一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法，其中定向钻具包括依次连接的钻柱体和定向钻头，围绕钻柱体外部设置有内环空流道；由中心流道、内环空流道以及钻具与孔壁之间形成的外环空流道构成的“Y型”结构冲洗液循环流道，冲洗液始终在“低背压”状态下流动，大幅降低了泥浆泵的“无功”负载，其液力能有效利用率可提高15％以上，保证高水压地层向孔内大量涌水的工况下，孔底动力钻具正常工作、输出扭矩参数无明显变化，该钻具可在6.0MPa以上地层出水压力条件下正常定向钻进，使井下定向钻进耐水压能力提高50％以上，顶水定向钻进成孔深度500m以上。

A kind of directional drilling tool and drilling method for prevention and control of water hole high water pressure and top water in coal mine

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法
本专利技术涉及属于钻探
，尤其涉及一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法。
技术介绍
煤矿水害长期以来是制约我国煤炭资源安全高效开采最严重的灾害之一。据不完全统计，我国有30％至40％的原煤储量受到水害的威胁，包括煤层顶板含水层水害、煤层底板承压充水含水层水害、岩溶陷落柱水害、断层破碎带突出水害、老空积水透水害、地表水体透水水害等。其中底板承压充水含水层水害在我国煤矿中发生频率高，危害程度大，典型的华北型煤田底板存在太原组灰岩水、石炭二叠系基底奥灰岩溶水，基底碳酸盐岩分布范围广、厚度大，地质历史上经受过强烈的岩溶化作用；后期构造运动使其大面积裸露地表，接受大气降水和地表水补给的能力强。随着煤炭开采的延伸，作用于煤层底板的水压越来越大，而煤层底板隔水层的厚度、岩性在剖面上复杂多变，加之陷落柱、断层破碎带的发育，使得矿井生产面临严峻水害威胁，突水淹井事故时有发生。此外，随着煤炭开采深度的增加、范围的扩大，一些一直被认为井田矿床水文地质条件相对简单的矿井，也相继发生了顶板、底板水突水淹井事故。煤矿井下近水平定向长钻孔是进行水害防治的高效手段，在疏排顶板水、探查老空积水、治理底板承压水等方面潜在技术优势明显。井下定向长钻孔利用单弯螺杆马达定向钻具组合、采用随钻测量定向钻进工艺施工，实钻轨迹精确可控，可围绕设计轨迹延伸。与以“穿层”形式设计的常规防治水孔相比，以“顺层”型式设计的定向防治水孔可在目标层内长距离延伸，有效进尺多，利用率高；此外，定向防治水钻孔的施工可在巷道掘进前或与工作面巷道掘进同步进行，能够实现超前疏排水、探放水、注浆加固改造等。然而，随着定向防治水孔应用范围的扩展，钻进施工的客观条件越来越复杂、工况越来越严苛，具有代表性是大采深矿井，定向防治水孔施工面临高压涌水工况下顶水定向钻进难题。防治水孔钻遇或沟通底板高压含水地层后，在压差(地层孔隙压力大于孔内冲洗液循环流动压力)作用下，大量高压地层水涌入钻孔，使环空返水量增大、流速升高，导致冲洗液循环流动阻力增大，孔底压力(即背压)升高、直接影响冲洗液压力能转化量，进而影响孔底动力钻具的工作性能。特别是在地层涌水压力达到3MPa～4MPa时，定向钻进困难，突出表现为钻孔环空返水量增大、孔底背压升高、泥浆泵供液压力值显著增大、孔底动力钻具输出扭矩减小、机械钻速大幅降低、定向钻进成孔困难。对于煤矿井下探查、疏放类防治水定向钻孔，在地层高压涌水条件下、顶水定向钻进困难，成孔深度往往达不到设计要求，防治水效果差，需补充增加钻探工程量，成本高、周期长。对于煤矿井下注浆加固改造类防治水定向钻孔，在地层高压涌水工况下、顶水定向钻进困难，只能缩短单次注浆孔段长度、频繁提钻注浆，辅助工程量大、注浆候凝等附加作业时间长、综合钻进效率低，深孔钻进困难。而当地层涌水压力达到6MPa以上时，现有定向钻进技术装备已无法顶水施工，一定程度上限制了井下近水平定向孔在矿井水害防治领域的进一步推广应用。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法，解决现有的高水压顶水定向钻进中存在的钻孔环空返水量增大、孔底压力升高、泥浆泵“负载”骤增，影响冲洗液压力能转化、孔底动力钻具输出扭矩减小、碎岩能力减弱、机械钻进效率大幅降低、难以钻进成孔等问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，包括依次连接的钻柱体和定向钻头，所述的钻柱体上设置有中心流道，该中心流道与定向钻头的底流孔贯通；围绕所述的钻柱体外部设置有内环空流道，所述的内环空流道靠近定向钻头的一端与所述的中心流道通过设置在钻柱体上的第一旁通流道贯通；内环空流道到的另一端通过设置在内环空流道上的第二旁流通道与钻具的外部连通；还包括用于连通中心流道与内环空流道或者中心流道与外环空流道的流道切换装置；所述的流道切换装置上设置有第一封堵端和第二封堵端，所述的第一封堵端位于定向钻头内部，所述的第二封堵端位于第一旁通流道附近，所述的流道切换装置能够在水压推动下移动，当第一封堵端封闭定向钻头时，第二封堵端打开，中心流道与内环空流道连通；当第二封堵端封闭第一旁通流道时，第一封堵端打开，中心流道与外环空流道连通。具体的，所述的流道切换装置包括阀头、连杆、阀球、阀座、复位弹簧、限位过流架，所述的阀球和阀头分别连接在连杆的两端形成所述的第一封堵端和第二封堵端；所述的阀头上设置有供冲洗液向定向钻头方向流动的第一过流孔；所述的阀座和限位过流架设置在定向钻头内，所述的阀球和复位弹簧依次设置在阀座和限位过流架之间；所述的限位过流架上设置有供冲洗液流通的第二过流孔。具体的，所述的阀头为锥台形柱体，锥台形柱体直径较大的一端设置有第一通孔，直径较小的一端沿周向均匀设置有多个与所述的第一通孔连通的第二通孔。具体的，所述的钻柱体包括依次连接的具有中心流道和内环空流道的双流道送水器、双壁钻杆和双壁单弯螺杆马达。更具体的，所述的双壁钻杆包括同轴套设的钻杆内管和钻杆外管，所述的钻杆外管与钻杆内管之间的空腔形成所述的内环空流道。更具体的，所述的双流道送水器包括送水器本体和送水器外壳，送水器本体上的中心孔与所述的中心流道连通，送水器本体和送水器外壳之间的空腔与所述的内环空流道连通，所述的第二旁流通道设置在送水器外壳上；所述的送水器本体和送水器外壳之间可相对旋转。更具体的，所述的双壁单弯螺杆马达沿径向由内到外依次包括转子、定子橡胶、定子外管和马达外管，定子外管与马达外管之间形成所述的内环空流道；所述的定子外管上设置有定子外管旁通孔；单弯螺杆马达输出轴上设置有输出轴旁通孔，所述的定子外管旁通孔和输出轴旁通孔连通形成所述的第一旁通流道。进一步的，所述的钻杆和单弯螺杆马达之间通过传扭转换接头连接，所述的传扭转换接头包括用于连接双壁钻杆内壁和双壁单弯螺杆马达内壁的转换接头内管以及连接双壁钻杆外壁和双壁单弯螺杆马达外壁的转换接头外管；所述的转换接头外管上设置有连通双壁钻杆侧内环空流道和双壁单弯螺杆马达侧内环空流道的连通孔。进一步的，所述的双壁钻杆包含无磁钻杆，无磁双壁钻杆内设置有泥浆脉冲随钻测量装置。本专利技术还公开一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻进方法，包括以下步骤：步骤1，开孔钻进：依据封孔耐压要求及管套结构设计钻进直径、深度，先施工导向孔，再进行扩孔；步骤2，下管固孔：由大到小逐级下套管，注浆、候凝、试压；步骤3，钻进准备：将权利要求1～9任一项所述的定向钻具下入步骤2处理后的孔内，将泥浆泵高压出水胶管与定向钻具的中心流道连接，在第二旁流通道上安装截止阀、输水管；步骤4，当孔内无涌水或涌水量未超过泵量值的80％、水压不高于3.0MPa工况下：关闭第二旁流通道，从中心流道输入的高压冲洗液驱动螺杆马达回转做功后，推动流道切换装置向定向钻头方向移动，使得流道切换装置的第二封堵端封闭第一旁通流道，中心流道与外环空流道连通，冲洗液经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，包括依次连接的钻柱体(5)和定向钻头(4)，所述的钻柱体(5)上设置有中心流道(6)，该中心流道(6)与定向钻头的底流孔(4-1)贯通，其特征在于，/n围绕所述的钻柱体(5)外部设置有内环空流道(7)，所述的内环空流道(7)靠近定向钻头(4)的一端与所述的中心流道(6)通过设置在钻柱体(5)上的第一旁通流道(8)贯通；内环空通道(7)的另一端通过设置在内环空流道上的第二旁流通道(9)与钻具的外部连通；/n还包括用于连通中心流道(6)与内环空流道(7)或者中心流道(6)与外环空流道(10)的流道切换装置(11)；所述的流道切换装置(11)上设置有第一封堵端和第二封堵端，所述的第一封堵端位于定向钻头(4)内部，所述的第二封堵端位于第一旁通流道(8)附近，所述的流道切换装置(11)能够在水压推动下移动，当第一封堵端封闭定向钻头(4)时，第二封堵端打开，中心流道(6)与内环空流道(7)连通；当第二封堵端封闭第一旁通流道(8)时，第一封堵端打开，中心流道(6)与外环空流道(10)连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，包括依次连接的钻柱体(5)和定向钻头(4)，所述的钻柱体(5)上设置有中心流道(6)，该中心流道(6)与定向钻头的底流孔(4-1)贯通，其特征在于，
围绕所述的钻柱体(5)外部设置有内环空流道(7)，所述的内环空流道(7)靠近定向钻头(4)的一端与所述的中心流道(6)通过设置在钻柱体(5)上的第一旁通流道(8)贯通；内环空通道(7)的另一端通过设置在内环空流道上的第二旁流通道(9)与钻具的外部连通；
还包括用于连通中心流道(6)与内环空流道(7)或者中心流道(6)与外环空流道(10)的流道切换装置(11)；所述的流道切换装置(11)上设置有第一封堵端和第二封堵端，所述的第一封堵端位于定向钻头(4)内部，所述的第二封堵端位于第一旁通流道(8)附近，所述的流道切换装置(11)能够在水压推动下移动，当第一封堵端封闭定向钻头(4)时，第二封堵端打开，中心流道(6)与内环空流道(7)连通；当第二封堵端封闭第一旁通流道(8)时，第一封堵端打开，中心流道(6)与外环空流道(10)连通。


2.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的流道切换装置(11)包括阀头(11-1)、连杆(11-2)、阀球(11-3)、阀座(11-4)、复位弹簧(11-5)、限位过流架(11-6)，所述的阀球(11-3)和阀头(11-1)分别连接在连杆(11-2)的两端形成所述的第一封堵端和第二封堵端；所述的阀头(11-1)上设置有供冲洗液向定向钻头方向流动的第一过流孔(11-7)；所述的阀座(11-4)和限位过流架(11-6)设置在定向钻头(4)内，所述的阀球(11-3)和复位弹簧(11-5)依次设置在阀座(11-4)和限位过流架(11-6)之间；所述的限位过流架(11-6)上设置有供冲洗液流通的第二过流孔。


3.如权利要求2所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的阀头(11-1)为锥台形柱体，锥台形柱体直径较大的一端设置有第一通孔(11-9)，直径较小的一端沿周向均匀设置有多个与所述的第一通孔(11-9)连通的第二通孔(11-10)。


4.如权利要求1所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的钻柱体(5)包括依次连接的具有中心流道(6)和内环空流道(7)的双流道送水器(1)、双壁钻杆(2)和双壁单弯螺杆马达(3)。


5.如权利要求4所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双壁钻杆(2)包括同轴套设的钻杆内管(2-1)和钻杆外管(2-2)，所述的钻杆外管(2-2)与钻杆内管(2-1)之间的空腔形成所述的内环空流道(7)。


6.如权利要求4所述的煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具，其特征在于，所述的双流道送水器(1)包括送水器本体(1-1)和送水器外壳(1-2)，送水器本体(1-1)上的中心孔与所述的中心流道(6)连通，送水器本体(1-1)和送水器外壳(1-2)之间的空腔与所述的内环空流道(7)连通，所述的第二旁流...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建林，李泉新，赵建国，王四一，方俊，刘桂芹，陈盼，李渊，
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