CN113756730B - 一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆，包括外管和内管，外管和内管间形成供流通道，内管中心有内排渣通道，外管外表上设有螺旋凹槽，螺旋凹槽内设有泄渣筛孔，所述内管上设有与泄渣筛孔对应连通的内筛孔，泄渣筛孔与内筛孔配合实现与内排渣通道连通；所述内管外表设置有开设内筛孔的螺旋状排布的圆柱状凸起或大螺距螺旋凸筋；该发明的钻杆不依靠钻杆外表与钻孔壁之间的环隙进行排渣，故钻杆的外径可等于或接近钻头的直径，钻杆对钻孔壁具有盾护作用；钻孔壁产出的煤渣通过泄渣筛孔进入内排渣通道，泄渣筛孔对钻杆具有卸压作用，该钻杆用于突出煤层的保直钻进或定向钻进，可缓解堵塞喷孔现象，有助于提高钻孔深度和成孔质量。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯抽采钻孔钻进技术领域，特别涉及一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆；用于钻孔塌孔严重的松软突出煤层瓦斯抽采钻孔的施工。
背景技术
现行突出煤层本煤层瓦斯抽采钻孔施工所用的钻杆多为刻槽钻杆、肋骨钻杆、三棱刻槽钻杆和三棱钻杆，其中前三种钻杆的专利申请人为本申请人，即河南理工大学，专利号分别为ZL200610111830.7，ZL200920088879.4，ZL200910064973.0。这些钻杆的共同特点是采用风流、水流或风水联动排渣，钻杆外表与钻孔壁之间的环状空间为排渣通道，由于排渣通道在钻杆之外，称之为外排渣通道。现行松软突出煤层钻进所用的钻杆存在三个有待解决的问题：一是打钻喷孔，由于突出煤层打钻的过程中普遍发生孔内煤炮等动力现象，钻孔壁极易崩落坍塌，导致外排渣通道间歇性堵塞，外排渣通道的间歇性堵塞和疏通会导致喷孔瓦斯超限；二是钻孔偏斜严重，由于外排渣通道需要有足够几何空间，钻杆的直径比钻头的直径小很多，钻杆在钻孔内的扰动空间很大，导致钻孔偏斜严重，百米钻孔的偏斜距离高达15m至20m，钻孔过早上漂至煤层顶板或下潜至煤层底板，而钻孔扶正器又不能在松软突出煤层中使用；三是打钻深度受限，由于钻孔塌孔、外排渣通道堵塞和钻孔偏斜、钻孔过早见顶见底等因素导致钻孔深度受限。
本申请人2013年之后相继提出了护孔卸压的钻进理念并设计了若干双通道筛孔钻杆，专利号分别为ZL201310568692.5，ZL201810488587.3，ZL201810488034.8，排渣通道均为内排渣通道，未能工程应用的原因有两个：一是孔外封闭排渣技术方案尚未形成，即内排渣通道内的煤渣怎么从钻杆内部排出，没有形成技术方案；二是实验室试验发现，钻杆外表的筛孔设计不当，会引起内排渣通道的堵塞，筛孔几何尺寸必须与内排渣通道的几何尺寸相匹配，筛孔的几何尺寸不得大于排渣通道几何尺寸的三分之一，否则内排渣通道必然发生堵塞，内排渣通道堵塞的无法处理，将会导致压钻、丢钻等打钻事故。除此之外，上述双通道筛孔钻杆的供风供水通道位于钻杆的中心部，内排渣通道为环状排渣通道，这样带来四个不利因素：第一，由于圆孔直径远大于环孔环厚，环状排渣通道的最小几何尺寸将成倍减小，筛孔进渣口尺寸也将成倍减小，泄渣筛孔过小将影响泄渣卸压效率，增大钻杆被抱死的概率；第二，中心供流通道必须依靠支撑装置将供流通道控制在钻杆的中心部位，支撑装置的支腿对排渣通道的煤渣运移具有阻挡作用，对内排渣通道的排渣不利，并增加内排渣通道堵塞的概率；
第三，中心供流通道必须依靠支撑装置将供流通道控制在钻杆的中心部位，支撑装置的支腿阻挡孔外钻杆插入内封闭管，给孔外封闭排渣造成困难；第四，松软突出煤层，提钻之后钻孔很容易塌孔阻塞，导致抽采效果的下降，很多矿区需要实施提钻时通过钻杆中心的通孔向钻孔内下护孔筛管，若采用中心供流的筛孔钻杆，由于中心供流通道和支撑装置的阻碍，在提钻时无法给钻孔下护孔筛管。
本申请人申请的申请号或专利号202110468878.8的“一种突出煤层圆周供流护孔卸压筛孔钻杆”，钻杆杆体采用外管和内管组合结构，钻杆的丝扣加工在外管之上，为打钻提供排渣动力的供流通道位于外管和内管之间，多条供流通道沿钻杆轴向布置，筛孔为了避开供流通道也必须沿轴向布置，这样在布局上存在两个缺陷：第一，钻杆外表设置螺旋凹槽对钻杆降温有利，也对集中旋挤泄渣有利，但是筛孔沿轴向布置，导致螺旋凹槽内的筛孔数量太少，螺旋凹槽的旋挤泄渣作用难以发挥；第二，为了增加筛孔数量，必须要设置轴向凹槽并在轴向凹槽内布置密集筛孔，这样不仅导致钻杆的强度降低，而且轴向凹槽内的筛孔因缺乏旋挤作用，筛孔泄渣效果不理想。
发明内容
本发明针对已有技术存在的问题：钻杆螺旋凹槽内的筛孔布置受到限制，被迫设置轴向凹槽并在轴向凹槽内布置密集筛孔，后者对钻杆强度影响很大，而且筛孔泄渣效果不理想。拟实现的目的是：取消钻杆的轴向凹槽，使所有筛孔位于螺旋凹槽之内，为提高钻杆强度和筛孔的泄渣效果提供有利条件。
为达到上述目的所采取的技术方案是：
一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆，包括配合安装的外管和内管，所述外管和内管之间形成为打钻提供风流或水流的供流通道，所述内管中心设有为打钻提供排渣的内排渣通道，所述外管的外表上设有多条螺旋凹槽，所述螺旋凹槽内设有多个泄渣筛孔，所述内管上设有与泄渣筛孔对应连通的内筛孔，所述泄渣筛孔与内筛孔配合实现泄渣筛孔与内排渣通道连通；
所述内管外表设置有螺旋状排布的圆柱状凸起或大螺距螺旋凸筋，所述内筛孔开设在圆柱状凸起或大螺距螺旋凸筋上。
进一步， 所述外管内孔形状为圆形，所述外管两端或与外管摩擦焊形成的接头的两端分别设有公扣和母扣。
进一步，所述外管的内孔与内管外表的圆柱状凸起表面或大螺距螺旋凸筋表面紧贴密封配合；所述外管外表上的螺旋凹槽内的泄渣筛孔与内管外表上的圆柱状凸起上的筛孔或大螺距螺旋凸筋上的内筛孔一一同轴对照形成泄渣通道，使泄渣筛孔与内排渣通道连通。
进一步，所述内管外表面螺旋状排布的圆柱状凸起或大螺距螺旋凸筋可由机加工中心、焊接成型、组合装配等方式加工，且圆柱状凸起凸起、大螺距螺旋凸筋的形状、尺寸参数、数量可根据加工、装配工艺及煤层条件等优化设计。
进一步，所述外管外表上的螺旋凹槽内的泄渣筛孔直径小于内管外表圆柱状凸起上布置的内筛孔直径，或外管外表上的螺旋凹槽内的泄渣筛孔直径小于内管外表上大螺距螺旋凸筋上布置的内筛孔直径。
进一步，所述内管两端部加工出环形密封面，所述环形密封面上安装密封环，实现搭接密封，在外管的公扣和母扣的连接处供流通道变为环形过渡供流通道，风流或水流经环形过渡供流通道进入钻杆中部的供流通道。
本发明所具有的有益效果为：
1.现有钻杆的排渣通道为外排渣通道，外排渣通道极易因塌孔而堵塞，钻孔堵塞与喷孔现象常见；本发明筛孔钻杆的排渣通道为钢铁结构的圆通径内排渣通道，控制进渣粒径之后，内排渣通道不会发生堵塞。
2.本申请人申请的申请号为202110468878.8的钻杆与本发明相比，前者泄渣筛孔全部位于轴向凹槽内，后者泄渣筛孔全部位于螺旋凹槽内，后者能够充分利用螺旋凹槽的旋挤作用，泄渣效果更优，且后者泄渣筛孔沿钻杆表面螺旋凹槽间隔布置，钻杆受力更均匀，钻杆强度相对优于前者。
附图说明
图1为本发明突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆的整体结构图；
图2为本发明突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆的外管结构图；
图3为本发明突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆的内管结构图；
图4为本发明突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆的内管搭接密封方式图；图5为本发明中有轴向条缝的外管与有轴向凸筋的内管的分解示意图； 图6为本发明中有轴向条缝的外管与有轴向凸筋的内管的组合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1-3所示，一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆，包括配合安装的外管1和内管2，所述外管1和内管2之间形成为打钻提供风流或水流的供流通道3，所述内管2中心设有为打钻提供排渣的内排渣通道4，所述外管1的外表上设有多条螺旋凹槽11，所述螺旋凹槽11内设有多个泄渣筛孔5，所述内管2上设有与泄渣筛孔5对应连通的内筛孔21，所述泄渣筛孔5与内筛孔21配合实现泄渣筛孔5与内排渣通道4连通；使所有泄渣筛孔5位于螺旋凹槽11之内，提高钻杆强度和泄渣筛孔5的泄渣效果。
如图3所示，所述内管2外表设置有螺旋状排布的圆柱状凸起23或大螺距螺旋凸筋22，所述内筛孔21开设在圆柱状凸起23或大螺距螺旋凸筋22上；内管2的两端分别设置环形密封面，通过安装密封环6实现相邻内管2的环形密封面进行搭接密封。
本发明中内管2外表面螺旋状排布的圆柱状凸起23或大螺距螺旋凸筋22可由机加工中心、焊接成型、组合装配等方式加工，且圆柱状凸起23凸起、大螺距螺旋凸筋22的形状、尺寸参数、数量可根据加工、装配工艺及煤层条件等优化设计。
如图2所示， 所述外管1内孔形状为圆形，所述外管1两端或与外管1摩擦焊形成的接头的两端分别设有公扣12和母扣13；用于两根钻杆之间的连接。外管1的外表上的螺旋凹槽11具有切削孔壁变形、积聚泄渣和降温的作用，螺旋凹槽11的形状依据加工工艺不同，可采用矩形、梯形、圆弧形等多种形状。为增强钻杆的泄渣能力和碎渣能力，将螺旋凹槽11加宽时，外管1外表可看似螺旋凸筋，也可在外管1外表设置轴向凹槽或轴向平面或这些方式的组合，外管1外表的这些变化也在本专利的保护范围。
如图1-3所示，为了实现外管1与内管2的配合安装，形成供流通道3，且形成与内排渣通道4连通的泄渣通道，所述外管1的内孔与内管2外表的圆柱状凸起23表面或大螺距螺旋凸筋22表面紧贴密封配合；优选地，内管2上的圆柱状凸起23或大螺距螺旋凸筋22的外表为圆弧面，圆弧面尺寸与外管1内径一致，保证外管1和内管2同轴紧贴密封配合，密封配合的方式可以多种多样，包括焊接、粘结、紧配合、喷涂等，并在合适的位置安装固定销，保证外管1和内管2配合的稳固性。所述外管1外表上的螺旋凹槽11内的泄渣筛孔5与内管2外表上的圆柱状凸起23上的内筛孔21或大螺距螺旋凸筋22上的内筛孔21一一同轴对照形成泄渣通道，使泄渣筛孔5与内排渣通道4连通。
本发明中的带内筛孔21的圆柱状凸起23也可为单独的带轴向通孔的圆柱形或圆锥形钉扣，相应的内管2的表面和外管1的螺旋凹槽内设置有多个一一同轴对照的圆形或圆锥形的安装孔，内管2与外管1同轴装配后两管上的安装孔一一同轴对照，将多个钉扣一一嵌套固定于安装孔中，使钉扣两端分别与外管1与内管2的安装孔密封固定，钉扣中心孔为泄渣筛孔5，供流通道3和内排渣通道4与圆柱状凸起方案一致，钉扣中心孔可为圆孔、变径圆孔等。
当内管2的外表为螺旋状排布的圆柱状凸起23时，外管1内表面与内管2外表面形成避开圆柱状凸起23的近似环形的供流通道3；当内管2的外表为大螺距螺旋凸筋22时，外管1内表面与内管2外表面形成多条大螺距螺旋状的供流通道3，螺距越大，供流通道3内的阻力越小。
为了防止泄渣筛孔5阻塞影响进渣效率，本实施例中，所述外管1外表上的螺旋凹槽11内的泄渣筛孔5直径小于内管2外表圆柱状凸起23上布置的内筛孔21直径，或外管1外表上的螺旋凹槽11内的泄渣筛孔5直径小于内管2外表上大螺距螺旋凸筋22上布置的内筛孔21直径。优选地，所述外管1外表上的螺旋凹槽11内的泄渣筛孔5直径小于内排渣通道4最小通径的三分之一。为提高泄渣筛孔5的泄渣效率，泄渣筛孔5的角度可偏斜布置，使钻杆外表的煤渣更易经泄渣筛孔5进入内排渣通道4。
为了延长钻杆的使用寿命，可对钻杆外表面实施等离子熔覆或耐磨喷涂等工艺的耐磨处理；为了提高钻杆的碎渣能力，提高泄渣筛孔5的泄渣效率，可采用等离子熔覆的方法，在螺旋凹槽11内形成一系列点状硬质耐磨凸起，对螺旋凹槽11内移动的煤渣进行揉搓粉碎。
如图4所示，为了实现两根钻杆之间的连接及钻杆供流通道3的相互连通，本专利的接头密封方案中，所述内管2两端部加工出环形密封面，相邻内管2的环形密封面上安装密封环6，实现搭接密封，在外管1的公扣12和母扣13的连接处供流通道3变为环形过渡供流通道7，风流或水流经环形过渡供流通道7进入钻杆中部的供流通道3。
本发明中钻杆接头连接方式及密封方式不受本实施例附图限制。
本发明突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆可用于无缆定向钻进。
除上述技术方案外，如图5-6所示，钻杆还包括外表面设置有轴向条缝101的外管1，所述内管2外表设置有轴向凸筋201，所述轴向凸筋201上开设有内筛孔202，设有轴向凸筋201的内管2与设有轴向条缝101的外管1嵌装配合，内筛孔202与轴向条缝101对应配合安装，外管1和内管2嵌装配合处通过焊接方式连接为一体，可提高钻杆的强度，钻杆外表形成轴向凹槽。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆，其特征在于，包括配合安装的外管和内管，所述外管和内管之间形成为打钻提供风流或水流的供流通道，所述内管中心设有为打钻提供排渣的内排渣通道，所述外管的外表上设有多条螺旋凹槽，所述螺旋凹槽内设有多个泄渣筛孔，所述内管上设有与泄渣筛孔对应连通的内筛孔，所述泄渣筛孔与内筛孔配合实现泄渣筛孔与内排渣通道连通；
所述内管外表设置有螺旋状排布的圆柱状凸起或大螺距螺旋凸筋，所述内筛孔开设在圆柱状凸起或大螺距螺旋凸筋上；
所述外管的内孔与内管外表的圆柱状凸起表面或大螺距螺旋凸筋表面紧贴密封配合；所述外管外表上的螺旋凹槽内的泄渣筛孔与内管外表上的圆柱状凸起上的筛孔或大螺距螺旋凸筋上的内筛孔一一同轴对照形成泄渣通道，使泄渣筛孔与内排渣通道连通；
所述外管外表上的螺旋凹槽内的泄渣筛孔直径小于内管外表圆柱状凸起上布置的内筛孔直径，或外管外表上的螺旋凹槽内的泄渣筛孔直径小于内管外表上大螺距螺旋凸筋上布置的内筛孔直径。
2.根据权利要求1所述的一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆，其特征在于，所述外管内孔形状为圆形，所述外管两端或与外管摩擦焊形成的接头的两端分别设有公扣和母扣。
3.根据权利要求2所述的一种突出煤层圆周供流盾护卸压筛孔螺旋钻杆，其特征在于，所述内管两端部加工出环形密封面，所述环形密封面上安装密封环，实现搭接密封，在外管的公扣和母扣的连接处供流通道变为环形过渡供流通道，风流或水流经环形过渡供流通道进入钻杆中部的供流通道。
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