煤矿井下回转定向钻具组合及钻进方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿井下回转定向钻具组合及钻进方法，包括由后向前依次连接的中心通缆钻杆、通信转换短节、钻进模式切换短节、支撑稳定短节、螺杆钻具和钻头，通信转换短节包括通信转换短节本体，通信转换短节本体内部由后向前依次设有中心电缆和磁耦合通信接头，中心电缆和磁耦合通信接头分别连接中心通缆钻杆和钻进模式切换短节；两个固定支撑环设置在支撑中心电缆的两端；钻进模式切换短节设有钻进模式切换短节本体，钻进模式切换短节本体一端通过螺纹与通信转换短节固定连接，另一端与支撑稳定短节活动连接，能够实现周向回转运动；本发明专利技术的回转定向钻具组合及钻进方法具有钻孔轨迹弯曲强度低、钻进动力传递效率高和钻进排渣效果好等显著优势，极大提高了钻具使用寿命、钻孔成孔深度和钻进安全性，有力保障煤矿井下定向长钻孔安全高效施工。矿井下定向长钻孔安全高效施工。矿井下定向长钻孔安全高效施工。

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下回转定向钻具组合及钻进方法


[0001]本专利技术属于煤矿井下坑道钻探领域，具体涉及一种煤矿井下回转定向钻具组合及钻进方法。

技术介绍

[0002]煤矿井下随钻测量定向钻进技术具有轨迹可控性好、钻进深度大和成孔效率高等显著优势，广泛应用于区域瓦斯抽采、冲击地压防治和超前地质探查等领域，有力保障着矿井的安全高效生产。目前，煤矿井下主要采用滑动定向钻具组合及钻进方法施工定向钻孔，钻进过程中钻杆、无磁钻杆和螺杆钻具整体不转动，只有螺杆钻具内部转子带动钻头回转破碎煤岩层成孔。因此，螺杆钻具弯接头可以保持特定方向(工具面向角保持稳定)，利用钻机给进力推动孔内钻具以滑动方式实现定向钻进。
[0003]然而，应用现有的滑动定向钻具组合及钻进方法施工定向钻孔存在以下问题：
[0004](1)钻孔弯曲强度高，钻具受力复杂。现有滑动定向钻具组合及钻进方法(参考中国专利申请CN201810728314.1)施工的钻孔孔壁光滑度差，连续造斜后钻孔轨迹弯曲强度高，孔内钻具组合受力强度大且受力方式复杂，降低了钻具组合使用寿命。
[0005](2)滑动钻进摩阻大，成孔深度受限。现有滑动定向钻具组合及钻进方法只能在滑动状态下侧向切削煤岩层实施定向钻进，钻进给进力大部分用于抵消钻柱和孔壁之间的滑动摩擦阻力，只有小部分给进力作用在螺杆钻具上，钻进给进力不足，极大地限制了成孔能力，导致成孔深度严重受限。
[0006](3)钻孔沉渣多，钻进安全性低。现有滑动定向钻进方式依靠高压冲洗液排渣，排渣能力不足，钻渣容易在孔底大量积聚，尤其在钻遇复杂破碎煤岩层时，排渣问题异常突出，容易发生沉渣和塌孔卡钻等孔内复杂工况，钻进安全性明显降低。
[0007]为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合从事相关产业的经验和成果，针对现有滑动定向钻具组合及钻进方法存在的钻具受力复杂、成孔深度受限和钻进安全性低的问题，研究设计出一种煤矿井下回转定向钻具组合及钻进方法，以克服上述缺陷。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供了一种煤矿井下回转定向钻具组合及钻进方法，以针对解决现有滑动定向钻具组合及钻进方法存在的钻具受力复杂、成孔深度受限和钻进安全性低的问题。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术给出如下技术方案予以解决：
[0010]一方面，本专利技术提供了一种煤矿井下回转定向钻具组合，包括由后向前依次连接的中心通缆钻杆、通信转换短节、钻进模式切换短节、支撑稳定短节、螺杆钻具和钻头，其中，所述通信转换短节包括通信转换短节本体，通信转换短节本体内部由后向前依次设有中心电缆和磁耦合通信接头，中心电缆和磁耦合通信接头a分别连接中心通缆钻杆和钻进
模式切换短节；两个固定支撑环设置在支撑中心电缆的两端；
[0011]所述的钻进模式切换短节设有钻进模式切换短节本体，钻进模式切换短节本体一端通过螺纹与通信转换短节固定连接，另一端与支撑稳定短节活动连接，能够实现周向回转运动；所述的钻进模式切换短节本体中心通道内设有钻进模式切换中心杆；钻进模式切换短节本体内壁由后向前依次设有限位环a、钻进模式切换卡盘、弹簧a、弹簧固定环a；
[0012]所述本体内壁周向等角度设有4个滑动卡槽，钻进模式切换卡盘外壁周向等角度设有4个滑动凸键，钻进模式切换卡盘利用4个滑动凸键可以沿着滑动卡槽轴向移动；本体外壁周向等角度设有个限位螺钉孔；所述的钻进模式切换卡盘前端面等角度设有多个锁止凸键，其与钻进模式切换中心杆后端外壁上设置的对应的锁止凹槽配合。
[0013]进一步的，所述弹簧a在周向均布4个。
[0014]进一步的，所述钻进模式切换中心杆外壁上由后向前依次设有锁止凹槽、过水孔a、旋转动密封安装槽、耐磨轴承安装槽、限位螺钉安装槽；所述旋转动密封安装槽设有旋转动密封，耐磨轴承安装槽内设有耐磨轴承，限位螺钉安装槽内设有限位螺钉，过水孔a连通钻进模式切换中心杆内部与本体的中心通道；所述钻进模式切换中心杆内部设有测斜组件，所述的测斜组件包括磁耦合通信接头b和固定环、橡胶扶正器和测斜单元，磁耦合通信接头b连接在测斜单元的轴向后端。
[0015]进一步的，所述支撑稳定短节设有支撑稳定短节本体，所述的支撑稳定短节本体前端侧壁上等角度设有多个过水孔b，过水孔b连通支撑稳定短节本体内部和螺杆钻具内部，支撑稳定短节本体的外壁周向上等角度设有3个推靠巴掌安装槽；所述的支撑稳定短节本体中心通道内依次设有活塞组件限位环、活塞组件、弹簧b和弹簧固定环b。
[0016]进一步的，所述支撑稳定短节本体前端侧壁上等角度设有4个过水孔b。
[0017]进一步的，所述活塞组件限位环上均布4个过水孔。
[0018]另一方面，本专利技术还提供一种煤矿井下回转定向钻进方法，该方法利用上述本专利技术的煤矿井下回转定向钻具组合进行钻进施工，包括以下步骤：
[0019](1)钻孔轨迹参数测量：向钻孔内下入所述煤矿井下回转定向钻具组合，由孔底向孔口依次为钻头、螺杆钻具、支撑稳定短节、钻进模式切换短节、通信转换短节、多根中心通缆钻杆和送水器；利用钻进模式切换短节中的测斜单元测量当前钻孔轨迹参数信息，通过磁耦合通信接头b和磁耦合通信接头a实现以无线通信方式向通信转换短节传输钻孔轨迹参数信息，由通信转换短节的中心电缆通过多根中心通缆钻杆以有线通信方式向孔口传输钻孔轨迹参数信息；
[0020](2)螺杆钻具工具面向角调整：孔口监测终端依据测量的钻孔倾角、方位角参数信息和螺杆钻具工具面向角，计算得到螺杆钻具需要调整的工具面向角；利用泥浆泵通过送水器向所述煤矿井下回转定向钻具组合输入高压冲洗液，冲洗液排量设定使得推靠巴掌被冲洗液推出撑住钻孔孔壁，同时冲洗液压力能够克服了弹簧a的阻力，使得钻进模式切换卡盘前端面的锁止凸键被推入钻进模式切换中心杆后端的锁止凹槽内，实现钻进模式切换中心杆在钻进模式切换短节本体周向上的锁止，从而实现钻进模式切换短节和支撑稳定短节共同转动；利用钻机回转中心通缆钻杆，带动通信转换短节、钻进模式切换短节、支撑稳定短节和螺杆钻具的整体以较低转速回转，按照计算得到的螺杆钻具需要调整的工具面向角角度进行调整；
[0021](3)回转定向钻进：将冲洗液排量调低，使得支撑稳定短节中的推靠巴掌仍撑住孔壁防止螺杆钻具转动以保持工具面向角稳定，同时冲洗液排量不足以克服弹簧a阻力从而使得钻进模式切换短节中的钻进模式切换卡盘与锁止凹槽分离，钻进模式切换短节能够相对钻进模式切换中心杆转动；利用钻机转动中心通缆钻杆带动通信转换短节和钻进模式切换短节的整体回转，支撑稳定短节和螺杆钻具不回转，利用钻机施工实现回转定向钻进。
[0022]进一步的，所述步骤(2)中，冲洗液排量设定在350L/min以上。
[0023]进一步的，所述步骤(3)中，将冲洗液排量调低至300L/min。
[0024]进一步的，所述步骤(2)中，较低转速为10～20r/min。
[0025]本专利技术的有益效果包括：
[0026](1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下回转定向钻具组合，其特征在于，包括由后向前依次连接的中心通缆钻杆(1)、通信转换短节(2)、钻进模式切换短节(3)、支撑稳定短节(4)、螺杆钻具(5)和钻头(6)，其中，所述通信转换短节(2)包括通信转换短节本体(201)，通信转换短节本体(201)内部由后向前依次设有中心电缆(202)和磁耦合通信接头a(203)，中心电缆(202)和磁耦合通信接头a(203)分别连接中心通缆钻杆(1)和钻进模式切换短节(3)；两个固定支撑环(204)设置在支撑中心电缆(202)的两端；所述的钻进模式切换短节(3)设有钻进模式切换短节本体(301)，钻进模式切换短节本体(301)一端通过螺纹与通信转换短节(2)固定连接，另一端与支撑稳定短节(4)活动连接，能够实现周向回转运动；所述的钻进模式切换短节本体(301)中心通道内设有钻进模式切换中心杆(303)；钻进模式切换短节本体(301)内壁由后向前依次设有限位环a(302)、钻进模式切换卡盘(3010)、弹簧a(309)、弹簧固定环a(308)；所述本体301内壁周向等角度设有4个滑动卡槽((3011)，钻进模式切换卡盘(3010)外壁周向等角度设有4个滑动凸键(30101)，钻进模式切换卡盘(3010)利用4个滑动凸键(30101)可以沿着滑动卡槽(3011)轴向移动；本体(301)外壁周向等角度设有4个限位螺钉孔(3012)；所述的钻进模式切换卡盘(3010)前端面等角度设有多个锁止凸键(30102)，其与钻进模式切换中心杆(303)后端外壁上设置的对应的锁止凹槽(3031)配合。2.如权利要求1所述的煤矿井下回转定向钻具组合，其特征在于，所述弹簧a(309)在周向均布4个。3.如权利要求1所述的煤矿井下回转定向钻具组合，其特征在于，所述钻进模式切换中心杆(303)外壁上由后向前依次设有锁止凹槽(3031)、过水孔a(3032)、旋转动密封安装槽(3035)、耐磨轴承安装槽(3033)、限位螺钉安装槽(3034)；所述旋转动密封安装槽(3035)设有旋转动密封(304)，耐磨轴承安装槽(3033)内设有耐磨轴承(306)，限位螺钉安装槽(3034)内设有限位螺钉(305)，过水孔a(3032)连通钻进模式切换中心杆(303)内部与本体(301)的中心通道；所述钻进模式切换中心杆(303)内部设有测斜组件(307)，所述的测斜组件(307)包括磁耦合通信接头b(307)和固定环(3072)、橡胶扶正器(3073)和测斜单元(3074)，磁耦合通信接头b(3071)连接在测斜单元(3074)的轴向后端。4.如权利要求1所述的煤矿井下回转定向钻具组合，其特征在于，所述支撑稳定短节(4)设有支撑稳定短节本体(401)，所述的支撑稳定短节本体(401)前端侧壁上等角度设有多个过水孔b(4011)，过水孔b(4011)连通支撑稳定短节本体(401)内部和螺杆钻具(5)内部，支撑稳定短节本体(401)的外壁周向上等角度设有3个推靠巴掌安装槽(4012)；所述的支撑稳定短节本体(401)中心通道内依次设有活塞组件限位环(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泉新，褚志伟，郝世俊，方俊，刘建林，陈龙，刘智，刘飞，
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：