CN112127797B - 一种煤矿井下定向钻进可转换钻头和钻具组合及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井下定向钻进可转换钻头和钻具组合及方法，可转换钻头包括钻头本体、导向体、固定环、弹簧和压环；钻头本体包括连接部和钻进部，连接部设有柱状开口，钻进部设有开口柱状腔体，钻进部内壁设置有转换滑道；导向体为一小直径柱状保径钻头体且位于开口柱状腔体内，导向体前端设置有切削齿和破岩水眼，周向设置有转换销，固定环固定在导向体上，弹簧通过压环安装在弹簧室内，压环端部设置有切削齿；转换销能沿转换滑道移动以使导向体能轴向移动形成凸状钻头或平面型钻头；本发明能够解决煤矿井下定向分支孔钻孔难以开分支、曲率半径大、分支轨迹难以控制、施工工艺复杂、效率低的问题。

Description

一种煤矿井下定向钻进可转换钻头和钻具组合及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下定向钻孔技术领域，具体涉及一种煤矿井下定向钻进可转换钻头和钻具组合及方法。

背景技术

定向钻孔是煤矿井下瓦斯抽采的主要方式。随着煤矿开采深度和采掘强度增加，瓦斯问题日益突出，为高效抽采瓦斯，近年来井下定向钻进技术水平的不断发展，煤矿井下多分支孔技术得到了迅速推广应用，目前主要依靠弯螺杆滑动钻进进行分支孔施工，开孔难度大，分支孔曲率半径大，孔眼轨迹不规则、施工工艺复杂、钻进效率低。另外水平井分段压裂技术在地面煤层气开发中应用效果显著，井下常以分支孔为导眼进行长钻孔分段压裂，由于现有分支孔技术的限制，压裂时压裂液滤失大，分段受限，难以达到预期效果，急需新的分支孔施工技术来提高压裂改造效果。

煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透的方法(CN105156086A)、煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具(CN105089500A)、煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透的方法(CN105156086A)、水力化小曲率拐弯钻机应用研究(煤矿机械，2018，39(7):126-128)和基于小曲率拐弯钻机的井下分段压裂技术(煤矿安全，2018，49(5):83-86)等介绍了一种煤矿井下小曲率拐弯钻机，可在煤矿井下钻孔内进行极小曲率半径侧钻，但该装置单纯利用高压喷头水力喷射自进，加之高压软管不能承受太大轴向推进力，给进动力小，影响了钻孔深度，限制了适用地层，分支孔孔径小，孔径25mm，单孔卸压范围有限，孔眼轨迹难以控制和预测。一种煤层顶底板穿层孔短半径造斜旋转钻进工艺(CN103321575A)、一种用于煤层顶底板穿层孔短半径造斜旋转钻进的组合钻具(CN203441364U)、“超短半径水平井柔性壳仿真模拟”(石油矿厂机械，2016，45(12):22－25)介绍了一种用于地面油气田的超短半径水平井钻井装置及技术，其单弯机构在1吨甚至更高的钻压下发生单弯动作，上述工艺中导向套不用承受扭矩，故导向套设计可承受扭矩小，为整体不可拆解，不适用于煤矿井下空间，其作业方法对于煤矿井下来说工艺过于复杂，工具组合钻进时不开钻盘(滑动钻进)，如进行复合钻进时则孔眼轨迹难以控制，总之难以满足井下环境及本施工方案要求。综上，现有煤矿井下定向钻进钻孔分支孔钻进技术中存在开孔难度大，分支孔曲率半径大，孔眼轨迹不规则、施工工艺复杂、钻进效率低等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下定向钻进可转换钻头和钻具组合及方法，已解决现有技术中存在的上述问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下定向钻进可转换钻头，包括钻头本体、设在钻头本体内且与钻头本体同轴的导向体、位于导向体和钻头本体之间且沿轴向依次布设的转换销、固定环、弹簧和压环；

所述钻头本体两端分别为连接部和钻进部，在连接部设有柱状开口，在钻进部设有开口柱状腔体，柱状开口和开口柱状腔体同轴且开口方向相反，在柱状开口和开口柱状腔体之间设有挡壁，在挡壁上设有压力室导入通孔，挡壁和导向体之间的空间为压力室，压力室导入通孔能连通柱状开口和压力室；所述钻进部侧壁设有扩眼水眼，扩眼水眼连通柱状开口和钻进部的钻进端；所述钻进部内壁设有凹槽状的转换滑道，且该转换滑道为M形周期结构沿钻进部内壁周向布设；在钻进部内壁还设有与扩眼水眼相对的转换通孔；

所述导向体同轴设在开口柱状腔体内，转换销固定在导向体侧壁上且位于转换滑道内；固定环固定套导向体侧壁，压环套在导向体外且压环固定在钻进部的钻进端内壁，在固定环和压环之间设置所述弹簧且弹簧套在导向体上；在导向体上设有破岩水眼；

所述转换滑道上的拐点包括收缩定位拐点、伸出定位拐点和转换拐点，收缩定位拐点和伸出定位拐点沿钻进部内壁周向依次交替布设，并在收缩定位拐点和伸出定位拐点之间设有转换拐点，且收缩定位拐点、伸出定位拐点和转换拐点距挡壁的距离依次增大；压力室压力增大能推动导向体轴向移动至转换销位于伸出定位拐点同时导向体伸出钻进部端面使钻头钻进端面呈凸状进行扩眼钻进；压力室压力继续增大能使导向体继续轴向移动至转换销移至转换拐点，压力室压力降低后弹簧能推动固定环带动导向体回移至转换销移至收缩定位拐点使钻头钻进端面呈平面后进行造斜钻进。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，当转换销位于伸出定位拐点且导向体伸出钻进部端面使钻头钻进端面呈凸状时，转换通孔能连通压力室和扩眼水眼；当转换销移至收缩定位拐点使钻头钻进端面呈平面时，转换通孔能连通破岩水眼和扩眼水眼。

具体的，所述拐点处的转换滑道的两边对应内拐点和外拐点，内拐点所在钻进部内壁的母线和外拐点所在钻进部内壁的母线不同，外拐点所在钻进部内壁的母线更靠近转换销将移至的下一个拐点所在钻进部内壁的母线，以使转换销只能沿转换滑道前进而不能后退；

所述转换拐点对应转换拐点内拐点和转换拐点外拐点，且转换拐点外拐点比转换拐点内拐点更靠近钻进部的钻进端；

所述收缩定位拐点对应收缩定位拐点内拐点和收缩定位拐点外拐点，且收缩定位拐点内拐点比收缩定位拐点外拐点更靠近钻进部的钻进端；

所述伸出定位拐点对应伸出定位拐点内拐点和伸出定位拐点外拐点，且伸出定位拐点内拐点比伸出定位拐点外拐点更靠近钻进部的钻进端。

具体的，所述连接部外壁为锥段以与钻杆连接，连接部内壁为柱状以形成所述柱状开口；

所述钻进部外壁为圆柱状，钻进部内壁为圆柱状以形成所述开口柱状腔体；

柱状开口的内径小于开口柱状腔体内径；

所述扩眼水眼包括扩眼水眼斜段和扩眼水眼直段，扩眼水眼斜段位于连接部和钻进部连接处，扩眼水眼直段位于钻进部，扩眼水眼直段与钻进部中轴线相互平行。

具体的，所述破岩水眼包括破岩水眼斜段和破岩水眼直段，破岩水眼斜段连通导向体外壁和破岩水眼直段，破岩水眼直段与导向体中轴线相互平行。

具体的，所述扩眼水眼有多个，多个扩眼水眼沿钻进部的周向均布；

所述转换通孔有多个，多个转换通孔沿钻进部内壁周向均布；

所述转换销至少有两个；

所述破岩水眼有多个，多个破岩水眼沿导向体的周向均布，当导向体收回到钻头本体内时，破岩水眼能与转换通孔相对；

所述压力室导入孔有多个。

具体的，所述钻头本体钻进部的钻进端设有切削齿，导向体的钻进端设有切削齿，压环的钻进端设有切削齿。

一种煤矿井下定向钻进可转换钻具组合，包括常规钻杆、螺杆钻具、可弯曲导管、柔性钻杆和所述的可转换钻头；

所述螺杆钻具包括转子和套在转子外的定子；所述可弯曲导管套在柔性钻杆外；

所述常规钻杆连接螺杆钻具，定子连接可弯曲导管，转子连接柔性钻杆，柔性钻杆连接所述可转换钻头的连接部。

一种煤矿井下定向钻进方法，该方法首先钻进得到小孔径导眼孔，然后以凸状钻头进行导向并对导眼孔切削扩眼钻进，到达分支孔预设开孔位置后调整可弯曲导管预弯曲方向方位至预设方位，将凸状钻头转换为平面型钻头进行造斜钻进并钻进至分支孔预设深度，重复上述操作能完成多个不同深度、不同方位分支孔的钻进和扩孔。

具体的，该方法包括以下步骤：

步骤1：采用常规定向钻进钻具组合施工Φ75mm-Φ98mm小孔径导眼孔；

步骤2：在孔口组装钻具，将可转换定向钻头的转换销设在转换滑道的伸出定位拐点，使钻头呈凸状，螺杆钻具与常规定向钻具相连接，柔性钻杆一端与螺杆马达的转子输出端相连接，另一端与钻头相连接，可弯曲导管设在柔性钻杆外侧，一端与螺杆马达定子相连接，另一端通过轴承与柔性钻杆相连接，通过随钻测量装置标定可弯曲导管预弯曲方向方位；

步骤3：下入钻具组合，启动钻机动力头、泥浆泵，复合扩眼钻进Φ113mm-Φ133mm分支孔主孔；

步骤4：到达分支孔预设开孔位置后关闭动力头，通过随钻测量仪测量可弯曲导管弯曲方向方位，通过动力头调整可弯曲导管预弯曲方向方位至预设方位；

步骤5：启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，高于复合及滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，同等排量下负荷稍低于复合钻进时，说明可转换定向钻头导向体的转换销由伸出定位拐点进入收缩定位拐点，钻头由凸型转换为平面型；

步骤6：推送钻具施加钻压2-21kN进行滑动钻进，钻进至分支孔预设深度后缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；

步骤7：启动泥浆泵，再次将泵压逐渐提高，高于滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，同等排量下负荷稍高于滑动钻进时，说明可转换定向钻头导向体的转换销由收缩定位拐点进入伸出定位拐点，钻头由平面型转换为凸型；

步骤8：启动动力头复合扩眼钻进主孔；

步骤9：至第二分支孔预设开孔位置，重复步骤4-6；

步骤10：依次完成多个不同深度、不同方位分支孔的钻进、扩孔。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明能够解决现有煤矿井下定向钻孔分支孔钻进中开孔难度大，分支孔曲率半径大，孔眼轨迹不规则、施工工艺复杂、钻进效率低的问题。本发明中的分支孔曲率半径为2.7-7.5m。

本发明扩眼钻进时，转换销位于伸出定位拐点，导向体能伸出钻头本体使钻头钻进端面呈凸状，且此时弹簧被压缩，破岩水眼与转换通孔不连通，导向体进入导眼孔进行导向，同时钻头本体的钻进端上的切削齿进行切削扩眼；造斜钻进前，增大压力室水压使导向体继续轴向移动，转换销能沿转换滑道移至转换拐点，此时减小压力室水压使弹簧弹力大于水压，转换销能从转换拐点沿转换滑道移至收缩定位拐点同时带动导向体收回至钻头本体内使钻头钻进端面呈平面，且此时破岩水眼与转换通孔连通；钻头钻进端面呈平面时可进行造斜钻进。

本发明转换销在伸出定位拐点和收缩定位拐点转换过程中由于破岩水眼的打开和关闭会造成同等泵压或排量条件下泥浆泵电机负荷的变化，以此作为钻头动作状态的判断依据。

附图说明

图1是本发明的可转换钻头结构示意图(钻头为凸型状态)；

图2是本发明的可转换钻头结构示意图(钻头为平面型状态)；

图3是本发明的转换销及转换滑道示意图；

图4是本发明的施工钻具组合示意图；

图5是本发明的定向钻孔施工工艺流程示意图；

附图标号含义：

1.钻头本体，2.导向体，3.转换销，4.固定环，5.弹簧，6.压环；

1-1.柱状开口，1-2.开口柱状腔体，1-3.挡壁，1-4.压力室导入通孔，1-5.扩眼水眼，1-6.转换滑道，1-7.转换通孔，1-8.收缩定位拐点，1-9.伸出定位拐点，1-10.转换拐点，2-1.破岩水眼；

100.常规钻杆，200.螺杆钻具，201.转子，202.定子，300.可弯曲导管，400.柔性钻杆，500.可转换钻头，600.顶板岩层，700.煤层，800.分支孔，900.导眼孔；

A1.转换拐点内拐点，A2.转换拐点外拐点，B1.收缩定位拐点内拐点，B2.收缩定位拐点外拐点，C1.伸出定位拐点内拐点，C2.伸出定位拐点外拐点。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明可用于各种类型的分支孔施工，如用于煤层中的枝状分支孔、鱼骨孔，用于注浆的枝状分支孔，用于油气井、煤层气、页岩气中的分支孔。案例以顶板梳状分支孔为例进行本发明的阐述。

遵从上述技术方案，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。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种煤矿井下定向钻进可转换钻头，如图1至图3所示，包括钻头本体1、设在钻头本体1内且与钻头本体1同轴的导向体2、位于导向体2和钻头本体1之间且沿轴向依次布设的转换销3、固定环4、弹簧5和压环6。

钻头本体1两端分别为连接部和钻进部，在连接部设有柱状开口1-1，在钻进部设有开口柱状腔体1-2，柱状开口1-1和开口柱状腔体1-2同轴且开口方向相反，在柱状开口1-1和开口柱状腔体1-2之间设有挡壁1-3，在挡壁1-3上设有压力室导入通孔1-4，挡壁1-3和导向体2之间的空间为压力室，压力室导入通孔1-4能连通柱状开口1-1和压力室；钻进部侧壁设有扩眼水眼1-5，扩眼水眼1-5连通柱状开口1-1和钻进部的钻进端；钻进部内壁设有凹槽状的转换滑道1-6，且该转换滑道1-6为M形周期结构沿钻进部内壁周向布设；在钻进部内壁还设有与扩眼水眼1-5相对的转换通孔1-7。

导向体2同轴设在开口柱状腔体1-2内，转换销3固定在导向体2侧壁上且位于转换滑道1-6内，转换销3在转换滑道1-6内活动，而固定环4不在转换滑道1-6内，固定环4固定套导向体2侧壁，压环6套在导向体2外且压环6固定在钻进部的钻进端内壁，在固定环4和压环6之间设置弹簧5且弹簧5套在导向体2上；在导向体2上设有破岩水眼2-1；

如图3所示，转换滑道1-6上的拐点包括收缩定位拐点1-8、伸出定位拐点1-9和转换拐点1-10，收缩定位拐点1-8和伸出定位拐点1-9沿钻进部内壁周向依次交替布设，并在收缩定位拐点1-8和伸出定位拐点1-9之间设有转换拐点1-10，且收缩定位拐点1-8、伸出定位拐点1-9和转换拐点1-10距挡壁1-3的距离依次增大；压力室压力增大能推动导向体2轴向移动至转换销3位于伸出定位拐点1-9同时导向体2伸出钻进部端面使钻头钻进端面呈凸状进行扩眼钻进；压力室压力继续增大能使导向体2继续轴向移动至转换销3移至转换拐点1-10，压力室压力降低后弹簧5能推动固定环4带动导向体2回移至转换销3移至收缩定位拐点1-8使钻头钻进端面呈平面后进行造斜钻进。

具体的，如图1所示，当扩眼钻进时，转换销位于伸出定位拐点1-9，导向体2能伸出钻头本体1使钻头钻进端面呈凸状，且此时弹簧5被压缩，破岩水眼2-1与转换通孔1-7不连通，导向体2进入导眼孔进行导向，同时钻头本体1的钻进端上的切削齿进行切削扩眼；

当造斜钻进前，增大压力室水压使导向体继续轴向移动，转换销3能沿转换滑道1-6移至转换拐点1-10，此时减小压力室水压使弹簧5弹力大于水压，转换销3能从转换拐点1-10沿转换滑道移至收缩定位拐点1-8同时带动导向体2收回至钻头本体1内使钻头钻进端面呈平面，且此时破岩水眼2-1与转换通孔1-7连通；钻头钻进端面呈平面时可进行造斜钻进，如图2所示。

当转换销3位于伸出定位拐点1-9且导向体2伸出钻进部端面使钻头钻进端面呈凸状时，转换通孔1-7能连通压力室和扩眼水眼1-5；当转换销3移至收缩定位拐点1-8使钻头钻进端面呈平面时，转换通孔1-7能连通破岩水眼2-1和扩眼水眼1-5。转换销3在伸出定位拐点1-9和收缩定位拐点1-8转换过程中由于破岩水眼2-1的打开和关闭会造成同等泵压条件下泥浆泵电机负荷的变化，以此作为钻头动作状态的判断依据。

拐点处的转换滑道1-6的两边对应内拐点和外拐点，内拐点所在钻进部内壁的母线和外拐点所在钻进部内壁的母线不同，外拐点所在钻进部内壁的母线更靠近转换销3将移至的下一个拐点所在钻进部内壁的母线，以使转换销3只能沿转换滑道1-6前进而不能后退。

转换拐点1-10对应转换拐点1-10内拐点和转换拐点1-10外拐点，且转换拐点1-10外拐点比转换拐点1-10内拐点更靠近钻进部的钻进端；收缩定位拐点1-8对应收缩定位拐点1-8内拐点和收缩定位拐点1-8外拐点，且收缩定位拐点1-8内拐点比收缩定位拐点1-8外拐点更靠近钻进部的钻进端；伸出定位拐点1-9对应伸出定位拐点1-9内拐点和伸出定位拐点1-9外拐点，且伸出定位拐点1-9内拐点比伸出定位拐点1-9外拐点更靠近钻进部的钻进端；如图3中，A1.转换拐点内拐点，A2.转换拐点外拐点，B1.收缩定位拐点内拐点，B2.收缩定位拐点外拐点，C1.伸出定位拐点内拐点，C2.伸出定位拐点外拐点。

连接部外壁为锥段以与钻杆连接，连接部内壁为柱状以形成柱状开口1-1；钻进部外壁为圆柱状，钻进部内壁为圆柱状以形成开口柱状腔体1-2；柱状开口1-1的内径小于开口柱状腔体1-2内径；扩眼水眼1-5包括扩眼水眼斜段和扩眼水眼直段，扩眼水眼斜段位于连接部和钻进部连接处，扩眼水眼直段位于钻进部，扩眼水眼直段与钻进部中轴线相互平行。

破岩水眼2-1包括破岩水眼斜段和破岩水眼直段，破岩水眼斜段连通导向体外壁和破岩水眼直段，破岩水眼直段与导向体中轴线相互平行。

本实施例中，扩眼水眼1-5有多个，多个扩眼水眼1-5沿钻进部的周向均布；转换通孔1-7有多个，多个转换通孔1-7沿钻进部内壁周向均布；转换销3至少有两个，在本实施例中，导向体上设置有两个对称的转换销3，转换销可在转换滑道内进行滑动和固定；破岩水眼2-1有多个，多个破岩水眼2-1沿导向体2的周向均布，当导向体2收回到钻头本体1内时，破岩水眼2-1能与转换通孔1-7相对；压力室导入孔1-4有多个。

钻头本体1钻进部的钻进端设有切削齿，导向体2的钻进端设有切削齿，压环6的钻进端设有切削齿。

实施例2：

本实施例给出一种煤矿井下定向钻进可转换钻具组合，如图4所示，包括常规钻杆100、螺杆钻具200、可弯曲导管300、柔性钻杆400和实施例中的可转换钻头500。

螺杆钻具200包括转子201和套在转子201外的定子202；可弯曲导管300套在柔性钻杆400外；常规钻杆100连接螺杆钻具200，定子202连接可弯曲导管300，转子201连接柔性钻杆400，柔性钻杆400连接可转换钻头500的连接部。

本发明的工作原理如下：

首先，采用常规定向钻具组合施工小直径的导眼孔，导眼孔采用直径75-98mm的小钻头进行钻进，完钻后撤出钻具，导眼孔无需进行分支孔钻进，故而可保证导眼孔轨迹平滑。

在孔口组装分支孔的施工钻具组合，将可转换定向钻头的转换销设在转换滑道的伸出定位拐点，使钻头呈凸状，可转换钻头包括钻头本体、导向体、固定环、弹簧和压环，导向体为一小直径柱状保径钻头体，前端设置有切削齿和导流水眼，周向设置有转换销，钻头本体中部为开口柱状腔体，开口柱状腔体上设置有M型转换滑道，转换销可在转换滑道内进行滑动和固定，固定环通过丝扣固定在导向体上，弹簧通过压环安装在弹簧室内，压环端部设置有切削齿，扩眼钻进时转换销设置在转换滑道的伸出定位拐点，此时钻头呈凸状，导向体进入导眼孔进行导向，同时钻头本体的切削齿进行切削扩眼，造斜钻进前升高泵压，提高钻头内压力室压力推动导向体凸出，转换销在转换滑道内移动至转换拐点，泵压降低时，转换销在弹簧作用下沿转换滑道移动至收缩定位拐点，此时导向体回缩到钻头本体内，使钻头端面呈近平面，此时可进行造斜钻进，转换过程中由于破岩水眼的打开和关闭会造成同等泵压条件下泥浆泵电机负荷的变化，可作为钻头动作状态的判断依据，钻头外径113-133mm。

连接施工钻具组合，螺杆钻具与常规定向钻具相连接，柔性钻杆一端与螺杆马达的转子输出端相连接，另一端与转换钻头相连接，可弯曲导管设置在柔性钻杆外侧，一端与螺杆马达定子(外壳相连接)，另一端通过轴承与柔性钻杆相连接，通过随钻测量装置标定可弯曲导管弯曲方向方位。

钻具组合入孔后启动动力头、泥浆泵，在导向体作用下进行复合扩孔钻进，此时，可弯曲导管承受扭矩较小，动力头带动螺杆定子和可弯曲导管进行回转，转子带动柔性钻杆和钻头进行钻进，在导眼孔的作用下主孔轨迹沿导眼孔延伸。到达分支孔开孔预设位置后，通过定向短节测量数据分析可弯曲导管弯曲方向方位，通过钻机动力头调整可弯曲导管弯曲方向方位至预设方位，启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，高于复合及滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，如果此时负荷稍低于复合钻进时负荷，说明可转换定向钻头导向体的转换销由伸出定位拐点进入收缩定位拐点，钻头由凸型转换为平面型。调整完毕后推送钻具，推送钻压2-21kN，此时可弯曲导管在轴向力的作用下朝预设方位发生弯曲，推靠钻头朝向分支孔开孔方位，螺杆钻具转子带动柔性钻杆在可弯曲导管内旋转，带动钻头进行滑动定向钻进，钻进过程中，由于可弯曲导管预设弯曲曲率、角度一定，分支孔的孔眼轨迹即可控制。至设计深度后，缓慢回撤钻具至主孔内。

再次启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，高于滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，负荷稍高于滑动钻进时负荷，说明可转换定向钻头导向体的转换销由收缩定位拐点进入伸出定位拐点，钻头由平面型转换为凸型，此时启动动力头、缓慢推送钻具，动力头启动时可弯曲导管也发生回转，使整个钻具沿近直线(导眼)前行，不会朝某一个方向发生弯曲，使导向体再次进入导眼孔，进行复合扩孔钻进，复合扩孔钻进过程中动力头转速不高于80r/min，在导向体和导眼孔的作用下主孔孔眼轨迹继续沿导眼孔延伸，至第二分支孔预设开孔位置再次进行定方位、使钻头转换、滑动钻进，以此类推，完成多个不同位置、不同方位枝状分支孔的钻进。

实施例3：

本实施例给出一种煤矿井下定向钻进方法，如图5所示，该方法首先钻进得到小孔径导眼孔，然后以凸状钻头进行导向并对导眼孔切削扩眼钻进，到达分支孔预设开孔位置后调整可弯曲导管预弯曲方向方位至预设方位，将凸状钻头调为平面型钻头进行造斜钻进并钻进至分支孔预设深度，重复上述操作能完成多个不同深度、不同方位分支孔的钻进和扩孔。

具体的，该方法包括以下步骤：

步骤1：采用常规定向钻进钻具组合施工Φ75mm-Φ98mm小孔径导眼孔；

步骤2：在孔口组装钻具，将可转换定向钻头的转换销设在转换滑道的伸出定位拐点，使钻头呈凸状，螺杆钻具与常规定向钻具相连接，柔性钻杆一端与螺杆马达的转子输出端相连接，另一端与钻头相连接，可弯曲导管设在柔性钻杆外侧，一端与螺杆马达定子相连接，另一端通过轴承与柔性钻杆相连接，通过随钻测量装置标定可弯曲导管预弯曲方向方位；

步骤3：下入钻具组合，启动钻机动力头、泥浆泵，复合扩眼钻进Φ113mm-Φ133mm分支孔主孔；

步骤4：到达分支孔预设开孔位置后关闭动力头，通过随钻测量仪测量可弯曲导管弯曲方向方位，通过动力头调整可弯曲导管预弯曲方向方位至预设方位；

步骤5：启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，高于复合及滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，同等排量下负荷稍低于复合钻进时，说明可转换定向钻头导向体的转换销由伸出定位拐点进入收缩定位拐点，钻头由凸型转换为平面型；

步骤6：推送钻具施加钻压2-21kN进行滑动钻进，钻进至分支孔预设深度后缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；

步骤7：启动泥浆泵，再次将泵压逐渐提高，高于滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，同等排量下负荷稍高于滑动钻进时，说明可转换定向钻头导向体的转换销由收缩定位拐点进入伸出定位拐点，钻头由平面型转换为凸型；

步骤8：启动动力头复合扩眼钻进主孔；

步骤9：至第二分支孔预设开孔位置，重复步骤4-6；

步骤10：依次完成多个不同深度、不同方位分支孔的钻进、扩孔。

Claims (10)

1.一种煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，包括钻头本体（1）、设在钻头本体（1）内且与钻头本体（1）同轴的导向体（2）、位于导向体（2）和钻头本体（1）之间且沿轴向依次布设的转换销（3）、固定环（4）、弹簧（5）和压环（6）；

所述钻头本体（1）两端分别为连接部和钻进部，在连接部设有柱状开口（1-1），在钻进部设有开口柱状腔体（1-2），柱状开口（1-1）和开口柱状腔体（1-2）同轴且开口方向相反，在柱状开口（1-1）和开口柱状腔体（1-2）之间设有挡壁（1-3），在挡壁（1-3）上设有压力室导入通孔（1-4），挡壁（1-3）和导向体（2）之间的空间为压力室，压力室导入通孔（1-4）能连通柱状开口（1-1）和压力室；所述钻进部侧壁设有扩眼水眼（1-5），扩眼水眼（1-5）连通柱状开口（1-1）和钻进部的钻进端；所述钻进部内壁设有凹槽状的转换滑道（1-6），且该转换滑道（1-6）为M形周期结构沿钻进部内壁周向布设；在钻进部内壁还设有与扩眼水眼（1-5）相对的转换通孔（1-7）；

所述导向体（2）同轴设在开口柱状腔体（1-2）内，转换销（3）固定在导向体（2）侧壁上且位于转换滑道（1-6）内；固定环（4）固定套在导向体（2）侧壁，压环（6）套在导向体（2）外且压环（6）固定在钻进部的钻进端内壁，在固定环（4）和压环（6）之间设置所述弹簧（5）且弹簧（5）套在导向体（2）上；在导向体（2）上设有破岩水眼（2-1）；

所述转换滑道（1-6）上的拐点包括收缩定位拐点（1-8）、伸出定位拐点（1-9）和转换拐点（1-10），收缩定位拐点（1-8）和伸出定位拐点（1-9）沿钻进部内壁周向依次交替布设，并在收缩定位拐点（1-8）和伸出定位拐点（1-9）之间设有转换拐点（1-10），且收缩定位拐点（1-8）、伸出定位拐点（1-9）和转换拐点（1-10）距挡壁（1-3）的距离依次增大；压力室压力增大能推动导向体（2）轴向移动至转换销（3）位于伸出定位拐点（1-9）同时导向体（2）伸出钻进部端面使钻头钻进端面呈凸状进行扩眼钻进；压力室压力继续增大能使导向体（2）继续轴向移动至转换销（3）移至转换拐点（1-10），压力室压力降低后弹簧（5）能推动固定环（4）带动导向体（2）回移至转换销（3）移至收缩定位拐点（1-8）使钻头钻进端面呈平面后进行造斜钻进。

2.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，当转换销（3）位于伸出定位拐点（1-9）且导向体（2）伸出钻进部端面使钻头钻进端面呈凸状时，转换通孔（1-7）能连通压力室和扩眼水眼（1-5）；当转换销（3）移至收缩定位拐点（1-8）使钻头钻进端面呈平面时，转换通孔（1-7）能连通破岩水眼（2-1）和扩眼水眼（1-5）。

3.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，所述拐点处的转换滑道（1-6）的两边对应内拐点和外拐点，内拐点所在钻进部内壁的母线和外拐点所在钻进部内壁的母线不同，外拐点所在钻进部内壁的母线更靠近转换销（3）将移至的下一个拐点所在钻进部内壁的母线，以使转换销（3）只能沿转换滑道（1-6）前进而不能后退；

所述转换拐点（1-10）对应转换拐点（1-10）内拐点和转换拐点（1-10）外拐点，且转换拐点（1-10）外拐点比转换拐点（1-10）内拐点更靠近钻进部的钻进端；

所述收缩定位拐点（1-8）对应收缩定位拐点（1-8）内拐点和收缩定位拐点（1-8）外拐点，且收缩定位拐点（1-8）内拐点比收缩定位拐点（1-8）外拐点更靠近钻进部的钻进端；

所述伸出定位拐点（1-9）对应伸出定位拐点（1-9）内拐点和伸出定位拐点（1-9）外拐点，且伸出定位拐点（1-9）内拐点比伸出定位拐点（1-9）外拐点更靠近钻进部的钻进端。

4.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，所述连接部外壁为锥段以与钻杆连接，连接部内壁为柱状以形成所述柱状开口（1-1）；

所述钻进部外壁为圆柱状，钻进部内壁为圆柱状以形成所述开口柱状腔体（1-2）；

柱状开口（1-1）的内径小于开口柱状腔体（1-2）内径；

所述扩眼水眼（1-5）包括扩眼水眼斜段和扩眼水眼直段，扩眼水眼斜段位于连接部和钻进部连接处，扩眼水眼直段位于钻进部，扩眼水眼直段与钻进部中轴线相互平行。

5.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，所述破岩水眼（2-1）包括破岩水眼斜段和破岩水眼直段，破岩水眼斜段连通导向体外壁和破岩水眼直段，破岩水眼直段与导向体中轴线相互平行。

6.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，所述扩眼水眼（1-5）有多个，多个扩眼水眼（1-5）沿钻进部的周向均布；

所述转换通孔（1-7）有多个，多个转换通孔（1-7）沿钻进部内壁周向均布；

所述转换销（3）至少有两个；

所述破岩水眼（2-1）有多个，多个破岩水眼（2-1）沿导向体（2）的周向均布，当导向体（2）收回到钻头本体（1）内时，破岩水眼（2-1）能与转换通孔（1-7）相对；

所述压力室导入孔（1-4）有多个。

7.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进可转换钻头，其特征在于，所述钻头本体（1）钻进部的钻进端设有切削齿，导向体（2）的钻进端设有切削齿，压环（6）的钻进端设有切削齿。

8.一种煤矿井下定向钻进可转换钻具组合，其特征在于，包括常规钻杆（100）、螺杆钻具（200）、可弯曲导管（300）、柔性钻杆（400）和权利要求1至7任一权利要求所述的可转换钻头（500）；

所述螺杆钻具（200）包括转子（201）和套在转子（201）外的定子（202）；所述可弯曲导管（300）套在柔性钻杆（400）外；

所述常规钻杆（100）连接螺杆钻具（200），定子（202）连接可弯曲导管（300），转子（201）连接柔性钻杆（400），柔性钻杆（400）连接所述可转换钻头（500）的连接部。

9.一种煤矿井下定向钻进方法，其特征在于，该方法通过权利要求8所述的煤矿井下定向钻进可转换钻具组合实现；该方法首先钻进得到小孔径导眼孔，然后以凸状钻头进行导向并对导眼孔切削扩眼钻进，到达分支孔预设开孔位置后调整可弯曲导管预弯曲方向方位至预设方位，将凸状钻头调为平面型钻头进行造斜钻进并钻进至分支孔预设深度，重复上述操作能完成多个不同深度、不同方位分支孔的钻进和扩孔。

10.如权利要求9所述的煤矿井下定向钻进方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：采用常规定向钻进钻具组合施工Φ75mm-Φ98mm小孔径导眼孔；

步骤2：在孔口组装钻具，将可转换定向钻头的转换销设在转换滑道的伸出定位拐点，使钻头呈凸状，螺杆钻具与常规定向钻进钻具组合相连接，柔性钻杆一端与螺杆马达的转子输出端相连接，另一端与钻头相连接，可弯曲导管设在柔性钻杆外侧，一端与螺杆马达定子相连接，另一端通过轴承与柔性钻杆相连接，通过随钻测量装置标定可弯曲导管预弯曲方向方位；

步骤3：下入钻具组合，启动钻机动力头、泥浆泵，复合扩眼钻进Φ113mm-Φ133mm分支孔主孔；

步骤4：到达分支孔预设开孔位置后关闭动力头，通过随钻测量装置测量可弯曲导管弯曲方向方位，通过动力头调整可弯曲导管预弯曲方向方位至预设方位；

步骤5：启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，高于复合及滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，同等排量下负荷稍低于复合钻进时，说明可转换定向钻头导向体的转换销由伸出定位拐点进入收缩定位拐点，钻头由凸型转换为平面型；

步骤6：推送钻具施加钻压2-21kN进行滑动钻进，钻进至分支孔预设深度后缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；

步骤7：启动泥浆泵，再次将泵压逐渐提高，高于滑动钻进泵压2-4MPa，之后缓慢降低泵压至滑动钻进所需泵压，分析泥浆泵电机负荷，同等排量下负荷稍高于滑动钻进时，说明可转换定向钻头导向体的转换销由收缩定位拐点进入伸出定位拐点，钻头由平面型转换为凸型；

步骤8：启动动力头复合扩眼钻进主孔；

步骤9：至第二分支孔预设开孔位置，重复步骤4-6；

步骤10：依次完成多个不同深度、不同方位分支孔的钻进、扩孔。

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