一种井下钻孔封孔工具及疏放水施工方法

摘要

本发明公开一种井下钻孔封孔工具，涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，本发明包括钻孔装置和注浆套管装置；钻孔装置包括导向扩孔钻头和多个扶正器；扶正器均包括扶正器本体、第一钻杆和第二钻杆；导向扩孔钻头的一端与第一钻杆的一端螺纹连接；注浆套管装置包括第一套管、第二套管、引鞋、第一法兰盘和第一连接管。本发明还公开采用上述工具的疏放水方法。本发明的有益效果在于：本发明中的施工方法适用于井下大直径疏放水钻孔成孔、下管和固管。采用本发明中的施工方法，在钻孔过程中，导向扩孔钻头钻进，扶正器对钻孔轨迹进行保直，确保钻孔轨迹满足下管要求，扶正器主体侧壁的凸起在钻孔过程中，能够对孔壁不光滑的地方进行打磨，易于成孔。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种井下钻孔封孔工具及疏放水施工方法。

背景技术

矿井永久封闭后，矿井积水线高度逐渐升高，对邻近矿井的安全生产构成严重威胁。因此，需要在封闭矿与邻近矿井田边界处巷道内施工一组大直径疏放水钻孔，向疏放水钻孔内塞入封孔套管，将封孔套管与钻孔之间的环空区域进行封孔，再用直径小于封孔套管的钻头从封孔套管中钻进含水岩层或目标岩层中，控制闸阀来疏放封闭矿井残余涌水量造成的积水。

公告号为CN204511370U的专利公开一种可控式放水钻孔封孔套管装置，将封孔套管塞入放水钻孔内，但是该专利中没有记载如何对放水钻孔进行施工，采用常规的钻孔工具进行放水钻孔成孔困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于采用常规的钻孔工具进行放水钻孔成孔困难，提供一种井下钻孔封孔工具。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

本发明提供一种井下钻孔封孔工具，包括钻孔装置和注浆套管装置；

所述钻孔装置包括第一钻头、导向扩孔钻头和扶正器，所述导向扩孔钻头的一端设有内螺纹，所述导向扩孔钻头的个数至少为两个，所述导向扩孔钻头的直径依次增大，所述第一钻头的直径等于导向扩孔钻头的最小直径；

所述扶正器的个数至少为两个，所述扶正器包括扶正器本体、第一钻杆和第二钻杆，所述扶正器本体呈圆柱状，所述扶正器本体的外侧壁设有凸起；所述第一钻杆和第二钻杆分别位于扶正器本体的两端，所述扶正器本体与第一钻杆、第二钻杆连通，所述第一钻杆的一端设有外螺纹，所述第二钻杆的一端设有内螺纹；所述导向扩孔钻头的一端与第一钻杆的一端螺纹连接；

所述注浆套管装置包括第一套管、第二套管、引鞋、第一法兰盘和第一连接管，所述引鞋的一端位于第一套管底端，所述第二套管的一端套设在第一套管上，所述第二套管的另一端设有第一法兰盘，所述第一连接管与第一法兰盘连接。

工作原理：

扩孔：先采用第一钻头进行钻孔，然后采用从小直径到大直径的导向扩孔钻头依次进行扩孔，钻孔过程中将其中一个扶正器安装在导向扩孔钻头带螺纹的一端，然后将其余扶正器依次螺纹连接。

下管：将引鞋、第一套管、第二套管依次置于钻孔内，然后将第一法兰盘和第一连接管安装在第二套管的端部，然后往第一连接管内注浆。

有益效果：采用本发明中的钻孔封孔工具在钻孔过程中，导向扩孔钻头钻进，扶正器对钻孔轨迹进行保直，确保钻孔轨迹满足下管要求，扶正器主体侧壁的凸起在钻孔过程中，能够对孔壁不光滑的地方进行打磨，易于成孔。

优选地，所述导向扩孔钻头包括第一导向钻头、第二导向钻头、连接杆和扩孔件，所述第一导向钻头和第二导向钻头均呈圆柱状，所述第一导向钻头的一端与第二导向钻头的一端连接，所述第二导向钻头的另一端与连接杆的一端连接，所述连接杆的另一端设有内螺纹，所述第一导向钻头、第二导向钻头和连接杆依次连通、并同轴设置；

所述扩孔件沿第二导向钻头侧壁呈圆周设置，所述扩孔件的截面呈直角梯形，所述扩孔件的较长底边与第二导向钻头侧壁连接，所述第一导向钻头的直径与第二导向钻头的直径相等。

优选地，所述第一钻杆和第二钻杆侧壁均设有螺旋状凹槽。

优选地，所述第一钻杆的长度与第二钻杆的长度相等，所述第一钻杆的直径与第二钻杆的直径相等。

优选地，所述扶正器本体的直径小于第一导向钻头的直径。

优选地，所述扶正器的个数为六个，六个扶正器之间依次螺纹连接。

优选地，所述引鞋呈锥形。

优选地，所述井下钻孔封孔工具还包括泥浆净化装置，所述泥浆净化装置包括水槽、沉淀池、泥浆池、第一吸浆管、第一泥浆泵和第一排浆管，所述水槽与沉淀池连通，所述沉淀池与泥浆池连通，所述第一吸浆管的一端与泥浆池连接，所述吸浆管的另一端与第一泥浆泵连接，所述排浆管的一端与第一泥浆泵连接，所述排浆管的另一端与第二钻杆的一端连接。

工作原理：将水槽安置在钻孔附近，使钻孔后的泥浆流入水槽内，然后流入沉淀池，经过沉淀池沉淀，清楚泥浆中的岩屑等无用固相，并随时对泥浆进行调配，保持和稳定泥浆的性能，沉淀后的泥浆排入泥浆池，经过第一泥浆泵，将泥浆从吸浆管泵入排浆管，最后进入第二钻杆内，从而进入导向扩孔钻头，进行扫孔。

有益效果：利用泥浆净化装置对泥浆进行循环净化，保持和稳定泥浆的性能，达到良性循环。

优选地，所述沉淀池的个数为两个，两个沉淀池依次连通。

本发明解决的技术问题之二在于采用常规的钻孔工具进行放水钻孔成孔困难，提供一种采用上述钻孔封孔工具进行疏放水的方法。

一种采用上述疏放水钻孔封孔工具的施工方法，包括以下步骤：

(1)前导向后扶正分级扩孔：先采用第一钻头进行钻孔，注浆后，继续采用第一钻头投孔，然后采用从小直径到大直径的导向扩孔钻头依次进行扩孔，扩孔过程中先将其中一个扶正器的第一钻杆螺纹安装在直径最小的导向扩孔钻头的一端，将其余扶正器的第一钻杆与第二钻杆依次螺纹连接进行扩孔，然后按直径大小依次更换导向扩孔钻头；

(2)当更换至最大直径的导向扩孔钻头时，先将其中一个扶正器的第一钻杆螺纹安装在直径最小的导向扩孔钻头的一端，然后进行扩孔，再继续加上一个扶正器进行扩孔，待所有扶正器依次加完后，完成扩孔；

(3)往钻孔内下引鞋、第一套管和第二套管，将第一法兰盘和第一连接管安装在第二套管的端部，将第二套管与孔壁之间的间隙用泥浆填实，待凝固后，往第一连接管内注浆封孔；

(4)待凝固后，继续采用第一钻头钻进至设计孔深，若不返水，则立即起钻，若钻孔正常反水，则继续施工3-5m；

(5)采用从小直径到大直径的导向扩孔钻头依次进行扩孔，扩孔过程中先将其中一个扶正器的第一钻杆螺纹安装在直径最小的导向扩孔钻头的一端，将其余扶正器的第一钻杆与第二钻杆依次螺纹连接进行扩孔，然后按直径大小依次更换导向扩孔钻头，扩孔后孔的直径小于步骤(2)扩孔后孔的直径；

(6)所述钻孔封孔工具还包括第三套管、第二法兰盘和高压闸阀，往孔内下第三套管，然后注浆封孔，凝固后，采用第一钻头扫孔钻至设计孔深，在第三套管的管口安装第二法兰盘，然后继续采用第一钻头钻进至设计孔深。

有益效果：本发明中的施工方法适用于井下大直径疏放水钻孔成孔、下管和固管。

采用本发明中的施工方法，在钻孔过程中，导向扩孔钻头钻进，扶正器对钻孔轨迹进行保直，确保钻孔轨迹满足下管要求，扶正器主体侧壁的凸起在钻孔过程中，能够对孔壁不光滑的地方进行打磨，易于成孔。

在钻孔过程中每次增加扶正器，由于每次扩孔后，孔壁更光滑，可以防止钻孔阻力过大，增加操作安全。

优选地，所述第一钻头为φ94mm复合片钻头，所述步骤(1)中采用第一钻头钻进至33m。

优选地，所述导向扩孔钻头的个数为四个，所述导向扩孔钻头为变径导向扩充钻头，四个变径导向扩孔钻头的直径依次为：Φ94mm变Φ153mm、Φ153mm变Φ196mm、Φ196mm变Φ248mm、Φ248mm变Φ268mm。

优选地，所述扶正器本体的直径为Φ240mm。

优选地，所述扶正器的个数为六个，使用直径最大的Φ268mm导向扩孔钻头时，第一次扩孔安装一个扶正器，第二次扩孔再加上两个扶正器，第三次扩孔再加上三个扶正器。

优选地，所述第一套管为Ф219mm石油套管，所述第一套管的长度不少于20m。

优选地，所述步骤(3)中在第二套管与孔壁之间放入一根2m长的铁管，往铁管内通入泥浆，将第二套管与孔壁之间的间隙用泥浆填实。

优选地，所述步骤(5)中采用Φ94mm变Φ153mm、Φ153mm变Φ196mm导向扩孔钻头依次进行扩孔。

优选地，所述第三套管包括Ф127mm石油花套管和Ф177.8mm石油套管，所述Ф127mm石油花套管和Ф177.8mm石油套管变径连接，所述Ф177.8mm石油套管的管口安装第二法兰盘。

本发明的优点在于：本发明中的施工方法适用于井下大直径疏放水钻孔成孔、下管和固管。

采用本发明中的钻孔封孔工具在钻孔过程中，导向扩孔钻头钻进，扶正器对钻孔轨迹进行保直，确保钻孔轨迹满足下管要求，扶正器主体侧壁的凸起在钻孔过程中，能够对孔壁不光滑的地方进行打磨。减小开孔难度。

在钻孔过程中每次增加扶正器，由于每次扩孔后，孔壁更光滑，可以防止钻孔阻力过大，增加操作安全。

附图说明

图1为本发明实施例1中导向扩孔钻头的结构示意图；

图2为本发明实施例1中扶正器的结构示意图；

图3为本发明实施例1中注浆套管装置的结构示意图；

图4为本发明实施例2中泥浆净化装置的结构示意图；

图5为本发明实施例3中循环注浆时的示意图；

图6为本发明实施例3中第二套管与第三套管的结构示意图；

图中：第一导向钻头11；第二导向钻头12；连接杆13；扩孔件14；扶正器本体21；第一钻杆22；第二钻杆23；凸起24；第一套管31；第二套管32；引鞋33；第一法兰盘34；第一连接管35；棉纱36；水槽41；沉淀池42；泥浆池43；第一吸浆管44；第一泥浆泵45；第一排浆管46；铁管51；第一出浆管52；第一注浆管53；第二泥浆泵54；注浆桶55；第二吸浆管56；第二法兰盘57；第三套管58。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

一种井下钻孔封孔工具，如图1-3所示，包括钻孔装置和注浆套管装置。

如图1和图2所示，钻孔装置包括导向扩孔钻头和多个扶正器。导向扩孔钻头包括第一导向钻头11、第二导向钻头12、连接杆13和扩孔件14，第一导向钻头11和第二导向钻头12均呈圆柱状，第一导向钻头11的直径与第二导向钻头12的直径相等。

第一导向钻头11的中心、第二导向钻头12的中心、连接杆13的中心开设同轴的通孔，第一导向钻头11、第二导向钻头12和连接杆13依次连通、并同轴设置，第一导向钻头11的一端与第二导向钻头12的一端通过焊接固定连接，为方便钻孔，第一导向钻头11的另一端设有弧度，第二导向钻头12的另一端与连接杆13的一端通过焊接固定连接，连接杆13的通孔内侧壁设有内螺纹。

扩孔件14沿第二导向钻头12侧壁呈圆周设置，扩孔件14的个数为多个，具体个数根据实际需要设置，扩孔件14的截面呈直角梯形，扩孔件14的较长底边与第二导向钻头12侧壁连接，其连接方式采用焊接但不仅限于焊接。第一钻杆22和第二钻杆23侧壁均设有螺旋状凹槽，具有排屑作用。

导向扩孔钻头的个数为多个，多个导向扩孔钻头中第一导向钻头11的直径依次增大，本实施例中导向扩孔钻头的个数为四个，分别为第一导向扩孔钻头、第二导向扩孔钻头、第三导向扩孔钻头和第四导向扩孔钻头。采用不同直径的导向扩孔钻头分级扩孔。

导向扩孔钻头中第一导向钻头11的直径为R1，第二导向钻头12上扩孔件14所在圆周的直径为R2，R2大于R1，导向扩孔钻头的直径记为ΦR1变R2，第一导向扩孔钻头的直径采用Φ94mm变Φ153mm，第二导向扩孔钻头的直径采用Φ153mm变Φ196mm，第三导向扩孔钻头的直径采用Φ196mm变Φ248mm，第四导向扩孔钻头的直径采用Φ248mm变268mm。

扶正器包括扶正器本体21、第一钻杆22和第二钻杆23，扶正器本体21呈圆柱状，扶正器本体21的外侧壁分布凸起24，凸起24的个数根据实际需要设置。

第一钻杆22和第二钻杆23分别固定安装在扶正器本体21的两端中心，第一钻杆22、第二钻杆23和扶正器本体21同轴设置，扶正器本体21中心沿其长度方向设有与第一钻杆22连通的通孔，扶正器本体21与第一钻杆22、第二钻杆23连通，第一钻杆22远离扶正器本体21的一端设有外螺纹，第二钻杆23远离扶正器本体21的一端设有内螺纹，导向扩孔钻头带有内螺纹的一端与第一钻杆22带有外螺纹的一端螺纹连接。扶正器本体21的直径小于第一导向钻头11的直径。

如图3所示，注浆套管装置包括第一套管31、第二套管32、引鞋33、第一法兰盘34和第一连接管35，引鞋33的一端呈锥形，引鞋33的另一端呈圆柱形，引鞋33的圆柱端直径略小于第一套管31的直径，引鞋33的圆柱端位于第一套管31内，引鞋33的圆锥端伸出第一套管31的底端，第二套管32的一端套设在第一套管31上，在第二套管32与第一套管31的公扣端缠绕棉纱36，本实施例中的第一套管31和第二套管32均为石油套管。

第二套管32的另一端安装第一法兰盘34，第一连接管35的一端与第一法兰盘34连接，其中第一法兰盘34的安装方式为现有技术。

本实施例的工作原理：钻孔：采用导向扩孔钻头进行钻孔，将一个扶正器通过螺纹安装在导向扩孔钻头带螺纹的一端，然后将多个扶正器依次螺纹连接进行钻孔。

下管：将引鞋33、第一套管31、第二套管32依次置于钻孔内，然后将第一法兰盘34和第一连接管35安装在第二套管32的端部，然后往第一连接管35内注浆。

本实施例有益效果：采用本实施例中的钻孔封孔工具在钻孔过程中，导向扩孔钻头钻进，扶正器对钻孔轨迹进行保直，确保钻孔轨迹满足下管要求，扶正器主体侧壁的凸起24在钻孔过程中，能够对孔壁不光滑的地方进行打磨。减小开孔难度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于：如图4所示，还包括泥浆净化装置，泥浆净化装置包括水槽41、沉淀池42、泥浆池43、第一吸浆管44、第一泥浆泵45和第一排浆管46，水槽41安置在钻孔附近，使钻孔后的泥浆流入水槽41内，水槽41的具体安装位置根据工况设置，水槽41与沉淀池42连通，沉淀池42与泥浆池43连通，第一吸浆管44的一端与泥浆池43连接，吸浆管的另一端与第一泥浆泵45连接，排浆管的一端与第一泥浆泵45连接，排浆管的另一端与第二钻杆23的一端连接。

本实施例的工作原理：将水槽41安置在钻孔附近，使钻孔后的泥浆流入水槽41内，然后流入沉淀池42，经过沉淀池42沉淀，清楚泥浆中的岩屑等无用固相，并随时对泥浆进行调配，保持和稳定泥浆的性能，沉淀后的泥浆排入泥浆池43，经过第一泥浆泵45，将泥浆从吸浆管泵入排浆管，最后进入第二钻杆23内，从而进入导向扩孔钻头，进行扫孔。

本实施例有益效果：利用泥浆净化装置对泥浆进行循环净化，保持和稳定泥浆的性能，达到良性循环。

实施例3

一种采用实施例1中的井下钻孔封孔工具井下疏放水的施工方法，包括以下步骤：

(1)采用第一钻头：φ94mm复合片钻头配合Φ89mm肋骨钻杆钻进至33m，起钻后带压注浆，待浆液凝固后，采用Φ89mm肋骨钻杆配合φ94mm复合片钻头投孔33m；

(2)前导向后扶正分级扩孔：依次采用Φ94mm变Φ153mm、Φ153mm变Φ196mm、Φ196mm变Φ248mm、Φ248mm变Φ268mm导向扩孔钻头，在靠近孔底的前10m钻杆上采取前密后稀的方式加5个扶正器保直，分级扩孔至33m。使用Φ268mm导向扩孔钻头时，第一次扩孔安装一个扶正器，第二次扩孔再加上两个扶正器，第三次扩孔再加上三个扶正器。配合Φ89mm肋骨钻杆进行多次扫孔，扫孔时，利用大泵量泥浆泵，配合化学泥浆(按水：高岭土粉：碳酸纳＝400kg：100kg：2kg进行配比)进行泥浆循环护壁、排渣。

(3)跟踪测斜。通过测斜跟踪钻孔实际轨迹，确保钻孔轨迹满足下管要求。泥浆循环扫孔护壁、排渣。

(4)一开下管：采用钻机和人工配合的方式，向孔内下第一套管，第一套管为Ф219mm石油套管，第一套管的长度不少于20m，第一套管底端内套设约300m的木质锥形引鞋，在距孔口第二套管公扣端300mm处缠绕棉纱，同时在第二套管与钻孔之间的间隙内预留一根2m长4分铁管51，将第一法兰盘和第一连接管安装在第二套管的端部。

(5)一开固管：在注浆固管之前，下钻打透引鞋。使用搅拌好的稠水泥(水灰比0.5:1)将孔口段800mm环状间隙填满、捣实。待凝固后，连接管路，采用循环注浆法进行注浆。直到注浆压力不小于4MPa，稳压时间不少于30分钟时为止。

如图5所示，其中循环注浆法为将铁管51与第一出浆管52固定连接，将第一连接管与第一注浆管53的一端连接，第一注浆管53与第二泥浆泵54进口端连接，第二泥浆泵54出口端与第二吸浆管56的一端连接，第二吸浆管56的另一端与注浆桶55连接，第一出浆管52的另一端与注浆桶55连接。泥浆从第一注浆管53进入第二套管，铁管51作为返浆管。

(6)二开成孔：使用第一钻头：Φ94mm复合片钻头配合Φ89mm肋骨钻杆钻进，若钻进至设计孔深前出现不返水现象，立即起钻；若钻进至设计孔深，钻孔正常返水，则继续施工3m-5m，留作沉淀钻屑使用。

起钻后，依次采用Φ94mm变Φ153mm、Φ153mm变Φ196mm前置导向扩孔钻头扩孔。扩孔施工时，在靠近孔底的前10m钻杆上采取前密后稀的方式加5个扶正器，保直扩孔。

泥浆循环扫孔护壁使用Φ196mm无芯钻头，加Φ140mm扶正器(第一次加1根，第二次加2根)，配合Φ89mm肋骨钻杆进行多次扫孔，扫孔时用高岭土粉配制化学泥浆进行循环护壁、排渣。

(7)二开下管：如图6所示，按设计孔深下第三套管58，第三套管58包括Ф127mm石油花套管和Ф177.8mm石油套管，Ф127mm石油花套管和Ф177.8mm石油套管变径连接，其变径连接方式为现有技术。Ф177.8石油套管不少于17m，Ф177.8mm石油套管的管口安装第二法兰盘57。

(8)钻孔终孔：采用第一钻头：Φ94mm复合片钻头配合Φ89mm肋骨钻杆钻进至打透采空区，钻进过程中采用压力水排渣施工，清洗泥浆，防止因泥浆凝固堵塞钻孔。

采用本实施例中的方法，钻孔一开、二开石油套管下置顺利，用时1～2个小班，一开套管平均下置23米，二开套管平均下置41.5米，且套管固管及耐压试验均达到设计要求。适用于井下大直径疏放水钻孔成孔、下管、固管。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。