煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法技术

本发明专利技术涉及一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法。包括：双壁钻杆，包括内钻杆和外钻杆；偏置溢流装置，近钻头测量探管，指向式传动短节，定向钻头。该钻具定向钻进时，利用偏置溢流装置和指向式传动短节形成定向纠斜方向，产生造斜力；利用双壁钻杆的内钻杆、外钻杆相对旋转，精准控制定向纠斜方向，利用近钻头测量探管实时测量孔底参数，为钻孔轨迹调控提供依据；利用孔口钻机作为动力源，通过外钻杆将扭矩传递至指向式传动短节，驱动定向钻头回转碎岩。本发明专利技术可在钻具旋转的同时进行钻孔轨迹控制，适用于液动定向钻进工艺和气动定向钻进工艺，实现了中硬煤层、碎软煤层、岩层等不同目标地层中精准、安全、高效定向钻进施工。施工。施工。

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法


[0001]本专利技术涉及一种导向钻具及钻进方法，属于煤矿井下坑道钻探领域，具体是涉及一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法。

技术介绍

[0002]我国煤矿地质条件复杂，伴生灾害多，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压等各类灾害频发。煤矿井下定向钻孔是进行瓦斯抽采治理、水害防治、地质构造探查的重要技术手段。目前，已开发出分别适用于中硬煤层、碎软煤层、顶底板岩层的专用定向钻进技术装备，在煤矿灾害防治中发挥了重要作用，为煤矿安全高效开采提供了保障。
[0003]定向钻具是进行定向钻孔施工的核心和关键，现有技术装备主要采用螺杆钻具进行施工，研制了适用于中硬煤层、岩层钻进施工的液驱螺杆钻具和适用于碎软煤层钻进施工的气驱螺杆钻具，开发了滑动定向钻进技术、复合定向钻进技术，以清水、泥浆、空气为钻孔冲洗介质，实现了钻进过程精准控制，并多次创造了煤矿井下钻孔深度纪录。但是现有技术装备仍然存在地层适应性差、钻进效率低、工艺适用性单一、滑动定向纠斜模式制约了长距离安全施工、随钻测量滞后等不足，具体体现如下：
[0004](1)地层适应性差。液驱螺杆钻具需配套液动定向钻进工艺施工，只适用于中硬煤岩层，碎软煤层钻进时，高压液体易引发钻孔孔壁失稳破坏，成孔困难；而气驱螺杆钻具需配套气动定向钻进工艺施工，其减少了对地层的扰动破坏，适用于碎软煤层钻进，但其输出扭矩小，在岩层中的钻进效率低，当钻孔穿出目标碎软煤层进入岩层后，钻进困难，很难将钻孔轨迹调整回碎软煤层。/>[0005](2)钻进效率低。定向钻进时主要依靠孔底液驱螺杆钻具和气驱定向钻具输出的动力进行孔底局部转动碎岩，液驱螺杆钻具和气驱定向钻具主要利用钻孔冲洗介质的动能转化为碎岩机械能，其额定输出扭矩均远小于孔口钻机的额定输出扭矩，钻进动力小，钻进效率低，尤其是岩层钻进速度极慢。
[0006](3)工艺适用性单一。液驱螺杆钻具和气驱螺杆钻具均需要利用冲洗介质进行驱动工作，受液体、气体两种介质的物理特性不同影响，液驱螺杆钻具和气驱螺杆钻具的结构存在较大差异，两者不能互换使用，当根据孔内地层情况选择不同钻进工艺时，需要更换定向钻具，才可正常进行施工。
[0007](4)滑动定向纠斜模式制约了长距离安全施工。钻孔轨迹纠斜时，需要保持螺杆钻具造斜方向保持不变，此时钻杆不能回转。受该因素影响，定向纠斜时无法旋转钻杆，钻孔的排渣效率下降，易因钻渣积聚导致卡埋钻事故；同时定向纠斜时，钻杆滑动给进，作用在钻杆上的摩阻力远大于回转动摩擦阻力，拖压现象严重，孔底钻进动力不足，制约了钻进成孔深度。
[0008](5)随钻测量滞后。钻孔轨迹测量是钻孔轨迹控制的基础，受螺杆钻具结构特性影响，其长度一般为3～5m，钻孔轨迹随钻测量探管安装在螺杆钻具与定向钻杆之间，与钻头的间距一般为6～8m，测量数据滞后于孔底实际情况，需要对钻头处轨迹参数进行估算，影
响了钻孔轨迹测控精度。
[0009]因此，本专利技术结合煤矿井下精准、高效灾害防治需要，针对目前煤矿井下定向钻进技术装备存在的不足，研究设计了煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法，克服了上述缺陷。

技术实现思路

[0010]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0011]本专利技术的目的是针对目前煤矿井下定向钻进技术装备存在的地层适应性差、钻进效率低、工艺适用性单一、滑动定向纠斜模式制约了长距离安全施工、随钻测量滞后等不足，提供了一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法。为解决上述问题，本专利技术的方案是：
[0012]一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，包括：
[0013]双壁钻杆，包括内钻杆和外钻杆；
[0014]偏置溢流装置，包括偏置溢流装置外管以及位于所述偏置溢流装置外管内部的且可相对于所述偏置溢流装置外管周向转动的偏置溢流芯管；所述偏置溢流装置外管和所述偏置溢流芯管分别连接所述外钻杆和内钻杆；所述偏置溢流芯管远离所述内钻杆的一端设置有与偏置溢流芯管轴线平行但不重合的偏置圆孔；
[0015]近钻头测量探管安装在偏置溢流装置内，可测量钻孔轨迹参数、地层参数、指向式传动短节造斜方向等参数，可选用有线、泥浆脉冲或电磁波等传输方式将测量数据发送至孔口，根据测量参数和传输方式的不同，近钻头测量探管长度可改变。所述的钻孔轨迹参数包括倾角、方位角，所述的地层参数包括但不限于方位电阻率、方位伽马；
[0016]指向式传动短节，包括传动短节外管以及位于所述传动短节外管内的传动轴；所述传动轴的一端设置有偏置球头，所述偏置球头与所述偏置圆孔相连；所述传动轴的另一端与钻头相连；所述传动短节外管与所述偏置溢流装置外管相连，所述传动短节外管与所述传动轴之间通过传动球传动；所述传动轴设置有与所述溢流芯管相连通的过流孔；
[0017]定向钻头与指向式传动短节的传动轴后端母螺纹连接，在指向式传动短节旋转带动下进行定向碎岩。
[0018]优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述外钻杆的两端设置连接螺纹，螺纹根部设置有外钻杆台阶面，所述外钻杆台阶面处设置有推力轴承；所述内钻杆通过所述推力轴承定位于所述外钻杆内部。
[0019]优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的双壁钻杆之间连接时，外钻杆之间通过螺纹连接，既可传递旋转动力，又可传递给进动力；内钻杆之间通过六方母接头、六方公接头相互插接连接，仅传递旋转动力。
[0020]优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的双壁钻杆的外钻杆的外表面形状可根据钻进目标地层选择，当钻进目标地层为中硬煤层、岩层时，外表面为外平圆形结构；当钻进地层为碎软煤层时，外表面为螺旋、三棱或三棱螺旋等异形结
构。
[0021]优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述偏置溢流装置外管包括依次连接的偏置溢流上接头、偏置溢流下接头；所述偏置溢流上接头连接外钻杆；所述偏置溢流下接头连接传动短节外管。
[0022]优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述偏置溢流下接头内表面设置有三个台阶面，第一台阶面与偏置溢流芯管之间设置有推力轴承组，第二台阶面与所述第一台阶段面相邻设置且内径小于第一台阶面；第三台阶面与第二台阶面相邻设置且直径大于第二台阶面；所述溢流芯管位于第一台阶面内的部分直径小于位于第三台阶面部分的直径。
[0023]优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的偏置溢流芯管前端设置有六方母接头，六方母接头内部靠近接头端面方向设置有与双壁钻杆锁紧母A第二台阶面长度和直径相等的内圆面，靠近六方母接头外部根部处设置有与锁紧母B配合连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，包括：双壁钻杆(1)，包括内钻杆(12)和外钻杆(11)；偏置溢流装置(2)，包括偏置溢流装置外管以及位于所述偏置溢流装置外管内部的且可相对于所述偏置溢流装置外管周向转动的偏置溢流芯管(24)；所述偏置溢流装置外管和所述偏置溢流芯管(24)分别连接所述外钻杆(11)和内钻杆(12)；所述偏置溢流芯管(24)远离所述内钻杆(12)的一端设置有与偏置溢流芯管(24)轴线平行但不重合的偏置圆孔；近钻头测量探管(3)，安装在偏置溢流装置(2)内，可测量钻孔(6)轨迹参数、地层(7)参数、指向式传动短节(4)造斜方向参数，所述的钻孔(6)轨迹参数包括倾角、方位角，所述的地层(7)参数包括但不限于方位电阻率、方位伽马；指向式传动短节(4)，包括传动短节外管以及位于所述传动短节外管内的传动轴(46)；所述传动轴(46)的一端设置有偏置球头，所述偏置球头与所述偏置圆孔相连；所述传动轴(46)的另一端与钻头(5)相连；所述传动短节外管与所述偏置溢流装置外管相连，所述传动短节外管与所述传动轴(46)之间通过传动球传动；所述传动轴(46)设置有与所述溢流芯管(24)相连通的过流孔；所述的定向钻头(5)，与指向式传动短节(4)的传动轴(46)后端母螺纹连接，在指向式传动短节(4)旋转带动下进行定向碎岩。2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述外钻杆(11)的两端设置连接螺纹，螺纹根部设置有外钻杆台阶面，所述外钻杆台阶面处设置有推力轴承；所述内钻杆(12)通过所述推力轴承定位于所述外钻杆(11)内部；所述的双壁钻杆(1)之间连接时，外钻杆(11)之间通过螺纹连接，既可传递旋转动力，又可传递给进动力；内钻杆(12)之间通过六方母接头、六方公接头相互插接连接，仅传递旋转动力。3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述的双壁钻杆(1)的外钻杆(11)的外表面形状可根据钻进目标地层选择，当钻进目标地层为中硬煤层、岩层时，外表面为外平圆形结构；当钻进地层为碎软煤层时，外表面为螺旋、三棱或三棱螺旋等异形结构。4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述偏置溢流装置外管包括依次连接的偏置溢流上接头(21)、偏置溢流下接头(25)；所述偏置溢流上接头(21)连接外钻杆(11)；所述偏置溢流下接头(25)连接传动短节外管。5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾明群，方俊，李乔乔，黄寒静，陈天柱，范运林，王亚波，
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：