CN112647877B - 一种松软煤层分支钻孔下管引导装置与高效抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松软煤层分支钻孔下管引导装置与高效抽采方法，引导装置包括引导杆和可拆卸连接在引导杆前端的引导杆支撑构件，引导杆支撑构件包括位于前端的弹性卡爪，弹性卡爪连接有用于自动撑开弹性卡爪的第一弹性元件；弹性卡爪的远端能够嵌入松软岩土层或松软煤层，以在通过引导杆向外拉拽引导杆支撑构件时，阻止引导杆支撑构件移动。抽采方法依据通过引导装置下入的大直径抽采筛管实施。本发明的有益效果是，引导装置能够确保抽采筛管被完全下入到钻孔主孔内；抽采方法利用下管引导装置下入大直径抽采筛管，大直径筛管不仅能够形成对钻孔主孔孔壁的支护，而且因管道直径明显增大，可有效提高瓦斯抽采效率3倍，利于降低抽采成本。

Description

一种松软煤层分支钻孔下管引导装置与高效抽采方法

技术领域

本发明属于煤层气开发领域，具体涉及一种松软煤层分支钻孔下管引导装置与高效抽采方法。

背景技术

定向钻进技术已较为成熟，利用长钻孔抽采瓦斯是煤矿瓦斯治理的主要方向，但重庆地区煤炭赋存地质条件复杂，其所属煤层多为松软煤层，煤层硬度低，长钻孔施工完成后，若不采区有效措施对孔壁进行支护，钻孔孔壁垮塌严重，堵塞抽采通道、影响抽采效果。现有技术中，进行孔壁支护的常用方法是全孔段下入筛管，针对分支长钻孔，若直接下入筛管，不能保证筛管沿长钻孔主孔下入，筛管下入分支孔的风险较大，导致长钻孔主孔孔壁因无支护而垮塌，影响抽采效果。为确保筛管沿主孔下入，唯一的方法就是在下入筛管前，利用定向钻机沿长钻孔主孔下入下筛管用的专用钻杆，在钻杆中下入筛管，但是该方法存在两个较大的局限性：一是由于钻杆内径较小，在钻杆中下入筛管的尺寸受到限制，通常可下入的筛管外径尺寸为35mm，最大可下入的尺寸为40mm。二是由于长钻孔孔径一般为120mm，而下入筛管尺寸仅有35-40mm，长钻孔孔壁垮塌后，只有依靠筛管作为抽采通道，由于筛管内通径较小，导致瓦斯抽采量小，抽采效率低，抽采达标时间长。为此，需要一种能够下入更大尺寸筛管的方法，以达到既可对煤层分支钻孔孔壁形成较好支护，又能提高瓦斯抽采效率的目的。

发明内容

本发明的第一目的就是针对现有煤层分支钻孔中只能下入较小直径的抽采管，导致其既不能对孔壁形成良好支护，也严重制约抽采效率的不足，提供一种松软煤层分支钻孔下管引导装置，该装置包括引导杆和连接在前端的引导杆支撑构件，其借助下管专用钻杆将下管引导装置下入钻孔后，通过引导杆支撑构件的卡爪与钻孔孔壁固定，以便利用引导杆下入大直径抽采管，并通过大直径抽采管既能有效提高抽采效率，还能对孔壁形成良好支护，减少孔壁垮塌现象。本发明的第二目的是提供一种松软煤层分支钻孔高效抽采方法，该方法基于前述引导装置下入大直径抽采管，从而显著提高抽采效率。

为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。

一种松软煤层分支钻孔下管引导装置，包括引导杆和可拆卸连接在引导杆前端的引导杆支撑构件，引导杆支撑构件包括位于前端的弹性卡爪，弹性卡爪连接有用于自动撑开所述弹性卡爪的第一弹性元件；弹性卡爪的远端能够嵌入松软岩土层或松软煤层，以在通过引导杆向外拉拽引导杆支撑构件时，阻止所述引导杆支撑构件移动。

采用前述方案的本发明，由于引导杆支撑构件能够嵌入到松软岩土层或松软煤层中，从而形成与钻孔的固定；与引导杆支撑构件连接的引导杆由孔底延伸到孔口，以通过引导杆的引导下入抽采筛管，相对于现有技术中利用下筛管的专用钻杆下管而言，抽采筛管与钻孔孔壁之间没有了钻杆壁厚障碍，可显著增大下入的筛管直径，有效增大抽采通径，可显著提高抽采速度和抽采效率；同时，大直径的抽采筛管也能够对钻孔孔壁形成良好支护，消除或降低塌孔隐患。其中，引导杆与引导杆支撑构件的可拆卸连接，便于筛管全部下入后，拆除引导杆。可拆卸连接包括反向旋转拆卸的螺合连接，通过挤压弹性卡合构件解锁的卡合连接，以及L形滑槽与销轴配合的转位锁止连接等。

优选的，所述弹性卡爪的一端铰接在主杆上，弹性卡爪中部铰接有撑杆，撑杆的自由端铰接在滑套上，滑套可滑动地套在所述主杆上；所述第一弹性元件由压缩弹簧构成，第一弹性元件套装在所述主杆上，并形成对所述滑套轴向顶压。以利用第一弹性元件的弹性力保持弹性卡爪的撑开状态，确保嵌入牢固、状态稳定，为下入筛管提供保障。显然，第一弹性元件还可以是碟簧或由弹性体材料制成的弹性套，也可以是拉动滑套移动的拉伸弹簧。

进一步优选的，所述主杆与所述滑套之间设有限制弹性卡爪张开幅度的限位销。以有效防止因引导杆拉拽力过大，造成弹性卡爪转动幅度过大而脱出岩层的引导杆支撑构件脱落，进一步提高可靠性。

进一步优选的，所述引导杆与所述引导杆支撑构件之间通过弹性卡合结构形成可拆卸连接。以便利用下入的筛管实施对弹性卡合构件的径向挤压，进而解除锁止状态，可有效简化结构和节省专门解锁的操作，提高使用方便性。

更进一步优选的，所述弹性卡合结构包括一端铰接在主杆上的锁舌，锁舌与主杆之间设有第二弹性元件；所述引导杆通过前端的管状结构套装在主杆尾端，引导杆的管壁上设有供所述锁舌伸入的窗口；第二弹性元件用于驱动锁舌向外偏摆，并通过锁舌伸入窗口使引导杆与所述主杆处于连接在一起的锁止状态。以形成结构简单的可拆卸连接结构。显然，第二弹性元件可以是压缩弹簧、拉伸弹簧或扭转弹簧，或者类似弹性件，只要利用弹性力驱动锁舌向外偏摆即可。

再进一步优选的，所述锁舌还具有伸出所述窗口的解锁控制部，解锁控制部远端前侧设有圆滑过渡段；在锁舌被压迫向内偏摆至设定位置时，所述引导杆向外移动能够通过圆滑过渡段接续推压所述锁舌继续回摆，以解除引导杆与所述主杆的锁止状态。以便利用筛管形成前阶段对锁舌的压迫，利用引导杆形成对锁舌的后阶段对锁舌的压迫，二者接续压迫锁舌达到解锁目的。

为实现第二目的，本发明采用以下技术方案。

一种松软煤层分支钻孔的高效抽采方法，通过在钻孔内下抽采筛管后进行瓦斯抽采；包括在下抽采筛管前，利用钻孔主孔内下入的专用钻杆，将实现第一发明目的的下管引导装置下入钻孔主孔内，并将引导杆支撑构件穿过专用钻杆，下到钻孔主孔孔底后，使其与钻孔主孔孔壁形成嵌入式固定，且将引导杆延伸至钻孔主孔的孔口；在下抽采筛管过程中，通过引导杆引导抽采筛管逐渐下入孔内。

采用前述方案的本装置，由于下管引导装置是利用钻孔主孔内下入的专用钻杆下入的，专用钻杆可利用现有技术的钻机确保其仅下入到钻孔主孔内，因此，可确保下管引导装置位于钻孔主孔内。而利用下管引导装置下入的抽采筛管也位于钻孔主孔内，不会下到分支孔中，可形成对长钻孔主孔孔壁有效支护，消除因孔壁垮塌导致的抽采效果差的隐患；同时，相对于现有技术的利用专用钻杆下筛管而言，由于抽采筛管与钻孔孔壁之间没有了钻杆壁厚障碍，可显著增大下入的筛管直径，有效增大抽采通径，可显著提高抽采速度和抽采效率。经验证，当钻孔直径为120mm时，现有技术利用专用钻杆下入的筛管直径最大不超过40mm，采用本引导装置下入的筛管直径可达80mm。由此可见，下入的筛管直径增大1倍，抽采截面面积是原来的4倍，抽采效率提高3倍。

优选的，在引导杆支撑构件下到孔底后，通过向外拉拽所述引导杆，使引导杆支撑构件与钻孔主孔孔壁形成嵌入式固定。以使引导杆支撑构件牢固地附着在钻孔孔壁上，为引导杆稳定提供保证，确保下管顺利。

优选的，在所述抽采筛管的下管过程中，抽采筛管通过固定连接在前端的筛管引导头与引导杆滑动配合的柱孔配合导向；在所述抽采筛管下管结束前，利用筛管引导头解除引导杆与引导杆支撑构件的锁止状态。通过筛管引导头与引导杆的滑动配合导向，使筛管在下管过程中始终保持与引导杆同轴线，降低孔壁阻碍几率，确保下管顺利。

进一步优选的，在所述抽采筛管下管过程还包括在设定长度的抽采筛管下入钻孔主孔后，在抽采筛管位于钻孔主孔孔口的端部连接封孔管，并通过封孔管推压抽采筛管到设定深度，进而解除引导杆与引导杆支撑构件的锁止状态；且在封孔管与钻孔主孔之间通过注浆封孔形成封孔段后，再进行瓦斯抽采。以防止孔口泄漏，保证抽采安全。

本发明的有益效果是，引导装置能够确保抽采管被完全下入到钻孔主孔内；抽采方法利用下管引导装置下入抽采筛管，下入抽采筛管不仅能够形成对钻孔主孔孔壁的支护，而且，下入的管道直径明显增大，可有效提高瓦斯抽采效率3倍以上，利于降低抽采成本。

附图说明

图1是本发明实施例1的引导装置结构示意图。

图2是本发明实施例2的引导装置结构示意图。

图3是通过引导装置下入钻孔筛管后的本发明抽采装置的结构示意图，并在下管完成后拆除引导杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1，参见图1，一种松软煤层分支钻孔下管引导装置，包括引导杆1和可拆卸连接在引导杆1前端的引导杆支撑构件，引导杆支撑构件包括位于前端的弹性卡爪2，弹性卡爪2连接有用于自动撑开所述弹性卡爪2的第一弹性元件3；弹性卡爪2的远端能够嵌入松软岩土层或松软煤层，以在通过引导杆1向外拉拽引导杆支撑构件时，阻止所述引导杆支撑构件移动。

其中，所述弹性卡爪2的一端铰接在主杆4上，弹性卡爪2中部铰接有撑杆5，撑杆5的自由端铰接在滑套6上，滑套6可滑动地套在所述主杆4上；所述第一弹性元件3由压缩弹簧构成，第一弹性元件3套装在所述主杆4上，并通过螺合在主杆4上的螺母41抵靠，并形成对所述滑套6轴向顶压。所述主杆4与所述滑套6之间设有限制弹性卡爪2张开幅度的限位销7，限位销7固定在主杆4上，滑套6上设有两条导向滑槽，限位销7的两端分别伸入到一导向滑槽内。所述引导杆1与所述引导杆支撑构件之间通过弹性卡合结构形成可拆卸连接。

所述弹性卡合结构包括一端铰接在主杆4上的锁舌8，锁舌8与主杆4之间设有第二弹性元件9；所述引导杆1通过前端的管状结构套装在主杆4尾端，引导杆1的管壁上设有供所述锁舌8伸入的窗口；第二弹性元件9用于驱动锁舌8向外偏摆，并通过锁舌8伸入窗口使引导杆1与所述主杆4处于连接在一起的锁止状态。其中，第二弹性元件9为压缩弹簧，并且主杆4设置相对的两个锁舌8时，压缩弹簧两端分别抵在锁舌8，主杆4通过横向穿透主杆4杆径的长条孔设置锁舌8，通过向内压迫锁舌8，可以将锁舌8隐匿在长条孔内。

另外，所述锁舌8还具有伸出所述窗口的解锁控制部，解锁控制部远端前侧设有圆滑过渡段；在锁舌8被压迫向内偏摆至设定位置时，所述引导杆1向外移动能够通过圆滑过渡段接续推压所述锁舌8继续回摆，以解除引导杆1与所述主杆4的锁止状态。

在引导杆1接纳锁舌8的窗口部的内壁上设置一环形凹槽，以便在锁舌8与窗口没有对准的情况下接插后，锁舌8运动到环形凹槽处时，产生一定的弹性张开运动，在听到该运动发出的碰撞声后，相对旋转即可将锁舌卡入窗口，以提高二者组合在一起时的操作方便性；当然，在引导杆1的窗口部至管口设置一条轴向延伸的导向槽，以在装配时，将导向槽与锁舌对准后，直线推动使二者形成相对轴向运动即可将锁舌卡入窗口中，也可提高装配操作的方便性。

本实施例中的引导杆1和所述主杆4也可采用螺合连接结构，用以替代其中的弹性卡合结构。其中，若引导杆1通过螺合连接接长时，应适当增强连接牢固性，最好大于引导杆1与主杆4之间的螺合连接牢固性，以避免节段之间脱落先于引导杆1与主杆4之间脱落。

实施例2，参见图2，所述主杆4外周壁上形成有圆周均布的至少两条L形凹槽4a，L形凹槽4a的竖直段从主杆4的端部开始轴向延伸，L形凹槽4a的横向段沿主杆4的圆周方向延伸；引导杆1套在主杆4上的部分的内壁上设有与所述L形凹槽4a滑动配合的连接销，以在连接销位于L形凹槽4a的横向段内时，使引导杆1与主杆4连接在一起，并通过连接销从L形凹槽4a竖直段滑出后，解除二者的连接关系。L形凹槽4a与连接销的配合与弹性卡合结构的功能相同，二者可以互换。

本实施例的其余结构与实施例1相同，在此不再赘述。

本实施例中，若引导杆1通过螺合连接接长时，应适当增强连接强度，以避免螺合连接的节段之间脱落。

实施例3，参见图3，一种松软煤层分支钻孔的高效抽采方法，通过在钻孔内下抽采筛管10后进行瓦斯抽采；包括在下抽采筛管10前，利用钻孔主孔内下入的专用钻杆，将实施1的下管引导装置下入钻孔主孔11内，并将引导杆支撑构件穿过专用钻杆，下到钻孔主孔11孔底后，使其与钻孔主孔11孔壁形成嵌入式固定，且将引导杆1延伸至钻孔主孔11的孔口；在下抽采筛管10过程中，通过引导杆1引导抽采筛管10逐渐下入孔内。

其中，在引导杆支撑构件下到孔底后，通过向外拉拽所述引导杆1，使引导杆支撑构件与钻孔主孔11孔壁形成嵌入式固定。在所述抽采筛管10的下管过程中，抽采筛管10通过固定连接在前端的筛管引导头12与引导杆1滑动配合的柱孔配合导向；在所述抽采筛管10下管结束前，包括在设定长度的抽采筛管10下入钻孔主孔11后，在抽采筛管10位于钻孔主孔11孔口的端部连接封孔管13，并通过封孔管13推压抽采筛管10到设定深度，利用筛管引导头12解除引导杆1与引导杆支撑构件的锁止状态；且在封孔管13与钻孔主孔11之间通过注浆封孔形成封孔段后，再进行瓦斯抽采。

本实施例中，在利用实施例2的下管引导装置下入抽采筛管时，在筛管下管完成后，转动并拉拽引导杆1，使引导杆1上的连接销从L形凹槽4a的横向段滑入竖直段，然后，从主杆4对应端部滑出，从而解除二者的连接关系引导杆1与主杆4的连接关系，拆除引导杆1。

下面结合实际工程应用对实施例3的方法进一步说明。

参见图3，一种松软煤层分支钻孔的高效抽采方法，按以下步骤进行：

第一步，在长钻孔及分支钻孔施工完成后，根据长钻孔主孔深度，计算抽采筛管10和封孔管13的总长度和按总长度分解的根数。

第二步，进行通井、洗井，清除孔内沉渣，确保长钻孔内通畅。

第三步，利用定向钻机，沿长钻孔主孔下入下筛管用的专用钻杆。

第四步，将管材制成的引导杆1与引导杆支撑构件，通过接插方式的弹性卡合连接形成下管引导装置，按引导杆支撑构件朝内，引导杆1朝外的方式将下管引导装置从专用钻杆内孔下入至钻孔主孔孔底，并使引导杆支撑构件从下端伸出专用钻杆。

第五步，往孔外拉拽引导杆1，使得引导杆支撑构件的弹性卡爪2远端嵌入孔壁的岩体或煤岩体中，抓住孔壁并紧紧固定在孔底。

第六步，取出专用钻杆，将下管引导装置滞留在长钻孔中。

第七步，子弹头形的筛管引导头12连接在第一根筛管上，并利用筛管引导头12的内孔将二者套在引导杆1上。

第八步，在第一根筛管的自由端连接第二根筛管，依次逐根连接，同时缓慢下入，直至筛管总长达到设定长度。

第九步，将封孔管13与末端的一根筛管连接，再缓慢下入，直至封孔管13达到设计长度。

第十步，继续缓慢压进封孔管，利用筛管引导头12内壁压缩锁舌8使其回缩，同时，拖拽引导杆1，直至引导杆1与引导杆支撑构件主杆4解除连接关系。

第十一步，持续向外拖拽引导杆1并将其取出，从而完成筛管下管工作。

第十二步，根据封孔段长度要求，在封孔管的两个设定位置各设置一个封孔用囊袋14，并设置注浆管15，注浆管15穿过外端囊袋14并插在里端囊袋14内，且在两个囊袋14内均有出浆孔，在两个囊袋14之间的封孔段通过爆破阀16连接；在封孔段设置返浆管17，返浆管17穿过外端囊袋14暴露在钻孔孔口。

第十三步，通过注浆管15注入水泥浆，使得封孔囊袋14膨胀，在封孔段两端形成封堵。

第十四步，等待封孔囊袋14内的水泥浆凝固后，再注入水泥浆；通过压力表观察注浆压力，当注浆压力大于1MPa时，爆破阀16打开，进行封孔段注浆。

第十五步，当返浆管17返出水泥浆后，停止注浆，等待水泥凝固。

第十六步，在封孔段水泥凝固后，通过抽采管线接口与外部抽采管线连接，进行瓦斯抽采，并通过压力表18监控抽采压力。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种松软煤层分支钻孔下管引导装置，其特征在于，包括引导杆（1）和可拆卸连接在引导杆（1）前端的引导杆支撑构件，引导杆支撑构件包括位于前端的弹性卡爪（2），弹性卡爪（2）连接有用于自动撑开所述弹性卡爪（2）的第一弹性元件（3）；弹性卡爪（2）的远端能够嵌入松软岩土层或松软煤层，以在通过引导杆（1）向外拉拽引导杆支撑构件时，阻止所述引导杆支撑构件移动；还包括筛管引导头（12），筛管引导头（12）用于连接在抽采筛管（10）前端；所述引导杆（1）与所述引导杆支撑构件之间通过弹性卡合结构形成可拆卸连接；所述弹性卡合结构包括一端铰接在主杆（4）上的锁舌（8），锁舌（8）与主杆（4）之间设有第二弹性元件（9）；所述引导杆（1）通过前端的管状结构套装在主杆（4）尾端，引导杆（1）的管壁上设有供所述锁舌（8）伸入的窗口；第二弹性元件（9）用于驱动锁舌（8）向外偏摆，并通过锁舌（8）伸入窗口使引导杆（1）与所述主杆（4）处于连接在一起的锁止状态，且筛管引导头（12）还用于解除引导杆（1）与引导杆支撑构件的锁止状态。

2.根据权利要求1所述的下管引导装置，其特征在于，所述弹性卡爪（2）的一端铰接在主杆（4）上，弹性卡爪（2）中部铰接有撑杆（5），撑杆（5）的自由端铰接在滑套（6）上，滑套（6）可滑动地套在所述主杆（4）上；所述第一弹性元件（3）由压缩弹簧构成，第一弹性元件（3）套装在所述主杆（4）上，并形成对所述滑套（6）轴向顶压。

3.根据权利要求2所述的下管引导装置，其特征在于，所述主杆（4）与所述滑套（6）之间设有限制弹性卡爪（2）张开幅度的限位销（7）。

4.根据权利要求1所述的下管引导装置，其特征在于，所述锁舌（8）还具有伸出所述窗口的解锁控制部，解锁控制部远端前侧设有圆滑过渡段；在锁舌（8）被压迫向内偏摆至设定位置时，所述引导杆（1）向外移动能够通过圆滑过渡段接力推压所述锁舌（8）继续回摆，以解除引导杆（1）与所述主杆（4）的锁止状态。

5.一种松软煤层分支钻孔的高效抽采方法，通过在钻孔内下抽采筛管（10）后进行瓦斯抽采；其特征在于，包括在下抽采筛管（10）前，利用钻孔主孔内下入的钻杆，将权利要求1～4中任意一项所述的下管引导装置，下入钻孔主孔（11）内，并将引导杆支撑构件穿过钻杆，下到钻孔主孔（11）孔底后，使其与钻孔主孔（11）孔壁形成嵌入式固定，且将引导杆（1）延伸至钻孔主孔（11）的孔口；在取出钻杆后的下抽采筛管（10）过程中，通过引导杆（1）和筛管引导头（12）引导抽采筛管（10）逐渐下入孔内。

6.根据权利要求5所述的高效抽采方法，其特征在于，在引导杆支撑构件下到孔底后，通过向外拉拽所述引导杆（1），使引导杆支撑构件与钻孔主孔（11）孔壁形成嵌入式固定。

7.根据权利要求5所述的高效抽采方法，其特征在于，在所述抽采筛管（10）的下管过程中，抽采筛管（10）通过固定连接在前端的筛管引导头（12）与引导杆（1）滑动配合的柱孔配合导向；在所述抽采筛管（10）下管结束前，利用筛管引导头（12）解除引导杆（1）与引导杆支撑构件的锁止状态。

8.根据权利要求7所述的高效抽采方法，其特征在于，在所述抽采筛管（10）下管过程还包括在设定长度的抽采筛管（10）下入钻孔主孔（11）后，在抽采筛管（10）位于钻孔主孔（11）孔口的端部连接封孔管（13），并通过封孔管（13）推压抽采筛管（10）到设定深度，进而解除引导杆（1）与引导杆支撑构件的锁止状态；且在封孔管（13）与钻孔主孔（11）之间通过注浆封孔形成封孔段后，再进行瓦斯抽采。

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