煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法

摘要

一种煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法，包括常规定向钻进、振动发生器安装位置确定、振动减阻钻进施工方法等；并通过(删掉)振动发生器安装位置根据激振力幅值以及钻柱尺寸和材料确定，引起前部并带动后部钻柱产生振动，同时振动产生的应力波在传递至随钻测量仪器及孔底钻具之前消失，不影响随钻测量仪器和孔底钻具的正常使用；由此，本发明实现了煤矿井下深孔定向钻进时钻柱的振动功能，将静摩擦力转化为动摩擦力，并且能够有效减少钻柱屈曲变形，从而大幅度减小钻进摩阻，并能与目前成熟的有缆通讯式钻杆实现信号传输，对于提高定向钻孔深度和深孔定向钻进效率具有重大意义。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻探的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法。

背景技术

目前我国煤矿井下钻孔在采用螺杆马达滑动定向钻进过程中，钻柱与孔壁摩擦方式为静摩擦，当孔深达到一定深度后摩擦力累积摩阻问题突出，导致钻压不能有效传递至钻头，产生托压效应，引起深孔钻进钻效大幅度降低，制约了滑动钻进方式下的钻孔深度。随着近年来定向钻进技术在探放水孔、底板加固孔、顶板高位孔中的应用越来越多，加之煤矿企业对于大深度、高效率钻孔的要求越来越高，托压效应已经成为制约定向钻孔深度和钻进效率的瓶颈问题。复合钻进工艺虽然能够减小摩阻，但存在硬岩中钻进钻头快速磨损、轨迹可控性差等问题。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法，实现了煤矿井下深孔定向钻进时钻柱的振动功能，将静摩擦力转化为动摩擦力，并且能够有效减少钻柱屈曲变形，从而大幅度减小钻进摩阻，并能与目前成熟的有缆通讯式钻杆实现信号传输，对于提高定向钻孔深度和深孔定向钻进效率具有重大意义。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一、首先进行常规定向钻进过程，孔底钻头钻压通过钻机动力头向孔内压缩钻柱来施加，当有明显托压效应时提钻；

步骤二、根据钻柱与地层摩擦系数、钻柱尺寸和材料性质以及所用流量下振动短节推力大小确定所述可通信式减阻器在所述钻柱上的安装位置；

步骤三、根据所选安装位置，下入孔底钻具及一定数量通缆钻杆后安装可通讯式振动发生器，然后继续下钻至孔底；

步骤四、缓慢开泵，小排量等待孔口返水，返水后调到正常钻进排量，控制好给进压力，给进力大于钻柱整体摩阻和钻头钻压的总和；

步骤五、加钻杆重复步骤五，达到设计孔深后，提钻。

其中：所述可通讯式振动发生器包括依次连接的上通讯接手、上过渡接手、振动短节、柔性通讯线、下过渡接手和下通讯接手，所述上通讯接手和下通讯接手与煤矿井下定向钻进用通缆钻杆相连接，所述上过渡接手连接于上通讯接手和振动短节，所述下过渡接手连接于振动短节和下通讯接手，所述柔性通信线作为信号传输通道，轴向允许一定的余量以补偿振动短节的振动位移。

其中：所述振动短节由上接头、壳体、节流活塞、下接头和下壳体组成，所述壳体和下壳体前后连接，所述上接头的后端内腔设有连接至上过渡接手的锥形孔，前端伸入所述壳体的后端且设有供柔性通讯线贯通的上通孔，所述下接头的后端伸入下壳体以及壳体的前端，所述下接头的前端设有连接至下过渡接手的锥形部，且所述下接头设有供柔性通讯线贯通的下通孔，所述节流活塞为台阶状，且后端大径部滑动设置于壳体内，前端小径部伸入下接头内，所述小径部设有供柔性通讯线贯通的中通孔，其中，所述上通孔和下通孔的直径较大以供柔性通讯线的柔性伸缩，所述中通孔的直径较小以使柔性通讯线在内笔直伸展。

其中：所述节流活塞的小径部在中通孔的周围加工有多个贯通的节流孔，大径部的周缘设有多个倾斜贯通泄压孔，由此，所述节流孔使过流冲洗液在节流活塞前后端面建立压力差从而产生轴向推力，所述泄压孔使得过流冲洗液泄压从而减小轴向推力。

其中：在所述节流活塞的大径部和壳体内壁前侧设置的凸台之间设有复位部件，起到促进节流活塞和前部钻柱复位的作用。

其中：所述上接头通过螺纹连接于壳体，所述下接头的后端通过螺纹与所述节流活塞的小径部相连，所述下接头的中间部位为四方杆，从而与所述下壳体内腔的四方孔相配合。

其中：所述中通孔设有压紧螺帽，以固定所述柔性通讯线，防止振动过程中与所述活塞内孔往复运动造成的磨损。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法具有如下效果：

1、将钻柱与孔壁摩擦方式由静摩擦转化为动摩擦，减小了钻柱摩阻；

2、将给进状态下钻柱与孔壁的多点接触转化为连续接触，防止屈曲变形的产生以及降低钻柱自锁风险；

3、大幅度减轻了孔口通过钻机施加的给进力，减轻了孔内钻柱受力状态，提高了孔内钻具的安全性。

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显示了本发明的可通讯式振动发生器示意图。

图2显示了本发明的振动短节的示意图；

图3显示了本发明的托压孔段常规钻柱变形示意图；

图4显示了本发明的托压孔段安装可通讯式振动发生器后钻柱变形示意图。

附图标记：

1-上通讯接手；2-上过渡接手；3-柔性通讯线；8-下过渡接手；9-下通缆短节；21-上接头；22-壳体；23-节流活塞；24-复位部件；25-下接头；26-流体返回孔；27-下壳体；28-锁紧螺帽；29-节流孔；30-泄压孔；31-钻机；32-钻柱；33-地层；34-钻孔；35-钻头；36-可通讯式振动发生器。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法中应用的可通讯式振动发生器。

所述可通讯式振动发生器包括依次连接的上通讯接手1、上过渡接手2、振动短节(图2)、柔性通讯线3、下过渡接手8和下通讯接手9，所述上通讯接手1和下通讯接手9与煤矿井下定向钻进用通缆钻杆相连接，结构形式和原理与成熟煤矿井下通缆钻杆相同，在此不在赘述，所述上过渡接手2连接于上通讯接手1和振动短节，所述下过渡接手8连接于振动短节和下通讯接手9，所述柔性通信线3作为信号传输通道，贯通于上过渡接手2、振动短节、柔性通讯线3和下过渡接手8且连贯分别连接于上通讯接手1和下通讯接手9，其长度大于上通讯接手1和下通讯接手9之间的连接位置，从而轴向允许一定的余量以补偿振动短节的振动位移。

参见图2，所述振动短节由上接头21、壳体22、节流活塞23、下接头25和下壳体27组成，起到连接上下通讯接手的作用，所述壳体22和下壳体27前后连接，所述上接头21的后端内腔设有连接至上过渡接手2的锥形孔，前端伸入所述壳体22的后端且设有供柔性通讯线3贯通的上通孔，所述下接头25的后端伸入下壳体27以及壳体22的前端，所述下接头25的前端设有连接至下过渡接手8的锥形部，且所述下接头25设有供柔性通讯线3贯通的下通孔，所述节流活塞23滑动设置于壳体22内，其中，所述节流活塞23为台阶状，且后端大径部滑动设置于壳体22内，前端小径部伸入下接头25内，所述小径部设有供柔性通讯线3贯通的中通孔，其中，所述上通孔和下通孔的直径较大以供柔性通讯线3的柔性伸缩，所述中通孔的直径较小以使柔性通讯线3在内笔直伸展。

其中：所述壳体22加工有扩大腔为泄压流体提供过流通道。

其中：所述节流活塞23的小径部在中通孔的周围加工有多个贯通的节流孔29，大径部的周缘设有多个倾斜贯通泄压孔30，由此，所述节流孔29使过流冲洗液在节流活塞前后端面建立压力差从而产生轴向推力，所述泄压孔30使得过流冲洗液泄压从而减小轴向推力。

其中，在所述节流活塞23的大径部和壳体22内壁前侧设置的凸台之间设有复位部件24，起到促进节流活塞23和前部钻柱复位的作用，所述复位部件24可为预压缩的螺旋弹簧。

其中：所述上接头21可通过螺纹连接于壳体22，所述下接头25的后端通过螺纹与所述节流活塞23的小径部相连，所述下接头25的中间部位为四方杆，从而与所述下壳体27内腔的四方孔相配合，以避免相互旋转。

其中：所述中通孔设有压紧螺帽28，以固定所述柔性通讯线3，防止振动过程中与所述活塞内孔往复运动造成的磨损。

由此可见，本发明中可通讯式振动发生器具体的实现原理为：

安装在钻柱中间某一位置时，由于前部钻柱较长，可将其视为弹性体，选择刚度系数较小的弹簧作为复位部件，起到限位以及避开钻柱固有振动频率的作用。在给进压力的作用下节流活塞23处于后位，节流活塞23的泄压孔30完全关闭，冲洗液完全从节流孔29流入前部钻柱，节流活塞23前后两端建立了压力差产生轴向推力推动前部钻具前行；前行到一定位置后泄压孔30打开，节流活塞23左端压力降低，轴向推力减小，在复位部件24的和前部钻柱压缩势能的共同作用下下接头25和前部钻柱复位。经过流体动力学数值模拟以及室内试验测试数据拟合得出，在300L/min流量下，其节流压差△P(MPa)与活塞位移x(mm)的关系如下列方程：

ΔP＝3.05e^-x/3+0.45

式中：e表示自然常数。

根据上式，在活塞运动位移的0～3mm之内压降变化最大，超过3mm之后压降趋于稳定，为保证一定的弹性波动效果将活塞位移控制在2～3mm之间，同时也可通过调整活塞位置可以获得不同的初始压降，即可以获得不同的初始激振力幅值。

其中，本发明的煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法包含如下步骤：

步骤一、首先进行常规定向钻进过程，孔底钻头35钻压通过钻机31动力头向孔内压缩钻柱32来施加，当出现通过提高孔口给进力无法有效提高钻进效率、泥浆泵压力不随孔口给进力增大而升高并且复合钻进钻效和给进压力正常的情况时可判断有明显托压效应产生，如图3所示，由于，所述钻柱32在所述孔口钻机31动力头压缩下与钻孔34孔壁发生多点接触，产生较大接触力从而增大钻柱摩阻并引起钻柱的屈曲变形，托压现象明显时提钻；

步骤二、根据钻柱与地层摩擦系数、钻柱尺寸和材料性质以及所用流量下振动短节推力大小确定所述可通信式减阻器在所述钻柱32上的安装位置。

煤矿井下近水平钻孔钻柱振动发生器减阻距离的计算如下：

式中：F_c表示激振力，单位为N；μ为摩擦系数，无量纲；ρ₀表示材料密度，kg/m³；A为钻柱截面积，单位为m²；g为重力加速度，为9.8m/s²。

压降与流量的二次方成正比，根据常规钻遇地层使用排量和对应的300L/min流量下压降计算公式，按照流量比的二次方对压降计算公式进行系数修正，如下式所示：

式中：Q表示钻进时使用流量，L/min。

通过该式可以得出最大激振力F_c，通过减阻距离计算公式得出所述可通讯式振动减阻器距钻头的最远距离x_max。

对于煤矿井下近水平定向钻孔孔内的钻柱，在激振力压缩下前部钻柱的变形量如下：

式中：E表示弹性模量，Pa；L表示振动发生器前部钻柱长度，m；ρ表示密度，kg/m³；μ表示摩擦系数，无量纲；A表示钻柱截面积，m²。

通过该式可以计算得出一定激振力幅值下的不同钻柱长度的压缩变形量，将最大压缩变形量控制在2～3mm以内，该长度为所述可通讯式减阻器距钻头的最近位置x_min。

综上可通讯式振动发生器安装位置距钻头的距离在x_min和x_max之间。

选择不同阻尼系数的复位部件，地面测试频率，避开前部钻柱的固有频率。前部钻柱的固有频率计算公式如下：

式中：ω_i表示角速度，rad/s；i表示阶次，无量纲；L表示钻柱长度，m；ρ表示密度，kg/m³。

步骤三、根据所选可通讯式振动发生器距钻头位置长度，下入孔底钻具及特定数量通缆钻杆至总长度达到设计长度，后安装可通讯式振动发生器，然后继续安装通缆钻杆下钻至孔底。

步骤四、缓慢开泵，小排量等待孔口返水，返水后调到正常钻进所用排量，控制好给进压力，给进力大于钻柱整体摩阻和钻头钻压的总和。给进压力不足时所述振动短节下接头带动前部钻柱伸出后无法复位，给进压力太大所述振动短节无法向前振动。

振动能够减小两个物体间的平均接触时间和接触面积，能够引起一个周期内摩擦力改变方向。所述钻柱32在振动发生器36的振动作用下，如图4所示，由图3中与孔壁的多点接触转化为连续接触，降低了接触力和接触摩阻，同时能够有效防止钻柱屈曲。

步骤五、加钻杆重复步骤五，达到设计孔深后，提钻。

由此，通过可通讯式振动发生器安装在钻柱上，该可通讯式振动发生器采用阀式活塞与振荡短节集成结构，滑动钻进过程中起到使钻柱产生轴向振动的作用，振动频率10Hz～20Hz、激振力幅值大于8kN，具备有缆通讯功能，不仅可以用与煤矿井下有线随钻测量系统配合使用，也可以与泥浆脉冲、电磁波等无线随钻测量系统配合使用；所述振动发生器安装在钻柱某一位置，钻进过程中使钻柱产生振动从而减少钻柱摩阻和屈曲变形行为。

可通讯式振动发生器的安装位置根据激振力幅值以及钻柱尺寸和材料确定，引起前部并带动后部钻柱产生振动，同时振动产生的应力波在传递至随钻测量仪器及孔底钻具之前消失，不影响随钻测量仪器和孔底钻具的正常使用。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下近水平长钻孔定向钻进钻柱振动减阻方法具有如下效果：

1、将钻柱与孔壁摩擦方式由静摩擦转化为动摩擦，减小了钻柱摩阻；

2、将给进状态下钻柱与孔壁的多点接触转化为连续接触，防止屈曲变形的产生以及降低钻柱自锁风险；

3、大幅度减轻了孔口通过钻机施加的给进力，减轻了孔内钻柱受力状态，提高了孔内钻具的安全性。

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。