深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具制造技术

本发明专利技术公开深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具,钻具包括外管钻具、内管钻具和滑移支撑件，外管钻具包括筛孔钻杆和扩孔钻头，内管钻具包括异形钻杆和内钻头，内管钻具和滑移支撑件能够从外管钻具的内腔中退出；异形钻杆的内腔是为打钻提供流体的供流通道，异形钻杆外壁与筛孔钻杆内壁之间的空间为内排渣通道；筛孔钻杆的外径等于或小于扩孔钻头的外径，筛孔钻杆对钻孔壁起盾护作用；筛孔钻杆的螺旋凹槽内设有多个泄渣筛孔，泄渣筛孔对筛孔钻杆起卸压作用；本发明专利技术的双管盾护卸压流体排渣钻具与双动力头钻机配套使用，用于深部突出煤层瓦斯抽采钻孔的双动力双管盾护卸压保直钻进和双动力双管盾护卸压定向钻进。直钻进和双动力双管盾护卸压定向钻进。直钻进和双动力双管盾护卸压定向钻进。

【技术实现步骤摘要】
深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具


[0001]本专利技术涉及煤矿瓦斯抽采钻孔钻进
，特别涉及深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，用于深部突出煤层、软硬复合煤层、碎软煤层等难以成孔的瓦斯抽采钻孔的保直钻进和定向钻进。

技术介绍

[0002]现行深部突出煤层、软硬复合煤层、碎软煤层的本煤层瓦斯抽采钻孔施工所用的钻杆多为刻槽钻杆、肋骨钻杆、三棱刻槽钻杆、三棱钻杆等异形钻杆，其中前三种钻杆的专利申请人为本申请人，即河南理工大学，专利号分别为ZL200610111830.7，ZL200920088879.4，ZL200910064973.0。这些钻杆的共同特点是采用气流、水流或气水联动排渣，钻杆外表与钻孔壁之间的环状空间为排渣通道，由于排渣通道在钻杆之外，称之为外排渣通道。
[0003]深部煤层的地应力高、瓦斯含量高、瓦斯压力高，煤孔塌孔、打钻煤炮、孔内煤与瓦斯突出等动力现象均可导致外排渣通道的崩落坍塌和堵塞，排渣困难是深部煤层钻进困难的根本原因。采用外排渣通道，钻杆直径必须小于钻头直径，钻杆在煤孔内的扰动空间大，扶正装置在煤孔内缺乏稳固的支撑基础而无法正常采用，导致煤层钻孔偏斜严重，钻孔轨迹过早的遇到煤层顶板或煤层底板，钻孔偏斜不仅影响钻进深度，而且使钻杆受到交变应力，增加了断钻的概率。现行螺杆马达定向钻进技术虽然可以解决煤孔的偏斜问题，但在深部突出煤层中的钻进深度有限，且压钻丢钻的代价太高，不宜在突出煤层中使用。
[0004]双管钻进技术在上世纪被用于浅层松散岩土层的钻进，利用双管内循环和外管钻具防护钻孔的冲刷损毁和孔壁坍塌，成孔之后首先将内管钻具退出，然后将埋线管、管道等通过外管钻具插入孔内，最后再将外管钻具拔出孔外，由于浅层岩土的地应力很小，外管钻具的提拔退出容易实现，因此，双管钻具在地面或浅层隧道工程中应用普遍。
[0005]中煤科工集团西安研究有限公司承担国家科技重大专项资助项目“碎软煤层双动力头双管定向钻进技术与装备的研究”（项目编号：2016ZX05045003
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002），针对双动力双管钻进技术开展了大量研究，相继申请和获得专利有：“煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法（ZL201610329723.5）”、“一种双管自动加卸装置及煤矿双动力头钻（ZL201811424801.5）”、“一种抵消双层管周向摩阻的双层钻杆（ZL201811113164.X）”、“一种双管钻进三夹持卸扣器单元、钻机装置及方法（ZL202011511508.X）”等，从该项目发表的相关学术论文得知，利用双动力头双管定向钻进技术可以成功穿越突出煤层，将外管遗留在难以成孔的突出煤层中，内管钻具进入煤层顶板岩石后，再实施定向裂隙带长钻孔的施工，攻克了多煤层条件下，高位裂隙带定向长钻孔顺利穿越突出煤层的难题，具有重要意义。从该项目发表的相关论文还得知，利用双动力头双管定向钻进技术可以大幅度提高碎软煤层、突出煤层顺层孔的煤孔钻进深度，大大降低了孔内测量系统
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螺杆马达等昂贵钻具被压死丢钻的风险，具有重要意义，也是解决突出煤层瓦斯异常钻进困难的有效手段。然而，由于深部煤层的地应力很高，双管钻进的过程中，外管被压死是大概率事件，因此国家
科技重大专项资助项目“碎软煤层双动力头双管定向钻进技术与装备的研究”（项目编号：2016ZX05045003
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002），在突出煤层顺层孔试验中，外管采用可以被采煤机切割的高强度PE塑料管， PE塑料外管的强度有限，不是正常的钻杆，外管钻具紧跟内管钻具实施护孔，外管有护孔功能而没有卸压功能，外管被压死卡阻之后，外管将失去继续跟进护孔的作用，如前所述，如果内管钻具继续向前钻进，必然要面对长度更大的极不稳定的外排渣通道的牵制，因此制约了双管双动力碎软煤层定向钻进的终孔深度。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有双动力双管钻进存在的问题：第一，深部煤层地应力高，大直径PE外管过早被压死卡阻之后，外管将无法继续跟进护孔，制约了碎软煤层定向钻进的终孔深度，降低了双动力双管钻进的钻进效果；第二，大直径PE外管遗留在煤孔之中，不仅会大幅度提高煤层钻孔的施工成本，而且因为PE塑料管的容重小于煤层中夹矸灰分的容重，煤炭洗选中难以将PE材料选出，影响精煤的煤质。本专利技术通过改变外管的结构形态，外管在本专利技术中称之为外管钻具，外管钻具由筛孔钻杆和扩孔钻头组成，筛孔钻杆材质采用钻杆专用钢材，筛孔钻杆的形态结构为反螺旋筛孔结构，使筛孔钻杆具备盾护钻孔的功能和自身卸压的功能，使外管钻具不易被压死卡阻，成孔之后外管也能从钻孔内顺利退出。
[0007]为达到上述目的所采取的技术方案是：深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，钻具包括插装配合安装的外管钻具、内管钻具和滑移支撑件；所述外管钻具包括多根筛孔钻杆和扩孔钻头；所述内管钻具包括多根异形钻杆和内钻头；所述滑移支撑件利用剪切销安装在扩孔钻头的内腔，所述异形钻杆穿过筛孔钻杆、滑移支撑件并伸出扩孔钻头外，即异形钻杆从滑移支撑件的支撑环内孔中穿过，滑移支撑件使扩孔钻头与异形钻杆保持同轴。异形钻杆的内孔是为打钻提供流体的供流通道，筛孔钻杆与异形钻杆之间的环状空间为钻具的内排渣通道，异形钻杆与钻孔壁之间的环状空间为钻具的外排渣通道；所述筛孔钻杆上设置有多个与内排渣通道连通的泄渣筛孔。
[0008]钻进时，内管钻具在孔底向实体煤钻进，内管钻具的内钻头的钻渣经外排渣通和滑移支撑件进入内排渣通道，外管钻具紧跟内管钻具或间隔距离实施跟进扩孔钻进，利用现行的双动力头钻机，使内管钻具和外管钻具实施同步钻进或分别钻进。退钻时，内管钻具的退钻提拔力将滑移支撑件上的剪切销剪断，内管钻具连同滑移支撑件一同从外管钻具的内腔退出孔外。
[0009]进一步，所述外管钻具的扩孔钻头与筛孔钻杆保持相同的恒定内径，保持恒定内径的目的是让内管钻具从外管钻具内腔的退出过程顺畅；内管钻具的内钻头直径小于筛孔钻杆的内径，以便内钻头能够从筛孔钻杆的内腔退出；筛孔钻杆的外径等于或小于扩孔钻头的外径，实际应用时，扩孔钻头的半径与筛孔钻杆的半径差δ为0～10mm，在煤层地应力作用下，钻孔的变形缩颈，会使δ自动消失，筛孔钻杆开始接触钻孔壁，筛孔钻杆对钻孔壁起盾护作用，可遏制钻孔壁的崩落坍塌。因为筛孔钻杆对钻孔壁起盾护作用导致其外表的磨损较为严重，在筛孔钻杆外表采取喷涂、熔覆等耐磨处理，也在本专利技术保护范畴。
[0010]进一步，所述筛孔钻杆的外表设置有螺旋凹槽，螺旋凹槽内设置有多个泄渣筛孔，在设置有泄渣筛孔的螺旋凹槽内焊接锥孔螺旋板条，锥孔小径小于泄渣筛孔的直径，锥孔
大径等于泄渣筛孔的直径，锥孔螺旋板条上的锥孔数量与泄渣筛孔数量相同并一对一同轴对照，使泄渣筛孔的进渣口直径小于出渣口直径，泄渣筛孔对筛孔钻杆具有卸压作用，可防止筛孔钻杆被压死。实验表明，倒锥形泄渣筛孔的泄渣效果优于直孔、台阶孔，但倒锥形泄渣筛孔的加工效率低、加工成本高，因此采用锥孔螺旋板条与直孔配合的方法，使泄渣筛孔的入口处呈锥形，也能获得较好的泄渣效果；锥孔螺旋板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，其特征在于，包括插装配合的外管钻具、内管钻具和滑移支撑件，所述外管钻具包括多根筛孔钻杆和扩孔钻头，所述内管钻具包括多根异形钻杆和内钻头，所述滑移支撑件安装在扩孔钻头的内腔，所述异形钻杆穿过筛孔钻杆、滑移支撑件并伸出扩孔钻头外；所述异形钻杆的内腔为钻进提供流体的供流通道，所述筛孔钻杆与异形钻杆之间的环状空间为内排渣通道，异形钻杆与钻孔壁之间的环状空间为内管钻具的外排渣通道，所述筛孔钻杆上设置有多个与内排渣通道连通的泄渣筛孔；钻进时，内管钻具在孔底向煤岩钻进，外管钻具紧跟内管钻具或间隔距离实施跟进扩孔钻进，利用现行的双动力头钻机，使内管钻具和外管钻具实施同步钻进或分别钻进。2.根据权利要求1所述的深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，其特征在于，所述扩孔钻头与筛孔钻杆保持相同的恒定内径，所述内钻头直径小于筛孔钻杆的内径，所述筛孔钻杆的外径等于或小于扩孔钻头的外径，筛孔钻杆对钻孔壁起盾护作用，遏制钻孔壁的崩落坍塌。3.根据权利要求2所述的深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，其特征在于，所述筛孔钻杆的外表设置有螺旋凹槽，螺旋凹槽内设置有多个泄渣筛孔，在设置有泄渣筛孔的螺旋凹槽内焊接锥孔螺旋板条，锥孔小径小于泄渣筛孔的直径，锥孔大径等于泄渣筛孔的直径，锥孔螺旋板条上的锥孔数量与泄渣筛孔数量相同并一对一同轴对照，泄渣筛孔的进渣口直径小于出渣口直径，泄渣筛孔对筛孔钻杆具有卸压作用，防止筛孔钻杆被压死。4.根据权利要求3所述的深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，其特征在于，所述滑移支撑件通过剪切销安装在扩孔钻头的内腔，所述滑移支撑件包括支撑环和位于支撑环外周的三条支撑腿；所述滑移支撑件的支撑腿外径等于扩孔钻头的内径，滑移支撑件的支撑环内孔直径等于异形钻杆的外径，异形钻杆从滑移支撑件...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉宁，赵同谦，王志明，宋维宾，李振华，丁立培，马建宏，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：