煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法
【專利摘要】一種煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法，包含外部護(hù)孔組件和中心定向鉆進(jìn)組件，所述外部護(hù)孔組件包含護(hù)孔套管，通過接頭連接鉸接接頭，鉸接接頭前端再通過接頭連接于套管靴，所述中心定向鉆進(jìn)組件包含中心鉆桿、隨鉆測量短節(jié)、螺桿鉆具和中心鉆頭。鉆進(jìn)施工時，通過調(diào)整內(nèi)部螺桿鉆具彎頭朝向來控制鉆孔軌跡，當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定深度時，將中心鉆桿、隨鉆測量短節(jié)、螺桿鉆具和中心鉆頭提出孔外，套管則留在孔內(nèi)起到護(hù)孔作用；然后從孔口下入小一級直徑繼續(xù)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工直至設(shè)計深度。本發(fā)明針對煤礦井下局部破碎、泥巖縮徑等復(fù)雜地層實(shí)現(xiàn)定向長鉆孔施工，解決煤礦井下復(fù)雜地層的瓦斯治理和水害防治問題，保障煤礦安全高效生產(chǎn)。
【專利說明】
煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法采用同心跟管定向鉆具進(jìn)行定向鉆孔施工，鉆進(jìn)時外部套管隨著鉆具一同進(jìn)入孔內(nèi)，穿過破碎地層或泥巖縮徑等復(fù)雜巖層后，提出中心鉆具，再下入小一級螺桿定向鉆具組合進(jìn)行定向鉆進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層定向長鉆孔施工。
【背景技術(shù)】
[0002]采用定向鉆進(jìn)技術(shù)解決煤礦井下瓦斯治理和水害防治問題過程中，常常會遇見泥巖縮徑、破碎帶塌孔、高地應(yīng)力軟巖塌孔等成孔難題;在這些復(fù)雜地層進(jìn)行定向鉆孔施工，存在鉆孔深度淺、施工難度大、事故發(fā)生幾率高等問題。遇到這些地層情況，主要采取避讓不穩(wěn)定地層、孔內(nèi)注漿和孔口下套管護(hù)孔等幾種方法予以處理，但往往難以取得理想的效果O
[0003]由于地層因素的限制，定向鉆進(jìn)技術(shù)不能充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，在這種情況下，對于煤礦井下采空區(qū)瓦斯治理、防治水方面，則只能采取其它技術(shù)方法和手段來解決問題，如開拓巷道、鉆場，增加鉆孔施工量等方法，這就直接增加了工程量和施工成本。在這種情況下，研究一種隨鉆跟管護(hù)孔的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖層定向長鉆孔施工具有重要意義。
[0004]為此，本發(fā)明的設(shè)計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設(shè)計，綜合長期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和成果，研究設(shè)計出一種煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法，以克服上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法，其針對煤礦井下局部破碎、泥巖縮徑等復(fù)雜地層的同心跟管定向鉆進(jìn)技術(shù)方法，以實(shí)現(xiàn)定向長鉆孔施工，解決煤礦井下復(fù)雜地層的瓦斯治理和水害防治問題，保障煤礦安全高效生產(chǎn)。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置，包含外部護(hù)孔組件和中心定向鉆進(jìn)組件，其特征在于:
[0007]所述外部護(hù)孔組件包含護(hù)孔套管，其前端通過接頭連接鉸接接頭，鉸接接頭前端通過接頭連接于套管靴，所述套管靴采用滾珠結(jié)構(gòu)連接擴(kuò)孔套，所述擴(kuò)孔套的端緣設(shè)有多個切削元件；
[0008]所述中心定向鉆進(jìn)組件包含中心鉆桿、隨鉆測量短節(jié)、螺桿鉆具和中心鉆頭，所述中心鉆桿的前端通過隨鉆測量短節(jié)連接于螺桿鉆具，所述螺桿鉆具的前端連接有中心鉆頭，所述中心鉆頭和擴(kuò)孔套之間設(shè)有快拆結(jié)構(gòu)，所述中心鉆頭的前端緣設(shè)有多個切削元件。
[0009]其中:外部套管和套管靴之間采用鉸接連接，所述鉸接接頭一端內(nèi)緣設(shè)有弧形的鉸接槽，一端外緣設(shè)有鉸接于鉸接槽內(nèi)的鉸接凸起，所述鉸接凸起的外緣為與鉸接槽相適配的弧形段，從而實(shí)現(xiàn)徑向鉸接。
[0010]其中:中心鉆頭與擴(kuò)孔套切削刃出刃高度基本一致，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)時中心鉆頭和擴(kuò)孔套造斜力方向一致。
[0011]其中:所述快拆結(jié)構(gòu)包含設(shè)置于中心鉆頭上的軸向滑槽和旋轉(zhuǎn)滑槽以及擴(kuò)孔套內(nèi)壁的定位凸起，所述軸向滑槽從中心鉆頭的前端徑向延伸至后部，所述旋轉(zhuǎn)滑槽位于中心鉆頭的中部且連通于軸向滑槽，所述定位凸起沿軸向滑槽滑入并定位于旋轉(zhuǎn)滑槽內(nèi)而實(shí)現(xiàn)中心鉆頭和擴(kuò)孔套之間的相對固定。
[0012]還公開了如上所述的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置的施工方法，包含如下步驟:
[0013]步驟一:跟管定向鉆進(jìn)，連接該鉆具組合進(jìn)行跟管定向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中，通過旋轉(zhuǎn)中心鉆桿帶動螺桿鉆具轉(zhuǎn)動從而改變螺桿鉆具彎頭朝向，外部鉸接外管、接頭、套管靴和擴(kuò)孔套隨著螺桿鉆具彎頭朝向改變而一同改變，即可改變中心鉆頭和擴(kuò)孔套在孔底的切削方向，實(shí)現(xiàn)定向鉆孔軌跡控制;而外部套管隨鉆具一同下入孔內(nèi)；
[0014]步驟二:提出中心鉆具，當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定深度時，慢慢反轉(zhuǎn)中心鉆桿，中心鉆頭和擴(kuò)孔套脫開，將中心鉆桿、隨鉆測量短節(jié)、螺桿鉆具和中心鉆頭提出孔外，套管則留在孔內(nèi)起到護(hù)孔作用；
[0015]步驟三:小直徑定向鉆具鉆進(jìn)，從孔口下入小一級直徑的螺桿鉆具、測量短節(jié)和鉆頭繼續(xù)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工直至設(shè)計深度。
[0016]通過上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置及其施工方法具有如下效果:
[0017]1、能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下局部破碎、泥巖縮徑等復(fù)雜地層定向長鉆孔施工；
[0018]2、能夠一次完成定向鉆進(jìn)和套管護(hù)孔兩個工藝步驟，減少先成孔后下套管存在風(fēng)險因素；
[0019]3、由于鉆具回轉(zhuǎn)而外部套管不回轉(zhuǎn)，避免套管因回轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損或損壞，能提高套管下入深度和成功率；
[0020]4、套管的護(hù)孔作用減少了鉆孔裸露段長度，提高鉆孔使用壽命，可拓展定向鉆技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯和水害高效治理，節(jié)約煤礦生產(chǎn)成本，保障煤礦安全尚效生廣。
[0021]本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容可通過后述的說明及所附圖而得到。
【附圖說明】
[0022]圖1顯示了本發(fā)明的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2A-2D分別顯示了本發(fā)明中鉸接外管、管靴、擴(kuò)孔套和中心鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3顯示了本發(fā)明同心跟管定向鉆具鉆進(jìn)示意圖。
[0025]圖4顯示了本發(fā)明同心跟管定向鉆進(jìn)完成后提鉆示意圖。
[0026]圖5顯示了本發(fā)明同心跟管定向鉆進(jìn)完成后套管護(hù)孔示意圖。
[0027]圖6顯示了本發(fā)明下破巖定向鉆具鉆進(jìn)示意圖。
[0028]附圖標(biāo)記:
[0029]1-中心鉆桿；2-護(hù)孔套管；3-隨鉆測量短節(jié);4-螺桿鉆具；5-鉸接接頭；6_連接接頭;7-套管靴;8-擴(kuò)孔套;9-中心鉆頭；I O-軸向滑槽;11-旋轉(zhuǎn)滑槽;12-小直徑鉆桿;13-小直徑隨鉆測量短節(jié);14-下直徑螺桿鉆具;15-小直徑鉆頭。
【具體實(shí)施方式】
[0030]參見圖1，顯示了本發(fā)明的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置。
[0031]所述煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置包含外部護(hù)孔組件和中心定向鉆進(jìn)組件，所述外部護(hù)孔組件包含護(hù)孔套管2，其為中空圓筒狀的中空結(jié)構(gòu)，其前端通過接頭連接鉸接接頭5，鉸接接頭5前端通過連接接頭6連接于套管靴7，參見圖2C，所述套管靴7采用滾珠結(jié)構(gòu)連接擴(kuò)孔套8，所述擴(kuò)孔套8的端緣間隔設(shè)有多個切削元件。
[0032]其中，參見圖2A，所述鉸接接頭5—端內(nèi)緣設(shè)有弧形的鉸接槽，一端外緣設(shè)有鉸接于鉸接槽內(nèi)的鉸接凸起，所述鉸接凸起的外緣為與鉸接槽相適配的弧形段，從而實(shí)現(xiàn)徑向鉸接。
[0033]所述中心定向鉆進(jìn)組件包含中心鉆桿1、隨鉆測量短節(jié)3、螺桿鉆具4和中心鉆頭9，所述中心鉆桿I的前端通過隨鉆測量短節(jié)3連接于螺桿鉆具4，所述螺桿鉆具4前端設(shè)有彎頭，所述螺桿鉆具4的前端連接有中心鉆頭9，為實(shí)現(xiàn)中心鉆頭9和擴(kuò)孔套8的協(xié)同切削，所述中心鉆頭9和擴(kuò)孔套8之間設(shè)有快拆結(jié)構(gòu)，參見圖2B和圖2D，所述快拆結(jié)構(gòu)可包含設(shè)置于中心鉆頭9上的軸向滑槽1和旋轉(zhuǎn)滑槽11以及擴(kuò)孔套8內(nèi)壁的定位凸起，所述軸向滑槽10從中心鉆頭9的前端徑向延伸至后部，所述旋轉(zhuǎn)滑槽11位于中心鉆頭9的中部且連通于軸向滑槽，所述定位凸起可沿軸向滑槽10滑入并定位于旋轉(zhuǎn)滑槽11內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)中心鉆頭9和擴(kuò)孔套8之間的相對固定，所述中心鉆頭9的前端緣設(shè)有多個切削元件。
[0034]參見圖6，小直徑定向鉆具包括小直徑鉆桿12、小直徑隨鉆測量短節(jié)13、小直徑螺桿鉆具14和小直徑鉆頭15，所述小直徑鉆桿12的前端通過小直徑隨鉆測量短節(jié)13連接于小直徑螺桿鉆具14，所述小直徑螺桿鉆具14的前端連接有小直徑定向鉆頭15，所述小直徑鉆頭15的前端緣設(shè)有多個破巖切削元件。
[0035]由此，本發(fā)明通過上述裝置，能實(shí)現(xiàn)煤礦井下煤礦井下局部破碎、泥巖縮徑等復(fù)雜地層的同心跟管定向鉆進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)定向長鉆孔施工。具體施工方法包含如下步驟:
[0036]步驟一:同心跟管定向鉆進(jìn)，參見圖3，將定向鉆削組件裝入護(hù)孔組件內(nèi)，驅(qū)動源驅(qū)動螺桿鉆具4回轉(zhuǎn)從而帶動中心鉆頭9和擴(kuò)孔套8回轉(zhuǎn)，在軸向給進(jìn)力作用下，切削破碎孔底，護(hù)孔套管2在孔底的擴(kuò)孔套8通過套管靴7、接頭6、鉸接外管5傳遞的拉力作用以及在孔口的給進(jìn)推力作用下，沿著鉆孔下入孔內(nèi)，鉆入時，隨鉆測量短節(jié)3將鉆孔測量參數(shù)實(shí)時傳遞到孔口，而由于鉸接外管5在螺桿鉆具4的彎頭處采用鉸接連接，中心鉆頭9與擴(kuò)孔套8切削刃出刃基本一致，轉(zhuǎn)動中心鉆桿I帶動螺桿鉆具4回轉(zhuǎn)從而改變螺桿鉆具彎頭朝向時，夕卜部鉸接外管5、接頭6、套管靴7和擴(kuò)孔套8隨著螺桿鉆具彎頭朝向改變而一同改變，即可改變中心鉆頭9和擴(kuò)孔套8在孔底的切削方向，實(shí)現(xiàn)定向鉆孔軌跡控制；而沖洗介質(zhì)攜帶鉆渣通過外部套管2和中心鉆桿I之間環(huán)空間隙返出孔外。
[0037]步驟二:提出中心鉆具，采用同心跟管定向鉆具將護(hù)孔套管2下到預(yù)定深度后，慢慢逆時針旋轉(zhuǎn)中心鉆桿I，中心鉆頭9順著與套管靴8配合處的旋轉(zhuǎn)滑槽11退出，然后輕輕提拉中心鉆桿I，中心鉆頭9順著鉆具軸向滑槽10退出，參見圖4，此時中心鉆頭9與擴(kuò)孔套8分離，繼續(xù)向外提中心鉆桿I，將中心鉆桿1、隨鉆測量短節(jié)3、螺桿鉆具4和中心鉆頭9提出孔夕卜，外部護(hù)孔套管2、鉸接接頭5、連接接頭6、套管靴7和擴(kuò)孔套8則留在孔內(nèi)，起到護(hù)孔作用，參加圖5。
[0038]步驟三:小直徑定向鉆具鉆進(jìn)，參見圖6，連接小直徑鉆桿12、小直徑隨鉆測量短節(jié)13、小直徑螺桿鉆具14和小直徑鉆頭15，從護(hù)孔套管2內(nèi)下入孔底，此時套管2起到護(hù)孔作用，沖洗介質(zhì)驅(qū)動小直徑螺桿鉆具14轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)從而帶動小直徑鉆頭15回轉(zhuǎn)，在給進(jìn)作用下破碎孔底巖石。
[0039]小直徑隨鉆測量短節(jié)13則將鉆孔測量參數(shù)實(shí)時傳到孔口，進(jìn)而調(diào)整小直徑螺桿鉆具14的彎頭朝向進(jìn)行定向鉆孔軌跡控制，直至鉆進(jìn)到設(shè)計孔深。沖洗介質(zhì)從小直徑鉆桿12中心進(jìn)入孔底，攜帶鉆渣沿著鉆桿與孔壁間隙外返至擴(kuò)孔套位置后，再沿著套管與鉆桿之間環(huán)空間隙返出孔外。
[0040]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)局部破碎、泥巖縮徑等復(fù)雜巖層定向長鉆孔施工，由于套管護(hù)孔作用，避免了裸眼鉆孔塌孔失效，保證鉆孔的使用壽命，對于煤礦井下瓦斯抽采、水害防治等方面具有極其重要意義。
[0041]本發(fā)明對于局部破碎、泥巖縮徑等不穩(wěn)定巖層，能采用同心跟管定向鉆具組合進(jìn)行定向鉆孔施工，對于較硬巖石，可采用破巖鉆削組件進(jìn)行破巖操作。
[0042]顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實(shí)施例中描述過并且在附圖中描述了實(shí)施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實(shí)施例中描述的作為目前認(rèn)為的最佳模式以實(shí)施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置，包含外部護(hù)孔組件和中心定向鉆進(jìn)組件，其特征在于: 所述外部護(hù)孔組件包含護(hù)孔套管，其前端通過接頭連接鉸接接頭，鉸接接頭前端通過接頭連接于套管靴，所述套管靴采用滾珠結(jié)構(gòu)連接擴(kuò)孔套，所述擴(kuò)孔套的端緣設(shè)有多個切削元件； 所述中心定向鉆進(jìn)組件包含中心鉆桿、隨鉆測量短節(jié)、螺桿鉆具和中心鉆頭，所述中心鉆桿的前端通過隨鉆測量短節(jié)連接于螺桿鉆具，所述螺桿鉆具的前端連接有中心鉆頭，所述中心鉆頭和擴(kuò)孔套之間設(shè)有快拆結(jié)構(gòu)，所述中心鉆頭的前端緣設(shè)有多個切削元件。2.如權(quán)利要求1所述的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置，其特征在于:外部套管和套管靴之間采用鉸接連接，所述鉸接接頭一端內(nèi)緣設(shè)有弧形的鉸接槽，一端外緣設(shè)有鉸接于鉸接槽內(nèi)的鉸接凸起，所述鉸接凸起的外緣為與鉸接槽相適配的弧形段，從而實(shí)現(xiàn)徑向鉸接。3.如權(quán)利要求1所述的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置，其特征在于:中心鉆頭與擴(kuò)孔套切削刃出刃高度基本一致，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)時中心鉆頭和擴(kuò)孔套造斜力方向一致。4.如權(quán)利要求1所述的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置，其特征在于:所述快拆結(jié)構(gòu)包含設(shè)置于中心鉆頭上的軸向滑槽和旋轉(zhuǎn)滑槽以及擴(kuò)孔套內(nèi)壁的定位凸起，所述軸向滑槽從中心鉆頭的前端徑向延伸至后部，所述旋轉(zhuǎn)滑槽位于中心鉆頭的中部且連通于軸向滑槽，所述定位凸起沿軸向滑槽滑入并定位于旋轉(zhuǎn)滑槽內(nèi)而實(shí)現(xiàn)中心鉆頭和擴(kuò)孔套之間的相對固定。5.如權(quán)利要求1-4中任一所述的煤礦井下同心跟管定向鉆進(jìn)裝置的施工方法，包含如下步驟: 步驟一:跟管定向鉆進(jìn)，連接該鉆具組合進(jìn)行跟管定向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中，通過旋轉(zhuǎn)中心鉆桿帶動螺桿鉆具轉(zhuǎn)動從而改變螺桿鉆具彎頭朝向，外部鉸接外管、接頭、套管靴和擴(kuò)孔套隨著螺桿鉆具彎頭朝向改變而一同改變，即可改變中心鉆頭和擴(kuò)孔套在孔底的切削方向，實(shí)現(xiàn)定向鉆孔軌跡控制;而外部套管隨鉆具一同下入孔內(nèi)； 步驟二:提出中心鉆具，當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定深度時，慢慢反轉(zhuǎn)中心鉆桿，中心鉆頭和擴(kuò)孔套脫開，將中心鉆桿、隨鉆測量短節(jié)、螺桿鉆具和中心鉆頭提出孔外，套管則留在孔內(nèi)起到護(hù)孔作用； 步驟三:小直徑定向鉆具鉆進(jìn)，從孔口下入小一級直徑的螺桿鉆具、測量短節(jié)和鉆頭繼續(xù)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工直至設(shè)計深度。
【文檔編號】E21B7/04GK106014258SQ201610329723
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】姚寧平, 張 杰, 姚亞峰, 黃寒靜, 曹靜, 王力, 石浩
【申請人】中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司