一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法技术

本发明专利技术公开一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法，包括：根据获得的定向孔轨迹数据和煤层倾角预测值在已经形成的定向孔内选择第一个分支点，轨迹数据包括钻孔倾角和钻孔方位角；提钻至钻头到达步骤1选择的第一个分支点处，复测第一个分支点前后预定距离内的钻孔倾角和钻孔方位角，完成第一个分支点的校准；控制钻杆转速及马达复合转速在第一个分支点处进行复合定向开分支钻进，并在钻进到指定位置后测量钻孔倾角；在每个开出的分支孔内依次开出下一个分支孔，直至钻进至预定深度，完成定向孔复合开分支作业。本发明专利技术确定了煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支钻进中钻杆转速与马达复合转速关系，解决了煤矿井下顺煤层定向开分支困难的难题。开分支困难的难题。开分支困难的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法


[0001]本专利技术涉及煤矿井下定向钻进
，尤其涉及一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法及装置。

技术介绍

[0002]煤矿井下定向钻孔因具有定向孔轨迹可控、钻孔利用率高、钻进精度高等优点，现已广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治、地质异常体探查等诸多领域，并取得了显著的应用效果。但是，在深孔定向钻进中，钻具托压严重会造成定向钻进困难，虽然通过改变复合钻进参数可以对轨迹进行一定的控制，但是，传统的开分支技术仍然依赖于滑动定向钻进技术，尤其是滑动定向开分支技术，即调整工具面使螺杆马达弯头朝下，利用钻头在重力作用下对钻孔下侧孔壁的持续磨削，在原钻孔下侧向下定向开分支。滑动定向开分支技术依赖于三个方面：有效的钻压传递、稳定向下的工具面及均匀的给进速度，在深孔及超深孔定向钻进中由于钻具托压这三个方面都很难满足；而复合钻进形成的钻孔弯曲曲率小、钻孔孔壁更光滑、钻进系统压力低、钻进效率高，钻孔深度远大于滑动定向钻进。
[0003]因此，本专利技术的设计者有鉴于上述深孔钻进中滑动定向开分支的技术缺陷及复合钻进的优势，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煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法及装置，以解决超深孔钻进中由于托压严重而无法开分支的难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法及装置，该方法易于操作，在超深孔钻进中可有效解决钻具托压造成的开分支困难且成功率低的难题，有利于定向孔轨迹在煤层中向深部延伸，提高钻孔见煤率，实现大区域瓦斯综合治理。
[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法，所述方法通过复合开分支钻进系统实现，包括如下步骤：
[0006]步骤1、获取定向孔轨迹数据和定向孔所在煤层的煤层倾角预测值，并根据获得的定向孔轨迹数据和煤层倾角预测值在已经形成的定向孔内选择分支点，所述轨迹数据包括钻孔倾角和钻孔方位角；
[0007]步骤2、提钻至钻头到达步骤1选择的分支点，通过复测分支点前后预定距离内的钻孔倾角和钻孔方位角，完成分支点的校准；
[0008]步骤3、控制钻杆转速及马达复合转速进行复合定向开分支钻进，并在钻进到指定位置后测量钻孔倾角；
[0009]其中，所述钻杆转速与马达复合转速度关系满足以下公式：
[0010][0011]式中：
[0012]m为钻头单次旋转侧出刃切削钻孔下缘长度一半所需时间内，螺杆马达的复合旋转圈数，单位为r，且m≥1；
[0013]h为钻头侧出刃高度，单位为m，且0.001≤h≤0.002；
[0014]R为钻头侧出刃复合片直径，单位为m，且0.01≤R≤0.015；
[0015]v为钻杆钻速，单位为m/h，且0＜v≤12；
[0016]n2为马达复合转速，单位为rpm，且60≤n2≤180；
[0017]若钻进到指定位置后测得的钻孔倾角与进行复合定向开分支钻进前测得的所述指定位置的钻孔倾角的差值等于0
°
，则返回步骤1，重新选择分支点；
[0018]若钻进到指定位置后测得的钻孔倾角与进行复合定向开分支钻进前通过钻进轨迹获得的该位置的钻孔倾角的差值小于0.5
°
，则返回分支点，重新进行复合定向开分支钻进；若第二次复合定向开分支钻进后，钻孔倾角的差值仍小于0.5
°
，则返回步骤1，重新选择分支点；
[0019]若钻进到指定位置后测得的钻孔倾角与进行复合定向开分支钻进前通过钻进轨迹获得的该位置的钻孔倾角的差值大于等于0.5
°
，且关泵状态下送钻的推进力持续升高，则继续控制钻杆转速及马达复合转速进行复合定向开分支钻进100～150m，停止钻进，完成第一个分支孔的施工；
[0020]步骤4、重复步骤1至步骤3，在第一分支孔内完成第二分支点的选取和复合定向开分支钻进，开出第二个分支孔；在第二分支孔内完成第三分支点的选取和复合定向开分支钻进，开出第三个分支孔；以此类推，在每个开出的分支孔内依次开出下一个分支孔，直至钻进至预定深度，完成定向孔复合开分支作业。
[0021]本专利技术还具有以下技术特征：
[0022]具体的，步骤1所述的分支点的选择标准为：所述分支点处于钻孔倾角增大的位置，且钻孔倾角与煤层倾角预测值的偏差小于等于5
°
。
[0023]更进一步的，当分支点的钻孔倾角大于煤层倾角预测值时，分支点与煤层底板的煤岩分界线的垂直距离大于0.5m；当分支点的钻孔倾角小于或等于煤层倾角预测值时，分支点与煤层底板的煤岩分界线的垂直距离大于等于1m。
[0024]更进一步的，步骤2所述的预定距离为6m。
[0025]更进一步的，步骤3中所述的指定位置与分支点的距离为6m。
[0026]更进一步的，所述复合开分支钻进系统包括单弯螺杆马达，所述单弯螺杆马达的上端连接随钻测量探管、下端连接定向钻头，所述定向钻头包括钻头本体，所述钻头本体上设置切削刀翼和切削齿，切削齿上设置有侧出刃；
[0027]所述的切削刀翼的数量为四个，相邻切削刀翼之间的夹角为90
°
，所述侧出刃的高度为1～2mm。
[0028]更进一步的，所述切削刀翼的保径面与钻头本体中轴线的夹角为4.31
°
。
[0029]更进一步的，所述单弯螺杆马达为1.5
°
单弯螺杆马达。
[0030]更进一步的，所述切削刀翼的外表面上镶嵌有PDC复合片耐磨颗粒。
[0031]本专利技术具有如下效果：
[0032]本专利技术方法确定了煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支钻进中钻杆转速与马达复合转速关系，通过钻杆转速与马达复合转速配合，解决了由于钻具托压严重造成的定向开
分支困难的难题，使定向孔轨迹向更深部地层延伸，实现大区域瓦斯综合治理；开分支作业不再受钻孔深度的限制，使定向孔轨迹向更深部地层延伸，实现大区域瓦斯综合治理和降本增效。
[0033]本专利技术的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
[0034]附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
[0035]图1为本专利技术方法的流程图
[0036]图2为本专利技术的定向钻头结构示意图；
[0037]图3为本专利技术的单弯螺杆马达结构图；
[0038]图4为本专利技术方法的复合开分支降倾角切削示意图；
[0039]图5为应用例1中实拍的第一阶段孔底形态；
[0040]图6为应用例1中实拍的第二阶段孔底形态；
[0041]图7为应用例1中实拍的第三阶段孔底形态；
[0042]图8为本专利技术方法的最大开分支深度示意图。
[0043]附图标记：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下顺煤层定向孔复合开分支方法，其特征在于，所述方法通过复合开分支钻进系统实现，包括如下步骤：步骤1、获取定向孔轨迹数据和定向孔所在煤层的煤层倾角预测值，并根据获得的定向孔轨迹数据和煤层倾角预测值在已经形成的定向孔内选择第一个分支点，所述轨迹数据包括钻孔倾角和钻孔方位角；步骤2、提钻至钻头到达步骤1选择的第一个分支点处，复测第一个分支点前后预定距离内的钻孔倾角和钻孔方位角，完成第一个分支点的校准；步骤3、控制钻杆转速及马达复合转速在第一个分支点处进行复合定向开分支钻进，并在钻进到指定位置后测量钻孔倾角；其中，所述钻杆转速与马达复合转速度关系满足以下公式：式中：m为钻头单次旋转侧出刃切削钻孔下缘长度一半所需时间内，螺杆马达的复合旋转圈数，单位为r，且m≥1；h为钻头侧出刃高度，单位为m，且0.001≤h≤0.002；R为钻头侧出刃复合片直径，单位为m，且0.01≤R≤0.015；v为钻杆钻速，单位为m/h，且0＜v≤12；n2为马达复合转速，单位为rpm，且60≤n2≤180；若钻进到指定位置后测得的钻孔倾角与进行复合定向开分支钻进前测得的所述指定位置的钻孔倾角的差值等于0
°
，则返回步骤1，重新选择分支点；若钻进到指定位置后测得的钻孔倾角与进行复合定向开分支钻进前通过钻进轨迹获得的该位置的钻孔倾角的差值小于0.5
°
，则返回分支点，重新进行复合定向开分支钻进；若第二次复合定向开分支钻进后，钻孔倾角的差值仍小于0.5
°
，则返回步骤1，重新选择分支点；若钻进到指定位置后测得的钻孔倾角与进行复合定向开分支钻进前通过钻进轨迹获得的该位置的钻孔倾角的差值大于等于0.5
°
，且关泵状态下送钻的推进力持续升高，则继续控制钻杆转速及马达复合转速进行复合定向开分支钻进100～150m，停止钻进，完成第一个分支孔的施工；步骤4、重复步骤1至步骤3，在第一分支孔内完成第二分支点的选取和复合定向开分支钻进，开出第二个分支孔；在第二分支孔内完成第三分支点的选取和复合定向开分支钻进，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许超，李泉新，姜磊，方俊，刘智，刘建林，陈盼，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：