CN112855022A - 一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿井下定向钻进工艺领域，涉及一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法，包括高压定向钻具以及与该高压定向钻具内部相连通的压力泵；高压定向钻具前端靠近钻头位置还设置有水力冲孔器，该水力冲孔器包括水力冲孔器壳体，设置在水力冲孔器壳体上的喷嘴，以及设置在水力冲孔器壳体内的水压转换活塞与弹簧。本发明定向钻进时采用高压定向钻具组合，低泵压小泵量实现定向钻孔施工，钻孔完成后不退钻，通过调大泵压泵量开启冲孔装置进行水力冲孔，通过一套专用高压定向钻具，融合定向钻孔技术和水力冲孔技术，一次性完成定向钻孔及冲孔施工，实现定点消突防突作业。

Description

一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法

技术领域

本发明属于煤矿井下定向钻进工艺领域，涉及一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法。

背景技术

水力冲孔是利用岩石巷道作为安全屏障，在完成煤矿瓦斯抽放钻孔后，采用高压水射流破碎煤体，冲出部分煤体和瓦斯气体，引起钻孔周边煤岩体应力降低、卸压增透，强化抽放效果，达到提高抽采量、消除掘进期间瓦斯突出危险性的目的，现在已成为突出矿井消除瓦斯突出的一种重要技术手段。目前比较成熟的两种水力冲孔增透技术为常规回转钻进+水力冲孔、定向钻孔+水力冲孔(轨迹可控，但需退钻更换钻具)。常规回转钻进+水力冲孔工艺施工时，到预定孔深后即可冲孔，但是无法控制钻孔轨迹，超过50米后钻孔轨迹偏差较大，特别是在起伏较大的煤层，钻孔无法保证在煤层中延续，无法满足中深顺层钻孔水力冲孔的施工要求。现有的定向钻孔+水力冲孔的工艺技术需要两套钻具交替作业，定向钻具退钻后再下入水力冲孔钻具，退钻过程费时费力，同时无法保证水力冲孔钻具沿着已有钻孔轨迹下到预定深度，在煤层硬度低、易塌孔地层再次送入水力冲孔钻具时容易造成抱钻、窜孔等孔内事故，从而无法完成水力冲孔作业，进而产生瓦斯消突防突的盲区，造成安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法，融合定向钻孔技术和水力冲孔技术，一次性完成定向钻孔及冲孔施工，实现定点消突防突作业。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，包括高压定向钻具以及与该高压定向钻具内部相连通的压力泵；

高压定向钻具前端靠近钻头位置还设置有水力冲孔器，该水力冲孔器包括水力冲孔器壳体，设置在水力冲孔器壳体上的喷嘴，以及设置在水力冲孔器壳体内的水压转换活塞与弹簧。

可选的，水力冲孔器在出口处还设置有前接头壳体，喷嘴设置在水压转换活塞与水力冲孔器入口之间。

可选的，高压定向钻具为无线随钻钻具或者有线随钻钻具。

可选的，有线随钻钻具包括依次连通的水辫、高压螺旋通缆定向钻杆、单向阀、螺旋上无磁、探管、螺旋下无磁、耐高压螺杆钻具、水力冲孔器以及钻头；

高压螺旋通缆定向钻杆连通有钻机计算机。

可选的，无线随钻钻具包括依次连通的水辫、高压螺旋钻杆、螺旋上无磁、泥浆脉冲探管、螺旋下无磁、耐高压螺杆钻具、水力冲孔器以及钻头；

泥浆脉冲探管连通有钻机计算机。

可选的，高压定向钻具耐压大于15MPa。

可选的，高压定向钻具的外表面均采用螺旋槽辅助排渣。

一种定向长钻孔钻、冲一体化方法，应用如上述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，还包括以下步骤：

S1，高压定向钻具在常规泵流量160～220L/min、泵压＜15MPa下钻进施工定向孔至目标煤层，保持整套钻具在孔底；

S2，更换高压泵，使限定压力为15～20MPa，采用冲孔流量≥280L/min，此时水力冲孔器内水压转换活塞压缩弹簧，堵塞与钻头之间的连接通道，高压水回流并从喷嘴位置射出开始煤层冲孔增透。

本发明的有益效果在于：

1、本发明一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法，实现了一套高压定向钻具解决钻孔轨迹控制与水力冲孔技术难题，大大降低了施工成本与钻进耗时，提高了钻孔钻进效率，降低工人劳动强度，提高煤矿瓦斯治理效率。

2、本发明一种定向长钻孔钻、冲一体化装置及其方法，解决常规回转钻进+水力冲孔技术的钻孔轨迹无法控制，常规回转钻进存在若干瓦斯抽采盲区的缺点；同时也可解决常规定向钻孔+水力冲孔施工时两套钻具更换费事费时，水力冲孔钻具可能无法沿着已有定向钻孔轨迹到预定孔深的难题。

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为本发明有线随钻定向长钻孔钻、冲一体化装置的结构示意图；

图2为本发明泥浆脉冲无线随钻定向长钻孔钻、冲一体化装置的结构示意图；

图3为本发明水力冲孔器钻进作业状态图；

图4为本发明水力冲孔器冲孔作业状态图；

图5为有线随钻定向钻进工艺示意图；

图6为有限随钻冲孔作业工艺示意图。

附图标记：水辫1、高压螺旋通缆定向钻杆2、单向阀3、螺旋上无磁4、探管5、螺旋下无磁6、耐高压螺杆钻具7、水力冲孔器8、水力冲孔器壳体801、喷嘴802、水压转换活塞803、弹簧804、前接头壳体805、钻头9、高压螺旋钻杆10、泥浆脉冲探管11。

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6，为一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，包括高压定向钻具以及与该高压定向钻具内部相连通的压力泵；高压定向钻具前端靠近钻头9位置还设置有水力冲孔器8，该水力冲孔器8包括水力冲孔器壳体801，设置在水力冲孔器壳体801上的喷嘴802，以及设置在水力冲孔器壳体801内的水压转换活塞803与弹簧804。水力冲孔器8在出口处还设置有前接头壳体805，喷嘴802设置在水压转换活塞803与水力冲孔器8入口之间。高压定向钻具为无线随钻钻具或者有线随钻钻具。

在本实施例中，高压定向钻具可长时间承受＞15MPa的高压水，并且避免了钻杆接头处的泄露，提高了水力冲孔效率；同时，在高背压下，螺杆的转子与定子不会发生过速旋转，避免造成过度磨损。相较于普通的螺杆钻杆可在高背压条件下保护螺杆的转子与定子。

在本实施例中，水力冲孔器8加接位置为耐高压螺杆钻具7与钻头9之间，水力冲孔器8加接位置与钻头9靠近，保证了整个定向钻孔全孔深范围内均能完成水力冲孔作业。

在本实施例中，高压定向钻具的外表面均采用螺旋槽辅助排渣，增加排渣效果，保证水力冲孔器8的煤量快速排出孔外。

具体实施例1，

如图1，正常定向钻进时，高压水(≤15MPa)依次通过水辫1、高压螺旋通缆定向钻杆2、单向阀3、螺旋上无磁4、探管5、螺旋下无磁6后进入耐高压螺杆钻具7，驱动耐高压螺杆钻具7旋转，最终通过水力冲孔器8、钻头9返出孔外。钻头9在耐高压螺杆钻具7带动下碎岩钻进，正常定向钻进时水力冲孔器8的喷嘴802处于关闭状态。探管5测量钻孔轨迹后，信号通过高压螺旋通缆定向钻杆2传输至定向钻机计算机，通过调整耐高压螺杆钻具7的工具面向角控制钻孔轨迹。定向钻孔完成后，调整泵压进行水力冲孔，高压水(＞15MPa)依次通过水辫1、高压螺旋通缆定向钻杆2、单向阀3、螺旋上无磁4、探管5、螺旋下无磁6后进入耐高压螺杆钻具7，进入水力冲孔器8，在高水压力(＞15MPa)作用下，驱动水力冲孔器8的水压转换活塞803，关闭水力冲孔器8与钻头9之间的通道，高压水(＞15MPa)通过水力冲孔器8的喷嘴802高速喷出，高速水射流进入煤(岩)体，实现冲孔作业。最后有线随钻定向钻冲一体化钻具组合沿着已钻定向钻孔退出孔外。

具体实施例2，

如图2，正常定向钻进时，高压水(≤15MPa)依次通过水辫1、高压螺旋钻杆10、螺旋上无磁4、泥浆脉冲探管11、螺旋下无磁6、耐高压螺杆钻具7、水力冲孔器8、钻头9，最后返出孔外。高压水(≤15MPa)驱动耐高压螺杆钻具7旋转，带动钻头9碎岩实现钻进，正常定向钻进时水力冲孔器8的喷嘴802处于关闭状态。泥浆脉冲探管11测量钻孔轨迹后，信号通过高压螺旋钻杆10传输至定向钻机计算机，通过调整耐高压螺杆钻具7的工具面向角控制钻孔轨迹。定向钻孔完成后，调整泵压进行水力冲孔，高压水(＞15MPa)依次通过水辫1、高压螺旋钻杆10、螺旋上无磁4、泥浆脉冲探管11、螺旋下无磁6后进入耐高压螺杆钻具7，进入水力冲孔器8，在高水压力(＞15MPa)作用下，驱动水力冲孔器8的水压转换活塞803，关闭水力冲孔器8与钻头9之间的通道，高压水(＞15MPa)通过水力冲孔器8的喷嘴802高速喷出，高速水射流进入煤(岩)体，实现冲孔作业。最后泥浆脉冲无线随钻定向钻冲一体化钻具组合沿着已钻定向钻孔轨迹退出孔外。

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 (8)

1.一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：包括高压定向钻具以及与该高压定向钻具内部相连通的压力泵；

高压定向钻具前端靠近钻头位置还设置有水力冲孔器，该水力冲孔器包括水力冲孔器壳体，设置在水力冲孔器壳体上的喷嘴，以及设置在水力冲孔器壳体内的水压转换活塞与弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：水力冲孔器在出口处还设置有前接头壳体，喷嘴设置在水压转换活塞与水力冲孔器入口之间。

3.根据权利要求1所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：高压定向钻具为无线随钻钻具或者有线随钻钻具。

4.根据权利要求3所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：有线随钻钻具包括依次连通的水辫、高压螺旋通缆定向钻杆、单向阀、螺旋上无磁、探管、螺旋下无磁、耐高压螺杆钻具、水力冲孔器以及钻头；

高压螺旋通缆定向钻杆连通有钻机计算机。

5.根据权利要求3所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：无线随钻钻具包括依次连通的水辫、高压螺旋钻杆、螺旋上无磁、泥浆脉冲探管、螺旋下无磁、耐高压螺杆钻具、水力冲孔器以及钻头；

泥浆脉冲探管连通有钻机计算机。

6.根据权利要求3所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：高压定向钻具耐压大于15MPa。

7.根据权利要求3所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于：高压定向钻具的外表面均采用螺旋槽辅助排渣。

8.一种定向长钻孔钻、冲一体化方法，应用如权利要求1～7任一所述的一种定向长钻孔钻、冲一体化装置，其特征在于，还包括以下步骤：

S1，高压定向钻具在常规泵流量160～220L/min、泵压＜15MPa下钻进施工定向孔至目标煤层，保持整套钻具在孔底；

S2，更换高压泵，使限定压力为15～20MPa，采用冲孔流量≥280L/min，此时水力冲孔器内水压转换活塞压缩弹簧，堵塞与钻头之间的连接通道，高压水回流并从喷嘴位置射出开始煤层冲孔增透。

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