CN113236127B - 随钻水力冲孔与筛管护孔施工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冲孔和护孔施工装置及方法，属于煤炭开采技术领域，具体是涉及一种随钻水力冲孔与筛管护孔施工装置及方法。包括：外管，其内壁上设置有合页组；活动环，可在所述外管内沿外管的轴向方向移动以推动所述合页组的打开，并且所述活动环在所述合页组受水压驱动而闭合时在所述外管的轴向上沿与所述合页组闭合的方向移动；限位控制环，在所述外管内，用于限制所述活动环轴向移动位置；其中，所述活动环的中心孔与所述限位控制环之间的通道在所述合页组闭合时被所述合页组阻断。本发明实现碎软煤层钻孔水力冲孔后高效全孔段下放筛管，避免了分布式施工存在的筛管可能未下放至原孔的问题，提高瓦斯抽采效果。

Description

随钻水力冲孔与筛管护孔施工装置及方法
技术领域
本发明涉及一种冲孔和护孔施工装置及方法，属于煤炭开采技术领域，具体是涉及一种随钻水力冲孔与筛管护孔施工装置及方法。
背景技术
碎软煤层具有煤质松软、胶结性差、易坍塌等特点，如何提高碎软煤层瓦斯抽采效果一直是行业科研工作者的攻关方向。
钻孔是煤矿治理瓦斯的根本途径，近年来，随着煤矿井下钻探工艺与装备的发展，随钻水力冲孔技术通过局部扩大煤层段钻孔直径，实现煤层卸压增透，被广泛的生产实践证明是提高煤层瓦斯抽采效果的有效技术手段。
全孔段筛管护孔技术利用“开闭式钻头+大通径钻杆”的专用钻具的内通孔作为筛管的下放通道，将筛管下放至实际孔深位置，解决了碎软煤层钻孔提钻后裸眼下筛管不能下放到实际孔深的问题，确保瓦斯抽采通道顺畅，有效提高了碎软煤层瓦斯抽采效果。
随着随钻水力冲孔技术在碎软煤层的推广，出现了瓦斯抽采浓度和抽采纯量衰减过快的现象，主要是采用随钻水力冲孔技术的钻孔结构存在形似糖葫芦串的“咽喉孔段”，导致了提钻时或瓦斯抽采作业过程中，钻孔局部孔段尤其是“咽喉孔段”由于煤层自身特性易坍塌堵塞抽采通道，进而影响了瓦斯抽采效果。因此，为了保证碎软煤层钻孔随钻水力冲孔的抽采效果，必须在钻孔内下入筛管护孔，以使瓦斯抽采通道顺畅。
目前，市场上使用的随钻水力冲孔技术配套的关键部件水力冲孔器结构相似，均采用中心通道设置活塞体来实现高低压水路切换，这种结构形式可以通过流体，但不能通过诸如筛管等刚性构件。
由于全孔段筛管护孔技术需要专用钻具的大通孔作为通道来下放筛管，目前的随钻水力冲孔技术配套钻具无法满足，因此，部分煤矿在碎软煤层钻孔随钻水力冲孔完成后，采用以下两种方式下放筛管：
(1)裸孔下放，即水力冲孔钻孔完成后提钻，在裸孔内下放筛管；
(2)扫孔钻具下放，即水力冲孔钻孔完成后提钻，下入“开闭式钻头+大通径螺旋钻杆”的钻具组合扫孔至孔底，然后通过钻具内孔下放筛管。
方法(1)由于钻孔局部孔段坍塌而不能保证筛管下放深度，从而影响瓦斯抽采效果；方法(2)在扫孔过程中，一方面由于原钻孔局部孔段孔径变化、碎软煤层自身特性和扫孔钻具重力的影响，极易钻出新孔，造成原孔报废，也会导致通过扫孔钻具内通孔下放的筛管并没有下入到原钻孔，从而影响瓦斯抽采效果；另一方面即使能够顺着原孔扫孔至孔底，仍需起、下扫孔钻具，增加了工人劳动强度，降低了施工效率；再一方面，施工现场需配置用于随钻水力冲孔的高压密封钻具和用于下放筛管的扫孔钻具，增加了煤矿材料购置成本和用于存放钻具的场地空间。
因此，如何解决碎软煤层钻孔水力冲孔后全孔段高效顺利下放筛管已成为制约进一步提高瓦斯抽采效果的关键，为此，本发明设计者提出碎软煤层钻孔随钻水力冲孔与全孔段筛管护孔一体化施工，革新碎软煤层钻孔施工工艺，以解决水力冲孔钻具提钻后通道堵塞无法全孔段高效下入筛管的问题，进一步提高瓦斯抽采效果。
因此，对现有技术的不足进行改进，以满足不同施工工况的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种随钻水力冲孔与筛管护孔施工装置及方法。该装置及方法能够实现碎软煤层钻、冲、护一趟钻作业，确保筛管高效下放至实际孔深，保证瓦斯抽采效果，减少施工流程，降低工人劳动强度，提高施工效率。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种碎软煤层钻孔施工装置，包括：
外管，其内壁上设置有合页组；
活动环，可在所述外管内沿外管的轴向方向移动以推动所述合页组的打开，并且所述活动环在所述合页组受水压驱动而闭合时在所述外管的轴向上沿与所述合页组闭合的方向移动；
限位控制环，在所述外管内，用于限制所述活动环轴向移动位置；
其中，所述活动环的中心孔与所述限位控制环之间的通道在所述合页组闭合时被所述合页组阻断。
优选的，上述的一种碎软煤层钻孔施工装置，所述外管上设置有若干个射流水眼，所述射流水眼位于所述当所述合页组靠近水源的一侧。
优选的，上述的一种碎软煤层钻孔施工装置，还包括：固定环，包括共轴心的外缘段以及芯管段，所述外缘段与所述外管固定连接，所述芯管段上套有一弹簧，所述弹簧的一端抵接于所述外缘段，另一端抵靠于所述活动环。
优选的，上述的一种碎软煤层钻孔施工装置，所述活动环上开有槽口，所述合页组安装于所述槽口与所述处管内壁形成的槽腔内。
优选的，上述的一种碎软煤层钻孔施工装置，所述合页组包括合页、合页座、轴销，所述合页通过轴销铰接于所述合页座，所述合页向内旋转时能闭合形成一个圆形结构，对所述活动环中心通孔进行封闭。
优选的，上述的一种碎软煤层钻孔施工装置，所述限位控制环上设置有若干个控制杆，所述控制杆的端部设置有一强磁块，所述强磁块能在所述控制杆沿外管轴向平行的方向上移动时带动所述合页组的合页打开。
优选的，上述的一种碎软煤层钻孔施工装置，所述控制环包括与所述外管固定连接的限位控制环座，所述控制杆安装于所述限位控制环座上的径向圆孔内，所述控制杆包括一变径杆体，所述变径杆体直径较小的一段上套有一压缩弹簧，所述变径杆体的端部设置强磁块，所述变径杆体上设置有与所述径向圆孔配合的弹簧销，所述压缩弹簧能够在所述弹簧销受挤压而与所述径向圆孔配合失效后驱动所述变径杆体在所述径向圆孔内移动。
一种基于上述的随钻水力冲孔与筛管护孔施工方法，包括：
高压水冲孔步骤，向所述外管设置限位控制环的一侧送入高压水，所述高压水驱动所述合页组的合页闭合并推动所述活动环轴向活动并封闭所述活动环与所述限位控制环的通道，使所述高压水从设置于所述外管上的射流孔射出。
优选的，上述的随钻水力冲孔与筛管护孔施工方法，包括：
常压水施工步骤，在所述高压水冲孔步骤后，接入常压水，所述合页组的合页因水压降低而打开所述限位控制环与所述活动环的连接通道。
优选的，上述的随钻水力冲孔与筛管护孔施工方法，包括：筛管下入步骤，将筛管送入限位控制环中以挤压设置于所述限位控制环的变径杆体上的弹簧销从而使所述弹簧销与所述控制环的限位控制环座配合失效而使所述变径杆体在轴向上移动以带动所述合页组的合页打开，所述筛管从所述限位控制环的中心孔通过。
因此，相对于现有技术，本发明具备以下优点：
(1)实现碎软煤层钻孔水力冲孔后高效全孔段下放筛管，避免了分布式施工存在的筛管可能未下放至原孔的问题，提高瓦斯抽采效果；
(2)简化了施工环节，减少一趟起下钻作业，提高了施工效率，降低了工人劳动强度；
(3)只需一套钻具，节约了材料购置成本，节省了施工现场的场地空间；
(4)水力冲孔器中心通孔过流面积可调，可适应不同功率增压泵进行水力冲孔，降低了对施工现场配套增压泵的要求，提升了一体化施工工艺适应性。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1显示了本发明碎软煤层一体化施工钻孔示意图。
图2显示了本发明一体化施工钻具连接示意图。
图3显示了本发明开闭式水力冲孔器剖面示意图。
图4显示了本发明固定环结构示意图。
图5显示了本发明活动环结构示意图。
图6显示了本发明合页组结构示意图。
图7-1和图7-2显示了本发明限位控制环结构示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
参见图1，显示了本发明的碎软煤层一体化施工钻孔的一个优选实施例，碎软煤层一体化施工钻孔由套管孔段L1与裸眼孔段L2构成，所述裸眼孔段L2中采用高压水力冲孔的孔段Lg的孔径要大于常压水钻进的孔段Lc孔径，所述钻孔自孔口至孔底安设有筛管SG。
参见图2，显示了本发明的一体化施工钻具组合，自左至右分别连接所述开闭式钻头1、开闭式水力冲孔器2、高压密封大通径螺旋钻杆3和高压密封送水器4。所述开闭式钻头1常压水钻进或高压水冲孔时处于闭合状态，下所述筛管SG时中心通孔被顶开，以使所述筛管SG顺利穿过，所述高压密封大通径螺旋钻杆3能够密封所述高压水压力，其中心通孔内径大于所述筛管SG的外径，以使后者能够顺利通过，所述高压密封送水器4能够密封所述高压水压力，其进水侧高压入水口与增压泵5连接，常压入水口与钻机供水系统6连接。所述开闭式钻头1外径Φ120，中心通孔Φ45，所述开闭式水力冲孔器2外径Φ100，中心通孔Φ45，所述高压密封大通径螺旋钻杆3外径Φ89，中心通孔Φ45，所述筛管SG外径Φ44。
参见图3，所述开闭式水力冲孔器2由外管21、固定环22、弹簧23、活动环24、合页组25、限位控制环26连接组成，所述外管21外径Φ100，壁厚10mm，其一端设有与所述开闭式钻头1配合的内螺纹211，另一端设有与所述高压密封大通径螺旋钻杆3配合的内螺纹212，所述外管21中心通孔安装所述固定环22、弹簧23、活动环24、合页组25和限位控制环26，所述外管21设有射流水眼213，以使高压水冲孔时水流从该处流出，所述外管21还设有定位孔214。
参见图4，所述固定环22中心通孔Φ45，以使所述筛管SG能够顺利通过，其外缘设有与所述内螺纹211匹配的外螺纹221，以使其固定于所述外管21，所述弹簧23套合于所述固定环22的芯管222，其一端抵靠于所述固定环22，另一端抵靠于所述活动环24。
参见图5，所述活动环24中心通孔Φ45，以使所述筛管SG能够顺利通过，其外缘设有2道密封圈槽241，通过安装适当型号的O型圈密封其与所述外管21内壁之间的环形间隙，所述活动环24开有槽口242，所述槽口242与所述外管21内壁形成的槽腔用于安装所述合页组25，所述活动环24还设有2个对称于自身轴线的限位孔243。
参见图6，所述合页组25包括合页251、合页座252、轴销253，所述合页251通过轴销253铰接于所述合页座252，所述合页251向内旋转时能闭合形成一个圆形结构，对所述活动环24中心通孔进行封闭，所述合页座252设有定位孔254，通过定位销215与定位孔254和定位孔214的配合，以使所述合页组25固定于所述外管21。
参见图7-1和图7-2，所述限位控制环26包括限位控制环座261、控制杆262和限位支腿263。所述限位控制环座261中心通孔Φ45，以使所述筛管SG能够顺利通过，其外缘设有与所述外管21内螺纹211匹配的外螺纹，以使其固定于所述外管21，所述控制杆262和所述限位支腿263分别间隔安装于所述限位控制环座261的轴向圆孔，其中，用于安装所述限位支腿263的轴向圆孔设有内螺纹，所述限位控制环座261还设有径向圆孔，用于轴向限位所述控制杆262，所述控制杆262包括压缩弹簧264、变径杆体265、强磁块266和弹簧销267，所述变径杆体265与所述强磁块266固定连接，所述弹簧销267配合于所述径向圆孔，所述限位支腿263外缘设有与所述轴向圆孔内螺纹啮合的外螺纹，其一端抵靠所述限位孔243，通过拧卸另一端推动所述活动环24沿轴向运动。
其中，初始状态时，所述活动环24被所述限位支腿263轴向限位，所述合页251位于所述控制杆262和所述活动环槽口242的边沿之间，半封闭所述活动环24中心通孔，常压水经半封闭的中心通孔为钻头供水；
其中，高压水冲孔时，所述合页251受到高压水作用时推动所述活动环24轴向活动，当所述活动环24左端面座合至所述固定环芯管222时，所述合页251完全封闭所述活动环24的中心通孔，高压水从所述外管射流水眼213处射出，实现高压水力冲孔；
其中，高压水冲孔切换至常压水钻进时，所述弹簧23复位推动所述活动环24右移，直至所述活动环24被所述限位支腿263轴向限位，与此同时，所述活动环槽口242边沿带动所述合页251外向旋转，直至被所述控制杆262限位，至此，恢复初始状态；
其中，下放所述筛管SG时，所述筛管SG进入所述开闭式水力冲孔器2径向挤压所述弹簧销267，并使所述弹簧销267与所述径向圆孔配合失效，所述压缩弹簧264复位推动所述变径杆体265轴向右移，在所述强磁块266磁力作用下，所述合页251继续外向旋转至极限状态，至此，所述活动环24中心通孔完全打开，所述筛管SG顺利通过。
其中，本发明的碎软煤层钻孔随钻水力冲孔与全孔段筛管护孔一体化施工方法，包含以下步骤：
步骤一、开孔。依次连接开孔钻头、高压密封大通径螺旋钻杆及高压密封送水器并紧固，接入钻场常压水，按钻孔设计倾角、方位角开孔，采用回转钻进一定深度，关闭常压水。
步骤二、下套管。提出开孔钻具，下入套管，并向套管与钻孔壁环空注入封孔材料封固套管。
步骤三、一体化施工钻具调试。
3.1在孔口处连接一体化施工钻具，接通常压水，水流从开闭式钻头流出，关闭常压水；
3.2接通高压水，开闭式钻头不出水，水流从开闭式水力冲孔器水眼处射流，关闭高压水；
3.3卸开高压密封送水器，从高压密封大通径螺旋钻杆内通孔下入筛管，筛管能从开闭式钻头处穿出，抽出筛管，闭合开闭式钻头。
3.4若一体化施工钻具调试时出现异常，根据现场高压水压力及水量，调节所述限位支腿和控制连杆位置调整合页初始状态，以确保常压水钻进、高压水冲孔和下筛管作业的正常切换。
步骤四、钻进施工。
4.1从套管内下入一体化施工钻具，接通常压水，采用回转钻进至设计要求的第1个水力冲孔位置，关闭常压水；
4.2、接入高压水，开始随钻高压水力冲孔，操控钻机低转速来回往复缓慢倒杆，以扩大开闭式水力冲孔器沿钻孔轴向运动范围的钻孔孔径；
4.3、随钻高压力水冲孔达到设计时间或孔口出煤量满足要求时，关停高压水，接入常压水，继续回转钻进至第2个水力冲孔位置；
4.4、重复步骤4.2～步骤4.3，直至完成设计的所有水力冲孔位置，继续回转钻进至设计孔深；
4.5、操控钻机将开闭式钻头提离孔底一段距离，关停常压水；
步骤五、下筛管。将高压密封送水器从高压密封大通径螺旋钻杆连接处卸开，并从大通径螺旋钻杆内通孔下入筛管，直至下至孔底。
步骤六、提钻封孔。将一体化施工钻具提出，筛管存留孔内，封固孔口，将钻孔抽放管接入煤矿瓦斯抽放系统。
由此，本发明通过对碎软煤层钻孔随钻水力冲孔与筛管护孔一体化施工，实现碎软煤层钻孔水力冲孔后高效全孔段下放筛管，避免了分布式施工存在的筛管未下放至原孔的问题，提高瓦斯抽采效果；简化了施工环节，减少一趟起下钻作业，提高了施工效率，降低了工人劳动强度；只需一套钻具，节约了材料购置成本，节省了施工现场的场地空间；水力冲孔器过流面积可调，可适应不同功率增压泵进行水力冲孔，降低了对施工现场配套增压泵的要求，提升了一体化施工工艺适应性。涉及的开闭式水力冲孔器由外管、固定环、弹簧、活动环、合页组、限位控制环连接组成，可通过切换水压控制中心通道的张开与闭合，实现随钻水力高压冲孔、常压钻进及下筛管护孔一体化施工，达到提高瓦斯抽采效果的目的。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (8)

1.一种碎软煤层钻孔施工装置，其特征在于，包括：
外管(21)，其内壁上设置有合页组(25)；
活动环(24)，可在所述外管(21)内沿外管(21)的轴向方向移动以推动所述合页组(25)的打开，并且所述活动环(24)在所述合页组(25)受水压驱动而闭合时在所述外管(21)的轴向上沿所述合页组(25)闭合的方向移动；
限位控制环(26)，在所述外管(21)内，用于限制所述活动环(24)轴向移动位置；
其中，所述活动环(24)的中心孔与所述限位控制环(26)之间的通道在所述合页组(25)闭合时被所述合页组(25)阻断；
所述限位控制环(26)上设置有若干个控制杆(262)，所述控制杆(262)的端部设置有一强磁块(266)，所述强磁块(266)能在所述控制杆(262)沿外管轴向平行的方向上移动时带动所述合页组(25)的合页(251)打开；所述控制环(26)包括与所述外管(21)固定连接的限位控制环座(261)，所述控制杆(262)安装于所述限位控制环座(261)上的径向圆孔内，所述控制杆(262)包括一变径杆体(265)，所述变径杆体(265)直径较小的一段上套有一压缩弹簧(264)，所述变径杆体(265)的端部设置强磁块(266)，所述变径杆体(265)上设置有与所述径向圆孔配合的弹簧销(267)，所述压缩弹簧(264)能够在所述弹簧销(267)受挤压而与所述径向圆孔配合失效后驱动所述变径杆体(265)在所述径向圆孔内移动。
2.根据权利要求1所述的一种碎软煤层钻孔施工装置，其特征在于，所述外管(21)上设置有若干个射流水眼(213)，所述射流水眼(213)位于所述合页组(25)靠近水源的一侧。
3.根据权利要求1所述的一种碎软煤层钻孔施工装置，其特征在于，还包括：固定环(22)，包括共轴心的外缘段以及芯管段(222)，所述外缘段与所述外管(21)固定连接，所述芯管段(222)上套有一弹簧(23)，所述弹簧(23)的一端抵接于所述外缘段，另一端抵靠于所述活动环(24)。
4.根据权利要求1所述的一种碎软煤层钻孔施工装置，其特征在于，所述活动环(24)上开有槽口(242)，所述合页组(25)安装于所述槽口(242)与所述外管(21)内壁形成的槽腔内。
5.根据权利要求1所述的一种碎软煤层钻孔施工装置，其特征在于，所述合页组(25)包括合页(251)、合页座(252)、轴销(253)，所述合页(251)通过轴销(253)铰接于所述合页座(252)，所述合页(251)向内旋转时能闭合形成一个圆形结构，对所述活动环(24)中心通孔进行封闭。
6.一种基于权利要求1所述的碎软煤层钻孔施工装置的随钻水力冲孔与筛管护孔施工方法，其特征在于，包括：
高压水冲孔步骤，向所述外管设置限位控制环(26)的一侧送入高压水，所述高压水驱动所述合页组(25)的合页(251)闭合并推动所述活动环(24)轴向活动并封闭所述活动环(24)与所述限位控制环(26)的通道，使所述高压水从设置于所述外管(21)上的射流水眼(213)射出。
7.根据权利要求6所述的随钻水力冲孔与筛管护孔施工方法，其特征在于，包括：
常压水施工步骤，在所述高压水冲孔步骤后，接入常压水，所述合页组(25)的合页(251)因水压降低而打开所述限位控制环(26)与所述活动环(24)的连接通道。
8.根据权利要求7所述的随钻水力冲孔与筛管护孔施工方法，其特征在于，包括：筛管下入步骤，将筛管送入限位控制环(26)中以挤压设置于所述限位控制环(26)的变径杆体(265)上的弹簧销(267)从而使所述所述弹簧销(267)与所述控制环(26)的限位控制环座(261)配合失效而使所述变径杆体(265)在轴向上移动以带动所述合页组(25)的合页(251)打开，所述筛管从所述限位控制环(26)的中心孔通过。
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