CN111911225B - 一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤层注水领域，涉及一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法，包括钻头、钻杆以及钻机，还包括设置在钻杆之间的依次连接的高低压转换装置以及膨胀式封隔器，高低压转换装置与膨胀式封隔器内设置有中心管，高低压转换装置在与远离钻机端的钻杆连通的一端设置有同中心管导通的出口；中心管靠近高低压转换装置的一端通过弹性阀门组件将高低压转换装置分隔为内管路与外管路，中心管的另一端与钻机端的钻杆连通。本发明结构简单，操作简便，降低了装置的复杂程度，减少了额外下放封孔器的劳动力，提升顺煤层钻孔注水效率。

Description

一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法

技术领域

本发明属于煤层注水领域，涉及一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法。

背景技术

煤矿井下防治煤与瓦斯突出的关键在于高效的瓦斯抽采降低煤层瓦斯含量和压力，但因我国煤层赋存条件如煤质松软和地质条件不稳定等问题，导致煤层透气性差、应力集中等因素进而导致煤层瓦斯难抽采。

煤层注水是松软煤层常用的煤层增透的方法之一，其主要作用是增加煤体含水率、形成微裂隙和分散煤体所受应力。煤层中水对煤的吸附作用强于瓦斯，因此注水还能将煤层中的吸附瓦斯置换为游离瓦斯，增加透气性的同时增加抽采率，为煤矿安全高效开采提供了安全保障。

可重复使用封孔器的出现，很好的替代了采用钢管和水泥浆封孔的煤层注水工艺，无需专门施工注水孔就可以在任意顺煤层钻孔实施煤层注水。目前采用封孔器的煤层注水方法在顺煤层钻孔施工完毕后，需要采用人力的方式依次安装筛管、封孔器、钢管、孔口拉索等，注水后再次拆卸，整个流程操作繁琐且劳动强度大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法，在简化现有结构的基础上节约工作量，减少劳动强度，并提升煤层注水效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，包括钻头、钻杆以及钻机，还包括设置在钻杆之间的依次连接的高低压转换装置以及膨胀式封隔器，高低压转换装置与膨胀式封隔器内设置有中心管，高低压转换装置在与远离钻机端的钻杆连通的一端设置有同中心管导通的出口；

中心管靠近高低压转换装置的一端通过弹性阀门组件将高低压转换装置分隔为内管路与外管路，中心管的另一端与钻机端的钻杆连通。

可选的，出口的直径小于中心管直径。

可选的，钻杆为耐高压密封钻杆。

可选的，中心管通过高低压转换装置与钻机端的钻杆导通，该钻机端的钻杆末端设置有转换接头，该转换接头通过高压胶管连接有注水泵。

可选的，弹性阀门组件包括弹簧以及滑套环。

一种顺煤层钻孔钻进注水一体化方法，应用如上述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，包括以下步骤：

步骤1，设计顺煤层钻孔施工参数、膨胀式封隔器距孔口距离、注水量、注水压力；

步骤2，先将高低压转换装置连接钻杆，再将膨胀式封隔器连接高低压转换装置，根据施工参数使用煤矿井下小于3MPa的低压水进行顺煤层钻孔施工，施工到深度为X时停止钻进，此时水仅从中心管流出，膨胀式封隔器不发生膨胀；

X的计算公式如下：

X＝L-m-n-p

上式中，L为顺煤层钻孔设计长度，m为膨胀式封隔器距孔口距离，n为膨胀式封隔器长度，p为高低压转换装置长度；

步骤3，继续连接钻杆施工至顺煤层钻孔设计长度后停止钻进，使钻机动力头处于抱死钻杆状态并停机；

步骤4，从钻杆上拆下顺煤层钻孔施工排渣所用的旋转水尾，将钻杆与注水泵连通；

步骤5，开启注水泵并升高水压力至3MPa以上，一部分高压水使弹性阀门组件打开，使水进入外管路并流向膨胀式封隔器内，使膨胀式封隔器膨胀，从而封孔；

步骤6，待膨胀式封隔器膨胀之后将水压调整至设计注水压力，达到设计注水量时缓慢降低注水压力使膨胀式封隔器泄压，后关闭注水泵停止注水并退出钻杆、膨胀式封隔器、高低压转换装置。

可选的，步骤6中设计注水压力大于3MPa。

本发明的有益效果在于：本发明一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法，结构简单，操作简便，通过膨胀式封隔器与顺煤层钻孔施工钻杆相连接的方法实现钻进注水一体化，高低压转化装置的可以有正常施工和注水两种状态，仅通过控制水压即可完成两种状态的切换，降低了装置的复杂程度，减少了额外下放封孔器的劳动力，提升顺煤层钻孔注水效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的工作面注水孔平面示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的高低压转换装置和膨胀式封隔器的结构示意图。

附图标记：钻头1、钻杆2、高低压转换装置3、膨胀式封隔器4、钻机5、转换接头6、高压胶管7、注水泵8、滑套环9、弹簧10、外管路11、中心管12、内管路13。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～图3，为一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，包括钻头1、钻杆2以及钻机5，钻杆2为耐高压密封钻杆2，还包括设置在钻杆2之间的依次连接的高低压转换装置3以及膨胀式封隔器4，高低压转换装置3与膨胀式封隔器4内设置有中心管12，高低压转换装置3在与远离钻机端的钻杆2连通的一端设置有同中心管12导通的出口，出口的直径小于中心管12直径；中心管12靠近高低压转换装置3的一端通过弹簧10以及滑套环9将高低压转换装置3分隔为内管路13与外管路11，中心管12的另一端通过接头与钻机端的钻杆2连通，膨胀式封隔器4的一端与高低压转换装置3连接，另一端与接头密封连接，并与外管路11形成密闭空腔。中心管12通过高低压转换装置3与钻机端的钻杆2导通，该钻机端的钻杆2末端设置有转换接头6，该转换接头6通过高压胶管7连接有注水泵8。正常钻孔施工模式下，水仅从中心管12流出，水不经过外管路11，膨胀式封隔器4不发生膨胀，当连接注水泵8时，系统流量和压力增大，一部分高压水使滑套环9通过压缩弹簧10向下滑动，使水进入外管路11，继续进入膨胀式封隔器4使其膨胀，从而封孔；最后水仍然从高低压转换装置3流出，流经钻杆2最后从钻头1流出开始注水。

在本实施例中，膨胀式封隔器4外部设计为带弹性钢带的胶套，内部设置有与高低压转换装置3连接的带过水孔的刚性结构件。

一种顺煤层钻孔钻进注水一体化方法，应用一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，包括以下步骤：

步骤1，设计顺煤层钻孔施工参数、膨胀式封隔器4距孔口距离、注水量、注水压力；

在本实施例中，假设在某煤矿井工作面运输顺槽设计一个垂直巷帮的顺煤层钻孔并需要进行注水，设计顺煤层钻孔长度L为80m，设计膨胀式封隔器4位置为30m，高低压转换装置3长度为0.2m，膨胀式封隔器4长度为1.2m，设计注水压力为8MPa，设计注水量20m³；

步骤2，先将高低压转换装置3连接钻杆2，再将膨胀式封隔器4连接高低压转换装置3，根据施工参数使用煤矿井下小于3MPa的低压水进行顺煤层钻孔施工，施工到深度为X时停止钻进，此时水仅从中心管12流出，膨胀式封隔器4不发生膨胀；

X的计算公式如下：

X＝L-m-n-p

上式中，L为顺煤层钻孔设计长度，m为膨胀式封隔器4距孔口距离，n为膨胀式封隔器4长度，p为高低压转换装置3长度，则通过计算得中途需要停钻时的顺煤层钻孔施工深度X为48.6m；

步骤3，继续连接钻杆2施工至顺煤层钻孔设计长度80m后停止钻进，使钻机5动力头处于抱死钻杆2状态并停机；

步骤4，从钻杆2上拆下顺煤层钻孔施工排渣所用的旋转水尾，将钻杆2与注水泵8连通；

步骤5，开启注水泵8并升高水压力至3MPa以上，一部分高压水使滑套环9通过压缩弹簧10向下滑动，使水进入外管路11并流向膨胀式封隔器4内，使膨胀式封隔器4膨胀，从而封孔；

步骤6，待膨胀式封隔器4膨胀之后将水压调整至设计注水压力(8MPa)，达到设计注水量20m³时缓慢降低注水压力使膨胀式封隔器4泄压，后关闭注水泵8停止注水并退出钻杆2、膨胀式封隔器4、高低压转换装置3。

本发明一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置及方法，结构简单，操作简便，通过膨胀式封隔器4与顺煤层钻孔施工钻杆2相连接的方法实现钻进注水一体化，高低压转化装置的可以有正常施工和注水两种状态，仅通过控制水压即可完成两种状态的切换，降低了装置的复杂程度，减少了额外下放封孔器的劳动力，提升顺煤层钻孔注水效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，包括钻头、钻杆以及钻机，其特征在于：还包括设置在钻杆之间的依次连接的高低压转换装置以及膨胀式封隔器，高低压转换装置与膨胀式封隔器内设置有中心管，高低压转换装置在与远离钻机端的钻杆连通的一端设置有同中心管导通的出口；

所述中心管靠近高低压转换装置的一端通过弹性阀门组件将高低压转换装置分隔为内管路与外管路，中心管的另一端与钻机端的钻杆连通。

2.根据权利要求1所述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，其特征在于：所述出口的直径小于中心管直径。

3.根据权利要求1所述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，其特征在于：所述钻杆为耐高压密封钻杆。

4.根据权利要求1所述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，其特征在于：所述中心管通过高低压转换装置与钻机端的钻杆导通，该钻机端的钻杆末端设置有转换接头，该转换接头通过高压胶管连接有注水泵。

5.根据权利要求1所述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，其特征在于：所述弹性阀门组件包括弹簧以及滑套环。

6.一种顺煤层钻孔钻进注水一体化方法，应用如权利要求1～5任一所述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设计顺煤层钻孔施工参数、膨胀式封隔器距孔口距离、注水量、注水压力；

步骤2，先将高低压转换装置连接钻杆，再将膨胀式封隔器连接高低压转换装置，根据施工参数使用煤矿井下小于3MPa的低压水进行顺煤层钻孔施工，施工到深度为X时停止钻进，此时水仅从中心管流出，膨胀式封隔器不发生膨胀；

X的计算公式如下：

X＝L-m-n-p

上式中，L为顺煤层钻孔设计长度，m为膨胀式封隔器距孔口距离，n为膨胀式封隔器长度，p为高低压转换装置长度；

步骤3，继续连接钻杆施工至顺煤层钻孔设计长度后停止钻进，使钻机动力头处于抱死钻杆状态并停机；

步骤4，从钻杆上拆下顺煤层钻孔施工排渣所用的旋转水尾，将钻杆与注水泵连通；

步骤5，开启注水泵并升高水压力至3MPa以上，一部分高压水使弹性阀门组件打开，使水进入外管路并流向膨胀式封隔器内，使膨胀式封隔器膨胀，从而封孔；

步骤6，待膨胀式封隔器膨胀之后将水压调整至设计注水压力，达到设计注水量时缓慢降低注水压力使膨胀式封隔器泄压，后关闭注水泵停止注水并退出钻杆、膨胀式封隔器、高低压转换装置。

7.根据权利要求6所述的一种顺煤层钻孔钻进注水一体化方法，其特征在于：步骤6中设计注水压力大于3MPa。

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