截止阀、输水管；

步骤4，当孔内无涌水或涌水量未超过泵量值的80％且水压不高于3.0MPa工况下：关闭第二旁通流道(9)，从中心流道(6)输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功后，推动流道切换装置(11)向定向钻头(4)方向移动，使得流道切换装置(11)的第二封堵端封闭第一旁通流道(8)，中心流道(6)与外环空流道(10)连通，冲洗液经定向钻头的底流孔(4-1)到达孔底，携带孔底岩屑与地层涌水形成的混合多相流沿钻具与孔壁之间形成的外环空流道(10)上返排出，沉淀分离后排出钻场；

步骤5，当孔内涌水量超过泵量值的80％或水压高于3.0MPa工况下：打开第二旁通流道(9)，从中心流道(6)输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功，流道切换装置(11)在孔内高压涌水与冲洗液间压差作用下向钻柱体(5)方向移动，使得第一封堵端封闭定向钻头(4)，中心流道(6)与内环空流道(7)连通，冲洗液经第一旁通流道(8)进入内环空流道(7)上返，经第二旁通流道(9)流出后循环再利用；同时，地层涌水携带孔底岩屑沿外环空流道(10)上返排出，沉淀分离后排出钻场。

Images