用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆技术

本发明专利技术公开了一种用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，应用旋切降阻护孔钻杆旋转切除钻孔膨胀变形的煤体，同时，根据钻孔收缩比dc确定旋切降阻护孔钻杆的旋切深度、钻进速度和供风风量，用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，包括旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体。本发明专利技术针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合大量工程实践，依据岩石力学相关理论，考虑煤层地质条件，发明专利技术了用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，钻进过程中，依靠旋切护孔叶片及时将钻孔孔壁膨胀变形煤体切落，降低了钻杆的旋转和推进阻力。本发明专利技术设计新颖，建立了旋切降阻、护孔一体化钻进工艺体系，可有效改善软弱煤岩地层的钻进效果。

【技术实现步骤摘要】
用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆
本专利技术属于煤矿复杂条件煤层钻孔施工、软弱破碎岩层钻探工程等
，具体涉及一种用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆。
技术介绍
针对煤与瓦斯突出矿井安全开采，我国政府明确要求“先抽后采”和“抽采达标”。伴随煤炭开采向纵深发展，煤层赋存呈“三高二低”特征(高地应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力、低渗透率、低煤体强度)，煤层条件的复杂性，使钻孔施工更为困难。目前，软煤层钻孔施工存在着钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故频发等问题，我国多个矿区已发生多起钻孔瓦斯燃烧、钻孔CO中毒事故，不仅影响煤矿开采效率，同时威胁着煤矿工人的生命安全，给煤矿安全生产带来了严重的经济损失。对于软煤层钻进，先进的钻机装备未能充分发挥其作用，钻进效果并不完全决定于钻机装备，它与钻孔内钻屑能否及时排出有着重要的关系。因此，软煤层钻进过程中，采用护孔技术是保护钻孔排渣空间唯一技术手段，现有的套管钻机配套设备庞大，套管钻具需配套专用的套管钻机，且套管钻具孔内钻进阻力大，钻进工艺复杂，操作工人的劳动强度大，限制了其应用效果。因此，常规的双套管钻具并不适用于地质条件复杂的软煤岩区域，急需开发一种新型钻具，即具有护孔功能，同时又能够不断切除致使钻进阻力增大的钻孔膨胀变形煤体，从而有效降低钻杆的旋转阻力，间接降低钻机动力损耗，有利于提高软煤层钻孔深度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，解决常规套管钻具钻进阻力大、钻孔深度浅、钻进效率低的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，根据煤层地质条件评估钻孔收缩比dc并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：①.在待施工地点取煤样，实验室测试煤样单轴抗压强度，应用地质强度指标法，评估煤体力学参数，计算钻孔收缩比dc，钻孔收缩比dc为钻孔孔壁变形最大位移up与钻孔未收缩时半径r的比值；②.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计旋切降阻护孔钻杆的旋切深度。当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-4up/3；当钻孔收缩比40＜dc≤60％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/2，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-up；当钻孔收缩比60＜dc≤100％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为2up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-2up/3；③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计钻进速度。当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，钻进速度设计为0.6～0.8m/min；当钻孔收缩比40＜dc≤60％时，钻进速度设计为0.4～0.6m/min；当钻孔收缩比60＜dc≤100％时，钻进速度设计为0.2～0.4m/min；④.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计供风风量。当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，供风风量设计为8～12m3/min；当钻孔收缩比40＜dc≤60％时，供风风量设计为12～14m3/min；当钻孔收缩比60＜dc≤100％时，供风风量设计为14～16m3/min；⑤.根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔倾角、方位角，依据步骤①～④，计算旋切深度、钻进速度和供风风量，并设计旋切降阻护孔钻杆的结构形式。用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，包括旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体，所述旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体同轴，支撑叶片固定于中心钻杆体上，旋切护孔叶片固定于支撑叶片的外缘，在旋切护孔叶片与支撑叶片之间形成护孔空间，旋切护孔叶片沿钻杆周向布置，在旋切护孔叶片之间形成开放空间；旋切护孔叶片截面呈弧形，旋切护孔叶片的内表面与支撑叶片的最大外圆连接并固定于支撑叶片上，旋切护孔叶片的厚度设置为均匀厚度或沿钻杆旋转方向逐渐增厚两种方式。所述的支撑叶片固定于中心钻杆体上，支撑叶片设置为直棱或螺旋棱，支撑叶片上设置为有孔和无孔两种方式。由于采用了上述方案，本专利技术具有以下效果：①.通过现场煤样、实验室测试及理论计算的方法确定施工地点煤层的钻孔收缩比，使工程人员能够更为准确的掌握施工地点煤层地质条件对钻孔施工的影响情况。②.通过本专利技术钻进方法指导旋切降阻护孔钻杆的合理旋切深度，钻杆旋转切除钻孔膨胀变形的煤体，有效降低了钻孔孔壁膨胀变形对钻杆形成的围压，从而降低了钻杆的旋转及推进阻力。③.通过本专利技术钻进方法确定钻进速度和供风风量，由于充分考虑了钻杆旋切增加的钻屑量，使钻进速度和供风风量的设计与施工地点的煤层地质条件匹配合理，从而有效降低了钻孔内发生钻屑堆积、堵塞的概率。④.本专利技术旋切降阻护孔钻杆，通过旋切护孔叶片，能够高效旋转切除钻孔膨胀变形的煤体，并通过旋切护孔叶片之间形成开放空间进入护孔空间，利用风流及时排出孔外，避免了钻孔堵塞。⑤.根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔倾角、方位角，依据步骤①～④，计算旋切深度、钻进速度和供风风量，并设计旋切降阻护孔钻杆的结构形式。本专利技术针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合大量工程实践，依据岩石力学相关理论，充分考虑煤层地质条件，专利技术了用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，钻进方法指导旋切降阻护孔钻杆结构设计，充分发挥旋切降阻护孔钻杆的“降低钻进阻力”的最佳效果，同时，通过钻杆结构创新，旋切降阻护孔钻杆能够实现旋切降阻、护孔两项功能，有利于提高软煤岩钻孔深度，值得在煤矿企业推广应用。附图说明图1是本专利技术实施例一的结构示意图；图2是图1的左视图；图3是本专利技术实施时旋切降阻护孔原理示意图；图4是本专利技术实施例二的结构示意图；图5是图4的左视图；图6是本专利技术实施例三的结构示意图；图7是图6的左视图；图8是本专利技术实施例四的结构示意图；图9是图8的左视图；图10是本专利技术实施例五的结构示意图；图11是图10的左视图；图12是本专利技术实施例六的结构示意图；图13是图12的左视图；图14是本专利技术实施例七的结构示意图；图15是图14的左视图。具体实施方式实施例一：用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，根据煤层地质条件评估钻孔收缩比dc并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：①.在待施工地点取煤样，实验室测试煤样单轴抗压强度，应用地质强度指标法，评估煤体力学参数，计算钻孔收缩比dc，钻孔收缩比dc为钻孔孔壁变形最大位移up与钻孔未收缩时半径r的比值；②.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计旋切降阻护孔钻杆的旋切深度。当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-4up/3；当钻孔收缩比40＜dc≤60％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/2，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-up；当钻孔收缩比60＜dc≤100％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为2up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-2up/3；③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计钻进速度。当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，钻进速度设本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，其特征在于：根据煤层地质条件评估钻孔收缩比dc并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：①. 在待施工地点取煤样，实验室测试煤样单轴抗压强度，应用地质强度指标(GSI)法，评估煤体力学参数，计算钻孔收缩比dc（钻孔收缩比dc为钻孔孔壁变形最大位移up与钻孔未收缩时半径r的比值）；②. 根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计旋切降阻护孔钻杆的旋切深度，当钻孔收缩比20≤dc≤40%时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为(2r‑4up/3)；当钻孔收缩比40＜dc≤60%时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/2，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为(2r‑up)；当钻孔收缩比60＜dc≤100%时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为2up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为(2r‑2up/3)；③. 根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计钻进速度，当钻孔收缩比20≤dc≤40%时，钻进速度设计为0.6～0.8 m/min；当钻孔收缩比40＜dc≤60%时，钻进速度设计为0.4～0.6 m/min；当钻孔收缩比60＜dc≤100%时，钻进速度设计为0.2～0.4 m/min；④. 根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计供风风量，当钻孔收缩比20≤dc≤40%时，供风风量设计为8～12 m3/min；当钻孔收缩比40＜dc≤60%时，供风风量设计为12～14 m3/min；当钻孔收缩比60＜dc≤100%时，供风风量设计为14～16 m3/min；⑤. 根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔倾角、方位角，依据步骤①～④，计算旋切深度、钻进速度和供风风量，并设计旋切降阻护孔钻杆的结构形式。...

【技术特征摘要】
1.用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，其特征在于：根据煤层地质条件评估钻孔收缩比dc并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：①.在待施工地点取煤样，实验室测试煤样单轴抗压强度，应用地质强度指标法，评估煤体力学参数，计算钻孔收缩比dc，钻孔收缩比dc为钻孔孔壁变形最大位移up与钻孔未收缩时半径r的比值；②.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计旋切降阻护孔钻杆的旋切深度，当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-4up/3；当钻孔收缩比40＜dc≤60％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为up/2，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-up；当钻孔收缩比60＜dc≤100％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为2up/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-2up/3；③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比dc设计钻进速度，当钻孔收缩比20≤dc≤40％时，钻进速度设计为0.6～0.8m/min；当钻孔收缩比40＜dc≤60％时，钻进速度设计为0.4～0.6m/min；当钻孔收缩比60＜dc≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永龙，孙玉宁，宋维宾，王振锋，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41