一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置及固井方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置固孔方法，孔口装置，包括连接管、三通管、密封件与弹性件，连接管沿三通管的轴向插设于三通管内，密封件与弹性件均套设于连接管上，密封件与三通管端部接触连接，弹性件设于密封件一侧并与密封件接触连接，密封件与三通管端部接触的部位设置胶圈形成第一密封区域，密封件与连接管接触的部位设置胶圈形成第二密封区域，第一密封区域满足以下密封条件：[pπ(R2‑

【技术实现步骤摘要】
一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置及固井方法


[0001]本专利技术属于煤矿安全领域，具体涉及一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置及固井方法。

技术介绍

[0002]煤矿生产过程中，钻孔是必不可少的。钻孔的应用场景多种多样，如瓦斯抽采钻空，探放水钻孔，联络钻孔等。在某些钻孔的应用场景中，需要对钻孔进行下套管和固孔，即使用水泥充填钻孔及套管之间的环空，以达到加固钻孔的目的。然而，在某些破碎岩层中，单纯的环空固井也不能保证钻孔的稳固，因此需要进行环空加压固井。其中，环空加压固井，是指在钻孔、套管形成的环形空间内注入水泥浆后，使水泥浆在一定承压下侯凝，这样可以保证水泥与钻孔紧密结合。
[0003]目前，井下钻孔固孔方法是，钻孔完成后下入套管或孔口管，形成钻孔
‑
套管环形空间(以下简称环空)，使用聚氨酯等材料由环空口(近巷道一端)尽可能的填充环空(如图9)，之后通过预留束管向环空注浆，封堵环空间隙。这样做的好处是技术成熟，操作简便，不需要额外的装置辅助，适合段钻孔或孔口管固孔。这样做的缺点是固孔质量得不到保证，环空中水泥会存在一定间隙，形成气包、水包等，影响固井质量，且不适合环空加压固孔及长钻孔固孔。
[0004]在井下长钻孔加压固孔中，即对环空出口进行密封，由油管注入与环空体积相当的水泥浆，再由油管注入清水将油管内的水泥浆送入环空，(如图10)所示，环空加压固孔，需在孔口管外端设置一个三通，并且设法密封环空即可，但是密封环空所用的环形密封多使用密封胶芯，其密封原理是对胶芯进行挤压后使胶芯产生变形，封堵环形空间。但对于环空加压固孔作业而言，采用常规的胶芯密封不能满足需求。原因主要是不能保证套管外壁与孔口管内壁的光滑。胶芯密封对密封端面的光滑度具有较高要求，而煤矿所用的地质套管生产过程并无对光滑度的要求；同时煤矿的粉尘环境也很难保证密封端面的整洁与光滑，常用地质套管的外壁粗糙，且处于粉尘环境，使用胶芯密封很难保证其密封的可靠性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于，本专利技术提供一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置及固井方法，解决现有技术存在的问题。
[0006]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：
[0007]一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置，包括：连接管、三通管、密封件与弹性件，连接管沿三通管的轴向插设于三通管内，密封件与弹性件均套设于连接管上，密封件与三通管端部接触连接，弹性件设于密封件一侧并与密封件接触连接，密封件与三通管端部接触的部位设置胶圈形成第一密封区域，密封件与连接管接触的部位设置胶圈形成第二密封区域，
[0008]第一密封区域满足以下密封条件：
[0009][pπ(R2‑
r2)+∫
s
pcosθds+F]μ>pD1ꢀꢀꢀ
(1)
[0010]第二密封区域以下密封条件：
[0011](P
ext
+∫
s
pcosθds)μ>pD2ꢀꢀꢀ
(2)
[0012]其中，D1为第一密封区域需要密封的高压流体通道宽度，D2为第二密封区域的高压流体通道宽度，μ为静摩擦系数，p为需进行密封的高压流体压力，P
ext
为对形成的径向挤压力，θ为胶圈密封面与流体流动方向形成的夹角，F为弹性件所提供的弹力，S为胶圈所提供的密封曲面，R为高压流体作用于密封件的密封内圈半径，r为高压流体作用于密封件的密封外圈半径。
[0013]优选的，所述连接管延其轴向内设有第一通孔，三通管延其轴向两端分别设置第二通孔、第三通孔，三通管延其轴向两端分别设置第二通孔、第三通孔，三通管侧壁上设置第四通孔，连接管沿第二通孔与第三通孔设于三通管内，连接管延其轴向外周上设置环槽，密封件与弹性件均套设于环槽上，连接管两端分别设于第一连接件与第二连接件，第一连接件位于于三通管外部，第二连接件位于三通管内部。
[0014]优选的，所述三通管上套设第三连接件，第三连接件位于靠近第三通孔一侧。
[0015]优选的，所述第一密封区域部位采用的胶圈为Y型密封圈，第二密封区域采用的胶圈O型密封圈。
[0016]优选的，所述第一连接件与第三连接件为法兰，第二连接件为丝扣。
[0017]一种适用于煤矿井下环空加压固孔的固孔方法，采用所述的适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置，该方法包括如下步骤：
[0018]步骤一，一开钻孔，下入孔口管后固孔；
[0019]步骤二，沿孔口管下入套管，将连接管的第二连接件与套管连接，将三通管套设在连接管上，使密封件与三通管一端通过胶圈密封连接，三通管的第三连接件与孔口管连接；
[0020]步骤三，通过第一通孔向连接管内注入清水，至清水由三通管的第四通孔返出；
[0021]步骤四，在连接管的第一连接件上连接球阀，将泥浆泵与球阀连接，三通管的第四通孔处设置溢流阀，调节溢流阀压力为环空水泥浆的目标压力，打开球阀，向套管中注入水泥浆；当水泥浆注入完成后，关闭球阀进行坐封，完成固孔。
[0022]优选的，所述密封件预设于连接管上，第二密封区域的胶圈按照式的要求预设于连接管与密封件之间。
[0023]优选的，所述步骤二中下入套管需采用套管串，套管串包括引鞋、旋流器、浮箍，承托环与煤矿专用套管，采用引鞋能够使套管串下入钻孔内，旋流器能够使水泥浆形成紊流，浮箍能够防止水泥浆反流。
[0024]优选的，所述坐封采用在球阀前端管路中下入胶塞，重新连接球阀与泥浆泵管路，向套管中注入清水，推动胶塞前进，直至承托环坐封。
[0025]优选的，所述适用于煤矿井下环空加压固孔的固孔方法还包括：
[0026]步骤五，待水泥浆初凝后，先拆除三通管，再拆除连接管，之后用法兰盘封堵孔口，清洗三通管及连接管，以备下次使用。
[0027]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0028](Ⅰ)本专利技术的孔口装置，通过在连接管上设置密封件与弹性件，并且密封件与连接管之间设置胶圈形成第一密封区域，密封件与三通管之间设置胶圈形成第二密封区域，实
现连接管与三通管的密封连接，本实施例中，第一密封区域中，当使用胶圈时，胶圈受到的挤压力为P
ext
，其能够提供的摩擦力为μP
ext
；当改用弹性件与密封件的组合形式的后，第一密封区域的Y型圈所受压力为：pπ(R2‑
r2)+∫
S
pcosθds+F，其中，pπ(R2‑
r2)为固井液作用在密封件上所提供的压力，p为固井液压力，显然固井液压力p越大，pπ(R2‑
r2)也越大，即借用固井液本身的压力提升了密封效果。F为弹性件提供的压力。显然F与弹性件本身的性能相关，根据固井液压力等级设计使用相应的弹簧即可提供适当的F，针对第二密封区域，∫
S
pcosθds是固井液作用在第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置，其特征在于，包括：连接管(1)、三通管(2)、密封件(1
‑
3)与弹性件(1
‑
4)，连接管(1)沿三通管(2)的轴向插设于三通管(2)内，密封件(1
‑
3)与弹性件(1
‑
4)均套设于连接管(1)上，密封件(1
‑
3)与三通管(2)端部接触连接，弹性件(1
‑
4)设于密封件(1
‑
3)一侧并与密封件(1
‑
3)接触连接，密封件(1
‑
3)与三通管(2)端部接触的部位设置胶圈形成第一密封区域，密封件与连接管接触的部位设置胶圈形成第二密封区域，第一密封区域满足以下密封条件：[pπ(R2‑
r2)+∫
s
pcosθds+F]μ>pD1ꢀꢀ
(1)第二密封区域以下密封条件：(P
ext
+∫
s
pcosθds)μ>pD2ꢀꢀ
(2)其中，D1为第一密封区域需要密封的高压流体通道宽度，D2为第二密封区域的高压流体通道宽度，μ为静摩擦系数，p为需进行密封的高压流体压力，P
ext
为对形成的径向挤压力，θ为胶圈密封面与流体流动方向形成的夹角，F为弹性件所提供的弹力，S为胶圈所提供的密封曲面，R为高压流体作用于密封件的密封内圈半径，r为高压流体作用于密封件的密封外圈半径。2.如权利要求1所述的适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置，其特征在于，所述连接管(1)延其轴向内设有第一通孔(101)，三通管(2)延其轴向两端分别设置第二通孔(201)、第三通孔(202)，三通管(2)延其轴向两端分别设置第二通孔(201)、第三通孔(202)，三通管(2)侧壁上设置第四通孔(2
‑
2)，连接管(1)沿第二通孔(201)与第三通孔(202)设于三通管(2)内，连接管(1)延其轴向外周上设置环槽(1
‑
8)，密封件(1
‑
3)与弹性件(1
‑
4)均套设于环槽上，连接管(1)两端分别设于第一连接件(1
‑
2)与第二连接件(1
‑
7)，第一连接件(1
‑
2)位于于三通管(2)外部，第二连接件(1
‑
7)位于三通管(2)内部。3.如权利要求2所述的适用于煤矿井下环空加压固孔的孔口装置，其特征在于，所述三通管(2)上套设第三连接件(2
‑
3)，第三连接件(2
‑
3)位于靠近第三通孔(202)一侧。4.如权利要求1所述的适用于煤矿井下环空加...

【专利技术属性】
技术研发人员：程斌，孙四清，姜在炳，范耀，李浩哲，赵龙，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：