CN114320158A - 一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统。所涉及领域为地质钻探、地下能源等技术领域。传统地下工程长距离钻进时，由于钻杆的累加长度增大，导致长距离作业时钻杆会发生横向和纵向的不确定振动。使得钻进效率和质量不能够符合工程需要，故发明一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统。本发明设计了一套井下智能化的高效钻孔设备，此设备能够完成长距离钻进时，钻孔轨迹符合预期计划作业，智能化、机械化程度高，液压系统分布式控制，提高设备的适应能力。本设备在长距离钻进时，蠕动装置中的液压系统工作支撑孔壁，使得钻杆摆脱长距离作业时钻杆的不稳定性，提高钻孔质量，保证一次成孔。为后续钻进作业提供重要的指导意义。

Description

一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统

技术领域

本发明属于地下能源远距离定向钻进领域，具体发明了一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统.

背景技术

煤矿瓦斯灾害一直以来都是矿山生产作业时的主要灾害之一，传统采用专用巷道进行瓦斯抽采，虽然有所效果但是使得巷道掘进量增大、成本增加、管理难度大。因此开发了远距离钻孔进行瓦斯抽采技术。

钻孔抽采技术取得了一定的成效，但是长距离钻孔时钻杆不稳定，容易打偏，无法精确锁定位置等也是需要解决的问题。

长距离钻孔时，钻杆累接长度不断增大，钻杆与孔壁的接触面积积累增大，导致能耗损失，同时容易导致钻杆卡钻。

发明内容

本发明的目的在于提供地下煤矿一种长距离定向钻孔设备以及工作方法，来解决上述背景技术提到的问题

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统，包括固撑装置1、跟进装置2、导向装置3。

所述固撑装置中包括固撑液压支架1.1、乳化液仓1.2、分控液压仓1.3、plc系统控制仓1.4、动力液压管道1.5、信号传输仓1.6、固撑充液口1.7、泄压充液口1.8、缸体1.9、控制阀1.10；

所述固撑装置1的端部是与铠装空心管道连接，铠装空心管道4的输入端是与井下钻机紧密连接，由井下钻机输入高压水、高压乳化液、高压动力液、信号控制线路等传输到钻具位置，固撑1.7/泄压1.8充液口的控制阀是控制固撑液压支架1.1上升与下降的装置。由乳化液仓1.2中的高压乳化液通过控制阀1.10先是泵入到分控液压仓1.3中，再通过具体plc系统控制仓1.4的指令控制固撑/泄压充液口的开关，使固撑装置完成指令任务。

所述固撑装置中的固撑液压支架1.1属于独立式液压支架，安装于固撑装置的顶部、底部和两边腰部，可以通过plc系统控制仓1.4分别控制，如可以通过支撑左边的固撑液压支架、收缩右侧的固撑液压支架来实现钻具靠边的作业。

所述固撑装置中每个固撑液压支架1.1的上部都有点柱式布置，液压支架与孔壁接触时，增加与孔壁的摩擦阻力，增加钻进的推力，稳定钻头的钻进工作。

所述固撑装置中的乳化液仓1.2是用于提供固撑液压支架高压乳化液的装置，安装于固撑液压支架1.1之间，与分控液压仓1.3通过控制阀1.10相连，也用于连接跟进装置2中的乳化液运输管道2.2，泵送给导向装置中的乳化液仓3.4，通过将高压乳化液泵送到液压支架中完成plc系统控制仓的指令。

所述固撑装置中的分控液压仓1.3安装于每个单独的固撑液压支架1.1之间，与每个固撑液压支架的固撑1.7/泄压1.8充液口相连，将乳化液仓1.2中的高压乳化液泵入到固撑液压支架内。

所述固撑装置中的plc系统控制仓1.4是与井下钻机的显示端相连，通过远程传输信号给plc系统控制仓，使其对钻具设备做出控制指令。

作为本发明的改进方案，高压泵送管道采用铠装空心管道，能够配合固撑装置、跟进装置、导向装置实现小半径转弯，所述固撑装置1中动力液压管道1.5其端部与铠装空心管道输出端4连接，动力液压管道1.5的输出端与跟进装置中的动力液压管道贯通连接，最后连接至导向装置中的液压马达泵入口。

所述固撑装置中的信号传输仓1.6通过在铠装空心管道中的电缆连接，通过将安装在设备上的传感器的数据收集到信号传输仓并反馈至井下钻机的接收装置中，进行分析再通过远程输送信号给plc系统控制仓做出指令。

所述固撑装置中的固撑1.7/泄压1.8充液口采用球形液控阀，同时打开同一固撑液压支架充液口，当往固撑充液口泵乳化液时，随着液面的不断升高，挤压收缩充液缸体内部的乳化液顺着收缩充液口流出，完成液压支架的升起。

所述缸体为固撑液压支架的组成部分，是承载支架和高压乳化液的载体，当液压支架完全收缩时，支架完全与缸体平齐。缸体与固撑装置的外壳平齐，保证支架完全收缩时，装置可以轻松拉动固撑液压支架。

所述跟进装置2包括跟进液压支架2.1、乳化液运输管道2.2、动力液压管带2.3、信号传输管道2.4、智能控制管道2.5、球形连接装置2.6、支撑充液口2.7、泄压充液口2.8、缸体2.9、控制阀2.10

所述跟进装置2中的跟进液压支架由缸体1.9、支撑2.7/泄压2.8充液口、球形连接装置2.6组成，跟进液压支架呈十字状安装，是导向装置3的“方向盘”，跟进液压支架是实现设备蠕动的关键装置，其端部于固撑装置的输出端连接，其头部是于导向装置的输入端连接。

所述跟进装置中乳化液管道2.2其端部是与固撑装置中的乳化液仓1.2的输出端连接，将固撑装置中的乳化液通过乳化液管道泵入到导向装置的乳化液仓3.4中。

所述跟进装置中的智能控制管道2.5其端部是与固撑装置中的plc系统控制仓1.4连接，然后将其线路铺设至导向装置中的控制阀中，是属于空心管道其首部是半球状内嵌于导向装置的球形连接装置3.7中。

所述跟进装置的球形连接装置2.6是跟进液压支架2.1的头部，整体呈球形内嵌于导向装置3端部的球形连接装置3.7中，是活动连接，随着跟进液压支架的伸缩，导向装置也会随之转向。

所述跟进装置中的支撑2.7/泄压2.8充液口控制着跟进液压支架的伸缩，同样是受到固撑装置中plc系统控制仓1.4的控制。由固撑装置中的乳化液仓外接管道泵送乳化液到跟进液压支架的支撑/泄压充液口。

所述跟进装置中的跟进液压支架完全泄压时，支架完全收缩到支架缸体2.9内部，此时装置呈直径最小状态。

所述导向装置3包括固撑液压支架3.1、液压马达3.2、钻头3.3、乳化液仓3.4、信号传感器3.5、分控液压仓3.6、球形连接装置3.7、固撑充液口3.8、泄压充液口3.9、缸体3.10、控制阀3.11。

所述导向装置的固撑液压支架3.1与固撑装置中的固撑液压支架1.1布置方式大体一致，导向装置的长度随液压马达的选型控制，一般小于固撑装置，因此导向装置中的固撑液压支架3.1数量也小于导向装置中的固撑液压支架1.1。

所述导向装置中的液压马达3.2紧密连接跟进装置中的动力液压管道2.3并由井下的高压泥浆泵车提供能量并装换成机械能供钻头完成破碎作业。

所述跟进装置中的乳化液仓3.4端部与跟装置中的乳化液运输管道2.2连接，由固撑装置中的乳化液仓1.2通过乳化液运输管道2.2输送高压乳化液到跟进装置的乳化液仓中。

所述导向装置的信号传感器仓3.5是将设备的运行情况进行反馈，并通过跟进装置中的信号传输管道2.4传输到固撑装置中信号传输仓1.6中。最后反馈至井下计算器中进行分析。

所述导向装置的分控液压仓3.6连接乳化液仓3.4和充液口，将乳化液仓中的高压乳化液泵送到分控液压仓中，再由分控液压仓泵入到相应充液口中去。

所述导向装置中的球形连接装置3.7位于导向装置的尾部与跟进装置中的球形装置2.6活动连接，导向装置中的球形连接中由轴承滚珠槽，用于固定滚珠保持不会发生跑珠，而且可以内嵌跟进装置的球体不会脱离。

所述导向装置的固撑3.8/泄压3.9充液口用于控制固撑液压支架的升降，由固撑装置1中的plc系统控制仓发出指令给导向装置中的固撑/泄压充液口控制阀，控制导向装置中的固撑液压支架3.1执行相应的命令。

附图说明

图1为本发明固撑装置主视截面示意图

图2为本发明固撑装置c-c刨面示意图

图3为本发明固撑装置d-d刨面示意图

图4为本发明跟进装置侧视截面示意图

图5为本发明跟进装置a-a刨面示意图

图6为本发明跟进装置b-b刨面示意图

图7为本发明导向装置主视截面示意图

图8为本发明导向装置主视截面示意图

图9为本发明一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统的整体示意图

附图标记

固撑装置1、固撑液压支架1.1、乳化液仓1.2、分控液压仓1.3、plc系统控制仓1.4、动力液压管道1.5、信号传输仓1.6、固撑充液口1.7、泄压充液口1.8、缸体1.9、控制阀1.10；跟进装置2、跟进液压支架2.1、乳化液运输管道2.2、动力液压管带2.3、信号传输管道2.4、智能控制管道2.5、球形连接装置2.6、支撑充液口2.7、泄压充液口2.8、缸体2.9、控制阀2.10；导向装置3、固撑液压支架3.1、液压马达3.2、钻头3.3、乳化液仓3.4、信号传感器3.5、分控液压仓3.6、球形连接装置3.7、固撑充液口3.8、泄压充液口3.9、缸体3.10、控制阀3.11；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

所述一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统包括三个基本结构：固撑装置1、跟进装置2、导向装置3。

所述固撑装置包括固撑液压支架1.1、乳化液仓1.2、分控液压仓1.3、plc系统控制仓1.4、动力液压管道1.5、信号传输仓1.6、固撑充液口1.7、泄压充液口1.8、缸体1.9、控制阀1.10；

对作业时接收的指令首先做其中一种示例，井下操控台发出“钻进”指令时，首先“钻进”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后再由plc系统控制仓控制乳化液仓1.2的控制阀1.10打开，使得乳化液泵入到分控液压仓1.3中，再控制打开固撑液压支架的固撑充液口1.7，使得乳化液泵入到固撑液压支架1.1中，固撑液压支架在缸体内上升，此时固撑液压支架全部完成支撑作业，固撑液压支架上部的点柱式装置与孔壁紧密接触，完成“钻进”指令时固撑装置的任务。

所述井下操控台发出“钻进”指令时，首先“钻进”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后再由plc系统控制仓控制跟进装置2中的支撑充液口打开，使得乳化液泵入，此时全部跟进液压支架同时支撑，推动导向装置向前钻进，完成“钻进”指令时跟进装置的任务。

所述井下操控台发出“钻进”指令时，首先“钻进”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后固撑装置1中乳化液仓1.2的高压乳化液通过跟进装置中的乳化液运输管道2.2泵送到导向装置3的乳化液仓3.4中，然后控制乳化液仓3.4的控制阀3.11打开，使得乳化液泵送到分控液压仓中，再控制分控液压仓3.6中的泄压充液口3.9打开，使得高压乳化液泵入其中，导向装置中3的全部固撑液压支架收缩至缸体3.10中。导向装置完成“钻进”任务。

以上所述“钻进”指令的先后顺序有两种方式，其一是固撑装置1先行工作，完成之后，跟进装置稍2微缓慢于导向装置3。其二是固撑装置1与导向装置3先行工作，完成时跟进装置2再开始工作

所述跟进装置包括跟进液压支架2.1、乳化液运输管道2.2、动力液压管带2.3、信号传输管道2.4、智能控制管道2.5、球形连接装置2.6、支撑充液口2.7、泄压充液口2.8、缸体2.9、控制阀2.10；

对作业时接收的指令首先做另一种示例，井下操控台发出“蠕动”指令时，首先“蠕动”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后再由plc系统控制仓控制乳化液仓1.2的控制阀1.10打开，使得高压乳化液泵送到分控液压仓1.3中，在对固撑装置1.1的泄压充液口进行打开控制，使得乳化液泵入泄压充液口，固撑液压支架开始收缩至缸体1.10内，完成“蠕动”指令时固撑装置的任务。

所述井下操控台发出“蠕动”指令时，首先“蠕动”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后再由plc系统控制仓控制跟进装置2中的泄压充液口打开，使得乳化液泵入，此时全部跟进液压支架同时收缩，拉动固撑装置向前蠕动，完成“蠕动”指令时跟进装置的任务。

所述井下操控台发出“蠕动”指令时，首先“蠕动”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后固撑装置1中乳化液仓1.2的高压乳化液通过跟进装置中的乳化液运输管道2.2泵送到导向装置3的乳化液仓3.4中，然后控制乳化液仓3.4的控制阀3.11打开，使得乳化液泵送到分控液压仓中，再控制分控液压仓3.6中的支撑充液口3.8打开，使得高压乳化液泵入其中，导向装置中3的全部固撑液压支架开始上升至孔壁，与孔壁紧密接触。导向装置完成“钻进”任务。

以上所述“蠕动”指令的先后顺序有两种方式，其一是导向装置3先行工作，完成之后，跟进装置稍2微缓慢于固撑导向装置1。其二是固撑装置1与导向装置3先行工作，完成时跟进装置2再开始工作

所述导向装置包括固撑液压支架3.1、液压马达3.2、钻头3.3、乳化液仓3.4、信号传感器3.5、分控液压仓3.6、球形连接装置3.7、固撑充液口3.8、泄压充液口3.9、缸体3.10、控制阀3.11；

对作业时接收的指令首先做另一种示例，井下操控台发出“定向钻进”指令时，首先对于固撑装置而言，工作方式同“钻进”指令时一样，再此不在赘述。

所述井下操控台发出“定向钻进”指令时，首先“定向钻进”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后再由plc系统控制仓控制跟进装置2中的支撑充液口2.7打开，使得乳化液泵入，此时判断指令是哪个位置的钻进，然后跟进液压支架做出相应的动作，现就假设往正左方向钻进，跟进装置中的左边的跟进液压支架开始收缩，顶部和底部的跟进液压支架也相应较左边跟进液压支架小幅度收缩，而右边跟进液压支架开始支撑，总体上跟进液压支架由上向下看呈左斜平面，此时的角度与“定向钻进”指令的角度相适应。

所述井下操控台发出“定向钻进”指令时，对于导向装置而言，工作方式同“钻进”指令时一样，再此也不在赘述。

以上所述的“定向钻进”可以沿任意方向进行钻进，在此仅举出一种方向钻进。

对作业时接收的指令做第三种示例，井下操控台发出“转弯”指令时，首先判断是朝哪方面进行转弯，现就假设往左边的转弯，首先“转弯”指令发送到固撑装置1中的plc系统控制仓1.4，然后再由plc系统控制仓控制固撑装置1中的乳化液仓1.2的控制阀1.10打开，使得乳化液泵入到分控液压仓1.3中，在控制固撑充液口打开，此时并非全部控制固撑液压支架支撑，往左转弯时，固撑装置中的左侧的固撑液压支架开始支撑工作并不完全支撑，而是留有一定余地，右侧、顶部和底部固撑液压支架可以不工作或是小幅度支撑，完成时固撑装置整体靠近右侧孔壁。

所述井下操控台发出“转弯”指令时，此时跟进装置2作业同向左“定向钻进”时一样，整体跟进液压支架2.1呈左斜平面。保持与孔洞方向的一致。

所述井下操控台发出“转弯”指令时，此时导向装置作业方式与“蠕动”指令大体一致，在此不在赘述

以上仅是指令中的一部分，并非涵盖全部，当处理作业卡钻时，可以将“蠕动”反其道行之，形成一个“倒退”的指令。

Claims (4)

1.一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统,其特征在于，包括固撑装置1、跟进装置2、导向装置3。

所述包括固撑装置1、跟进装置2、导向装置3，其中固撑装置包括分控制液压支架1.1、乳化液仓1.2、分控液压仓1.3、plc系统控制仓1.4、动力液压管道1.5、信号传输系统仓1.6，分控制液压支架分别安装于固撑装置1的顶、底、腰部位，其中每个固撑液压支架都是独立控制，用于工作时与孔壁紧密接触，保证钻具固定不动，其支柱上部与孔壁接触的位置是点柱式布置，用于增加与孔壁的摩擦阻力；乳化液仓1.2为两个，分别安装于固撑液压支架1.1之间(固撑装置的右上、左下位置)，其中乳化液仓1.2与每个独立固撑液压支架之间的分控液压仓1.3通过控制阀1.10连接，用于供给固撑液压支架高压乳化液；plc系统控制仓1.4安装于固撑液压支架1.1的左上位置，用于接收远程信号来控制设备的运行；动力液压管道1.5位于固撑装置的中心位置，用于将长距离管道中的动力液供入到导向装置的液压马达3.2中；信号传输系统仓1.6位于固撑装置的右下位置处，用于将设备的运行信号反馈至远程计算器中，及时反应设备运行的情况。

跟进装置2包括跟进液压支架2.1、乳化液运输管道2.2、动力液压管道2.3、信号传输管道2.4、智能控制管道2.5、球形连接装置2.6，其中跟进液压支架2.1分别安装于固撑装置1与导向装置3之间的腰部位置与上下位置，用于控制跟进液压支架2.1的伸缩，跟进液压支架与导向装置3是用球形连接装置2.6连接，随着跟进液压支架的伸缩来控制导向装置的方向；乳化液运输管道2.2安装于固撑液压支架之间(跟进装置的右上和左下位置)，用于将固撑装置1的乳化液泵入到导向装置的乳化液仓3.4中；动力液压管道2.3安装于跟进装置2的中心位置，用于将远距离的动力液运输到导向装置的液压马达3.2中然后输出转速和转矩；信号传输管道3.5安装于跟进装置左上方位置，用于铺设信号传输电缆，将设备的信号传输到固撑装置1中的信号传输系统仓中；智能控制管道2.5安装于跟进装置右下方位置，用于将固撑装置1中plc系统控制仓1.4发出的控制指令传输到导向装置3的控制阀3.11中；球形连接装置2.6是连接跟进液压支架和导向装置的连接装置，球形连接装置3.7内部有轴承滚珠槽用于固定滚珠的位置。

导向装置3包括固撑液压支架3.1、液压马达3.2、钻头3.3、乳化液仓3.4、信号传感器3.5、分控液压仓3.6、球形连接装置3.7。其中固撑液压支架3.1分别安装于导向装置3的顶部、底部和两边的腰部，用于工作支撑时固定导向装置，使得跟进装置2工作拖动固撑装置1跟进前移；液压马达3.2安装于导向装置3的中心位置，用于将远距离输送过来的动力液传输到固撑装置的动力液压管道1.5，再通过跟进装置中的动力液压管道2.3，最终泵入到液压马达3.2中，使得液压马达转换成转矩和转速带动钻头工作；钻头3.3安装于导向装置3的最前端，用于将岩石破碎完成钻孔工作；乳化液仓3.4安装于导向装置的固撑液压支架之间(右上和左下)与分控液压仓相连；分控液压仓3.6是用于将乳化液仓泵入的乳化液通过控制阀泵入到固撑液压支架中；球形连接装置3.7用于连接跟进装置2和导向装置3，实现导向装置可以任意方向钻进。

2.根据权利要求1所述的一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统，其特征在于：所述的固撑装置1中的固撑液压支架1.1为独立液压支架，每个固撑液压支架都配有固撑充液口1.7和泄压充液

口1.8，并且顶部位置沿固撑装置的分布5个固撑液压支架，其他三个位置(底部和两个腰部)同沿顶部一样布置固撑液压支架。同位置(如顶部)处的固撑液压支架1.1之间由分控液压仓1.3连接，由固撑装置1中的plc系统控制仓1.4接收到远程指令，然后控制乳化液仓1.2中的控制阀1.10打开闸口，将乳化液泵入到相应的分控液压仓中，然后控制固撑液压支架的固撑1.7或泄压1.8充液口打开或闭合，控制固撑液压支架工作；固撑装置1中的动力液压管道1.5连接跟进管道然后接连到导向装置3中的液压马达3.2中，将动能转换成机械能。信号传输仓1.6是将布置在设备中的信号传感器3.5中的数据信号反馈至远程计算器，实现实时监测监控，精确执行下次指令。

3.根据权利要求1所述的一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统，其特征在于：所述跟进装置2中的跟进液压支架2.1分别为独立液压支架，其端部与固撑装置1连接、其头部呈球状与导向装置3中的球形连接装置3.7轴承连接，是本发明钻机的“方向键”，通过固撑装置中的plc系统控制仓1.4发出指令控制跟进装置2中跟进液压支架的支撑2.7/泄压2.8充液口控制阀，完成钻头的任意方向转动，跟进液压支架泄压时可以完全收缩到缸体2.9中；乳化液压运输管道2.2属于空心可伸缩杆体，其端部与固撑装置连接、头部呈半球状与导向装置连接，可以直接将固撑装置1中的乳化液泵入到导向装置中3的乳化液仓3.4；动力液压管道2.3端部连接固撑装置中的动力液压管道，其头部呈半球状连接导向装置中的液压马达3.2；智能控制管道2.5其端部连接固撑装置的plc系统控制仓1.4，其头部连接导向装置中的固撑液压支架3.1的控制阀3.11、液压马达3.2、乳化液仓3.4和分控液压仓3.6的控制阀3.11，信号传输管道2.4其端部连接固撑装置的信号传输仓，其头部呈半球状与导向装置连接，将安装于导向装置中的信号传感器的信号收集到固撑装置1的信号传输仓1.6中。

4.根据权利要求1所述的一种长距离液压分控式蠕动定向钻进系统，其特征在于：所述导向装置中固撑液压的缸体3.10部分小于固撑装置的缸体1.9部分，其安装方式与固撑装置中固撑液压支架1.1的布置形式一致，都是独立布置与顶部、底部和两边腰部，每个独立固撑液压支架都有独立的固撑3.8/泄压3.9充液口，其充液口与分控液压仓3.6连接，而分控液压仓与乳化液仓3.4连接，其原理是在接收到固撑装置1中plc系统控制仓1.4发出的指令，导向装置3打开其乳化液仓与分控液压仓连接的控制阀3.11，将乳化液泵入到分控液压仓3.6中，然后对固撑液压支架的固撑/泄压充液口的控制阀进行控制；液压马达3.2是将远距离泵送的动力液转化成机械能，为钻头3.3提供转矩和转速，完成破岩工作；球形连接装置3.7与跟进装置中管道的头部轴承连接，跟进装置活动时导向装置跟随一起活动，球形装置中有滚珠槽可以固定每个滚珠的位置。

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