CN113431497A - 一种主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主钻孔‑支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，包括钻具主体、安装在钻具主体前端的机械钻头、与钻具主体的后端连接的钻杆，钻具主体内具有与机械钻头的出水孔和钻杆的中间孔相连的圆柱孔；圆柱孔包括直线圆柱孔和弧形圆柱孔；直线圆柱孔和弧形圆柱孔的交汇处形成有出口斜向下并贯穿钻具主体的水力冲割分支孔；水力冲割分支孔内设有出水开关装置。本发明的结构简单可靠，采用同一个钻头、同一套钻杆、同一套供水系统实现机械钻进主孔、水力冲割分支孔，中间不需退出、更换钻头钻具，大大加快了施工速度、降低了施工成本，经该钻具钻进后形成以钻孔为中心的一组树状分支状孔穴，使措施区域的地应力降低，透气性增加。
Description
技术领域
本发明属于井下或地面水利增渗的技术领域，尤其涉及一种主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具。
背景技术
我国煤层渗透率普遍较低，其中渗透率小于0.1mD的约占35％，0.1～1.0mD的约占37％；煤层的低渗透率已成为制约煤矿区煤层气抽采的瓶颈。国内外对此进行过大量研究，主要通过各种技术手段强制沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的裂隙网络，促使煤层渗透率显著增加，其中尤以采动卸压增渗效果最为显著。对于原生低透气性煤层，必须通过地面井或井下的其它人工强制增渗措施来提高煤层渗透率。地面井增渗的主要技术途径有地面井造穴、压裂、驱气等，在油气开发领域，国内外都进行过大量研究，并取得大量显著应用效果。井下增渗的技术思路基本来源于地面井增渗技术，主要采取爆破、压裂、造穴增渗以及改变煤层物理化学场促使煤层气快速解吸的驱气等技术途径。
水力增渗技术开始于20世纪50年代末，至今大致经历了初期试验研究、试推广应用和高速发展3个阶段，正逐渐发展成为一种适用性强、效果显著的煤层增渗和预防瓦斯事故的主体技术。上世纪50年代末至80年代末，是国内水力增渗技术的初期试验研究阶段，主要是作为预防瓦斯突出的局部措施应用于煤巷掘进、石门揭煤等地点。水力增渗技术从原理上可大致分为水力冲孔(造穴)、水力压裂、水力挤出、水力疏松等。水力冲孔(造穴)技术在国内也起始于上世纪50年代。1958年，设计出了简易的“轻便型”水力钻。1965年，用水射流预先冲刷煤体造穴，安全揭开了具有突出危险的石门。抚顺煤炭研究所于1969年在鹤壁六矿进行了水射流割缝试验，扩大了钻孔的卸压范围；1977年，在红卫煤矿进行了水射流割缝防止煤与瓦斯突出试验；在1978-1981年期间，先后在鹤壁四矿、二矿及红卫煤矿进行了水射流割缝提高瓦斯抽采率的工业性试验；1981年研制了液控水射流钻割机；1970～1985年，在白沙里王庙矿、阳泉一矿、抚顺北龙凤矿和焦作中马村矿进行了水力压裂、空穴法强化措施开采煤层气试验。煤炭科学研究院重庆研究所于20世纪七十年代开始研究水力冲孔造穴技术预防石门揭煤突出事故，并获得国家发明奖，八十年代初开始试推广。2007年后，随着《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《防治煤与瓦斯突出规定》等相关法规的出台，预防瓦斯事故必须实施先抽后采、抽采达标的区域性措施，由此促进了水力化措施作为一种大面积增加煤层渗透性的区域性措施的高速发展，单项水力化增渗技术不断完善。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，采用同一个钻头、同一套钻杆、同一套供水系统实现机械钻进主孔、水力冲割分支孔，大大加快了施工速度、降低了施工成本。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，包括钻具主体、安装在所述钻具主体前端的机械钻头、与所述钻具主体的后端连接的钻杆，所述钻具主体内具有与所述机械钻头的出水孔和所述钻杆的中间孔相连的圆柱孔；所述圆柱孔包括位于所述钻具主体的前半部并与所述机械钻头的出水孔相连的直线圆柱孔、以及位于所述钻具主体的后半部并与所述钻杆的中间孔相连的弧形圆柱孔；所述直线圆柱孔和弧形圆柱孔的交汇处形成有出口斜向下并贯穿钻具主体的水力冲割分支孔；所述水力冲割分支孔内设有出水开关装置，其关闭时，低压水流通过所述钻杆的中间孔、钻具主体的圆柱孔和机械钻头的出水孔；其被通过钻杆的中间孔推入钻具主体内的弧形圆柱孔的柔性钢管打开时，高压水流通过柔性钢管到达其端口安装的喷头，喷出高压水射流开始冲割煤体并形成分支孔。
进一步的，所述出水开关装置包括通过销钉铰接在所述水力冲割分支孔的侧壁上的挡板、插接在所述水力冲割分支孔的侧壁上的开槽内的弹片；所述挡板与弹片二者互相配合在正常钻孔施工时封堵水力冲割分支孔的出水口；在钻到指定位置时，所述柔性钢管与档板直接接触并克服弹片的弹力推开档板从水力冲割分支孔的出水口伸出。
可选的，所述钻具主体与所述机械钻头和钻杆螺纹连接。
进一步的，所述柔性钢管在所述弧形圆柱孔内自由伸缩并沿其最大的弧度处伸入到所述水力冲割分支孔中。
由上，本发明为解决水射流冲割煤体距离短，影响范围小的问题、射流被水淹没时阻力增加的问题；以及目前为了增加煤层透气性、抽采瓦斯钻孔的主孔施工完毕后，再进行分支孔水射流冲割施工时，需要将钻头、钻具、钻杆全部撤出再更换钻具再重新进行分支孔水射流冲割施工作业，耗费的大量人力、物力，以及时间，特别是钻孔深度较深时，更加明显的问题，本发明采用主钻孔与支孔的柔性钢管高压水射流冲孔一体化钻具，采用同一个钻头、同一套钻杆、同一套供水系统实现机械钻进主孔、水力冲割分支孔，中间不需退出、更换钻头钻具，大大加快了施工速度、降低了施工成本。
本发明的效果显著，结构简单可靠，经该钻具钻进后形成以钻孔为中心的一组树状分支状孔穴，使措施区域的地应力降低，透气性增加；大幅度降低射流被水淹没阻力，有效提高了高压水的能量利用效率。而且能够有效地控制和改善煤矿安全生产局面，解决高瓦斯低透气性煤层安全高效开采的关键技术难题；将有效提高瓦斯抽采水平，有效防治高瓦斯矿井瓦斯事故，对保证矿井安全生产具有重要意义。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明的主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具的钻进示意图；
图2为本发明的柔性钢管水利冲孔示意图。
图中，1-煤(岩)体，2-机械钻头，3-钻具主体，4-钻杆，5-销钉，6-档板，7-弹片，8-柔性钢管，9-喷头，10-分支孔，11-钻孔。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
本发明为解决传统水射流煤体距离短，影响范围小，阻力增加以及传统作业在主孔施工完毕后需要重新更换钻具进行分支孔水射流施工作业问题而设计的用同一个钻头、同一套钻杆、同一套供水系统实现机械钻进主孔、水力冲割分支孔的矿用设备。
如图1至图2所示，本发明的主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具包括钻具主体3、安装在钻具主体3前端的机械钻头2、与钻具主体3的后端连接的钻杆4，其中，钻具主体3内具有与机械钻头2的出水孔和钻杆4的中间孔相连的圆柱孔。圆柱孔包括位于钻具主体3的前半部并与机械钻头2的出水孔相连的直线圆柱孔、以及位于钻具主体3的后半部并与钻杆2的中间孔相连的弧形圆柱孔，直线圆柱孔和弧形圆柱孔的交汇处形成有出口斜向下并贯穿钻具主体3的水力冲割分支孔。
优选的，钻具主体2的左侧(前端)为公螺纹，用于连接机械钻头2。钻具主体2的右侧(后端)为母螺纹，用于连接钻杆4。机械钻头2可以与钻具主体3直连接不会影响正常钻进。
水力冲割分支孔内设有出水开关装置，其关闭时，低压水流通过钻杆4的中间孔、钻具主体3的圆柱孔和机械钻头2的出水孔；其被通过钻杆4的中间孔推入钻具主体3内的弧形圆柱孔的柔性钢管8打开时，高压水通过柔性钢管8到达其端口安装的喷头9，喷出高压水射流开始冲割煤(岩)体1并形成分支孔10。
本发明的出水开关装置包括通过销钉5铰接在水力冲割分支孔的侧壁上的挡板6、插接在水力冲割分支孔的侧壁上的开槽内的弹片7。弹片7位于挡板6的非铰接端的下方，弹片7与开槽二者为过盈配合，用于配合挡板6封堵水力冲割分支孔的出水口。挡板6与弹片7二者互相配合在正常钻孔施工时封堵水力冲割分支孔的出水口；在钻到指定位置时，进入钻具主体3内的柔性钢管8在弧形圆柱孔内自由伸缩并沿其最大的弧度处伸入到水力冲割分支孔中，柔性钢管8与档板6直接接触并克服弹片7的弹力推开档板6从水力冲割分支孔的出水口伸出，从而进行水流冲孔作业。弹片7、档板6可以多次重复利用。
弧形圆柱孔为柔性钢管8的进入提供了条件，可以不用从钻孔撤出机械钻头、钻杆、钻具等，直接进行支孔的施工，大大提高分支孔钻孔的工作效率。
柔性钢管8缩回一段距离后即通过旋转钻杆4来在同一位置施工不同角度的多个支孔；也可通过回撤钻杆4来在不同位置施工不同角度的多个支孔。
如图1所示，当正常钻进时钻具主体3的左侧连接机械钻头2，其右侧连接钻杆4。将挡板6向上推动，通过弹片7后堵住水力冲割分支孔的出水口，且被弹片7挤压固定，堵住该出水口。此时低压水流可以依次通过钻杆4的中间孔、弧形圆柱孔、直线圆柱孔到达机械钻头2的出水孔，机械钻头2实现正常的钻孔施工，低压水流起到冷却机械钻头2、排出钻屑的作用。由于弹片7的弹力作用，使档板6堵住低压水流，避免其向出水口泄露。
如图2所示，当正常钻进到指定位置时，停止低压水的供给，将柔性钢管8通过钻杆4的中间孔推入钻具主体3，通过弧形圆柱孔进入到水力冲割分支孔，与档板6直接接触后推开档板6从水力冲割分支孔的出水口伸出，并到达钻孔11的侧壁。此时高压水通过柔性钢管8到达喷头9，喷出高压水射流开始冲割煤(岩)体1并形成分支孔10。分支孔10长度为0.5米-20米。分支孔10中排出钻屑到达钻孔11后由其排出。
分支孔10施工完毕后即可退出柔性钢管8，再将钻杆4旋转30-90度后再次重复以上过程，在同一位置形成1-10个分支孔。
再退出柔性钢管8，再将钻杆4后退1-5米后再次重复以上过程，在同一位置形成1-10个分支孔。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，包括钻具主体、安装在所述钻具主体前端的机械钻头、与所述钻具主体的后端连接的钻杆，其特征在于，所述钻具主体内具有与所述机械钻头的出水孔和所述钻杆的中间孔相连的圆柱孔；
所述圆柱孔包括位于所述钻具主体的前半部并与所述机械钻头的出水孔相连的直线圆柱孔、以及位于所述钻具主体的后半部并与所述钻杆的中间孔相连的弧形圆柱孔；
所述直线圆柱孔和弧形圆柱孔的交汇处形成有出口斜向下并贯穿钻具主体的水力冲割分支孔；
所述水力冲割分支孔内设有出水开关装置，其关闭时，低压水流通过所述钻杆的中间孔、钻具主体的圆柱孔和机械钻头的出水孔；其被通过钻杆的中间孔推入钻具主体内的弧形圆柱孔的柔性钢管打开时，高压水流通过柔性钢管到达其端口安装的喷头，喷出高压水射流开始冲割煤体并形成分支孔。
2.如权利要求1所述的主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，其特征在于，所述出水开关装置包括通过销钉铰接在所述水力冲割分支孔的侧壁上的挡板、插接在所述水力冲割分支孔的侧壁上的开槽内的弹片；
所述挡板与弹片二者互相配合在正常钻孔施工时封堵水力冲割分支孔的出水口；
在钻到指定位置时，所述柔性钢管与档板直接接触并克服弹片的弹力推开档板从水力冲割分支孔的出水口伸出。
3.如权利要求1所述的主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，其特征在于，所述钻具主体与所述机械钻头和钻杆螺纹连接。
4.如权利要求1所述的主钻孔-支孔柔性钢管射流一体化矿用钻具，其特征在于，所述柔性钢管在所述弧形圆柱孔内自由伸缩并沿其最大的弧度处伸入到所述水力冲割分支孔中。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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