CN114233194B - 一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合及钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，包括顺序连接设置的通信短节、动力单元、万向短节、造斜短节和定向钻头；造斜单元包括依次连接设置的测控组件、水力造斜组件和推靠造斜组件；测控组件与用于控制过水通道通断的电磁阀电连接，通过电磁阀控制水流，进而实现水力造斜组件和推靠造斜组件沿造斜短节外管的径向推靠孔壁，使造斜短节外管相对万向轴的轴线产生偏转角。本发明装置通过水力造斜组件和推靠造斜组件的协同作用，大大提高了钻具组合的造斜力，满足了深孔钻进作业中对钻孔轨迹调整的要求；同时，可以通过设置的测控组件对造斜力的大小进行调整，加强了螺杆钻具对不同地层和钻进工况的适应性。

Description

一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合及钻进方法

技术领域

本发明属于煤矿井下坑道钻探领域，具体涉及一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合及钻进方法。

背景技术

目前，煤矿井下随钻测量定向钻进技术广泛应用于瓦斯抽采、水害防治和隐蔽致灾因素探查等矿井灾害预防和治理领域，有力保障着矿井的安全高效生产。其中，螺杆钻具是煤矿井下定向钻进技术的关键配套装备，在钻进过程中起到旋转破碎煤岩层成孔，调整钻进方向和钻孔轨迹的作用。

煤矿井下常用螺杆钻具一般采用一体式不可拆卸的连接方式，出厂时已组装好，在井下使用时不可拆卸和组装；采用弯接头结构，在钻进过程中通过特定方向的连续钻进实现滑动定向。因此，现有煤矿井下螺杆钻具主要存在以下几点缺陷：由于采用弯接头结构，依靠钻进给进力在弯接头处产生的侧向力实现定向钻进，在孔深加大时给进力主要用于抵消钻柱和孔壁之间的摩擦阻力，造成弯接头处侧向力明显降低，造斜能力严重不足，不能满足深孔钻进要求；现有煤矿井下螺杆钻具只能在滑动状态下侧向切削煤岩层进行定向钻进，在深孔钻进时，钻进给进力大部分用于抵消钻柱和孔壁之间的摩擦阻力，只有小部分给进力作用在螺杆钻具上，钻进给进力不足，限制了定向钻进成孔深度，导致成孔深度和质量受限；此外，滑动定向钻进钻孔孔壁光滑度差，钻孔轨迹弯曲强度高，成孔质量差；现场不可拆卸和组装，运输和使用不便。目前，井下常用螺杆钻具长度一般在4m以上，重量在100kg左右，在“以孔代巷”瓦斯治理技术要求钻孔直径加大以提高瓦斯抽采效果的背景下，螺杆钻具长度可达到5m以上，重量超过200kg，受井下运输条件和巷道尺寸限制，井下运输不便，同时向钻孔内下入和取出过程中施工人员劳动强度大，使用不便，存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合及钻进方法，以克服现有煤矿井下螺杆钻具在瓦斯抽采钻孔施工中存在的技术缺陷和问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，包括顺序连接设置的通信短节、动力单元、万向短节、造斜短节和定向钻头；

所述通信短节包括通信短节外管，套设在通讯短节外管内的通信测量组件，以及嵌设在通信短节外管内的侧壁转中心电缆；

所述动力单元包括可拆卸连接的多个动力机构，所述动力机构包括马达短节外管、设在马达短节外管内壁的定子、设在定子内的转子，以及嵌设在马达短节外管内的动力通信电缆；

所述万向短节包括万向轴、套装在万向轴外的万向短节外管，以及嵌设在万向短节外管内的万向短节通信电缆；

所述造斜短节包括传扭轴、套在传扭轴外的造斜短节外管，设在造斜短节外管上的造斜单元，以及嵌设在造斜短节外管外壁上且与所述造斜单元相连的造斜短节通信电缆，所述传扭轴内设置有沿轴向延伸的内腔体，所述内腔体靠近定向钻头的一端开放，远离定向钻头的一端与开设在传扭轴外侧壁上的第一入水口连通；

所述转子、万向轴、传扭轴和定向钻头顺序连接；所述通信短节外管、马达短节外管、万向短节外管、造斜短节外管依次连通；所述侧壁转中心电缆、动力通信电缆、万向短节通信电缆和造斜短节通信电缆依次连通，形成供电通信通道；

所述传扭轴的侧壁上开设有入水孔，通信短节外管内壁与通信测量组件之间形成第一水流通道、所述定子与转子之间形成第二水流通道，所述万向短节外管内壁与万向轴外壁之间形成第三水流通道、所述传扭轴的中心通孔形成第四水流通道，所述第一水流通道、第二水流通道、第三水流通道与第四水流通道连通；

所述造斜短节外管上沿传扭轴的轴向设置有过水通道，所述过水通道与沿万向轴轴向开设在万向短节外管上的进水通道连通，所述进水通道与开设在万向短节外管内壁上的第二入水口连通；

所述造斜单元包括依次连接设置的测控组件、水力造斜组件和推靠造斜组件；所述测控组件与用于控制过水通道通断的电磁阀电连接，通过电磁阀控制水流，进而实现水力造斜组件和推靠造斜组件沿造斜短节外管的径向推靠孔壁，使所述造斜短节外管相对所述万向轴的轴线产生偏转角。

本发明还具有以下技术特征：

具体的，所述通信测量组件包括依次相连的中心通信接头、侧壁转中心接头和导向头；所述侧壁转中心电缆依次通过通讯短节外管上沿径向开设的第一过线孔、侧壁转中心接头上沿径向开设的第二过线孔与中心通信接头相连。

更进一步的，所述侧壁转中心接头上还沿轴向开设有过流通孔；所述中心通信接头与通信短节外管之间还设置有固定环和扶正器，所述固定环用于中心通信接头的固定，扶正器用于中心通信接头的扶正。

更进一步的，所述转子包括连接设置的第一转子和第二转子，第一转子的远离第二转子的一端设置有防脱接头，且靠近第二转子的一端设置有快接公接头；第二转子靠近第一转子的一端设置有快接母接头，且远离第一转子的一端设置有用于连接万向轴的传动接头。

更进一步的，所述测控组件包括沿造斜短节外管同一母线方向顺序排列的测量单元、控制单元和传输单元，所述测量单元安装在开设于造斜短节外管上的第一安装腔内，所述测量单元上设置有用于测量推靠造斜组件造斜方向的加速度传感器；所述控制单元与所述电磁阀电连接，用于控制电磁阀的开度；所述传输单元用于接收由通信测量组件传送的控制指令并将接收到的控制指令发送给控制单元。

更进一步的，所述推靠造斜组件包括侧推块，所述侧推块安装在沿径向贯通设置于造斜短节外管上的第二安装腔内，侧推块下方设置有与侧推块抵接的水力活塞，且所述水力活塞经开设在造斜短节外管内壁上的过水口穿入过水通道，当过水通道有水流通过时，水力活塞在水力作用下推动侧推块沿造斜短节外管径向孔壁侧移动。

更进一步的，所述造斜短节外管上还开设有多个与过水通道连通的造斜通孔，所述造斜通孔内设置有水力造斜组件；所述水力造斜组件包括可封闭造斜通孔的密封活塞；所述密封活塞包括活塞座、与活塞座固定连接的活塞杆，所述活塞杆上套装有复位弹簧，所述复位弹簧的一端与活塞座的上表面抵接，另一端与设置在造斜通孔内的台阶面抵接，当流经过水通道的高压水进入造斜通孔时，密封活塞可在水流推动下沿造斜通孔的轴向移动。

更进一步的，所述通信短节外管和马达短节外管连接处、马达短节外管和万向短节外管连接处均设置有跨接头通信组件，以构成通信测量组件和测控组件之间的有线供电通信传输通道；所述跨接头通信组件包括两个相对的绝缘橡胶环，在第一绝缘橡胶环上设有第一环形槽，在第二绝缘橡胶环上设有第二环形槽；第一环形槽内设有公滑环且在公滑环和第一环形槽槽底之间设有高强度弹簧，第二环形槽内设有母滑环；公滑环和母滑环配合接触，且公滑环和母滑环分别连接有伸出两个绝缘橡胶环的跨接头电缆。

更进一步的，所述万向短节外管和造斜短节外管连接处设有通水走线组件，所述万向短节外管和造斜短节外管连接处设有通水走线组件，所述通水走线组件包括相对设置的第三绝缘橡胶环和第四绝缘橡胶环，所述第三绝缘橡胶环上设有第三环形槽，在第四绝缘橡胶环上设有第四环形槽；第三环形槽内设有公滑环，第四环形槽内设有母滑环；公滑环和母滑环配合接触，且公滑环和母滑环分别连接有伸出两个绝缘橡胶环的跨接头电缆；在第三绝缘橡胶环和第四绝缘橡胶环的相对位置上分别开设有第一过水孔和第二过水孔，且所述第一过水孔与进水通道同轴连通、所述第二过水孔与过水通道同轴连通。

本发明还公开了一种回转定向钻进方法，所述方法通过上述煤矿井下分体式水力造斜钻具组合实现，包括以下步骤：

步骤1、在井下巷道内开掘钻场，利用开孔钻具组合施工岩层定向钻孔的开孔段，下入套管后固孔；

步骤2、向钻孔内下入钻具，下入过程中完成通信短节、动力单元、万向短节、造斜短节的组装；完成钻具与随钻测量系统和高压胶管的连接；

步骤3、通过高压胶管向钻具组合内泵入高压水，通过高压水推动钻具组合沿预设的钻进方向前进，在钻进过程中，传输单元接收由随钻测量系统发出、继而由通信测量组件传送的控制指令，并将控制指令发送给控制单元，当测量单元检测到推靠造斜组件旋转至设定的造斜方向时，控制单元通过控制电磁阀的开度控制水力造斜组件和推靠造斜组件沿造斜短节外管的径向推靠孔壁，实施水力造斜定向钻进。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明装置通过钻具组合中各组成部分的相互配合，尤其是设置的水力造斜组件和推靠造斜组件的协同作用，大大提高了钻具组合的造斜力，满足了深孔钻进作业中对钻孔轨迹调整的要求；同时，可以通过设置的测控组件对造斜力的大小进行调整，加强了螺杆钻具对不同地层和钻进工况的适应性。

(2)本发明的钻具组合设计采用造斜短节进行造斜钻进，使得钻杆由传统的滑动状态转变为回转状态，显著降低了钻杆与孔壁之间的摩擦阻力，使孔口钻机给进力能能够高效的传递给位于孔底的钻具，确保定向钻进给进力充足，可以有效提高定向钻进成孔深度；同时，回转定向钻进后的钻孔孔壁光滑度好，钻孔轨迹弯曲强度降低，显著改善了钻孔的成孔质量。

(3)本发明的钻具组合由多个可拆卸的部件组成，在煤矿井下，可以实现运输和施工现场的快速拆卸和组装，有效缩短了单根钻具的运输和吊运尺寸，单节尺寸可以控制在2m以内，便于井下运输，以及向孔内下入和从孔内取出，显著降低了施工人员的劳动强度，提高了使用螺杆钻具的安全性。

(4)本发明方法实现了回转定向钻进，显著降低了钻杆与孔壁之间的摩擦阻力，可确保定向钻进具备充足的给进力，可以有效提高定向钻进成孔深度和成孔质量。

附图说明

图1为煤矿井下分体式水力造斜钻具组合的整体结构示意图；

图2为通信短节结构示意图；

图3为动力单元结构示意图；

图4为万向短节结构示意图；

图5为造斜短节结构示意图；

图6为测控组件结构示意图；

图7为水力造斜组件结构示意图；

图8为跨接头通信组件结构示意图，其中，a为跨接头通信组件的剖面图，b为跨接头通信组件的主视图；

图9为通水走线组件结构示意图，其中，a为通水走线组件的剖面图，b为通水走线组件的主视图。

图10为本发明的钻具组合与常规滑动钻进用定向螺杆钻具组合的造斜力对比图。

附图标记含义：

1-通信短节，2-动力单元，3-万向短节，4-造斜短节，5-定向钻头；11-通信短节外管，12-通信测量组件，13-侧壁转中心电缆，14-固定环，15-扶正器，16-跨接头通信组件，17-通水走线组件；21-马达短节外管，22-定子，23-转子，24-动力通信电缆；31- 万向轴，32-万向短节外管，33-万向短节通信电缆；41-传扭轴，42-造斜短节外管，43- 造斜单元，44-造斜短节通信电缆；111-第二过线孔，121-中心通信接头，122-侧壁转中心接头，123-导向头，161-第一绝缘橡胶环，162-第二绝缘橡胶环，163-跨接头电缆； 171-第三绝缘橡胶环，172-第四绝缘橡胶环；231-第一转子，232-第二转子，233-防脱接头，234-快接公接头，235-快接母接头，236-传动接头；321-进水通道，322-第二入水口； 411-第一入水口，412-过水通道；421-造斜通孔，；431-测控组件，432-水力造斜组件， 433-推靠造斜组件，434-电磁阀；1221-第一过线孔，1222-过流通孔；1611-第一环形槽， 1612-螺栓固定孔，1621-第二环形槽；1711-第三环形槽，1712-第四绝缘槽；4211-台阶面，4321-密封活塞、43211-活塞座，43212-活塞杆，43213-复位弹簧，4311-测量单元，4312-控制单元，4313-传输单元；4331-侧推块，4332-水力活塞。

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

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。

本发明所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指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，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。需要说明的是，本发明以图1中表示的方向理解。

此外，术语“第一”、“第二”等序数词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本发明中所述的所有零件均可在市场上够得，所用的传感器和控制单元均为常规部件。

实施例1：

如图1至图9所示，本实施例提供一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，包括顺序连接设置的通信短节1、动力单元2、万向短节3、造斜短节4和定向钻头5；

通信短节1包括通信短节外管11，套设在通讯短节外管11内的通信测量组件12，以及嵌设在通信短节外管11内的侧壁转中心电缆13；在本实施例中，侧壁转中心电缆 13设置在通信短节外管11上开设的凹槽内，凹槽上采用密封端盖压紧和密封。

动力单元2包括可拆卸连接的多个动力机构，动力机构包括马达短节外管21、设在马达短节外管21内壁的定子22、设在定子22内的转子23，以及嵌设在马达短节外管 21内的动力通信电缆24；本实施例中的定子22为橡胶定子。

万向短节3包括万向轴31、套装在万向轴31外的万向短节外管32，以及嵌设在万向短节外管32内的万向短节通信电缆33；

造斜短节4包括传扭轴41、套在传扭轴41外的造斜短节外管42，设在造斜短节外管42上的造斜单元43，以及嵌设在造斜短节外管42外壁上且与造斜单元43相连的造斜短节通信电缆44，传扭轴41内设置有沿轴向延伸的内腔体，内腔体靠近定向钻头5 的一端开放，远离定向钻头5的一端与开设在传扭轴41外侧壁上的第一入水口411连通；其中，传扭轴41外壁与造斜短节外管42内壁之间设置有多组轴承；

转子23、万向轴31、传扭轴41和定向钻头5顺序连接；通信短节外管11、马达短节外管21、万向短节外管32、造斜短节外管42依次连通；侧壁转中心电缆13、动力通信电缆24、万向短节通信电缆33和造斜短节通信电缆44依次连通，形成通信供电通道；

通信短节外管11内壁与通信测量组件12之间形成第一水流通道、定子内壁22与转子23外壁之间形成第二水流通道，万向短节外管32内壁与万向轴31外壁之间形成第三水流通道、传扭轴41的内腔体形成第四水流通道，第一水流通道、第二水流通道、第三水流通道与第四水流通道连通；

造斜短节外管42上沿传扭轴41的轴向设置有过水通道412，过水通道412与沿万向轴31轴向开设在万向短节外管32上的进水通道321连通，进水通道321与开设在万向短节外管32内壁上的第二入水口322连通；

造斜单元43包括依次连接设置的测控组件431、水力造斜组件432和推靠造斜组件433；测控组件431与用于控制过水通道412通断的电磁阀434电连接，通过电磁阀434 的开度控制水流，进而实现水力造斜组件432和推靠造斜组件433沿造斜短节外管42 的径向推靠孔壁，使造斜短节外管42相对万向轴31的轴线产生偏转角。

在本方案中，通信短节1用于将侧壁供电通信通道转换为中心供电通信通道，进而与钻进用的随钻测量系统连接，接收由随钻测量系统发出的造斜钻进控制指令，并将孔底测量数据传递给随钻测量系统；动力单元2用于为万向短节3、造斜短节4和定向钻头5提供钻进动力，同时可以用作造斜短节4的供电和通信通道。

作为本实施例的一种优选方案，如图2所示，通信测量组件12包括依次相连的中心通信接头121、侧壁转中心接头122和导向头123；中心通信接头121依次穿过侧壁转中心接头122上沿径向开设的第一过线孔1221和通讯短节外管11上沿径向开设的第二过线孔111与侧壁转中心电缆13相连。中心通信接头121和侧壁转中心接头122通过螺纹进行连接，通过侧壁转中心电缆13与中心通信接头121的连接，将侧壁通信传输通道转换为中心传输通道。

作为本实施例的一种优选方案，侧壁转中心接头122上还沿轴向开设有过流通孔1222，过流通孔1222沿侧壁转中心接头122的周向布设，相邻过流通孔1222的夹角为 120°。中心通信接头121与通信短节外管11之间还设置有固定环14和扶正器15，固定环14用于中心通信接头121的固定，扶正器15用于中心通信接头121的扶正。在侧壁转中心接头122与通信短节外管11内壁之间设置了多组密封圈，以确保在密封圈与通信短节外管11之间构成密封空间，侧壁转中心电缆13穿过所述的密封空间连接中心通信接头121，从而确保侧壁转中心电缆13不会受到冲洗液冲击。

作为本实施例的一种优选方案，如图3所示，转子23包括连接设置的第一转子231和第二转子232，第一转子231的远离第二转子232的一端设置有防脱接头233，且靠近第二转子232的一端设置有快接公接头234；第二转子232靠近第一转子231的一端设置有快接母接头235，且远离第一转子231的一端设置有用于连接万向轴31的传动接头236。可以根据实际需要选择动力机构的数量，通过第一转子231和第二转子232串联即可。

作为本实施例的一种优选方案，如图6所示，测控组件431包括沿造斜短节外管42同一母线方向顺序排列的测量单元4311、控制单元4312和传输单元4313，测量单元4311 安装在开设于造斜短节外管42上的第一安装腔内，且测量单元4311上设置有用于测量推靠造斜组件433造斜方向的加速度传感器；控制单元4313与电磁阀434电连接，用于控制电磁阀434的开度；传输单元4313用于接收由通信测量组件12传送的控制指令并将接收到的控制指令发送给控制单元4312。

作为本实施例的一种优选方案，如图5所示，推靠造斜组件433包括侧推块4331，侧推块4331安装在沿径向贯通设置于造斜短节外管42上的第二安装腔内，侧推块4331 下方设置有与侧推块4331抵接的水力活塞4332，且水力活塞4332经开设在造斜短节外管42内壁上的过水口穿入过水通道412，当过水通道412有水流通过时，水力活塞4332 在水力作用下推动侧推块4331沿造斜短节外管42径向孔壁侧移动。

作为优选，在第二安装腔内设置限位台阶，限位台阶用于限定侧推块4331在第二安装腔内的移动位置，且侧推块4331的形状与第二安装腔的形状匹配，侧推块4331被水力推动后，伸出第二安装腔后推靠孔壁，带来侧向推靠力，给钻具施加主要造斜力，同时，冲洗液流经造斜通孔421后向孔壁喷射，水喷出的同时给钻具带来侧向推靠力以形成次要造斜力，钻具可以在主要造斜力和次要造斜力的协同作用下回转定向钻进。

作为本实施例的一种优选方案，造斜短节外管42上还开设有多个与过水通道412连通的造斜通孔421，造斜通孔421内设置有水力造斜组件432，水力造斜组件432包括可封闭造斜通孔421的密封活塞4321；密封活塞4321包括活塞座43211、与活塞座 43211固定连接的活塞杆43212，活塞杆43212上套装有复位弹簧43213，复位弹簧43213 的一端与活塞座43211的上表面抵接，另一端与设置在造斜通孔421内的台阶面4211 抵接，当流经过水通道412的高压水进入造斜通孔421时，密封活塞4321可在水流推动下沿造斜通孔421的轴向移动。在没有水流通过时，密封活塞4321可以封闭造斜通孔421，在有水流通过时，密封活塞4321在水流的作用下沿造斜通孔421内沿轴向向远离传扭轴41的方向移动至与台阶面4211抵接，此时水流可通过密封活塞4321与造斜通孔421内壁间的间隙喷出。

作为本实施例的一种优选方案，通信短节外管11和马达短节外管21连接处、相邻马达短节外管21之间、马达短节外管21和万向短节外管32连接处均设置有跨接头通信组件16，以构成通信测量组件12和测控组件431之间的有线通信传输通道；如图8 所示，跨接头通信组件16包括相对设置的第一绝缘橡胶环161和第二绝缘橡胶环162，在第一绝缘橡胶环161上设有第一环形槽1611，在第二绝缘橡胶环162上设有第二环形槽1621；第一环形槽1611内设有公滑环，第二环形槽1621内设有母滑环；公滑环和母滑环配合接触，且公滑环和母滑环上分别连接有伸出两个绝缘橡胶环的跨接头电缆163。

本实施例中，在第一绝缘橡胶环161和第二绝缘橡胶环162上还设置了螺栓固定孔1612，通过4个穿设在螺栓固定孔1612中的螺栓固定第一绝缘橡胶环161和第二绝缘橡胶环162。

作为本实施例的一种优选方案，万向短节外管32和造斜短节外管42连接处设有通水走线组件17，如图9所示，通水走线组件13包括相对设置的第三绝缘橡胶环171和第四绝缘橡胶环172，第三绝缘橡胶环171上设有第三环形槽1711，在第四绝缘橡胶环 172上设有第四环形槽1721；第三环形槽1711内设有公滑环，第四环形槽1721内设有母滑环；公滑环和母滑环配合接触，且公滑环和母滑环分别连接有伸出两个绝缘橡胶环的跨接头电缆；在第三绝缘橡胶环171和第四绝缘橡胶环172的相对位置上分别开设有第一过水孔1712和第二过水孔1722，且第一过水孔1712与进水通道321同轴连通、第二过水孔1722与过水通道412同轴连通。

具体的，通信短节外管11和马达短节外管21连接处，第一绝缘橡胶环161和第二绝缘橡胶环162分别安装在通信短节外管11和马达短节外管21的端部，跨接头电缆分别连接两端的侧壁转中心电缆13和动力通信电缆24；具体的，相邻马达短节外管21 的连接处，第一绝缘橡胶环161和第二绝缘橡胶环162分别安装在相邻马达短节外管的端部，跨接头电缆分别连接两端的动力通信电缆24；马达短节外管21和万向短节外管 32连接处，第一绝缘橡胶环161和第二绝缘橡胶环162分别安装在马达短节外管21和万向短节外管32的端部，跨接头电缆分别连接两端的动力通信电缆24和万向短节通信电缆33；万向短节外管32和造斜短节外管42第三绝缘橡胶环171和第四绝缘橡胶环 172分别安装在万向短节外管32和造斜短节外管42的端部，跨接头电缆分别连接两端的万向短节通信电缆33和造斜短节通信电缆44。

需要说明的是，本实施例中所用的所有电缆均在电缆外壁上设置耐磨橡胶覆盖层、防护金属管和耐磨合金涂层。

本发明的使用过程如下：

冲洗液流经动力单元时，冲洗液压能转换为转子的动能，带动转子高速旋转，然后通过扭矩传输，转子23回转带动定向钻头5旋转碎岩钻进，冲洗液进入钻具组合后，部分进入万向短节外管32内的进水通道321，进水通道321利用通水走线组件17与过水通道412连通，冲洗液依次流经进水通道321、通水走线组件17和过水通道412，为造斜短节4内的水力造斜组件432和推靠造斜组件433提供水力造斜和推靠造斜的动力。

传输单元4313接收与中心通信接头121相连的随钻测量系统发出的造斜控制指令，并向控制单元4023传输，测量单元4311上设有加速度传感器，可以测量推靠造斜组件433的造斜方向，水力造斜组件432与推靠造斜组件433由于位于造斜短节外管的相同母线方向上，所以水力造斜组件432与推靠造斜组件433的造斜方向一致；当测量单元 4311检测到推靠造斜组件433旋转至设定的造斜方向时，测量单元4311通过控制电磁阀434的开度来控制进入推靠造斜组件433和水力造斜组件432的水流，使其在指定造斜方向工作以给钻具施加造斜力，从而实现特定造斜方向上的回转定向钻进。

具体为：控制单元4023发出指令使电磁比例阀4024打开，冲洗液通过进水口4055进入水力活塞4054，水力活塞4054推动侧推块4052伸出推靠孔壁带来侧向推靠力以形成主要造斜力；同时，冲洗液进入水力造斜组件403通过水力喷嘴4032向孔壁喷射，水力喷出的同时给钻具带来侧向推靠力以形成次要造斜力，在推靠造斜组件405主要造斜力和水力造斜组件403次要造斜力的作用下使螺杆钻具向特定方向回转定向钻进。由于可以通过调整电磁阀434的开度来控制进水压力，所以推靠造斜组件405和水力造斜组件403输出的主要造斜力和次要造斜力大小可调，可以满足不同地层、不同钻进工艺对造斜力的要求。

实施例2：

本实施例公开了一种回转定向钻进方法，所述方法通过实施例1公开的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合实现，包括以下步骤：

步骤1、在井下巷道内开掘钻场，利用开孔钻具组合施工岩层定向钻孔的开孔段，下入套管后固孔；

步骤2、向钻孔内下入钻具，下入过程中完成通信短节、动力单元、万向短节、造斜短节的组装；完成钻具与随钻测量系统和高压胶管的连接；

步骤3、通过高压胶管向钻具组合内泵入高压水，通过高压水推动钻具组合沿预设的钻进方向前进，在钻进过程中，传输单元接收由随钻测量系统发出、继而由通信测量组件传送的控制指令，并将控制指令发送给控制单元，当测量单元检测到推靠造斜组件旋转至设定的造斜方向时，控制单元通过控制电磁阀的开度控制水力造斜组件和推靠造斜组件沿造斜短节外管的径向推靠孔壁，实施水力造斜定向钻进。

为验证本发明方法的效果，在螺杆马达试验平台上，分别应用本发明装置和现有的、适用于常规滑动定向钻进的螺杆钻具组合进行了造斜力对比实验，两种钻具组合的技术参数见表1，以钻头侧向力表征的造斜力，对比结果如图10所示。

由图10可以看出，随着钻压的变化，常规回转钻进用定向螺杆钻具组合的造斜力范围为0.28～0.34kN，而本发明的钻具组合的造斜力范围为0.60～0.74kN，上述对比实验结果表明，在同一钻压条件下，本发明的一种分体式水力造斜螺杆钻具应用推靠造斜和水力造斜相结合的造斜方式，可以将螺杆钻具造斜力提高50％以上，满足深孔钻进中钻孔轨迹调整的需要。

表1、钻具组合技术参数。

Claims (9)

1.一种煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，包括顺序连接设置的通信短节（1）、动力单元（2）、万向短节（3）、造斜短节（4）和定向钻头（5）；

所述通信短节（1）包括通信短节外管（11），套设在通信短节外管（11）内的通信测量组件（12），以及嵌设在通信短节外管（11）内的侧壁转中心电缆（13）；

所述动力单元（2）包括可拆卸连接的多个动力机构，所述动力机构包括马达短节外管（21）、设在马达短节外管（21）内壁的定子（22）、设在定子（22）内的转子（23），以及嵌设在马达短节外管（21）内的动力通信电缆（24）；

所述万向短节（3）包括万向轴（31）、套装在万向轴（31）外的万向短节外管（32），以及嵌设在万向短节外管（32）内的万向短节通信电缆（33）；

所述造斜短节（4）包括传扭轴（41）、套在传扭轴（41）外的造斜短节外管（42），设在造斜短节外管（42）上的造斜单元（43），以及嵌设在造斜短节外管（42）外壁上且与所述造斜单元（43）相连的造斜短节通信电缆（44），所述传扭轴（41）内设置有沿轴向延伸的内腔体，所述内腔体靠近定向钻头（5）的一端开放，远离定向钻头（5）的一端与开设在传扭轴（41）外侧壁上的第一入水口（411）连通；

所述转子（23）、万向轴（31）、传扭轴（41）和定向钻头（5）顺序连接；所述通信短节外管（11）、马达短节外管（21）、万向短节外管（32）、造斜短节外管（42）依次连通；所述侧壁转中心电缆（13）、动力通信电缆（24）、万向短节通信电缆（33）和造斜短节通信电缆（44）依次连通，形成供电通信通道；

所述通信短节外管（11）内壁与通信测量组件（12）之间形成第一水流通道、所述定子（22）内壁与转子（23）外壁之间形成第二水流通道，所述万向短节外管（32）内壁与万向轴（31）外壁之间形成第三水流通道、所述传扭轴（41）的内腔体形成第四水流通道，所述第一水流通道、第二水流通道、第三水流通道与第四水流通道连通；

所述造斜短节外管（42）上沿传扭轴（41）的轴向设置有过水通道（412），所述过水通道（412）与沿万向轴（31）轴向开设在万向短节外管（32）上的进水通道（321）连通，所述进水通道（321）与开设在万向短节外管（32）内壁上的第二入水口（322）连通；

所述造斜单元（43）包括依次连接设置的测控组件（431）、水力造斜组件（432）和推靠造斜组件（433）；所述测控组件（431）与用于控制过水通道（412）通断的电磁阀（434）电连接，通过电磁阀（434）的开度控制水流，进而实现水力造斜组件（432）和推靠造斜组件（433）沿造斜短节外管（42）的径向推靠孔壁，使所述造斜短节外管（42）相对所述万向轴（31）的轴线产生偏转角；

所述造斜短节外管（42）上还开设有多个与过水通道（412）连通的造斜通孔（421），所述造斜通孔（421）内设置有水力造斜组件（432）；所述水力造斜组件（432）包括可封闭造斜通孔（421）的密封活塞（4321）；所述密封活塞（4321）包括活塞座（43211）、与活塞座（43211）固定连接的活塞杆（43212），所述活塞杆（43212）上套装有复位弹簧（43213），所述复位弹簧（43213）的一端与活塞座（43211）的上表面抵接，另一端与设置在造斜通孔（421）内的台阶面（4211）抵接，当流经过水通道（412）的高压水进入造斜通孔（421）时，密封活塞（4321）可在水流推动下沿造斜通孔（421）的轴向移动。

2.如权利要求1所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述通信测量组件（12）包括依次相连的中心通信接头（121）、侧壁转中心接头（122）和导向头（123）；所述中心通信接头（121）依次穿过侧壁转中心接头（122）上沿径向开设的第一过线孔（1221）和通信短节外管（11）上沿径向开设的第二过线孔（111）与侧壁转中心电缆（13）相连。

3.如权利要求2所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述侧壁转中心接头（122）上还沿轴向开设有过流通孔（1222）；所述中心通信接头（121）与通信短节外管（11）之间还设置有固定环（14）和扶正器（15），所述固定环（14）用于中心通信接头（121）的固定，扶正器（15）用于中心通信接头（121）的扶正。

4.如权利要求1所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述转子（23）包括连接设置的第一转子（231）和第二转子（232），第一转子（231）的远离第二转子（232）的一端设置有防脱接头（233），且靠近第二转子（232）的一端设置有快接公接头（234）；第二转子（232）靠近第一转子（231）的一端设置有快接母接头（235），且远离第一转子（231）的一端设置有用于连接万向轴（31）的传动接头（236）。

5.如权利要求1所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述测控组件（431）包括沿造斜短节外管（42）同一母线方向顺序排列的测量单元（4311）、控制单元（4312）和传输单元（4313），所述测量单元（4311）安装在开设于造斜短节外管（42）上的第一安装腔内，且所述测量单元（4311）上设置有用于测量推靠造斜组件（433）造斜方向的加速度传感器；所述控制单元（4312）与所述电磁阀（434）电连接，用于控制电磁阀（434）的开度；所述传输单元（4313）用于接收由通信测量组件（12）传送的控制指令并将接收到的控制指令发送给控制单元（4312）。

6.如权利要求1所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述推靠造斜组件（433）包括侧推块（4331），所述侧推块（4331）安装在沿径向贯通设置于造斜短节外管（42）上的第二安装腔内，所述第二安装腔顶底开放，侧推块（4331）下方设置有与侧推块（4331）抵接的水力活塞（4332），且所述水力活塞（4332）经开设在造斜短节外管（42）内壁上的过水口穿入过水通道（412），当过水通道（412）有水流通过时，水力活塞（4332）在水力作用下推动侧推块（4331）沿造斜短节外管（42）径向孔壁侧移动。

7.如权利要求1所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述通信短节外管（11）和马达短节外管（21）连接处、相邻马达短节外管（21）之间、马达短节外管（21）和万向短节外管（32）连接处均设置有跨接头通信组件（16），以构成通信测量组件（12）和测控组件（431）之间的有线通信传输通道；所述跨接头通信组件（16）包括相对设置的第一绝缘橡胶环（161）和第二绝缘橡胶环（162），在第一绝缘橡胶环（161）上设有第一环形槽（1611），在第二绝缘橡胶环（162）上设有第二环形槽（1621）；第一环形槽（1611）内设有公滑环，第二环形槽（1621）内设有母滑环；公滑环和母滑环配合接触，且公滑环和母滑环上分别连接有伸出两个绝缘橡胶环的跨接头电缆。

8.如权利要求1所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合，其特征在于，所述万向短节外管（32）和造斜短节外管（42）连接处设有通水走线组件（17），所述通水走线组件（17）包括相对设置的第三绝缘橡胶环（171）和第四绝缘橡胶环（172），所述第三绝缘橡胶环（171）上设有第三环形槽（1711），在第四绝缘橡胶环（172）上设有第四环形槽（1721）；第三环形槽（1711）内设有公滑环，第四环形槽（1721）内设有母滑环；公滑环和母滑环配合接触，且公滑环和母滑环分别连接有伸出两个绝缘橡胶环的跨接头电缆；在第三绝缘橡胶环（171）和第四绝缘橡胶环（172）的相对位置上分别开设有第一过水孔和第二过水孔，且所述第一过水孔与进水通道（321）同轴连通、所述第二过水孔与过水通道（412）同轴连通。

9.一种回转定向钻进方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1~8中任意一项权利要求所述的煤矿井下分体式水力造斜钻具组合实现，包括以下步骤：

步骤1、在井下巷道内开掘钻场，利用开孔钻具组合施工岩层定向钻孔的开孔段，下入套管后固孔；

步骤2、向钻孔内下入钻具，下入过程中完成通信短节、动力单元、万向短节、造斜短节的组装，完成钻具与随钻测量系统和高压胶管的连接；

步骤3、通过高压胶管向钻具组合内泵入高压水，通过高压水推动钻具组合沿预设的钻进方向前进，在钻进过程中，传输单元接收由随钻测量系统发出、继而由通信测量组件传送的控制指令，并将控制指令发送给控制单元，当测量单元检测到推靠造斜组件旋转至设定的造斜方向时，控制单元通过控制电磁阀的开度控制水力造斜组件和推靠造斜组件沿造斜短节外管的径向推靠孔壁，实施水力造斜定向钻进。

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