一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种长钻孔控压钻进系统及方法，属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统及方法。本发明专利技术通过控制钻孔环空中的冲洗液返出压力，在近水平长钻孔上建立起虚拟“液柱”，同时采用具有良好综合性能的冲洗液体系、闭式循环，借助虚拟“液柱”压差作用使冲洗液适量滤失而在孔壁上形成柔性滤膜，以此来发挥冲洗液的护壁防塌、平衡地层压力等功能，增强近水平定向长钻孔钻进技术对松软破碎、水敏性等复杂地层的适应能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种长钻孔控压钻进系统及方法，属于煤矿开采
，具体涉及一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统及方法。 
技术介绍
我国煤矿95％以上为井工开采，复杂的煤田地质条件给煤矿安全生产带来了严重灾害，其中井下瓦斯灾害是我国煤矿安全生产中最严重的灾害之一，且随着采煤范围的扩大和采煤深度的增加，原来一些低瓦斯矿井逐渐转变成了高瓦斯矿井，使得煤矿安全生产形势更加严峻。我国煤矿几十年瓦斯治理的经验证明：瓦斯预抽采是降低煤层瓦斯含量、防治瓦斯灾害最有效的技术手段，同时也是综合利用瓦斯的基础。 煤矿井下近水平定向长钻孔是实现瓦斯高效抽采的重要技术途径，具有有效距离长、分支孔多、钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，它促进了我国煤矿井下瓦斯抽采技术的发展，对保障煤矿安全高效生产和加快瓦斯抽采利用起到了重大推动作用。 目前，煤矿井下近水平定向长钻孔钻进施工普遍采用清水作为冲洗液、开式循环，即清水由钻杆柱中心孔到达孔底后经钻杆柱与孔壁间的环状间隙返出后以污水的形式排掉。清水作为冲洗液在近水平钻孔中的携岩能力相对较低，且护壁防塌、抑制泥页岩水化膨胀等性能较差。目前虽已尝试通过在清水中添加化学处理剂的方式来改善其性能，但因近水平钻孔循环通道中几乎无液柱压力，孔内处于完全意义上的欠平衡状态，化学处理剂难以在孔壁表面上形成有效的滤膜，不能充分发挥冲洗液应有的作用；同 时,开式循环消耗大量的清水和处理剂，成本高，且污染井巷环境。 此外，随着近水平定向钻进技术应用范围和领域的拓展，施工钻遇的地层呈现多样化，由单一的中硬及以上煤层变为不同类型煤岩层和顶底板岩层。近水平定向长钻孔在诸如松软破碎、水敏性等复杂地层中延伸时，存在孔壁稳定性差、成孔难度大，易发生卡钻等孔内事故的问题，严重影响钻孔轨迹控制和钻孔工程目的的实现。 为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究，综合多年从事相关领域工作的实践经验，研究出一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进方法及配套装置，以克服上述缺陷。 
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的孔壁稳定性差、成孔难度大、易卡钻等问题，提供了一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统及方法。采用本系统及方法能充分发挥冲洗液护壁防塌、平衡地层压力的功能，进而减少或避免孔内事故的发生，提高近水平定向长钻孔穿越松软破碎、水敏性等复杂地层的能力。 本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，包括：钻杆柱、钻孔环空、封孔管、冲洗液闭式循环净化装置、孔口密封控压装置，其中：所述封孔管固定于煤岩层内，所述孔口密封控压装置与封孔管连接，所述钻杆柱穿过所述孔口密封控压装置后深入封孔管以及煤岩层内并与所述封孔管以及所述煤岩层形成钻孔环空，所述冲洗液闭式循环净化装置与钻杆柱的中心孔相连，所述钻杆柱的中心孔与所述钻孔环空相通，所述孔口密封控压装置用于控制钻孔环空内冲洗液压力，其上设有冲洗液返回通道。 优化的，上述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，所述孔口密封控压装置包括：通过承压腔与所述钻孔环空相通的排液弯管、通 过承压活塞与排液弯管相连接的卸压腔、通过调压弹簧与所述承压活塞相连的控压手轮。 优化的，上述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，所述孔口密封控压装置还包括：承压密封座、位于承压密封座内的轴向密封胶塞和径向密封胶塞、至少部分包裹所述承压密封座并且内部充满密封液体的浮动腔，其中：所述轴向密封胶塞的外表面与承压密封座内表面耦合，其一端包裹于钻杆柱外部，另一端与胶塞压紧环相连，所述胶塞压紧环与调节螺栓相接，并且通过调节螺栓推动所述胶塞压紧环可控制所述轴向密封胶塞与钻杆柱之间的抱紧程度；所述径向密封胶塞由碟簧压紧并且可随承压密封座一起在浮动腔内自由滑动。 优化的，上述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，所述冲洗液闭式循环净化装置包括：与所述钻杆柱中心孔相连的送水器、与所述孔口密封控压装置的冲洗液返回通道相连接的用于从冲洗液中分离瓦斯气体及煤渣的分离器、与所述分离器相连的冲洗液净化装置、与所述冲洗液净化装置相连的冲洗液罐、泥浆泵，所述泥浆泵的吸入端与冲洗液罐相连，输出端与送水器相连接。 优化的，上述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，所述冲洗液罐内设有配浆器，所述配浆器通过配浆阀门和混浆胶管与泥浆泵的输出端相连，所述送水器与泥浆泵的输出端之间设有冲洗液阀门。 一种利用上述的煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统进行控压钻进的方法，包括： 施工准备步骤，在煤岩层中开孔并用封孔管封孔后，在封孔管内注水憋压达到1.3MPa～1.5MPa，观察封孔管的孔内压力变化及开孔点周围煤壁渗水情况，若30分钟内封孔管内的压力下降值＜0.15MPa，且封孔管周围无水渗漏，则封孔合格，否则需采取加固封孔措施或重新开孔； 设备安装步骤，将钻杆柱下入封孔管以及煤岩层内，将孔口密封控压装置安装到封孔管上，再依次连接送水器、泥浆泵、冲洗液罐、分离器、冲洗液净化装置构成孔外冲洗液闭式循环通道，配置冲洗液罐内的冲洗液； 钻进施工步骤，根据地层情况，通过孔口密封控压装置将钻孔环空冲洗液返排压力控制在0.6MPa～0.8MPa之间，实施钻进作业。 优化的，上述的控压钻进方法，所述施工准备步骤进一步包括： 开孔子步骤，采用回转钻进工艺开孔，孔径153mm，开孔深度在15m以上，钻至预定深度后循环冲孔时间10min以上； 封孔子步骤，在开孔子步骤形成的孔内，下入外径Φ127mm、壁厚5mm的钢制封孔管，总长度为13.0m～13.5m，煤壁外出露长度≤20cm；采用带压注水泥浆技术封固封孔管，注浆后候凝时间不少于18小时； 试压子步骤，待封孔候凝结束后，在封孔管法兰上安装试验接头，由泥浆泵向孔内注水，压力达到1.3MPa～1.5MPa后停止注水，观察封孔管孔内压力变化及开孔点周围煤壁渗水情况，若30分钟内压力下降值＜0.15MPa，且封孔管周围无水渗漏，则封孔合格，否则需采取加固封孔措施或重新开孔； 优化的，上述的控压钻进方法，所述设备安装步骤进一步包括： 冲洗液配置子步骤，在冲洗液罐注满清水后加入0.7％～1.0％增粘防塌处理剂、0.4％～0.6％泥页岩水化膨胀抑制剂和0.1％～0.25％润滑减阻材料，充分混合后静置待用。 优化的，上述的控压钻进方法，所述钻进施工步骤进一步包括： 钻进施工子步骤，开启孔外冲洗液闭式循环通道，向孔内循环通道注入冲洗液并开始钻进； 控压钻进子步骤，根据实际钻遇的地层情况，通过控压手轮调节调压弹簧的压缩量将钻孔环空内的冲洗液压力控制在0.6MPa～0.8MPa之间； 密封控制子步骤，钻进过程中，根据轴向密封胶塞密封面磨损情况，通过调节螺栓、胶塞压紧环来调节轴向密封胶塞与钻杆柱之间的抱紧程度，以保证钻杆柱与钻孔环空之间的可靠承压密封。 优化的，上述的控压钻进方法，所述冲洗液包含：0.7％～1.0％的增粘防塌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，包括：钻杆柱(1)、钻孔环空(4)、封孔管(5)、冲洗液闭式循环净化装置，其中：所述封孔管(5)固定于煤岩层(2)内，所述钻杆柱(1)与所述封孔管(5)以及所述煤岩层(2)形成钻孔环空(4)，所述冲洗液闭式循环净化装置与钻杆柱(1)中心孔相连，所述钻杆柱(1)中心孔与所述钻孔环空(4)相通，其特征在于，还包括：与封孔管(5)连接的用于控制钻孔环空(4)内冲洗液压力并设有冲洗液返回通道的孔口密封控压装置(6)，所述钻杆柱(1)穿过所述孔口密封控压装置(6)后进入所述封孔管(5)和煤岩层(2)内。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，包括：钻杆柱(1)、钻孔环空(4)、封孔管(5)、冲洗液闭式循环净化装置，其中：所述封孔管(5)固定于煤岩层(2)内，所述钻杆柱(1)与所述封孔管(5)以及所述煤岩层(2)形成钻孔环空(4)，所述冲洗液闭式循环净化装置与钻杆柱(1)中心孔相连，所述钻杆柱(1)中心孔与所述钻孔环空(4)相通，其特征在于，还包括：与封孔管(5)连接的用于控制钻孔环空(4)内冲洗液压力并设有冲洗液返回通道的孔口密封控压装置(6)，所述钻杆柱(1)穿过所述孔口密封控压装置(6)后进入所述封孔管(5)和煤岩层(2)内。 
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，其特征在于，所述孔口密封控压装置(6)包括：通过承压腔(28)与所述钻孔环空(4)相通的排液弯管(26)、通过承压活塞(24)与排液弯管(26)相连接的卸压腔(25)、通过调压弹簧(23)与所述承压活塞(24)相连的控压手轮(22)。 
3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，其特征在于，所述孔口密封控压装置(6)还包括：承压密封座(33)、位于承压密封座(33)内的轴向密封胶塞(32)和径向密封胶塞(29)、至少部分包裹所述承压密封座(33)并且内部充满密封液体的浮动腔(30)，其中： 
所述轴向密封胶塞(32)的外表面与承压密封座(33)内表面耦合，其一端包裹于钻杆柱(1)外部，另一端与胶塞压紧环(34)相连，所述胶塞压紧环(34)与调节螺栓(36)相接，并且通过调节螺栓(36)推动所述胶塞压紧环(34)可控制所述轴向密封胶塞(32)与钻杆柱(1)之间的抱紧程度； 
所述径向密封胶塞(29)由碟簧(31)压紧并且可随承压密封座(33) 一起在浮动腔(30)内自由滑动。 
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，其特征在于，所述冲洗液闭式循环净化装置包括：与所述钻杆柱(1)中心孔相连的送水器(7)、与所述孔口密封控压装置(6)的冲洗液返回通道相连接的用于从冲洗液中分离瓦斯气体及煤渣的分离器(10)、与所述分离器(10)相连的冲洗液净化装置(11)、与所述冲洗液净化装置(11)相连的冲洗液罐(19)、泥浆泵(12)，所述泥浆泵(12)的吸入端与冲洗液罐(19)相连，输出端与送水器(7)相连接。 
5.根据权利要求4所述的一种煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统，其特征在于，所述冲洗液罐(19)内设有配浆器(20)，所述配浆器(20)通过配浆阀门(21)和混浆胶管(14)与泥浆泵(12)的输出端相连，所述送水器(7)与泥浆泵(12)的输出端之间设有冲洗液阀门(9)。 
6.一种利用权利要求1-5所述的任一煤矿井下近水平定向长钻孔控压钻进系统进行控压钻进的方法，其特征在于，包括： 
施工准备步骤，在煤岩层中开孔并用封孔管(5)封...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建林，李泉新，石智军，许超，史海岐，毕志琴，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61