瓦斯抽排定向钻具及钻孔方法技术

本发明专利技术公开了一种瓦斯抽排定向钻具，包括空心钻杆和钻头，空心钻杆向后连接有高压气路，空心钻杆前端连接有气动马达，气动马达的输出轴向前连接所述钻头；气动马达后方的空心钻杆处沿周向均匀设有三个以上前气压顶，各前气压顶分别与高压气路相连接，各前气压顶与高压气路的相连接处分别设有用于控制相应前气压顶的工作状态的前电磁阀；各前气压顶的起顶方向均垂直于空心钻杆的轴线；高压气路向后延伸至钻孔外的高压气源。本发明专利技术还公开了相应的钻孔方法。本发明专利技术实现了自进式钻进，边钻进边下管，及时支护钻孔，无须在钻孔后进行单独的插入瓦斯抽采管的操作，使整个钻进过程更安全，省时高效，降低了操作难度，提高了工作效率。

【技术实现步骤摘要】
瓦斯抽排定向钻具及钻孔方法
本专利技术涉及煤矿瓦斯抽采

技术介绍
煤矿瓦斯灾害是煤矿安全生产的头号杀手，煤与瓦斯突出事故、瓦斯爆炸事故、瓦斯燃烧事故、瓦斯窒息事故严重威胁着煤矿工人的生命安全和煤矿企业的财产，尤其是煤与瓦斯突出事故和瓦斯爆炸事故往往造成重大人员伤亡，给煤矿企业带来重大的财产损失，对矿井的破坏极其严重，性质极其恶劣，社会影响极其广泛。因此，为保证煤矿企业的安全高效生产，治理好瓦斯至关重要。虽然防治瓦斯灾害离不开可靠的通风系统，但正是由于用通风的方式解决不了瓦斯问题或用通风的方式解决瓦斯问题在经济上不合理时，我们必须采用瓦斯抽采解决瓦斯问题。通过瓦斯抽采，降低煤层中的瓦斯含量，从根本上治理防范瓦斯灾害。与此同时，煤矿瓦斯（狭义的煤矿瓦斯就是指甲烷）是一种清洁能源。如果进行开发利用，将是一笔很可观的财富。所以，通过瓦斯抽采可以变害为宝，延长煤矿企业产业链，服务社会。目前国内外用于煤矿瓦斯抽采通道的钻机主要有以下几个问题：（一）钻头无法做到定向钻进，钻杆在重力作用下会出现不同幅度的扰度，且随着孔深增加更加显著，遇到稍复杂的地质条件时，钻孔偏转更加明显。在我国，煤层瓦斯抽采钻孔设计为直孔布置，但实际施工钻孔均有一定偏斜，导致煤层钻孔无法均匀布置，甚至有些钻孔间距过大，形为成瓦斯抽采的空白区域或空白带，达不到理想的抽采效果。无法降低空白带内的瓦斯含量，消除瓦斯突出危险性，在煤矿生产中极易引发瓦斯灾害事故。（二）在打好孔后退杆过程中极易塌孔导致瓦斯抽采通道堵塞。传统方式在整个钻进的过程中都不能对瓦斯抽采通道做出及时的支护。目前国内外的做法大致相同，并不能很好地解决这些问题。普遍的做法就是，用钻机先进行打孔，打好孔后退杆，再下放瓦斯抽采管。这种做法简单总结就是能打直的都打不深，能打深的都打不直。（三）对钻头所在位置判断具有滞后性，即无法及时准确的了解钻机所处的方位及状态。在钻头钻进过程中，当钻机钻入很深时，工作人员是通过观察排出来的钻屑来判断钻机是否打到异物或打入其他区域，而由于通道的长度过长，导致此时钻机可能已经穿过该区域，这时再下达指令就会没有多大意义了。为此，研究能实现钻头定向、及时支护钻孔、顺利打钻和顺利排渣等技术的钻机正处于方兴未艾阶段。而解决这些问题，包括对保证按设计施工，有效解决钻孔偏斜技术瓶颈，确保抽采效果，防止瓦斯灾害事故，实现安全生产，都具有重要意义。传统的瓦斯抽采方式并不能很好地解决瓦斯抽采钻进过程中存在的问题，例如：钻机在钻进时前进方向不固定、钻进时或钻孔后瓦斯抽采通道坍塌、传统方式抽排瓦斯面临着抽排难，费时费工且抽排质量不高，效率低等问题，因此，能有效解决当前问题的新型瓦斯抽排钻机对煤矿安全生产具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种瓦斯抽排定向钻具，能够对钻孔方向进行气动校正，并降低塌孔概率。为解决上述技术问题，本专利技术的瓦斯抽排定向钻具包括空心钻杆和钻头，以钻进的方向为前向，空心钻杆向后连接有高压气路，空心钻杆前端连接有气动马达，气动马达的输出轴向前连接所述钻头；气动马达后方的空心钻杆处沿周向均匀设有三个以上前气压顶，各前气压顶分别与高压气路相连接，各前气压顶与高压气路的相连接处分别设有用于控制相应前气压顶的工作状态的前电磁阀；各前气压顶的起顶方向均垂直于空心钻杆的轴线；高压气路向后延伸至钻孔外的高压气源。所述空心钻杆上套设有同轴线的中间套管，中间套管的内壁通过连接杆与空心钻杆的外壁固定连接；中间套管位于气动马达的后方，各前气压顶沿中间套管的周向方向设置在各中间套管上并与各中间套管相连通；中间套管的前端封闭且后端连接有用于通入高压气体的高压内管；中间套管外套设有同轴线的外套管，外套管位于各前气压顶的后方；中间套管的中部径向凸起设有活塞，活塞与外套管的内壁滑动密封配合；外套管向后连接有用于通入高压气体的高压外管；高压内管后端敞口，高压内管向后插入高压外管，高压内管的外径小于高压外管的内径，高压内管与高压外管滑动配合；外套管的前侧壁与中间套管的外壁滑动密封配合；中间套管与外套管之间具有环形空腔，活塞前方的环形空腔为前环腔，活塞后方的环形空腔为后环腔；外套管的前端部设有用于向钻孔内释放高压气体的钻头前进电磁阀，钻头前进电磁阀与前环腔相连通；外套管的后端部设有用于向钻孔内释放高压气体的外套管前进电磁阀，外套管前进电磁阀与后环腔相连通；前环腔后端处的中间套管上设有用于连通前环腔的通孔；所述高压气路包括高压外管、高压内管、中间套管和空心钻杆；高压外管与高压内管和外套管相连通，高压内管与中间套管相连通；外套管的前端部沿周向均匀设有三个以上中气压顶，各中气压顶分别与外套管相连通，各中气压顶与外套管的相连接处分别设有用于控制相应中气压顶的工作状态的中电磁阀，各中气压顶的起顶方向均垂直于外套管的轴线；外套管的后端部沿周向均匀设有三个以上后气压顶，各后气压顶分别与外套管相连通，各后气压顶与外套管的相连接处分别设有用于控制相应后气压顶的工作状态的后电磁阀，各后气压顶的起顶方向均垂直于外套管的轴线。外套管向后连接有用于支护钻孔和抽采瓦斯的筛管，筛管向后延伸至钻孔之外并用于连接瓦斯抽采设备。筛管前端设有测斜仪，测斜仪、各前电磁阀、各中电磁阀、各后电磁阀、钻头前进电磁阀和外套管前进电磁阀的连接线路均通过高压气路向后延伸至钻孔外部并与设置在钻孔外部的电控装置相连接。本专利技术还公开了使用上述瓦斯抽排定向钻具进行的钻孔方法，钻进时由气动马达驱动钻头旋转，包括转向操作，转向操作是：前气压顶沿空心钻杆的周向均匀设有四个，分别为前上气压顶、前下气压顶、前左气压顶和前右气压顶；朝上转向时启动前下气压顶，朝下转向时启动前上气压顶，朝左转向时启动前右气压顶，朝右转向时启动前左气压顶；根据实际的转向方向，启动与实际的转向方向相反位置的一个气压顶或两个气压顶。还包括钻头和空心钻杆和中间套管的前进操作，以及外套管和筛管的前进操作；初始状态下，钻头前进电磁阀和外套管前进电磁阀均处于关闭状态；钻头和空心钻杆和中间套管的前进操作是：首先是固定外套管作业，打开各中电磁阀和各后电磁阀，使外套管外壁上的各中气压顶和后气压顶均顶紧钻孔的孔壁，从而将外套管固定在钻孔内；其次是前进作业，使钻头前进电磁阀处于打开状态，同时使外套管前进电磁阀处于关闭状态，此时钻头前进电磁阀处向钻孔内卸压，前环腔中的气压低于后环腔中的气压，在后环腔和后环腔的压差作用下，活塞带动中间套管、空心钻杆和钻头前进；钻头前进后，关闭各中电磁阀和各后电磁阀，从而解除对外套管的固定；钻头和空心钻杆和中间套管的前进操作后，接着进行外套管和筛管的前进操作；外套管和筛管的前进操作是：首先是固定中间套管作业，打开各前电磁阀，使中间套管外壁上的各前气压顶均顶紧钻孔的孔壁，从而将中间套管固定在钻孔内；其次是前进作业，使外套管前进电磁阀处于打开状态，同时使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.瓦斯抽排定向钻具，包括空心钻杆和钻头，以钻进的方向为前向，其特征在于：空心钻杆向后连接有高压气路，空心钻杆前端连接有气动马达，气动马达的输出轴向前连接所述钻头；/n气动马达后方的空心钻杆处沿周向均匀设有三个以上前气压顶，各前气压顶分别与高压气路相连接，各前气压顶与高压气路的相连接处分别设有用于控制相应前气压顶的工作状态的前电磁阀；各前气压顶的起顶方向均垂直于空心钻杆的轴线；高压气路向后延伸至钻孔外的高压气源。/n

【技术特征摘要】
1.瓦斯抽排定向钻具，包括空心钻杆和钻头，以钻进的方向为前向，其特征在于：空心钻杆向后连接有高压气路，空心钻杆前端连接有气动马达，气动马达的输出轴向前连接所述钻头；
气动马达后方的空心钻杆处沿周向均匀设有三个以上前气压顶，各前气压顶分别与高压气路相连接，各前气压顶与高压气路的相连接处分别设有用于控制相应前气压顶的工作状态的前电磁阀；各前气压顶的起顶方向均垂直于空心钻杆的轴线；高压气路向后延伸至钻孔外的高压气源。


2.根据权利要求1所述的瓦斯抽排定向钻具，其特征在于：
所述空心钻杆上套设有同轴线的中间套管，中间套管的内壁通过连接杆与空心钻杆的外壁固定连接；中间套管位于气动马达的后方，各前气压顶沿中间套管的周向方向设置在各中间套管上并与各中间套管相连通；中间套管的前端封闭且后端连接有用于通入高压气体的高压内管；
中间套管外套设有同轴线的外套管，外套管位于各前气压顶的后方；中间套管的中部径向凸起设有活塞，活塞与外套管的内壁滑动密封配合；外套管向后连接有用于通入高压气体的高压外管；高压内管后端敞口，高压内管向后插入高压外管，高压内管的外径小于高压外管的内径，高压内管与高压外管滑动配合；
外套管的前侧壁与中间套管的外壁滑动密封配合；中间套管与外套管之间具有环形空腔，活塞前方的环形空腔为前环腔，活塞后方的环形空腔为后环腔；外套管的前端部设有用于向钻孔内释放高压气体的钻头前进电磁阀，钻头前进电磁阀与前环腔相连通；外套管的后端部设有用于向钻孔内释放高压气体的外套管前进电磁阀，外套管前进电磁阀与后环腔相连通；前环腔后端处的中间套管上设有用于连通前环腔的通孔；
所述高压气路包括高压外管、高压内管、中间套管和空心钻杆；高压外管与高压内管和外套管相连通，高压内管与中间套管相连通；
外套管的前端部沿周向均匀设有三个以上中气压顶，各中气压顶分别与外套管相连通，各中气压顶与外套管的相连接处分别设有用于控制相应中气压顶的工作状态的中电磁阀，各中气压顶的起顶方向均垂直于外套管的轴线；
外套管的后端部沿周向均匀设有三个以上后气压顶，各后气压顶分别与外套管相连通，各后气压顶与外套管的相连接处分别设有用于控制相应后气压顶的工作状态的后电磁阀，各后气压顶的起顶方向均垂直于外套管的轴线。


3.根据权利要求1或2所述的瓦斯抽排定向钻具，其特征在于：外套管向后连接有用于支护钻孔和抽采瓦斯的筛管，筛管向后延伸至钻孔之外并用于连接瓦斯抽采设备。


4.根据权利要求3所述的瓦斯抽排定向钻具，其特征在于：筛管前端设有测斜仪，测斜仪、各前电磁阀、各中电磁阀、各后电磁阀、钻头前进电磁阀和外套...

【专利技术属性】
技术研发人员：马战平，姬宏太，范润升，许纪发，左伟芹，苗路凡，张新星，王重阳，胡天向，杨林辉，潘永涛，汪洋，谢坤容，高政，史庆元，古亚辉，孙云龙，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41