CN114016910B - 一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置及方法，装置包括依次插接相连的插接式钻杆、测量短节、柔性钻杆、弹性弯曲导向单元和钻头，弹性弯曲导向单元包括柔性短节，在柔性短节外套有弹性导向弯节且该弹性导向弯节在自然状态下呈弧形弯曲状，受钻孔孔壁限制趋近直线型时其两端对孔壁有侧向力；弹性导向弯节两端连接单向定位摩擦套且两个单向定位摩擦套分别套在柔性短节两端上接头和下接头上，单向定位摩擦套与轴承及方位控制环配合，通过孔口钻机正向旋转实现分支孔钻进，孔口反转调整分支孔钻进方位。本发明能够解决煤矿井下定向长钻孔分支孔曲率半径大、侧钻施工工艺复杂和穿层瓦斯抽采孔抽采范围小、工程量大等问题。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下定向钻进技术领域，具体涉及一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置及方法。
背景技术
井下钻孔实施瓦斯预抽是目前我国治理矿孔瓦斯的根本方法，煤矿井下定向长钻孔钻进技术是成为煤矿井下区域化瓦斯治理的重要手段之一。为进一步提高瓦斯泄流面积，分支孔钻进技术的需求不断增大。目前，煤矿井下分支孔钻进主要采用弯螺杆滑动钻进进行分支孔施工，存在开孔难度大、分支孔曲率半径大、无效孔眼轨迹长、孔眼轨迹不规则、施工工艺复杂、钻进效率低等问题。
此外，基于底抽巷的穿层钻孔瓦斯抽采技术是高瓦斯、低透气性突出煤层瓦斯抽采的主要手段之一，而基于穿层钻孔的水力冲孔技术能够有效降低瓦斯抽采成本、提高抽放效率，保证工作面的安全生产，在松软、低渗煤层发育区取得了广泛的应用，目前主要采用常规钻具结合水力冲孔钻具在穿层钻孔的煤层段进行冲孔造穴，冲孔段受刚性钻具控制，水力喷射有效范围小，只能将孔眼轴线附近的煤掏出，单孔卸压范围有限，亟待一种不限于仅在孔眼轴线附近进行冲孔作业的方法，以增加穿层孔单孔的出煤量，增大卸压范围，提高穿层孔的抽采效益。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置及方法，以解决煤矿井下定向长钻孔分支孔曲率半径大、侧钻施工工艺复杂和穿层瓦斯抽采孔抽采范围小、工程量大、施工效率低等问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，其特征在于，包括依次插接相连的插接式钻杆、测量短节、柔性钻杆、弹性弯曲导向单元和钻头；
所述弹性弯曲导向单元包括柔性短节，柔性短节两端分别通过上接头连接柔性钻杆以及通过下接头连接钻头；在柔性短节外套有弹性导向弯节且该弹性导向弯节在自然状态下呈弧形弯曲状，受钻孔孔壁限制趋近直线型时其两端对孔壁有侧向力；弹性导向弯节两端连接单向定位摩擦套且两个单向定位摩擦套分别套在上接头和下接头上，单向定位摩擦套能在上接头和下接头及柔性短节正转时保持定位不动从而控制定位弹性导向弯节，单向定位摩擦套能随着上接头和下接头及柔性短节同步反转以带动并调整弹性导向弯节方位。
本发明还包括如下技术特征：
可选的，所述单向定位摩擦套包括筒体，在筒体外壁周向均布多个可径向伸缩的摩擦块；所述摩擦块截面为梯形结构且其斜腰与孔壁相对。
可选的，所述上接头与套在其上的单向定位摩擦套之间的环隙内安装轴承，下接头与套在其上的单向定位摩擦套之间的环隙内安装轴承。
可选的，所述上接头与套在其上的单向定位摩擦套之间的环隙内安装有方位控制环I，下接头与套在其上的单向定位摩擦套之间的环隙内安装有方位控制环II。
可选的，所述方位控制环I包括内环I、套在内环I上的外环I、设在内环I上的挡块I以及设在外环I内壁上的挡槽I；
所述内环I固定套在上接头上，外环I固定在上接头上的单向定位摩擦套内壁；上接头带动内环I正转时，挡块I不会限位在挡槽I内从而内环I转动而外环I不动，上接头带动内环I反转时，挡块I限位在挡槽I中从而内环I能带动外环I同步转动。
可选的，所述方位控制环II包括内环II、套在内环II上的外环II、设在内环II上的挡块II以及设在外环II内壁上的挡槽II；
所述内环II固定套在下接头上，外环II固定在下接头上的单向定位摩擦套内壁；下接头带动内环II正转时，挡块II不会限位在挡槽II内从而内环II转动而外环II不动，下接头带动内环II反转时，挡块II限位在挡槽II中从而内环II能带动外环II同步转动。
可选的，所述弹性导向弯节为弯曲定型为弧形的弹簧状结构。
可选的，所述上接头一端与柔性钻杆插接后通过锁定销锁定，上接头另一端与柔性短节插接后通过锁定销锁定；下接头一端与钻头插接后通过锁定销锁定，下接头另一端与柔性短节插接后通过锁定销锁定。
本发明还提供一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进方法，该方法通过所述的定向钻进装置实现；包括以下步骤：
步骤1：在主孔中下所述定向钻进装置，依次为钻头、弹性弯曲导向单元、柔性钻杆、测量短节和插接式钻杆，调整测量短节工具面，标定方位控制环I的挡块I和方位控制环II的挡块II的方位；下入时，在孔壁的限制下弹性导向弯节呈直线型，下入过程中采用推送或旋转方式，并且控制推进速度；
步骤2：定向钻进装置到达分支孔预设开孔位置后，定向钻进装置反转，方位控制环I上挡块I进入挡槽I及方位控制环II上挡块II进入挡槽II，带动弹性弯曲导向单元整体转动，从而调整弹性导向弯节的弯曲方位到设计方位；
步骤3：定向钻进装置正转，在弹性导向弯节对钻头施加的持续侧向力的作用下实现开分支孔，并实现回转钻进，从而保证分支孔按弹性导向弯节的曲率顺利钻进，钻进至分支孔预设深度后缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；
步骤4：继续缓慢回撤钻具至下一开分支孔位置，回撤过程中可适当旋转、冲洗，确保主孔干净；
步骤5：重复步骤2-3，实现第二个分支孔的钻进；
步骤6：重复步骤2-5，实现不同深度、不同方位分支孔的钻进。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(1)本发明采用弹性导向弯节配合柔性短节组装成弹性弯曲导向单元控制侧钻角度，无需侧钻转向控制装置，无需螺杆钻具，实现了悬空侧钻，结构简单，操作方便。
(2)本发明通过方位控制环和单向定位摩擦套的作用，实现了钻具正转钻进和反转调方位的动作，结构可靠。
(3)本发明实现了煤矿井下钻孔分支孔的极小曲率半径侧钻，解决了现有煤矿井下定向长钻孔分支孔曲率半径大、侧钻施工工艺复杂和穿层瓦斯抽采孔抽采范围小、工程量大、施工效率低等问题。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明弹性弯曲导向单元结构示意图；
图3是本发明单向定位摩擦套示意图；
图4是本发明方位控制环I示意图；
图5是本发明弹性导向弯节示意图；
图6是本发明的鱼骨井/支状分支孔施工流程图；
图7是本发明的煤层底板穿层孔施工流程图。
附图标记含义：
1.插接式钻杆，2.测量短节，3.柔性钻杆，4.弹性弯曲导向单元，5.钻头，41.柔性短节，42.上接头，43.下接头，44.弹性导向弯节，45.单向定位摩擦套，451.筒体，452.摩擦块，46.方位控制环I，461.内环I，462.外环I，463.挡块I，464.挡槽I，47.方位控制环II。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明可用于各种类型的分支孔施工，如用于煤层中的枝状分支孔、鱼骨孔，用于注浆的枝状分支孔，用于油气井、煤层气、页岩气中的分支孔。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，如图1至图5所示，包括依次插接相连的插接式钻杆1、测量短节2、柔性钻杆3、弹性弯曲导向单元4和钻头5。
弹性弯曲导向单元4包括柔性短节41，柔性短节41两端分别通过上接头42连接柔性钻杆3以及通过下接头43连接钻头5；在柔性短节41外套有弹性导向弯节44且该弹性导向弯节44在自然状态下呈弧形弯曲状，受钻孔孔壁限制趋近直线型时其两端对孔壁有侧向力；弹性导向弯节44两端连接单向定位摩擦套45且两个单向定位摩擦套45分别套在上接头42和下接头43上，单向定位摩擦套45能在上接头42和下接头43及柔性短节41正转时保持定位不动从而控制定位弹性导向弯节44，单向定位摩擦套45能随着上接头42和下接头43及柔性短节41同步反转以带动并调整弹性导向弯节44方位；通过上述方案，能实现孔口钻机正转钻进和反转调方位的动作。
单向定位摩擦套45包括筒体451，在筒体451外壁周向均布多个可径向伸缩的摩擦块452；摩擦块452截面为梯形结构且其斜腰与孔壁相对。具体的，摩擦块452和筒体451之间通过弹簧相连，弹簧将摩擦块452推出并贴在孔壁上，钻具组合正向旋转时摩擦块452与孔壁摩擦力大，在轴承作用下弹性导向弯节44不转，而钻具组合反向旋转时摩擦块452与孔壁摩擦力小，弹性导向弯节44在两个方位控制环作用下可实现带动弹性导向弯节44与柔性短节41同步旋转以调整弹性导向弯节44的方位。
上接头42与套在其上的单向定位摩擦套45之间的环隙内安装轴承，下接头43与套在其上的单向定位摩擦套45之间的环隙内安装轴承。
上接头42与套在其上的单向定位摩擦套45之间的环隙内安装有方位控制环I46，下接头43与套在其上的单向定位摩擦套45之间的环隙内安装有方位控制环II47。
方位控制环I46包括内环I461、套在内环I461上的外环I462、设在内环I461上的挡块I463以及设在外环I462内壁上的挡槽I464；内环I461固定套在上接头42上，外环I462固定在上接头42上的单向定位摩擦套45内壁；上接头42带动内环I461正转时，挡块I463不会限位在挡槽I464内从而内环I461转动而外环I462不动，上接头42带动内环I461反转时，挡块I463限位在挡槽I464中从而内环I461能带动外环I462同步转动。具体的，在本实施例中，挡槽I464一端与外环I462内壁平滑衔接，挡槽I464另一端为径向挡壁，挡块I463的端部为尖部且挡块I463内置弹簧能对挡块I463施加径向力，当挡块I463随上接头正转时，上述平滑衔接处不会阻挡挡块I463转动，当挡块I463随上接头反转时，当挡块I463转至挡槽I464处，挡块I463内置弹簧将挡块I463推至挡槽I464内从而挡块I463带动外环I462同步转动。
方位控制环II47包括内环II、套在内环II上的外环II、设在内环II上的挡块II以及设在外环II内壁上的挡槽II；内环II固定套在下接头43上，外环II固定在下接头43上的单向定位摩擦套45内壁；下接头43带动内环II正转时，挡块II不会限位在挡槽II内从而内环II转动而外环II不动，下接头43带动内环II反转时，挡块II限位在挡槽II中从而内环II能带动外环II同步转动，其中，挡块II和挡槽II的设置与上述方位控制环I46同理。
本实施例中，弹性导向弯节44为弯曲定型为弧形的弹簧状结构；其他实施例中采用带弧度且有弹性的管状或条状结构均能达到本方案的效果。
上接头42一端与柔性钻杆3插接后通过锁定销锁定，上接头42另一端与柔性短节41插接后通过锁定销锁定；下接头43一端与钻头5插接后通过锁定销锁定，下接头43另一端与柔性短节41插接后通过锁定销锁定。
实施例2：
本实施例提供一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进方法，该方法通过实施例1的定向钻进装置实现；包括以下步骤：
步骤1：在主孔中下定向钻进装置，依次为钻头、弹性弯曲导向单元、柔性钻杆、测量短节和插接式钻杆，调整测量短节工具面，标定方位控制环I内挡块I的方位，具体的，在本实施例中，由于方位控制环I和方位控制环II的挡槽I和挡槽II与弹性导向弯节的相对位置始终保持不变，而方位控制环I和方位控制环II的挡块I和挡块II在测量短节工具面上的位置始终保持不变，反向旋转时挡块进入挡槽，与挡槽相结合，通过标定挡块I和挡块II的位置在反转时便能确定弹性导向弯节方位；下入时，在孔壁的限制下弹性导向弯节呈直线型，下入过程中采用推送或旋转方式，并且控制推进速度；由于下入过程中弹性导向弯节处于受力状态，钻头受侧向力，与主孔孔壁间存在摩擦，因此，应稳定、缓慢推送。
步骤2：定向钻进装置到达分支孔预设开孔位置后，通过测量短节测量方位控制环挡块的方位，反转一圈以上，挡块进入挡槽，带动挡槽转动，从而带动弹性导向弯节同步转动，以此调整弹性导向弯节的弯曲方位到设计方位；
步骤3：启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，动力头正向旋转，定向钻进装置正转，在弹性导向弯节对钻头施加的持续侧向力的作用下实现开分支孔，并实现回转钻进，由于单向定位摩擦套和方位控制环的双重作用，在钻具正向旋转钻进时，可保证弹性导向弯节不发生转动，从而保证分支孔按弹性导向弯节的曲率顺利钻进，钻进至分支孔预设深度后缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；
步骤4：继续缓慢回撤钻具至下一开分支孔位置，回撤过程中可适当旋转、冲洗，确保主孔干净；
步骤5：重复步骤2-3，实现第二个分支孔的钻进；
步骤6：重复步骤2-5，实现不同深度、不同方位分支孔的钻进。
实施例3：
本实施例提供一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进方法，如图6所示，以鱼骨井/支状分支孔为例进行阐述，包括以下步骤：
步骤1：采用常规定向钻具组合在煤层顶板岩层中施工Φ98mm分支孔主孔；施工完成后撤出钻具；
步骤2：在主孔中下入钻具组合：98mm钻头+弹性弯曲导向单元+柔性钻杆+测量短节+插接式钻杆，调整测量仪器钻具面，标定弹性弯曲导向单元上挡块的位置，下入时，在孔壁的限制下弹性导向弯节呈直线型，下入过程中可采用推送、旋转方式，并且控制推进速度，由于下入过程中弹性导向弯节处于受力状态，其与主孔孔壁间存在摩擦，因此，应稳定、缓慢推送；
步骤3：钻具到达分支孔预设开孔位置后，通过测量短节确定挡块的方位，反转一圈以上调整弹性导向弯节的预设弯曲方位，将弹性导向弯节预设弯曲方向调整至第一个分支孔预设方位，即垂直向下；
步骤4：启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，动力头正向旋转，实现分支孔旋转钻进，钻进至设计孔深后，缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；
步骤5：继续缓慢回撤钻具至下一开分支孔位置，回撤过程中可适当旋转、冲洗，确保主孔干净；
步骤6：重复步骤3-4，实现第二个分支孔的钻进；
步骤7：重复步骤3-6，实现不同深度、不同方位分支孔的钻进。
实施例4：
本实施例提供一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进方法，如图7所示，以煤层底板穿层孔为例进行阐述，包括以下步骤：
步骤1：在底板巷中设置钻场，采用常规钻具组合施工Φ98mm穿层孔，见煤后撤出钻具；
步骤2：下入钻具组合：98mm钻头+弹性弯曲导向单元+柔性钻杆+测量短节+插接式钻杆，调整测量仪器工具面，标定弹性弯曲导向单元上挡块的位置，下入时，在孔壁的限制下弹性导向弯节呈直线型，下入过程中可采用推送、旋转方式，并且控制推进速度，由于下入过程中弹性导向弯节处于受力状态，其与主孔孔壁间存在摩擦，因此，应稳定、缓慢推送；
步骤3：待钻具推送至孔底后，通过测量短节确定挡块的方位，反转动力头一圈以上，测量弹性导向弯节预设弯曲方向的方位，将弹性导向弯节预设弯曲方向调整至第一个径向分支孔预设方位；
步骤4：启动泥浆泵，将泵压逐渐提高，动力头正向旋转，实现径向分支孔的孔旋转钻进掏煤，钻进至预设深度后，缓慢回撤钻具至主孔内分支孔开孔位置；
步骤5：动力头反转一圈以上调整弹性导向弯节的预设弯曲方位，将弹性导向弯节预设弯曲方向调整至第二个分支孔预设方位；
步骤6：启动泥浆泵、动力头正向旋转钻进分支径向孔进行掏煤、造穴；
步骤7：重复步骤3-4，完成同一深度穿层钻孔多个径向分支孔的掏煤钻进。
Claims (6)
1.一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，其特征在于，包括依次插接相连的插接式钻杆(1)、测量短节(2)、柔性钻杆(3)、弹性弯曲导向单元(4)和钻头(5)；
所述弹性弯曲导向单元(4)包括柔性短节(41)，柔性短节(41)两端分别通过上接头(42)连接柔性钻杆(3)以及通过下接头(43)连接钻头(5)；在柔性短节(41)外套有弹性导向弯节(44)且该弹性导向弯节(44)在自然状态下呈弧形弯曲状，受钻孔孔壁限制趋近直线型时其两端对孔壁有侧向力；弹性导向弯节(44)两端连接单向定位摩擦套(45)且两个单向定位摩擦套(45)分别套在上接头(42)和下接头(43)上，单向定位摩擦套(45)能在上接头(42)和下接头(43)及柔性短节(41)正转时保持定位不动从而控制定位弹性导向弯节(44)，单向定位摩擦套(45)能随着上接头(42)和下接头(43)及柔性短节(41)同步反转以带动并调整弹性导向弯节(44)方位；
所述上接头(42)与套在其上的单向定位摩擦套(45)之间的环隙内安装有方位控制环I(46)，下接头(43)与套在其上的单向定位摩擦套(45)之间的环隙内安装有方位控制环II(47)；
所述方位控制环I(46)包括内环I(461)、套在内环I(461)上的外环I(462)、设在内环I(461)上的挡块I(463)以及设在外环I(462)内壁上的挡槽I(464)；
所述内环I(461)固定套在上接头(42)上，外环I(462)固定在上接头(42)上的单向定位摩擦套(45)内壁；上接头(42)带动内环I(461)正转时，挡块I(463)不会限位在挡槽I(464)内从而内环I(461)转动而外环I(462)不动，上接头(42)带动内环I(461)反转时，挡块I(463)限位在挡槽I(464)中从而内环I(461)能带动外环I(462)和弹性导向弯节(44)同步转动；
所述方位控制环II(47)包括内环II、套在内环II上的外环II、设在内环II上的挡块II以及设在外环II内壁上的挡槽II；
所述内环II固定套在下接头(43)上，外环II固定在下接头(43)上的单向定位摩擦套(45)内壁；下接头(43)带动内环II正转时，挡块II不会限位在挡槽II内从而内环II转动而外环II不动，下接头(43)带动内环II反转时，挡块II限位在挡槽II中从而内环II能带动外环II和弹性导向弯节(44)同步转动。
2.如权利要求1所述的弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，其特征在于，所述单向定位摩擦套(45)包括筒体(451)，在筒体(451)外壁周向均布多个可径向伸缩的摩擦块(452)；所述摩擦块(452)截面为梯形结构且其斜腰与孔壁相对。
3.如权利要求1所述的弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，其特征在于，所述上接头(42)与套在其上的单向定位摩擦套(45)之间的环隙内安装轴承，下接头(43)与套在其上的单向定位摩擦套(45)之间的环隙内安装轴承。
4.如权利要求1所述的弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，其特征在于，所述弹性导向弯节(44)为弯曲定型为弧形的弹簧状结构。
5.如权利要求1所述的弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置，其特征在于，所述上接头(42)一端与柔性钻杆(3)插接后通过锁定销锁定，上接头(42)另一端与柔性短节(41)插接后通过锁定销锁定；下接头(43)一端与钻头(5)插接后通过锁定销锁定，下接头(43)另一端与柔性短节(41)插接后通过锁定销锁定。
6.一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进方法，其特征在于，该方法通过权利要求1所述的定向钻进装置实现；包括以下步骤：
步骤1：在主孔中下所述定向钻进装置，依次为钻头、弹性弯曲导向单元、柔性钻杆、测量短节和插接式钻杆，调整测量短节工具面，标定方位控制环I的挡块I和方位控制环II的挡块II的方位；下入时，在孔壁的限制下弹性导向弯节呈直线型，下入过程中采用推送或旋转方式，并且控制推进速度；
步骤2：定向钻进装置到达分支孔预设开孔位置后，定向钻进装置反转，方位控制环I上挡块I进入挡槽I及方位控制环II上挡块II进入挡槽II，带动弹性导向弯节和弹性弯曲导向单元整体转动，从而调整弹性导向弯节的弯曲方位到设计方位；
步骤3：定向钻进装置正转，在弹性导向弯节对钻头施加的持续侧向力的作用下实现开分支孔，并实现回转钻进，从而保证分支孔按弹性导向弯节的曲率顺利钻进，钻进至分支孔预设深度后缓慢回撤钻具至分支孔开孔位置；
步骤4：继续缓慢回撤钻具至下一开分支孔位置，回撤过程中可适当旋转、冲洗，确保主孔干净；
步骤5：重复步骤2-3，实现第二个分支孔的钻进；
步骤6：重复步骤2-5，实现不同深度、不同方位分支孔的钻进。
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