煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具及方法技术

本发明专利技术公开一种煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具及方法，包括大直径随钻扩孔装置和先导定向钻具组合；大直径随钻扩孔装置包括扩孔钻头总成、中心管、围绕中心管周向均布且与中心管平行的三个直螺杆钻具；三个直螺杆钻具与中心管内的四级腔室连通，通过四级腔室分配，实现冲洗液依次驱动上部集束式直螺杆及下部定向弯螺杆，实现定向钻进及随钻扩孔同时进行。本发明专利技术通过合理分配钻进过程中高压冲洗液，可实现定向钻进和扩孔钻进，减少大直径钻孔施工过程中施工工序，同时利用冲洗液驱动大直径钻头扩孔避免依靠孔口动力旋转带来钻具事故风险，既适用于煤层钻进，也适用于岩层钻进，对于大直径钻孔安全高效成孔具有重要意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具及方法


[0001]本专利技术属于煤矿井下定向钻探领域，尤其涉及一种煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具及方法。

技术介绍

[0002]煤矿井下定向钻孔由于其钻进精度高、有效孔段长等优点，已广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治、地质异常体探查等领域，取得良好的应用效果。
[0003]随着煤矿井下定向钻进技术与装备的发展，定向钻孔在深度上取得极大突破，基本满足当前井下定向钻进需要，但是在瓦斯抽采及其他特殊用途大直径孔钻进中，目前的工艺技术还无法满足单次施工孔径超过200mm大直径钻孔，一般采取先施工小直径定向先导钻孔，再进行一次或多次大直径扩孔施工的技术方案，由于大直径扩孔施工中碎岩动力完全来自孔口钻机动力头旋转，并且由于孔径较大，孔内钻具受压后呈屈曲状态，孔内钻具处于复杂受力状态，容易发生孔内事故，不利于安全高效钻进。
[0004]要提高单次成孔直径需要提高钻头及配套钻具的直径，钻进中孔内钻具摩阻及自重太大对孔口钻机的要求较高，需要配套提高孔口钻进整套运行能力，采用小直径钻杆配合大直径螺杆及大直径马达进行一次施工则施工效率低且定向钻进困难。
[0005]为此，本专利技术的设计者有鉴于煤矿井下大直径钻孔的安全高效钻进的需要及目前存在的问题，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具，利用现有设备能力实现了大直径钻孔定向钻进和扩孔钻进一趟钻，可减少大直径定向钻孔施工工序，提高大直径钻孔施工效率及钻进安全性。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术提供了一种煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具及方法，用以解决大直径钻孔施工效率低且定向钻进困难等问题；其装置结构简单，实现大直径钻孔定向钻进和扩孔钻进同时进行，减少大直径定向钻孔施工工序，提高大直径钻孔施工效率及钻进安全性。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：
[0008]一种大直径随钻扩孔装置，包括：扩孔钻头总成、中心管、围绕中心管周向均布且与中心管平行的三个直螺杆钻具；所述三个直螺杆钻具分别为第一直螺杆钻具、第二直螺杆钻具和第三直螺杆钻具，且每个直螺杆钻具侧壁均设有上水孔和下水孔；
[0009]在中心管内部设有相互分隔的一级腔室、二级腔室、三级腔室和四级腔室，其中，一级腔室与中心管的进水端和第一直螺杆钻具的上水孔均连通，二级腔室与第一直螺杆钻具的下水孔和第二直螺杆钻具的上水孔均连通，三级腔室与第二直螺杆钻具的下水孔和第三直螺杆钻具的上水孔均连通，四级腔室与第三直螺杆钻具的下水孔和中心管的出水端均连通；
[0010]所述扩孔钻头总成套装在中心管的出水端，且扩孔钻头总成与三个直螺杆钻具端部传动连接；
[0011]冲洗液能依次通过第一直螺杆钻具、第二直螺杆钻具、第三直螺杆钻具。
[0012]本专利技术还包括如下技术特征：
[0013]具体的，所述中心管内设有隔挡总成以将中心管内分隔为一级腔室、二级腔室、三级腔室和四级腔室；
[0014]所述隔挡总成包括一体式结构的矩形的第一挡板、第二挡板、第三挡板、第四挡板和第五挡板，以上每个挡板的一条长边均沿中心管的中心轴线布设，每个挡板的另一条长边均紧贴中心管的内壁；第一挡板的长度等于第三挡板和第四挡板的长度之和，第二挡板的长度小于第三挡板的长度，第五挡板的长度小于第四挡板的长度；
[0015]其中，第一挡板、第二挡板和第三挡板均沿中心管径向布设并位于中心管圆周的三等分位置，第二挡板和第三挡板长度均小于第一挡板长度并位于第一挡板上部；第四挡板设在第一挡板下部并与第二挡板位于相同径向，第五挡板也设在第一挡板下部，并与第三挡板位于相同径向；
[0016]在第一挡板、第二挡板和第三挡板上端垂直设有第一隔板，第一隔板为三分之二圆形结构且位于第一挡板和第三挡板以及第二挡板和第三挡板间；在第二挡板下端垂直设有第二隔板，第二隔板为三分之一圆形结构且位于第二挡板和第一挡板间；在第三挡板下端和第四挡板上端垂直设有第三隔板，第三隔板为三分之一圆形结构且位于第三挡板和第四挡板间；第五挡板的上端垂直设有第四隔板，第四隔板为三分之一圆形结构且位于第一挡板和第五挡板间；在第一挡板、第四挡板和第五挡板下端垂直设有第五隔板，第五隔板为三分之二圆形结构且位于第一挡板和第四挡板以及第五挡板和第四挡板间。
[0017]具体的，所述一级腔室由中心管内壁、第一挡板、第二挡板和第二隔板围成；二级腔室由中心管内壁、第一挡板、第四挡板、第三挡板、第一隔板、第二隔板、第三隔板和第五隔板围成；三级腔室由中心管内壁、第一挡板、第三挡板、第四挡板、第五隔板、第三隔板、第四隔板和第一隔板围成；四级腔室由中心管内壁、第一挡板、第五挡板和第四隔板围成。
[0018]具体的，所述一级腔室所对应中心管上部内壁设有上部第一连通接头，以与第一直螺杆钻具的上水孔连通；二级腔室所对应的中心管下部内壁设有下部第一连通接头，以与第一直螺杆钻具的下水孔连通，二级腔室所对应的中心管上部内壁设有上部第二连通接头，以与第二直螺杆钻具的上水孔连通；三级腔室所对应的中心管下部内壁设有下部第二连通接头，以与第二直螺杆钻具的下水孔连通，三级腔室所对应的中心管上部内壁设有上部第三连通接头，以与第三直螺杆钻具的上水孔连通；四级腔室所对应的中心管下部内壁设有下部第三连通接头，以与第三直螺杆钻具的下水孔连通。
[0019]具体的，所述第三直螺杆钻具内均设有传动轴，传动轴的端部外壁设有传动外齿，扩孔钻头总成内壁设有传动内齿，三个直螺杆钻具的传动外齿均与扩孔钻头总成的传动内齿啮合，形成行星齿轮组，以通过冲洗液驱动三个直螺杆钻具的传动轴转动从而带动扩孔钻头总成转动。
[0020]具体的，所述第三直螺杆钻具内设有节流阀。
[0021]具体的，所述中心管下部外壁沿轴向依次为中心管外壁、中径段、小径段和下连接螺纹；中径段的直径小于中心管外壁直径，在中径段和中心管外壁之间为一级台肩，小径段
的直径小于中径段的直径，在小径段和中径段之间为二级台肩；
[0022]所述扩孔钻头总成包括套在中心管外的扩孔钻头体和端盖；端盖垂直于中心管且中心管和三个直螺杆钻机均垂直穿过端盖；端盖紧贴并套在所述中径段，端盖一侧为一级台肩，端盖另一侧为套在中径段上的固定套，以将端盖轴向定位；扩孔钻头体紧贴并套在所述小径段，扩孔钻头体一侧为二级台肩，扩孔钻头体另一侧为套在小径段上的压环，以将扩孔钻头体轴向定位。
[0023]一种煤矿井下集束式大直径定向钻扩一体化工具，包括所述的大直径随钻扩孔装置，还包括先导定向钻具组合；
[0024]所述中心管的出水端与所述先导定向钻具组合同轴连接；冲洗液能依次通过第一直螺杆钻具、第二直螺杆钻具、第三直螺杆钻具和先导定向钻具组合，即依次驱动扩孔钻头总成和先导定向钻具组合中的定向钻头；
[0025]所述先导定向钻具组合包括沿轴向依次布设的延长钻具、测量系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大直径随钻扩孔装置，其特征在于，包括：扩孔钻头总成(10)、中心管(20)、围绕中心管周向均布且与中心管平行的三个直螺杆钻具；所述三个直螺杆钻具分别为第一直螺杆钻具(30)、第二直螺杆钻具(40)和第三直螺杆钻具(50)，且每个直螺杆钻具侧壁均设有上水孔和下水孔；在中心管(20)内部设有相互分隔的一级腔室(201)、二级腔室(202)、三级腔室(203)和四级腔室(204)，其中，一级腔室(201)与中心管(20)的进水端和第一直螺杆钻具(30)的上水孔均连通，二级腔室(202)与第一直螺杆钻具(30)的下水孔和第二直螺杆钻具(40)的上水孔均连通，三级腔室(203)与第二直螺杆钻具(40)的下水孔和第三直螺杆钻具(50)的上水孔均连通，四级腔室(204)与第三直螺杆钻具(50)的下水孔和中心管(20)的出水端均连通；所述扩孔钻头总成(10)套装在中心管(20)的出水端，且扩孔钻头总成(10)与三个直螺杆钻具端部传动连接；冲洗液能依次通过第一直螺杆钻具(30)、第二直螺杆钻具(40)、第三直螺杆钻具(50)。2.如权利要求1所述的大直径随钻扩孔装置，其特征在于，所述中心管(20)内设有隔挡总成以将中心管内分隔为一级腔室(201)、二级腔室(202)、三级腔室(203)和四级腔室(204)；所述隔挡总成包括一体式结构的矩形的第一挡板(205)、第二挡板(206)、第三挡板(207)、第四挡板(208)和第五挡板(209)，以上每个挡板的一条长边均沿中心管(20)的中心轴线布设，每个挡板的另一条长边均紧贴中心管(20)的内壁；第一挡板(205)的长度等于第三挡板(207)和第四挡板(208)的长度之和，第二挡板(206)的长度小于第三挡板(207)的长度，第五挡板(209)的长度小于第四挡板(208)的长度；其中，第一挡板(205)、第二挡板(206)和第三挡板(207)均沿中心管(20)径向布设并位于中心管(20)圆周的三等分位置，第二挡板(206)和第三挡板(207)位于第一挡板(205)上部；第四挡板(208)设在第一挡板(205)下部并与第二挡板(206)位于相同径向，第五挡板(209)也设在第一挡板(205)下部，并与第三挡板(207)位于相同径向；在第一挡板(205)、第二挡板(206)和第三挡板(207)上端垂直设有第一隔板(210)，第一隔板(210)为三分之二圆形结构且位于第一挡板(205)和第三挡板(207)以及第二挡板(206)和第三挡板(207)间；在第二挡板(206)下端垂直设有第二隔板(211)，第二隔板(211)为三分之一圆形结构且位于第二挡板(206)和第一挡板(205)间；在第三挡板(207)下端和第四挡板(208)上端垂直设有第三隔板(212)，第三隔板(212)为三分之一圆形结构且位于第三挡板(207)和第四挡板(208)间；第五挡板(209)的上端垂直设有第四隔板(213)，第四隔板(213)为三分之一圆形结构且位于第一挡板(205)和第五挡板(209)间；在第一挡板(205)、第四挡板(208)和第五挡板(209)下端垂直设有第五隔板(214)，第五隔板(214)为三分之二圆形结构且位于第一挡板(205)和第四挡板(208)以及第五挡板(209)和第四挡板(208)间。3.如权利要求2所述的大直径随钻扩孔装置，其特征在于，所述一级腔室(201)由中心管(20)内壁、第一挡板(205)、第二挡板(206)和第二隔板(211)围成；二级腔室(202)由中心管(20)内壁、第一挡板(205)、第四挡板(208)、第三挡板(207)、第一隔板(210)、第二隔板(211)、第三隔板(212)和第五隔板(214)围成；三级腔室(203)由中心管(20)内壁、第一挡板
(205)、第三挡板(207)、第四挡板(208)、第五隔板(214)、第三隔板(212)、第四隔板(213)和第一隔板(210)围成；四级腔室(204)由中心管(20)内壁、第一挡板(205)、第五挡板(209)和第四隔板(213)围成。4.如权利要求3所述的大直...

【专利技术属性】
技术研发人员：许超，李泉新，方俊，陈盼，褚志伟，赵建国，刘飞，王四一，
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：