煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置及方法

摘要

一种煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置及方法。该装置由先导定向钻具串和跟管筛管钻具串组成，钻进过程中，先利用定向钻具串和跟管筛管钻具串施工第一级钻孔，至无法钻进时，提出定向钻具串，跟管筛管钻具串留置在孔内构成瓦斯抽采通道；然后换用小一级的定向钻具串和跟管筛管钻具串下入孔底继续进行施工，直至完成最下一级定向钻孔施工。当不需要轨迹调整时，同步回转钻进实现随钻扩孔和筛管下放，当需要进行轨迹调整时，脱离后先施工定向先导孔，然后扩孔钻进并跟管下筛管；由此，本发明使碎软煤层定向钻孔施工成为可能，在显著提高碎软煤层钻孔深度和轨迹调控精度的同时，可进行随钻筛管护孔，实现了碎软煤层超前区域瓦斯抽采。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻进装置及方法的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置及方法。

背景技术

瓦斯气体是煤矿开采过程中的重要致灾隐患，目前一般采用钻孔进行采前预抽，达到安全标准后，才可进行掘进和回采工作。由于煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采孔钻进过程中很容易出现塌孔、卡钻等孔内事故，导致钻孔成孔率低、深度浅，且提钻后钻孔易收缩，塌陷，严重影响碎软煤层矿区瓦斯抽采效果和抽采达标时间，因此，碎软煤层瓦斯抽采钻孔的成孔工艺技术一直是迫切需要解决的问题。

碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔工艺技术主要包括钻进工艺技术和护孔工艺两个方面。其中，钻进工艺技术方面，我国先后尝试了水力排渣钻进、中风压宽翼片螺旋钻杆及三棱钻杆钻进技术、高转速螺旋钻进技术和空气套管钻进技术等多种方法；护孔工艺方面先后开发了终孔先退钻后下筛管技术和终孔先下筛管后退钻技术等。虽然在钻孔成孔技术与装备上取得了长足发展，但仍然存在以下不足：①钻孔孔深较浅，无法实现贯穿碎软煤层工作面的钻孔，不能进行区域递进式抽采，增加了瓦斯治理达标时间；②钻孔轨迹控制精度低，钻孔极易偏出煤层，且存在抽采盲区，造成部分钻孔没有意义；③筛管直径较小，钻孔未被有效利用，抽采通道较细，单孔瓦斯抽采量低。

为满足煤矿区碎软煤层瓦斯高效抽采的需求，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前碎软煤层成孔技术与装备存在的不足，研究设计了一种煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置及方法，克服了上述缺陷，既可成倍提高碎软煤层钻进成孔深度，又可控制钻孔轨迹沿设计延伸实现定向钻进，还可大直径筛管跟管护孔，使碎软煤层定向钻孔施工成为可能，实现了碎软煤层超前区域瓦斯抽采，提高瓦斯抽采量和抽采效率，降低瓦斯治理达标时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置及方法，解决了目前煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔技术与装备存在的钻孔深度浅、轨迹控制精度低和筛管直径较小，无法实现高效率区域递进式抽采等不足，既可成倍提高碎软煤层钻进成孔深度，又可控制钻孔轨迹沿设计延伸实现定向钻进，还可大直径筛管跟管护孔，使碎软煤层定向钻孔施工成为可能，实现了碎软煤层超前区域瓦斯抽采，提高瓦斯抽采量和抽采效率，降低瓦斯治理达标时间。

为达到上述目的，本发明公开了一种煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置，包括先导定向钻具串和跟管筛管钻具串，所述先导定向钻具串可拆卸的连接于跟管筛管钻具串，其特征在于：

所述先导定向钻具串包括依次采用正丝螺纹连接的定向钻头、螺杆马达、无磁钻杆、定位短节和钻杆，所述跟管筛管钻具串包括依次 连接的筛管钻头、旋转短节、固定短节、筛管牵引短节和筛管，筛管钻头与旋转短节采用反丝螺纹连接组成跟管筛管钻具串的旋转部分，所述固定短节、筛管牵引短节和筛管采用反丝螺纹连接形成跟管筛管钻具串的固定部分，所述旋转部分与固定部分通过旋转短节后端外缘和固定短节前端内缘之间的圆环形台阶可旋转配合，以保证跟筛管钻进时筛管不转动，而随着筛管钻头和旋转短节轴向向孔底运动。

其中：所述先导定向钻具串和跟管筛管钻具串之间的分离和结合通过定位短节和筛管钻头的可拆卸配合实现。

其中：所述定位短节外缘的周向均布设置有至少三个定位键，所述筛管钻头内缘的周向均布有与定位键相互配合的至少三组盲槽和三组直通槽。

其中：所述筛管钻头为圆环状结构，其顶端设置有多个切削齿，侧面设置有多个排水口。

其中：所述筛管采用环氧玻璃纤维材料制作，具有内平外不平结构，管体上均布有孔眼，两端采用反丝螺纹连接。

还公开了一种煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔方法，通过如上所述的跟管复合定向钻进装置施工，包括以下几个步骤：

步骤一，钻孔设计；

步骤二，开孔操作；采用钻头开孔，进入孔内≥10m后，下入套管封固孔口；

步骤三，下入跟管筛管钻具串；下入时确保筛管钻头盲槽处于正上方，并使筛管钻头进入钻孔；

步骤四，下入先导定向钻具串，并将先导定向钻具串连接于跟管筛管钻具串；

步骤五，复合跟管钻进，当实钻钻孔轨迹与设计轨迹偏差≤1m时，直接采用回转跟管钻进方法进行跟管施工；当实钻钻孔轨迹与设计轨迹偏差≥1m时，先采用先导定向钻进方法进行施工，再回转跟管钻进方法进行跟管施工，从而确保钻进精度；

步骤六，钻孔达到设计深度或无法继续施工时，回拉先导定向钻具串，将其从筛管中取出，而跟管筛管钻具串留在钻孔内；

步骤七，更换小一级先导定向钻具串和跟管筛管钻具串，重复步骤三～六而进行下一级定向钻孔钻进；

步骤八，当无法跟管下入筛管时，将最后一级先导定向钻具串从跟管筛管钻具串脱离，然后利用先导定向钻具串进行复合定向钻进，至达到设计深度或无法钻进时，提出孔内先导定向钻具串，安装孔口瓦斯抽采装置进行集中瓦斯抽采。

其中：在步骤五的跟管复合定向钻进中，回转跟管钻进方法由钻机带动钻杆和螺杆马达回转的同时，螺杆马达带动钻头回转进行先导孔钻进，且定位短节带动筛管钻头扩孔钻进，筛管跟随钻杆一起进入钻孔而不回转。

其中：在步骤五中，当实钻钻孔轨迹与设计轨迹偏差≥1m时，先采用先导定向钻进方法进行施工，该方法将先导定向钻具串回拉并顺时针旋转，使定位短节上的定位键与筛管钻头上的直通槽对准，将定位短节从直通槽推出，使跟管筛管钻具串与先导定向钻具串脱离，采 用滑动定向钻进进行轨迹调整，将钻孔实际轨迹调整至与设计轨迹相符；然后采用回转跟管钻进方法进行跟管施工，即回拉先导定向钻具串，通过筛管钻头上的直通槽使其进入跟管筛管钻具串，再顺时针旋转并向前推送，使定位短节上的定位键座键在筛管钻头上的盲槽内，将先导定向钻具串与跟管筛管钻具串连接，由定位短节带动筛管钻头扩孔钻进，筛管跟随钻杆一起进入钻孔。

因此，本发明建立了碎软煤层多级阶梯状钻孔长距离成孔、大直径玻璃钢筛管随钻护孔和钻孔轨迹随钻实时测控等方法，开发并形成了先导定向钻具串和跟管筛管钻具串等装置。以上装置和方法利用阶梯成孔解决了钻孔深度浅的问题，利用螺杆马达和矿用随钻测量装置解决了钻孔精确控制和定向钻进问题，利用筛管跟管解决了钻孔护孔难题，在显著提高碎软煤层钻孔深度和轨迹调控精度的同时，可进行随钻筛管护孔，实现了碎软煤层超前区域瓦斯抽采。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置整体结构示意图；

图2显示了先导定向钻具串的结构示意图；

图3显示了跟管筛管钻具串的结构示意图；

附图标记：

1.先导定向钻具串；2.跟管筛管钻具串；101.定向钻头；102.螺 杆马达；103.无磁钻杆；104.定位短节；105.钻杆；201.筛管钻头；202.旋转短节；203.固定短节；204.筛管牵引短节；205.筛管。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置。

所述的煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置主要包括：先导定向钻具串1和跟管筛管钻具串2，所述先导定向钻具串1可拆卸的连接于跟管筛管钻具串2，从而通过两者之间的分离和结合分别实现先导定向钻进和回转跟管钻进工艺。

参见图2，所述先导定向钻具串1包括定向钻头101、螺杆马达102、无磁钻杆103、定位短节104和钻杆105，所述定向钻头101设置于螺杆马达102的前端，所述螺杆马达102的后端连接至无磁钻杆103，所述无磁钻杆103可为多节通过螺纹连接的无磁钻节组成，所述无磁钻杆103的后端连接至定向短节104的前端，所述定向短节104的后端连接至钻杆105的前端，各零部件可依次采用正丝螺纹连接组成。

参见图3，所述跟管筛管钻具串2包括筛管钻头201、旋转短节202、固定短节203、筛管牵引短节204和筛管205，其中筛管钻头201的后端与旋转短节202的前端可通过反丝螺纹连接，以组成跟管筛管钻具串2的旋转部分，所述固定短节203、筛管牵引短节204和筛管205依次可通过反丝螺纹连接，从而形成跟管筛管钻具串2的固 定部分，所述旋转部分与固定部分通过旋转短节202后端外缘和固定短节203前端内缘之间的圆环形台阶的可旋转配合(既旋转短节202外壁设置有一个环形台阶，可对固定短节203进行轴向限位，旋转短节202和固定短节203可相互转动)，来实现旋转部分相对固定部分的旋转，以保证跟套管钻进时，筛管205不转动，而是随着筛管钻头201和旋转短节202轴向向孔底运动。

所述先导定向钻具串1和跟管筛管钻具串2之间的分离和结合是通过先导定向钻具串1中的定位短节104和跟管筛管钻具串2中的筛管钻头201的可拆卸配合实现的，在图中实施例中，所述定位短节104外缘的周向均布设置有至少三个定位键，所述筛管钻头201内缘的周向均布有至少与定位键相互配合的三组盲槽和三组直通槽。

其中，所述先导定向钻具串1和跟管筛管钻具串2可具有多个外径规格，以进行成对配套设置，用于施工不同级数的定向钻孔孔段；先导定向钻具串1可在跟管筛管钻具串2内轴向活动，也可伸出跟管筛管钻具串2。

其中，所述定位短节104距离定向钻头101距离9m左右；所述的钻杆105可根据矿用随钻测量装置类型进行选择。

所述筛管钻头201为圆环状结构，其顶端设置有多个切削齿，侧面设置有多个排水口，其旋转可回转破碎煤岩层，所述筛管钻头201内壁的盲槽和直通槽成对均匀布置，所述的筛管205可采用环氧玻璃纤维材料制作，具有内平外不平结构，管体上均布有孔眼，采用反丝螺纹连接，钻进过程中筛管205不产生转动。

由此，通过上述结构的煤矿井下碎软煤层阶梯跟管复合定向钻进成孔装置，既可实现先导定向钻进，也可进行回转跟管钻进，由此能实现的成孔方法，主要包括以下几个步骤：

步骤一，钻孔设计。既根据矿井地质水文资料和钻孔目的设计钻孔轨迹，所述钻孔轨迹应沿碎软煤层延伸。

步骤二，开孔操作。采用大直径钻头进行开孔，进入孔内≥10m后，下入套管封固孔口，套管内径大于第一级的筛管钻头201的外径；

步骤三，下入跟管筛管钻具串2。依次连接筛管钻头201、旋转短节202、固定短节203、筛管牵引短节204和筛管205组成跟管筛管钻具串2，下入时确保筛管钻头201盲槽处于正上方，并使筛管钻头201进入钻孔1m；

步骤四，下入先导定向钻具串1，并将先导定向钻具串1连接于跟管筛管钻具串2，既通过定位短节104和筛管钻头201进行连接固定。其中，在跟管筛管钻具串2内依次连接定向钻头101、螺杆马达102和无磁钻杆103，将螺杆马达102弯头朝上，进行工具面修正，得到螺杆马达102的初始工具面向角γ；然后连接并回转定位短节104，使定位短节104上的定位键处于正上方，连接钻杆105向孔内下入先导定向钻具串1，使定位短节104定位键在筛管钻头201中，此时进行工具面测量，记录下此时的安装工具面角β，即定位短节104和筛管钻头201与螺杆马达102之间的夹角，则定位短节104和筛管钻头201的安装角α＝β+γ；

步骤五，跟管复合定向钻进。

当实钻钻孔轨迹与设计轨迹偏差≤1m时，直接采用回转跟管钻进方法进行跟管施工，该方法由钻机带动钻杆105和螺杆马达102回转的同时，螺杆马达102带动钻头101回转进行先导孔钻进，且定位短节104带动筛管钻头201扩孔钻进，筛管在筛定位短节104管牵引短节204的带动下跟随钻杆105一起进入钻孔。跟管下入过程中，筛管205不回转，下入的动力由钻机动力头驱动定位短节104来带动筛管钻头201提供；

当实钻钻孔轨迹与设计轨迹偏差≥1m时，可记录下此时的工具面值γ和孔深；先采用先导定向钻进方法进行施工，该方法将先导定向钻具串1回拉10cm，并顺时针旋转(优选旋转60°)，从而使定位短节104上的定位键与筛管钻头201上的直通槽对准，将定位短节104从直通槽推出，实现跟管筛管钻具串2与先导定向钻具串1的脱离，跟管筛管钻具串2停留在原位置；调整螺杆马达102工具面采用滑动定向钻进进行轨迹调整，钻进过程中，钻杆105不回转，从而完成定向先导钻进施工，将钻孔实际轨迹调整至与设计轨迹相符；然后再通过向后回拉先导定向钻具串1至定位短节到达跟管筛管钻具串2脱离位置，回转钻杆调整先导定向钻具串1工具面向角至与脱键前相同，即将定位短节104上的定位键与筛管钻头201上的直通槽对齐，继续回拉钻杆，使定位短节104进入跟管筛管钻具串2内；再通过回转跟管钻进方法进行跟管施工，既将先导定向钻具串1顺时针旋转60°，然后向钻孔内推送钻杆105使定位短节104座键在筛管钻头201盲槽内；最后在先导定向钻具串1的导向作用下，从而采用回转 钻进工艺，由定位短节104带动筛管钻头201扩孔钻进，筛管205在筛管牵引短节204的带动下跟随钻杆一起进入钻孔。

步骤六，钻孔达到设计深度或无法继续施工时，回拉先导定向钻具串1，将其从筛管205中取出，而跟管筛管钻具串2留置在钻孔内。

步骤七，更换小一级先导定向钻具串1和跟管筛管钻具串2，重复步骤三～六而进行下一级定向钻孔钻进。

步骤八，当钻孔级数达到最高，无法跟管下入筛管时，先将最后一级先导定向钻具串1从跟管筛管钻具串2脱离，然后利用先导定向钻具串1进行复合定向钻进，至达到设计深度或无法钻进时，提出孔内先导定向钻具串1，安装孔口瓦斯抽采装置进行集中瓦斯抽采。

由此，本发明的方法形成的定向钻孔内径通过不同内径的跟管复合定向钻进成孔装置进行钻进，钻孔孔径能呈阶梯状逐渐减小，每个级别的跟管孔段均采用筛管进行了随钻护孔，最后一段钻孔为裸眼完孔，既解决了钻孔精确控制和定向钻进问题，还利用筛管跟管解决了钻孔护孔难题，在显著提高碎软煤层钻孔深度和轨迹调控精度的同时，实现了碎软煤层超前区域瓦斯抽采。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。