一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法及装置

摘要

本发明公开一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法及装置，包括如下步骤：S1：获取钻杆转速及钻杆钻进速度，通过钻孔轨迹要求判定当前工作状态需要进行增倾角钻进工序、降倾角钻进工序或稳倾角钻进工序；S2：控制钻杆转速及钻杆的钻进速度以匹配增倾角钻进工序、降倾角钻进工序或稳倾角钻进工序，进行增倾角钻进工序时，至少使钻杆具有向上远离作业面0.15°/m的角度变化；进行降倾角钻进工序时，至少使钻杆具有向下远离作业面0.15°/m的角度变化；进行稳倾角钻进工序时，至多使钻杆具有相对于作业面±0.05°/m的角度变化。本发明通过控制复合钻进工艺参数即可实现控制钻孔轨迹倾角，对于实现深孔、高效钻进具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下定向钻探领域，尤其涉及一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法及装置。

背景技术

煤矿井下定向钻孔因具有钻孔轨迹可控、钻孔利用率高、钻进精度高等优点，现已广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治、地质异常体探查等诸多领域，对于保障煤矿安全生产发挥了重要作用。

目前煤矿井下定向钻孔施工主要采用滑动定向钻进技术结合复合钻进技术。在钻孔造斜段采用滑动定向钻进，保持螺杆马达弯头朝向固定方向，钻进过程中仅螺杆马达转子通过传动轴带动钻头旋转碎岩，其余钻具部分不转动，从而实现钻孔轨迹连续人工控制；钻孔稳斜段采用复合钻进，在螺杆马达带动钻头旋转的同时，钻机动力头也带动钻具旋转并向孔底施加钻压，实现复合碎岩，此时螺杆马达弯头周期变化，无法实现钻孔轨迹人工控制。

实践表明，滑动定向钻进形成的钻孔轨迹弯曲曲率大、钻进过程中系统压力增长快、钻进效率低，且随钻孔深度增大，孔内摩阻效应引起钻柱拖压使得滑动定向钻进深度有限；而复合钻进形成的钻孔弯曲曲率小、钻孔孔壁更光滑、钻进系统压力低、钻进效率高，钻孔深度远大于滑动定向钻进。因此，定向钻孔施工中在保证钻孔轨迹控制精度的条件下应尽量增大复合钻进比例，以利于实现深孔、高效钻进。

为此，本发明的设计者有鉴于煤矿井下对定向钻进深孔和高效钻进的需要，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复合钻进控制钻孔倾角装置及方法，实现了通过复合钻进控制钻孔倾角，可大幅提高定向钻孔中复合钻进比例，提高钻进效率和钻进安全性，实现深孔、高效钻进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法及装置，该方法易于操作，实现了通过复合钻进控制钻孔倾角，可大幅提高定向钻孔中复合钻进比例，提高钻进效率和钻进安全性，有利于实现深孔、高效钻进。

为解决上述问题，

一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法，包括如下步骤：

S1：获取钻杆转速及钻杆钻进速度，通过钻孔轨迹要求判定当前工作状态需要进行增倾角钻进工序、降倾角钻进工序或稳倾角钻进工序；

S2：控制钻杆转速及钻杆的钻进速度以匹配增倾角钻进工序、降倾角钻进工序或稳倾角钻进工序，进行增倾角钻进工序时，至少使钻杆具有向上远离作业面0.15°/m的角度变化；进行降倾角钻进工序时，至少使钻杆具有向下远离作业面0.15°/m的角度变化；进行稳倾角钻进工序时，至多使钻杆具有相对于作业面±0.05°/m的角度变化。

可选的，进行增倾角钻进工序时，以低钻杆转速和高钻杆钻进速度实施复合钻进，低钻杆转速为30r/min以下，高钻杆钻进速度为0.8m/min以上；

进行降倾角钻进工序时，以高钻杆转速和低钻杆钻进速度实施复合钻进，高钻杆转速为90r/min以上，低钻杆钻进速度为0.3m/min以下；

进行稳倾角钻进工序时，以50～70r/min的钻杆转速及0.5～0.6m/min的钻杆钻进速度实施复合钻进。

一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法，包括如下步骤：

步骤一、增倾角钻进工序：针对钻进地层，以低钻杆转速和高钻杆钻进速度实施复合钻进，低钻杆转速为30r/min以下，高钻杆钻进速度为0.8m/min以上；获取钻杆转速及钻杆钻进速度数值，待钻进6m后，测量钻孔倾角，钻孔倾角上升0.15°/m以上定义当前钻进参数具有增倾角效果；

步骤二、降倾角钻进工序：针对钻进地层，进行降倾角钻进工序时，以高钻杆转速和低钻杆钻进速度实施复合钻进，高钻杆转速为90r/min以上，低钻杆钻进速度为0.3m/min以下；获取钻杆转速及钻杆钻进速度数值，待钻进6m后，测量钻孔倾角，钻孔倾角降低0.15°/m以上定义当前钻进参数具有降倾角效果；

步骤三、稳倾角钻进工序：针对钻进地层，以50～70r/min的钻杆转速及0.5～0.6m/min的钻杆钻进速度实施复合钻进；获取钻杆转速及钻杆钻进速度数值，待钻进6m后，测量钻孔倾角，至多使钻杆具有相对于作业面±0.05°/m的角度变化定义当前钻进参数具有稳倾角钻进效果；

步骤四、通过步骤一到步骤三的实施，分别得到在当前地层条件下可以增倾角、降倾角和稳倾角的钻杆转速及钻杆钻进速度范围；根据定向钻孔的轨迹控制需要，选择增倾角、降倾角和稳倾角对应的钻进速度值和钻杆旋转速度值，使钻孔轨迹按预定方向延伸。

一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角装置，设置：

依次连接的钻机组件、马达组件及钻头；

所述的钻机组件上设置回转速度测量装置及钻进速度测量装置，回转速度测量装置用于测量钻杆转速，钻进速度测量装置用于测量钻杆钻进速度；

所述的钻机组件设置机身，机身上滑动设置托板，托板上安装动力头、卡盘和钻杆；

所述的回转速度测量装置设置在动力头上并与卡盘同步回转；

所述的钻进速度测量装置设置在机身侧边并与托板同步滑动。

可选的，所述的回转速度测量装置由支架、光栅传感器和光栅盘组成，所述的支架一端固设在动力头上，支架的另一端放置光栅传感器；

光栅盘一端与卡盘连接，光栅盘的另一端与光栅传感器耦合对接。

可选的，所述的光栅盘为管式构件，管式构件一端设置与卡盘连接的螺纹，管式构件的另一端设置径向延伸的环盘式结构，在环盘式结构上设置空缺的测量口；

光栅传感器设置有信号发射端和信号接收端，环盘式结构插设在信号发射端和信号接收端之间。

可选的，所述的钻进速度测量装置由线速度传感器、第一支架和第二支架组成；

所述的第二支架为长杆式构件，第二支架固设在机身侧边，同时，线速度传感器设置在第二支架一端；

第一支架套设在第二支架的长杆上，同时，第一支架还与托板固定连接。

可选的，所述的马达组件依次同轴接设接手、直外管、弯外管、稳定器和传动轴；

接手与钻杆轴接，传动轴与钻头轴接；

直外管与弯外管之间的角度差为1.5°。

可选的，所述的钻头设置钻头本体，钻头本体上设置切削刀翼和切削齿，切削齿上设置外出刃；

所述的切削刀翼有四个，四个切削刀翼呈90°夹角布置；外出刃高度为1～2mm。

可选的，还设置防爆计算机和操纵装置；

防爆计算机用于钻杆钻进速度和钻机转速的接收和判断；

操纵装置用于控制钻杆钻进速度和钻机转速。

通过上述描述可知，本发明的煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角装置及方法具有如下效果：

能够实现对复合钻进中钻进速度和旋转速度的精确测控，可匹配不同的钻进速度和旋转速度实施复合钻进，从而准确确定复合钻进控制钻孔倾角的工艺参数；通过合理控制钻进工艺参数，充分发挥钻具组合结构特点，实现利用复合钻进控制钻孔轨迹倾角，可显著提高煤矿井下定向钻孔中复合钻进比例，从而提高钻进效率和钻进安全性，有利于实现深孔、高效钻进。

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

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本发明的煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角装置结构示意图；

图2是图1中的A部放大图；

图3是本发明的回转速度测量装置结构示意图；

图4是本发明的钻进速度测量装置结构示意图；

图5为本发明的煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法流程图；

附图标记：

1-机身、2-托板、3-钻进速度测量装置、4-回转速度测量装置、5-动力头、6-卡盘、7-钻杆、8-扶正装置、9-操纵装置、10-防爆计算机；

11-接手、12-直外管、13-弯外管、14-稳定器、15-传动轴、16-钻头本体、17-切削刀翼、18-切削齿、19-外出刃；

31-线速度传感器、32-第一支架、33-第二支架；

41-支架、42-光栅传感器、43-光栅盘、431-测量口。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。

本发明描述中，术语“包括”、“包含”和“具有”意在包括性。另外，也应当理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位关系为基于附图所示方位关系，并非理解为对本发明的限制。

下面结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的详细描述。

结合图5，本发明公开了一种煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法，S1：获取钻杆转速及钻杆钻进速度，通过钻孔轨迹要求判定当前工作状态需要进行增倾角钻进工序、降倾角钻进工序或稳倾角钻进工序；S2：控制钻杆转速及钻杆的钻进速度以匹配增倾角钻进工序、降倾角钻进工序或稳倾角钻进工序，进行增倾角钻进工序时，至少使钻杆具有向上远离作业面0.15°/m的角度变化；进行降倾角钻进工序时，至少使钻杆具有向下远离作业面0.15°/m的角度变化；进行稳倾角钻进工序时，至多使钻杆具有相对于作业面±0.05°/m的角度变化。

具体的，进行增倾角钻进工序时，以相对较低转速和较高钻进速度实施复合钻进，煤层中钻进时，以转速30r/min以下定义为较低转速，钻进速度0.8m/min以上定义为较高钻进速度(此处钻进速度未设上限，通常以现有钻杆的最高上限钻进速度为止)；进行降倾角钻进工序时，以相对较高转速和较低钻进速度实施复合钻进，煤层钻进中，以转速90r/min以上定义为较高转速(此处转速未设上限，通常以现有钻杆的最高上限转速为止)，钻进速度0.3m/min以下定义为较低钻进速度；进行稳倾角钻进工序时，以常用50～70r/min的转速及0.5～0.6m/min的钻进速度实施复合钻进。

具体包含如下步骤：

步骤一：增倾角钻进试验。针对钻进地层，以相对较低转速和较高钻进速度实施复合钻进，煤层中钻进时，以转速30r/min以下定义为较低转速，钻进速度0.8m/min以上定义为较高钻进速度。此时钻进形成的钻屑量多且钻屑粒径大，受螺杆马达稳定器影响，钻屑易在孔底下缘堆积形成“钻屑楔”，稳定器及其前段钻具受堆积钻屑的支撑作用，当旋转过程中螺杆马达弯头旋转至上半部时，增加钻头向上侧切削程度，当螺杆马达弯头旋转至下半部时，限制钻头向下侧切削能力，从而将产生增倾角的效果。获取钻进速度和钻头转速具体数值并记录，待钻进6m后(因测量系统安装位置距钻头约6m)，测量钻孔倾角，获取钻孔倾角变化效果，以钻孔倾角上升0.15°/m以上定义当前钻进参数具有增倾角效果。如此，通过在大于0.8m/min的钻进速度和低于30rmin的钻杆旋转速度选择不同的钻进速度和钻杆旋转速度相组合进行增倾角钻进试验，从而确定适应本地层的具有增倾角功能的钻进速度和钻杆旋转速度的组合及其增倾角效果，并以此工艺参数作为参考在后续钻进过程中需要增加钻孔倾角时选择。

步骤二：降倾角钻进试验。针对钻进地层，以相对较高转速和较低钻进速度实施复合钻进，煤层钻进中，以转速90r/min以上定义为较高转速，钻进速度0.3m/min以下定义为较低钻进速度。此时钻进形成的钻屑量少且粒径小，在钻进冲洗液作用下孔底保持清洁状态、无钻屑堆积，受螺杆马达稳定器支撑作用，稳定器前段钻具在重力和离心力共同作用下，定向钻头外出刃更多地切削孔壁下缘煤岩体，从而达到降倾角的效果。获取钻进速度和钻头转速具体数值并记录，待钻进6m后，测量钻孔倾角，获取钻孔倾角变化效果。以钻孔倾角降低0.15°/m以上定义当前钻进参数具有降倾角效果。如此，通过在90r/min以上的钻杆旋转速度和低于0.3m/min的钻进速度选择不同的钻进速度和钻杆旋转速度相组合进行降倾角钻进试验，从而确定适应本地层的具有降倾角功能的钻进速度和钻杆旋转速度的组合及其降倾角效果，并以此作工艺参数作为参考在后续钻进过程中需要降低钻孔倾角时选择。

步骤三：稳倾角钻进试验。针对钻进地层，以常用50～70r/min的转速及0.5～0.6m/min的钻进速度实施复合钻进。此时钻进形成的钻屑粒径适中，钻屑在冲洗液的作用下连续稳定的向孔口运移。稳定器前段钻具在重力和离心力以及钻屑的支撑力共同作用下，定向钻头基本处于竖直方向受力平衡状态，钻孔倾角处于稳定状态，以钻孔倾角变化在±0.05°/m以内定义当前钻进参数具有稳倾角效果。获取钻进速度和钻杆旋转速度具体数值并记录，待钻进6m后，测量钻孔倾角，确定是否处于钻孔倾角稳定状态。通过试验确定当前地层稳倾角钻进的钻杆旋转速度和钻进速度的匹配关系从而确定适应本地层的具有稳定倾角功能的钻进速度和钻杆旋转速度的组合，并以此工艺参数作为参考在后续钻进过程中需要稳定钻孔倾角时使用。

步骤四：通过上述步骤一到步骤三的实施，分别得到在当前地层条件下可以增倾角、降倾角和稳倾角的钻进速度和钻杆旋转速度范围。根据定向钻孔的轨迹控制需要，选择增倾角、降倾角和稳倾角对应的钻进速度值和钻杆旋转速度值，使钻孔轨迹按预定方向延伸。

结合图1-4，本发明的煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角装置，配合煤矿井下复合钻进控制钻孔倾角方法实现，具体设置：依次连接的钻机组件、马达组件及钻头；钻机组件上设置回转速度测量装置4及钻进速度测量装置3，回转速度测量装置4用于测量钻杆转速，钻进速度测量装置3用于测量钻杆钻进速度；钻机组件设置机身1，机身1上滑动设置托板2，托板2上安装动力头5、卡盘6和钻杆7；回转速度测量装置4设置在动力头5上并与卡盘6同步回转；钻进速度测量装置3设置在机身1侧边并与托板2同步滑动。

在本公开的实施例中，回转速度测量装置4由支架41、光栅传感器42和光栅盘43组成，支架41一端固设在动力头5上，支架41的另一端放置光栅传感器42；光栅盘43一端与卡盘6连接，光栅盘43的另一端与光栅传感器42耦合对接。具体的，在本公开的实施例中，光栅盘43的具体结构参见图3所示，光栅盘43为管式结构，左端通过左旋螺纹连接于卡盘6的主轴上，工作时随卡盘6做旋转运动。光栅盘43主要工作部位为右侧的环盘形结构，环盘形边缘设置有一个U型豁口即为测量口431。光栅传感器42由两部分组成，分别为信号发射端和信号接收端。信号发射端和信号接收端分别安装在支架41上且位于光栅盘的轴向两侧。工作时，光栅传感器42的信号发射端持续不断的向信号接收端发送信号。光栅盘43跟随动力头旋转过程中，当测量口431位置旋转到光栅传感器42两部分之间时，光信号连通，计数器计数一次。通过在单位时间内测得的光栅盘43的旋转圈数，即可计算出光栅盘43的旋转速度，也就是钻杆的旋转速度。回转速度测量装置4由支架41、光栅传感器42和光栅盘43组成，整个装置安装在动力头5后端。通过螺栓将支架41带有通孔的一端连接于动力头5的壳体上。动力头5固定连接于托板2上，卡盘6属于动力头5的组成部分，具有夹紧钻杆7的功能。在液压马达的驱动下，卡盘6沿自身轴线做回转运动，夹紧钻杆7后可带动钻杆7做回转运动。光栅盘43左端通过左旋螺纹连接于卡盘6的主轴上，随卡盘6做回转运动。光栅盘43另一端设置有豁口，与光栅传感器42共同作用可测量卡盘的转动速度。正常钻进工况下，卡盘6夹紧钻杆7并以相同的速度回转。光栅传感器42测量的回转速度即为钻杆7的回转速度。

在本公开的实施例中，钻进速度测量装置3由线速度传感器31、第一支架32和第二支架组成33；第二支架33为长杆式构件，第二支架33固设在机身1侧边，同时，线速度传感器31设置在第二支架33一端；第一支架32套设在第二支架33的长杆上，同时，第一支架32还与托板2固定连接。参见图4所示，钻进速度测量装置3由线速度传感器31、第一支架32、及第二支架33构成。钻进速度测量装置3设置长杆式的第二支架33，通过螺栓固定连接于机身1。线速度传感器31由第二支架33固定。第一支架32通过螺栓固定连接在托板2上。在给进油缸的作用下，托板2可沿机身1导轨做直线往复运动，即可带动第一支架32沿第二支架33的杆体移动，即可测出托板2的移动速度。正常钻进过程中，线速度传感器31测量出托板2运动的速度即为钻杆7的钻进速度。

在本公开的实施例中，马达组件依次同轴接设接手11、直外管12、弯外管13、稳定器14和传动轴15；接手11与钻杆7轴接，传动轴15与钻头轴接；直外管12与弯外管13之间的角度差为1.5°。钻进过程中，马达组件位于钻孔内，接手1左端固定连接钻杆7直至孔口，与钻机上的钻杆7固定连接。传动轴15右端固定连接钻头。通过控制钻机上的钻杆7的旋转速度间接控制了钻头的旋转速度；通过控制钻杆7的推进速度也就是控制了钻进速度。操纵装置9可分别控制钻杆7的旋转速度和钻杆7的推进速度。回转速度测量装置4用于测量钻杆7的旋转速度。钻进速度测量装置3用于测量钻杆7的推进速度。防爆计算机10用于测量钻孔倾角变化后的数值。参见图1，显示了本发明的马达组件结构示意图，马达组件包含外部固定组件和内部转动组件，外部固定组件由接手11、直外管12和弯外管13依次连接组成，接手11、直外管12和弯外管13均为中空，以供内部转动组件容置。接手11后端设置有内螺纹与钻杆7连接，其前端连接直外管12，直外管12前端连接弯外管13，且直外管12轴线与弯外管3轴线间有一定角度，此角度值为1.5°，该角度的马达组件造斜能力和适应快速回转钻进的能力较强。弯外管13上设置有一个稳定器14，其直径接近或略小于钻头直径，可作为钻进过程中钻具的支撑点，稳定器14外壁镶焊有保径材料。内部转动组件由转子、万向轴和传动轴15依次连接组成，传动轴15前端设置有内螺纹以与钻头连接。

在本公开的实施例中，钻头设置钻头本体16，钻头本体16上设置切削刀翼17和切削齿18，切削齿18上设置外出刃19；切削刀翼17有四个，四个切削刀翼17呈90°夹角布置；外出刃19高度为1～2mm。参见图1，显示了本发明的带外出刃的定向钻头结构示意图，带外出刃的定向钻头包含钻头本体16和切削单元，钻头本体16后端设置有外螺纹，以与传动轴15前端设置的内螺纹连接，其前端设置有不少于两个的水孔，用于冲洗液流通并起到冲洗、润滑和冷却切削单元的作用。切削单元包含设置于钻头本体16前端的四个切削刀翼17和多个切削齿18，四个切削刀翼17呈90°夹角布置，其外壁镶焊有保径材料，其前端镶焊有多个切削齿18，多个切削齿18采用金刚石复合片且每个切削刀翼17最外圈的切削齿均具有一定高度的外出刃19，外出刃19的高度为1～2mm。在增倾角或降倾角时设定的钻杆旋转速度和钻进速度范围内，此外出刃19的高度值有利于增加倾角的变化趋势，而因外出刃19的存在导致的煤粉切削量的增加也不会影响调节倾角时的难易程度。

在本公开的实施例中，还设置防爆计算机10和操纵装置9；防爆计算机10用于钻杆钻进速度和钻机转速的接收和判断；操纵装置9用于控制钻杆钻进速度和钻机转速。防爆计算机10用来显示倾角调整过程中的具体数值。根据显示数值，即可判断是否需要继续增倾角操作、降倾角操作或是稳倾角操作。此外，还包括随钻测量系统、无磁钻具等。

由此可见，本发明工艺方法易于操作，通过控制复合钻进工艺参数即可控制钻孔轨迹倾角，可显著提高定向钻孔中复合钻进比例，对于实现深孔、高效钻进具有重要意义；本发明装置充分发挥钻具组合结构特点，能够实现对复合钻进过程中钻进速度和旋转速度的精确测控，通过复合钻进控制倾角试验即可确定控制倾角变化的工艺参数；本发明装置及方法适用性广，既可用于定向钻机，也可用于常规钻机，对于提高常规顺层钻孔轨迹控制能力和钻孔深度也具有重要意义。

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。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。