CN111425138B - 一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法 - Google Patents
一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111425138B CN111425138B CN202010257474.XA CN202010257474A CN111425138B CN 111425138 B CN111425138 B CN 111425138B CN 202010257474 A CN202010257474 A CN 202010257474A CN 111425138 B CN111425138 B CN 111425138B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- drilling
- slag
- pressure
- pressure maintaining
- 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
Links
- 239000003245 coal Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000002893 slag Substances 0.000 claims abstract description 127
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 122
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 40
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 37
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 33
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 28
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 16
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 16
- 210000000078 claw Anatomy 0.000 claims description 14
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 13
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 13
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 10
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 7
- 238000001802 infusion Methods 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 3
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 claims description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/18—Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/44—Bits with helical conveying portion, e.g. screw type bits; Augers with leading portion or with detachable parts
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP 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
- E21B17/18—Pipes provided with plural fluid passages
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
- E21B21/06—Arrangements for treating drilling fluids outside the borehole
- E21B21/063—Arrangements for treating drilling fluids outside the borehole by separating components
- E21B21/065—Separating solids from drilling fluids
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
- E21B21/06—Arrangements for treating drilling fluids outside the borehole
- E21B21/063—Arrangements for treating drilling fluids outside the borehole by separating components
- E21B21/067—Separating gases from drilling fluids
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
- E21B21/08—Controlling or monitoring pressure or flow of drilling fluid, e.g. automatic filling of boreholes, automatic control of bottom pressure
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
发明提供一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法。该系统包括水射流发生系统、钻机钻具系统、支撑套管、保压系统和气渣分离器。所述钻机钻具系统包括螺旋钻头、钻杆和钻机。所述钻机夹持钻杆的尾端。所述钻杆内布置有支撑套管。所述保压系统包括保压管、压力显示器和保压管密封装置。所述保压管的前端伸入钻孔中，后端置于钻孔外部。钻机带动钻杆旋转并钻入煤岩层中。该成孔方法，包括放置保压管、钻进破碎、支撑套管从钻头处顶出等步骤。该系统保证了钻孔内的压力稳定，解决了垮孔、埋钻等长距离钻进中出现的问题，既实现了高效通畅的钻进作业，也能最大程度上利用废水进行循环作业，显著提高施工效率和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法。
背景技术
钻孔长度对瓦斯抽采效果具有重要的影响，而随着煤炭开采深度增大，煤层所具有的高瓦斯压力、高地应力会使钻孔垮塌，导致喷孔、卡钻、埋钻等问题发生，无法保证施工安全，严重影响钻进施工的效率，同时，单纯地增大钻机的扭矩和钻杆的强度，仍不足以解决这类钻进问题。
因此在深部煤炭开采领域，亟需一种针对高应力、高瓦斯压力的钻进系统及方法，从而保证深部煤炭资源的安全高效开采。
发明内容
本发明的目的是提供一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种松软突出煤层长钻孔成孔系统，包括水射流发生系统、钻机钻具系统、保压系统和气渣分离器。
所述水射流发生系统包括加压泵和纳米流体储罐。所述加压泵和纳米流体储罐之间的管路上设置有纳米流体管道阀门。
所述钻机钻具系统包括螺旋钻头、钻杆和钻机。所述螺旋钻头安装在钻杆的首端。所述螺旋钻头外壁上设置有螺旋叶片。所述螺旋钻头内部具有轴向流道。所述螺旋钻头顶端设置有供高压水射出的高压喷头。所述高压喷头与轴向流道连通。所述钻机夹持钻杆的尾端。所述钻杆为双壁钻杆。所述钻杆的内管内腔为中心孔道。所述内管的壁面上设置有导流通孔和导渣通孔。所述钻杆的内管与外管之间的环空间隙为环形孔道。所述中心孔道中布置有支撑套管。所述支撑套管表面间隔布设支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述环形孔道中布置有抽渣管和输液管。所述抽渣管通过导渣通孔与中心孔道联通。所述输液管通过导流通孔与中心孔道联通。
所述保压系统包括保压管、压力显示器和保压管密封装置。所述保压管的前端伸入钻孔中，后端置于钻孔外部。所述保压管通过锚杆固定在钻孔孔口孔壁上。所述保压管伸入钻孔部分的外壳直接与钻孔壁接触。所述钻杆从保压管的后端伸入钻孔中。所述保压管后端开口处与钻杆之间安装有保压管密封装置。所述保压管的周壁上开设有抽渣孔。所述保压管的周壁上还安装有压力显示器。所述保压管密封装置上开设有保压管排渣口。抽渣管阀门将钻杆内部的抽渣管与气渣分离器相连接。保压管排渣阀门将保压管末端通过管道与气渣分离器相连接。
钻机带动钻杆旋转并钻入煤岩层中。所述螺旋钻头在钻杆的旋转带动下自轴旋转。纳米流体通过加压泵送入螺旋钻头。高压喷头喷射轴向的高压液流，在孔底的煤壁上切割出引导孔。螺旋钻头将引导孔扩大。煤岩体由螺旋钻头研磨破碎或经受高压水冲击而破碎。高压水射流冲击煤岩屑，纳米流体携带煤岩渣返出至气渣分离器。钻进完成后，支撑套管从高压喷头孔口处顶出。支撑套管与钻杆分离后，支撑钩爪自动张开支撑钻孔。
进一步，所述高压喷头连接有单向阀。
进一步，所述保压管采用金属材料制成。
进一步，所述气渣分离器整体为一个内中空的舱体。所述舱体内腔中布设有筛网。所述舱体上端设置有煤岩体碎渣入口。所述舱体侧壁上设置有瓦斯抽采口、排渣口和排水口。所述排渣口处设置有密封门和排渣通道。所述筛网的一端铰接在舱体内壁上。所述筛网将舱体的内腔分隔为上下两个容置空间。所述瓦斯抽采口和排渣口联通舱体上部容置空间和舱体外侧。所述排水口联通舱体下部容置空间和舱体外侧。
所述瓦斯抽采口和瓦斯抽采管道相连。所述瓦斯抽采口和瓦斯抽采管道之间的管路上安装有瓦斯浓度检测器和瓦斯抽采管道阀门。所述排水口通过分离器排水阀门与纳米流体储罐相连。
所述筛网设有动力系统与传感系统。当传感系统监测到筛网上煤岩体碎渣的质量超过设定值时，动力系统驱动筛网绕铰接瞬间抬升。密封门向上抬起，煤岩体碎渣由排渣口处排渣通道排出。待煤岩体碎渣排出后，筛网和密封门瞬间复位。
进一步，所述钻机的旋转密封装置的输入端与加压泵通过管路连接，输出端与输液管的尾端连接。所述加压泵和钻机之间的管路上设置有钻机进水阀门。
本发明还公开一种关于上述成孔系统的成孔方法，包括以下步骤：
1)确定松软突出煤层中的钻孔位置和钻孔参数。在纳米流体储罐中灌注疏水性二氧化硅纳米流体悬浮液。
2)在松软突出煤层煤壁上钻设一段钻孔，并将保压管的前端伸入钻孔中。将保压管通过锚杆固定在钻孔孔口孔壁上。将螺旋钻头与钻杆置于保压管内，伸入钻孔中。
3)启动加压泵，使疏水性二氧化硅纳米流体从高压喷头喷出。纳米颗粒吸附在煤岩体表面，疏水性二氧化硅纳米流体填充保压管与钻杆之间的环空。压力显示器检测压力变化。
4)当压力显示器示数接近钻孔内部压力时，打开保压管排渣阀门，调节加压泵供液压力，使压力显示器示数始终与钻孔内部压力保持一致。
5)启动钻机，带动钻杆与螺旋钻头转动，对钻孔顶部煤体进行钻进破碎，使岩屑、煤屑、废水、瓦斯气体等通过保压管排渣阀门通入气渣分离器中。当排渣较困难时，打开抽渣管阀门，使废水废渣从抽渣管通入气渣分离器中。
6)当一段钻进完成时，依次关闭钻机、加压泵，待保压管排渣阀门无废水废渣排出时，关闭保压管排渣阀门、抽渣管阀门和分离器排水阀门。补充水槽内的二氧化硅颗粒或水溶液，完成下一段钻进。
7)当预设钻进过程完成时，依次关闭钻机和加压泵。将支撑套管从螺旋钻头处顶出，使支撑套管从钻杆中分离，同时将螺旋钻头、钻杆、和保压管逐渐从孔口处退出，使每段支撑套管的支撑钩爪张开，单独置于孔内完成固孔。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.保证了钻孔内的压力稳定，解决了垮孔、埋钻等长距离钻进中出现的问题，既实现了高效通畅的钻进作业，也能最大程度上利用废水进行循环作业，显著提高施工效率和经济效益；
B.在钻进过程中通过调节疏水性二氧化硅纳米流体的注入与排渣速度，保证了钻进过程中钻孔内部压力的稳定与排渣的顺畅，解决了长距离钻进中垮孔等问题。将疏水性纳米流体注入钻孔中，使疏水性纳米颗粒在煤岩体表面形成超疏水表面，防止保压液的滤失；将气渣分离器排出的废水导入到水槽中，实现了废水再利用，在保证钻进效率的同时，节约了经济成本；
C.将支撑套管置于钻杆内部，在钻进完成后，将螺旋钻头和钻杆退出，其张开的支撑钩爪可起到支撑钻孔的作用，防止垮孔；
D.钻杆前段设有抽渣装置，解决了水平孔、俯视孔排渣困难的问题。
附图说明
图1为松软突出煤层长钻孔成孔系统结构示意图；
图2为A处局部放大图；
图3为气渣分离器结构示意图；
图4为螺旋钻头与套管连接示意。
图中：螺旋钻头3、螺旋叶片301、高压喷头302、轴向流道304、钻杆4、支撑套管401、支撑钩爪4011、抽渣管402、输液管403、保压系统5、保压管501、压力显示器502、保压管密封装置503、保压管排渣阀门504、抽渣管阀门505、钻机6、气渣分离器7、瓦斯抽采管701、排渣口702、筛网703、排水口704、密封门705、分离器排水阀门8、钻机进水阀门9、加压泵10、纳米流体管道阀门11、纳米流体储罐12、锚杆13。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1和图2，本实施例公开一种松软突出煤层长钻孔成孔系统，包括水射流发生系统、钻机钻具系统、保压系统5和气渣分离器7。
所述水射流发生系统包括加压泵10和纳米流体储罐12。所述加压泵10和纳米流体储罐12之间的管路上设置有纳米流体管道阀门11。
所述钻机钻具系统包括螺旋钻头3、钻杆4和钻机6。所述螺旋钻头3安装在钻杆4的首端。所述螺旋钻头3外壁上设置有螺旋叶片301。所述螺旋钻头3内部具有轴向流道304。所述螺旋钻头3顶端设置有供高压水射出的高压喷头302。所述螺旋钻头3与轴向流道304连通。所述钻机6夹持钻杆4的尾端。所述钻杆4为双壁钻杆。所述钻杆4的内管内腔为中心孔道。所述内管的壁面上设置有导流通孔和导渣通孔。所述钻杆4的内管与外管之间的环空间隙为环形孔道。所述中心孔道中布置有支撑套管401。所述支撑套管401表面间隔布设支撑钩爪4011。所述支撑钩爪4011采用压簧结构。所述环形孔道中布置有抽渣管402和输液管403。所述抽渣管402通过导渣通孔与中心孔道联通。所述输液管403通过导流通孔与中心孔道联通。当钻进完成时，支撑套管401伸出螺旋钻头3。支撑钩爪4011打开，与岩壁接触，起到支撑钻孔的作用，防止钻孔在退钻的过程中发生垮塌。参见图4，钻杆内腔壁与螺旋钻头3通过螺纹连接，在钻进完成后，利用千斤顶将内腔中的支撑套管401顶出，实现分离。在本实施例中，通过千斤顶将支撑套管从底部向孔内推动，实现螺旋钻头与支撑套管的分离。
所述保压系统5包括保压管501、压力显示器502和保压管密封装置503。所述保压管501的前端伸入钻孔中，后端置于钻孔外部。所述保压管501通过4根锚杆13固定在钻孔孔口孔壁上。所述保压管501伸入钻孔部分的外壳直接与钻孔壁接触。所述钻杆4从保压管501的后端伸入钻孔中。所述保压管501后端开口处与钻杆4之间安装有保压管密封装置503。所述保压管501的周壁上开设有抽渣孔。所述保压管501的周壁上还安装有压力显示器502以监测保压管501内的压力。所述保压管密封装置503上开设有保压管排渣口。抽渣管阀门505将钻杆内部的抽渣管与气渣分离器7相连接。保压管排渣阀门504将保压管末端通过管道与气渣分离器7相连接。
参见图3，所述气渣分离器7内设有瓦斯抽采管701、排渣口702、筛网703、排水口704和密封门705。所述筛网703和密封门705设有动力系统与传感系统，当监测到筛网703上质量超过一定值时，筛网左端便会抬起，同时密封门705打开，将煤岩体碎渣倒入排渣口中702。所述气渣分离器7底部通过分离器排水阀门8与纳米流体储罐12相连接。
工作时，钻机6带动钻杆4旋转并钻入煤岩层中。所述螺旋钻头3在钻杆4的旋转带动下自轴旋转。纳米流体通过加压泵10送入螺旋钻头3。高压喷头302喷射轴向的高压液流，在孔底的煤壁上切割出引导孔。螺旋钻头3将引导孔扩大。煤岩体由螺旋钻头3研磨破碎或经受高压水冲击而破碎。高压水射流冲击煤岩屑，纳米流体携带煤岩渣返出至气渣分离器7。
本实施例将水基二氧化硅纳米流体通过螺旋钻头喷嘴注入钻孔，同时通过调节保压管阀门与注液压力，达到了长距离钻进过程中钻孔内部压力稳定的效果，解决了长距离钻进过程中的喷孔、垮孔等问题，保证了深部煤炭资源的安全高效开采。
实施例2：
本实施例公开一种基础的松软突出煤层长钻孔成孔系统，包括水射流发生系统、钻机钻具系统、支撑套管401、保压系统5和气渣分离器7。
所述水射流发生系统包括加压泵10和纳米流体储罐12。所述加压泵10和纳米流体储罐12之间的管路上设置有纳米流体管道阀门11。
所述钻机钻具系统包括螺旋钻头3、钻杆4和钻机6。所述螺旋钻头3安装在钻杆4的首端。所述螺旋钻头3外壁上设置有螺旋叶片301。所述螺旋钻头3内部具有轴向流道304。所述螺旋钻头3顶端设置有供高压水射出的高压喷头302。所述螺旋钻头3与轴向流道304连通。所述钻机6夹持钻杆4的尾端。所述钻杆4内布置有支撑套管401。所述支撑套管401表面间隔布设支撑钩爪4011。所述支撑钩爪4011与钻杆4分离后会自动张开，起到固孔的作用。
所述保压系统5包括保压管501、压力显示器502和保压管密封装置503。所述保压管501的前端伸入钻孔中，后端置于钻孔外部。所述保压管501通过4根锚杆13固定在钻孔孔口孔壁上。所述保压管501伸入钻孔部分的外壳直接与钻孔壁接触。所述钻杆4从保压管501的后端伸入钻孔中。所述保压管501后端开口处与钻杆4之间安装有保压管密封装置503。所述保压管501的周壁上开设有抽渣孔。所述保压管501的周壁上还安装有压力显示器502以监测保压管501内的压力。所述保压管密封装置503上开设有保压管排渣口。抽渣管阀门505将钻杆内部的抽渣管与气渣分离器7相连接。保压管排渣阀门504将保压管末端通过管道与气渣分离器7相连接。
工作时，钻机6带动钻杆4旋转并钻入煤岩层中。所述螺旋钻头3在钻杆4的旋转带动下自轴旋转。纳米流体通过加压泵10送入螺旋钻头3。高压喷头302喷射轴向的高压液流，在孔底的煤壁上切割出引导孔。螺旋钻头3将引导孔扩大。煤岩体由螺旋钻头3研磨破碎或经受高压水冲击而破碎。高压水射流冲击煤岩屑，纳米流体携带煤岩渣返出至气渣分离器7。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，其中，所述轴向流道304中设置有单向阀，保证在钻进的过程中不会有废水从高压喷头302的喷嘴处回流。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例2，其中，所述保压管501采用金属材料制成。本实施例能够保证钻进过程的安全高效、瓦斯的高效抽采、钻孔的及时支护，实现了长距离钻进、瓦斯抽采与支撑固孔的一体化作业，同时节约了高压水的经济成本，达到了有效防治长距离钻进过程中喷孔、卡钻、埋钻的目的，从而保证深部煤炭资源的安全高效开采。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例2，其中，所述气渣分离器7内设有瓦斯抽采管701、排渣口702、筛网703和排水口704。所述筛网703设有动力系统与传感系统，当监测到筛网703上质量超过一定值时，筛网左端便会抬起，将煤岩体碎渣倒入排渣口中702。所述气渣分离器7底部通过分离器排水阀门8与纳米流体储罐12相连接。本实施例利用保压钻进的原理，将水基纳米流体作为保压液，通过调节注液压力与保压管阀门，以达到钻进过程中钻孔内部压力稳定的效果，能够有效防治垮孔、埋钻等现象。
实施例6：
本实施例公开一种关于实施例1所述成孔系统的成孔方法，包括以下步骤：
1)确定松软突出煤层中的钻孔位置和钻孔参数。在纳米流体储罐12中灌注疏水性二氧化硅纳米流体悬浮液。
2)在松软突出煤层煤壁上钻设一段钻孔，并将保压管501的前端伸入钻孔中。将保压管501通过锚杆13固定在钻孔孔口孔壁上。将螺旋钻头3与钻杆4置于保压管501内，伸入钻孔中。
3)启动加压泵10，使疏水性二氧化硅纳米流体从高压喷头302喷出。纳米颗粒吸附在煤岩体表面，疏水性二氧化硅纳米流体填充保压管501与钻杆4之间的环空。压力显示器502检测压力变化。
4)当压力显示器502示数接近钻孔内部压力时，打开保压管排渣阀门504，调节加压泵10供液压力，使压力显示器502示数始终与钻孔内部压力保持一致。
5)启动钻机6，带动钻杆4与螺旋钻头3转动，对钻孔顶部煤体进行钻进破碎，使岩屑、煤屑、废水、瓦斯气体等通过保压管排渣阀门504通入气渣分离器7中。当排渣较困难时，打开抽渣管阀门505，使废水废渣从抽渣管402通入气渣分离器7中。
6)在钻进的同时打开瓦斯抽采管701、排渣口702和分离器排水阀门8，瓦斯抽采管701抽采瓦斯，当监测到筛网703上质量超过一定值时，筛网左端便会自动抬起，同时密封门705打开，将煤岩体碎渣倒入排渣口中702排出。废水经过筛网703的过滤，通过排水口704、分离器排水阀门8再次进入纳米流体储罐12中循环利用。
7)当一段钻进完成时，依次关闭钻机6、加压泵10，待保压管排渣阀门504无废水废渣排出时，关闭保压管排渣阀门504、抽渣管阀门505和分离器排水阀门8。补充纳米流体储罐12内的二氧化硅颗粒或水溶液，完成下一段钻进。
8)当预设钻进过程完成时，依次关闭钻机6和加压泵10。将支撑套管401从螺旋钻头3处顶出，使支撑套管401从钻杆4中分离，同时将螺旋钻头3、钻杆4、和保压管501逐渐从孔口处退出，使每段支撑套管401的支撑钩爪4011张开，单独置于孔内完成固孔。
本实施例利用改性二氧化硅纳米流体的强吸附性与超疏水性，将水基纳米流体在钻进的过程中通过螺旋钻头处安装的喷嘴喷入钻孔，使疏水性纳米流体吸附在煤岩体表面，在降低螺旋钻头温度的同时，能够有效防止高压水的滤失、增大破碎煤岩体的流动性。另外，钻杆前段设有抽吸管道，能够有效解决俯孔和平孔的排渣问题，在一定程度上降低了排渣不利导致卡钻的风险。
Claims (4)
1.一种松软突出煤层长钻孔成孔系统，其特征在于：包括水射流发生系统、钻机钻具系统、保压系统（5）和气渣分离器（7）；
所述水射流发生系统包括加压泵（10）和纳米流体储罐（12）；所述加压泵（10）和纳米流体储罐（12）之间的管路上设置有纳米流体管道阀门（11）；
所述钻机钻具系统包括螺旋钻头（3）、钻杆（4）和钻机（6）；所述螺旋钻头（3）安装在钻杆（4）的首端；所述螺旋钻头（3）外壁上设置有螺旋叶片（301）；所述螺旋钻头（3）内部具有轴向流道（304）；所述螺旋钻头（3）顶端设置有供高压水射出的高压喷头（302）；所述高压喷头（302）连接有单向阀（303）；所述高压喷头（302）与轴向流道（304）连通；所述钻机（6）夹持钻杆（4）的尾端；所述钻机（6）的旋转密封装置的输入端与加压泵（10）通过管路连接，输出端与输液管（403）的尾端连接；所述加压泵（10）和钻机（6）之间的管路上设置有钻机进水阀门（9）；所述钻杆（4）为双壁钻杆；所述钻杆（4）的内管内腔为中心孔道；所述内管的壁面上设置有导流通孔和导渣通孔；所述钻杆（4）的内管与外管之间的环空间隙为环形孔道；所述中心孔道中布置有支撑套管（401）；所述支撑套管（401）表面间隔布设支撑钩爪（4011）；所述支撑钩爪（4011）采用压簧结构；所述环形孔道中布置有抽渣管（402）和输液管（403）；所述抽渣管（402）通过导渣通孔与中心孔道联通；所述输液管（403）通过导流通孔与中心孔道联通；
所述保压系统（5）包括保压管（501）、压力显示器（502）和保压管密封装置（503）；所述保压管（501）的前端伸入钻孔中，后端置于钻孔外部；所述保压管（501）通过锚杆（13）固定在钻孔孔口孔壁上；所述保压管（501）伸入钻孔部分的外壳直接与钻孔壁接触；所述钻杆（4）从保压管（501）的后端伸入钻孔中；所述保压管（501）后端开口处与钻杆（4）之间安装有保压管密封装置（503）；所述保压管（501）的周壁上开设有抽渣孔；所述保压管（501）的周壁上还安装有压力显示器（502）；所述保压管密封装置（503）上开设有保压管排渣口；抽渣管阀门（505）将钻杆内部的抽渣管（402）与气渣分离器（7）相连接；保压管排渣阀门（504）将保压管末端通过管道与气渣分离器（7）相连接；
工作时，钻机（6）带动钻杆（4）旋转并钻入煤岩层中；所述螺旋钻头（3）在钻杆（4）的旋转带动下自轴旋转；纳米流体通过加压泵（10）送入螺旋钻头（3）；高压喷头（302）喷射轴向的高压液流，在孔底的煤壁上切割出引导孔；螺旋钻头（3）将引导孔扩大；煤岩体由螺旋钻头（3）研磨破碎或经受高压水冲击而破碎；高压水射流冲击煤岩屑，纳米流体携带煤岩渣返出至气渣分离器（7）；钻进完成后，支撑套管（401）从高压喷头（302）孔口处顶出；支撑套管（401）与钻杆（4）分离后，支撑钩爪（4011）自动张开支撑钻孔。
2.根据权利要求1所述的一种松软突出煤层长钻孔成孔系统，其特征在于：所述保压管（501）采用金属材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种松软突出煤层长钻孔成孔系统，其特征在于：所述气渣分离器（7）整体为一个内中空的舱体；所述舱体内腔中布设有筛网（703）；所述舱体上端设置有煤岩体碎渣入口；所述舱体侧壁上设置有瓦斯抽采口（701）、排渣口（702）和排水口（704）；所述排渣口（702）处设置有密封门（705）和排渣通道；所述筛网（703）的一端铰接在舱体内壁上；所述筛网（703）将舱体的内腔分隔为上下两个容置空间；所述瓦斯抽采口（701）和排渣口（702）联通舱体上部容置空间和舱体外侧；所述排水口（704）联通舱体下部容置空间和舱体外侧；
所述瓦斯抽采口（701）和瓦斯抽采管道相连；所述瓦斯抽采口（701）和瓦斯抽采管道之间的管路上安装有瓦斯浓度检测器和瓦斯抽采管道阀门；所述排水口（704）通过分离器排水阀门（8）与纳米流体储罐（12）相连；
所述筛网（703）设有动力系统与传感系统；当传感系统监测到筛网（703）上煤岩体碎渣的质量超过设定值时，动力系统驱动筛网（703）绕铰接瞬间抬升；密封门（705）向上抬起，煤岩体碎渣由排渣口（702）处排渣通道排出；待煤岩体碎渣排出后，筛网（703）和密封门（705）瞬间复位。
4.一种根据权利要求1所述松软突出煤层长钻孔成孔系统的成孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定松软突出煤层中的钻孔位置和钻孔参数；在纳米流体储罐（12）中灌注疏水性二氧化硅纳米流体悬浮液；
2)在松软突出煤层煤壁上钻设一段钻孔，并将保压管（501）的前端伸入钻孔中；将保压管（501）通过锚杆（13）固定在钻孔孔口孔壁上；将螺旋钻头（3）与钻杆（4）置于保压管（501）内，伸入钻孔中；
3)启动加压泵（10），疏水性二氧化硅纳米流体从高压喷头（302）喷出；纳米颗粒吸附在煤岩体表面，疏水性二氧化硅纳米流体填充保压管（501）与钻杆（4）之间的环空；压力显示器（502）检测压力变化；
4)当压力显示器（502）示数趋近钻孔内部压力时，打开保压管排渣阀门（504），调节加压泵（10）供液压力，使压力显示器（502）示数始终与钻孔内部压力保持一致；
5)钻机（6）带动钻杆（4）与螺旋钻头（3）转动，对钻孔顶部煤体进行钻进破碎；岩屑、煤屑、废水、瓦斯气体通过保压管排渣阀门（504）通入气渣分离器（7）中；当排渣较困难时，打开抽渣管阀门（505），使废水废渣从抽渣管（402）通入气渣分离器（7）中；
6)当一段钻进完成时，依次关闭钻机（6）和加压泵（10）；待保压管排渣阀门（504）无废水废渣排出时，关闭保压管排渣阀门（504）、抽渣管阀门（505）和分离器排水阀门（8）；补充纳米流体储罐（12）内的二氧化硅颗粒或水溶液，完成下一段钻进；
7)当预设钻进过程完成时，依次关闭钻机（6）和加压泵（10）；将支撑套管（401）从螺旋钻头（3）处顶出，使支撑套管（401）从钻杆（4）中分离；逐渐将螺旋钻头（3）、钻杆（4）和保压管（501）从孔口处退出；支撑套管（401）的支撑钩爪（4011）张开，单独置于孔内完成固孔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010257474.XA CN111425138B (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010257474.XA CN111425138B (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111425138A CN111425138A (zh) | 2020-07-17 |
| CN111425138B true CN111425138B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=71553682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010257474.XA Active CN111425138B (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111425138B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111894460A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-11-06 | 河南理工大学 | 含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置及使用方法 |
| CN111980603A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-11-24 | 淮南矿业(集团)有限责任公司 | 一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统及排渣方法 |
| CN112228068B (zh) * | 2020-10-16 | 2024-05-03 | 中煤科工集团沈阳研究院有限公司 | 一种惰性气体打钻排渣装备及方法 |
| CN112252962A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-22 | 安徽理工大学 | 一种冲击倾向性煤层防冲钻机旋喷系统及方法 |
| CN113062687B (zh) * | 2021-04-20 | 2023-09-29 | 铁福来装备制造集团股份有限公司 | 一种具有自封孔功能的组合钻具 |
| CN113236130B (zh) * | 2021-04-25 | 2023-02-24 | 河南理工大学 | 水循环风循环清孔防堵方法 |
| CN113445931B (zh) * | 2021-06-29 | 2024-02-06 | 山西天地王坡煤业有限公司 | 顺煤层钻孔跟管钻进装置和跟管钻进方法 |
| CN114016967B (zh) * | 2021-11-05 | 2022-06-03 | 中国矿业大学(北京) | 一种煤层二次注液提高瓦斯抽采效果的装置及方法 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101413380A (zh) * | 2008-11-20 | 2009-04-22 | 重庆大学 | 一种多功能自激振荡射流钻头 |
| CN101586441A (zh) * | 2009-07-01 | 2009-11-25 | 煤炭科学研究总院重庆研究院 | 高压水射流煤层钻扩孔系统和方法 |
| CN201460734U (zh) * | 2009-07-01 | 2010-05-12 | 煤炭科学研究总院重庆研究院 | 高压水射流煤层钻扩孔系统 |
| CN102041966A (zh) * | 2010-12-03 | 2011-05-04 | 中国矿业大学 | 一种顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置及方法 |
| CN103016044A (zh) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 河南理工大学 | 煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复与气驱置换综合方法 |
| CN106988776A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-07-28 | 河南理工大学 | 松软破碎煤层钻孔护孔施工方法 |
| CN108547604A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-09-18 | 河南理工大学 | 一种钻冲压一体化装置与方法 |
| CN109184653A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-11 | 山东科技大学 | 一种新型煤矿水力压裂用割缝装置及方法 |
| CN110374497A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-10-25 | 田振林 | 一种井下瓦斯孔的钻孔装置及其钻孔方法 |
| CN209687432U (zh) * | 2019-01-25 | 2019-11-26 | 王海峰 | 一种内排渣高压端面密封钻杆 |
| CN110578505A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-17 | 重庆大学 | 一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统及方法 |
| CN110617044A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-27 | 重庆大学 | 一种超高压水射流割缝系统及其使用方法 |
| CN110630181A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-12-31 | 中国矿业大学 | 一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法 |
| CN212105742U (zh) * | 2020-04-03 | 2020-12-08 | 重庆大学 | 一种松软突出煤层钻机钻具系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6522285B2 (en) * | 2000-06-27 | 2003-02-18 | Gerald L. Stolarczyk | Ground-penetrating imaging and detecting radar |
-
2020
- 2020-04-03 CN CN202010257474.XA patent/CN111425138B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101413380A (zh) * | 2008-11-20 | 2009-04-22 | 重庆大学 | 一种多功能自激振荡射流钻头 |
| CN101586441A (zh) * | 2009-07-01 | 2009-11-25 | 煤炭科学研究总院重庆研究院 | 高压水射流煤层钻扩孔系统和方法 |
| CN201460734U (zh) * | 2009-07-01 | 2010-05-12 | 煤炭科学研究总院重庆研究院 | 高压水射流煤层钻扩孔系统 |
| CN102041966A (zh) * | 2010-12-03 | 2011-05-04 | 中国矿业大学 | 一种顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置及方法 |
| CN103016044A (zh) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 河南理工大学 | 煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复与气驱置换综合方法 |
| CN106988776A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-07-28 | 河南理工大学 | 松软破碎煤层钻孔护孔施工方法 |
| CN108547604A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-09-18 | 河南理工大学 | 一种钻冲压一体化装置与方法 |
| CN109184653A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-11 | 山东科技大学 | 一种新型煤矿水力压裂用割缝装置及方法 |
| CN209687432U (zh) * | 2019-01-25 | 2019-11-26 | 王海峰 | 一种内排渣高压端面密封钻杆 |
| CN110578505A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-17 | 重庆大学 | 一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统及方法 |
| CN110617044A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-27 | 重庆大学 | 一种超高压水射流割缝系统及其使用方法 |
| CN110630181A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-12-31 | 中国矿业大学 | 一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法 |
| CN110374497A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-10-25 | 田振林 | 一种井下瓦斯孔的钻孔装置及其钻孔方法 |
| CN212105742U (zh) * | 2020-04-03 | 2020-12-08 | 重庆大学 | 一种松软突出煤层钻机钻具系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 松软低透煤层随钻水力冲孔钻具研制与应用;杨虎伟;董萌萌;朱宁;;煤矿机械;20200315(第03期);全文 * |
| 高突矿井松软煤层瓦斯抽采钻孔的深孔钻进技术;李宏;郝光生;;黑龙江科技大学学报;20191130(第06期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111425138A (zh) | 2020-07-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111425138B (zh) | 一种松软突出煤层长钻孔成孔系统及方法 | |
| CA2307227C (en) | Method and apparatus for the removal of sand in an underwater well | |
| US6283230B1 (en) | Method and apparatus for lateral well drilling utilizing a rotating nozzle | |
| CN200940456Y (zh) | 水平井旋流冲砂器 | |
| CA1131665A (en) | Hydraulic mining tool apparatus | |
| CN101446187B (zh) | 双封隔器水力喷射压裂工艺 | |
| CN110953013B (zh) | 松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置及其方法 | |
| CN206267815U (zh) | 钻进式连续冲砂装置 | |
| MXPA02008570A (es) | Ensamble de perforacion para pozo abajo, con bomba de chorro independiente. | |
| CN203905895U (zh) | 岩心钻探多功能旋喷注浆器 | |
| CN212105742U (zh) | 一种松软突出煤层钻机钻具系统 | |
| CN103924938A (zh) | 一种煤矿井下瓦斯抽采孔清孔钻头、清孔装置及清孔方法 | |
| CN102926797B (zh) | 煤矿三高区钻孔、排粉、增透一体化装置 | |
| CN114893152A (zh) | 防砂筛管内混气水脉冲射流解堵管柱 | |
| US20090173544A1 (en) | Method and apparatus for lateral well drilling utilizing an abrasive fluid stream discharged from a rotating nozzle | |
| CN103967435A (zh) | 一种煤层气井井底清砂装置 | |
| AU2021104175A4 (en) | Long Drill Hole Forming System and Method for Soft Outburst Coal Seam | |
| CN212027661U (zh) | 一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统 | |
| CN210768675U (zh) | 一种套铣一体化捞砂装置 | |
| US9222310B2 (en) | Method and apparatus for lateral well drilling with enhanced capability for clearing cuttings and other particles | |
| CN209145533U (zh) | 非接触式井下负压清液、固相工具 | |
| CN111395962A (zh) | 一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法 | |
| CN106869796B (zh) | 一种机械和射流负压双驱动的井下装置 | |
| CN212337202U (zh) | 一种应用于松软突出煤层钻进的气渣分离器 | |
| CN109252821B (zh) | 非接触式井下负压清液、固相工具及井下清理工艺 |
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 |