CN104806164B

CN104806164B - 用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆

Info

Publication number: CN104806164B
Application number: CN201510173449.2A
Authority: CN
Inventors: 王永龙; 孙玉宁; 宋维宾; 王振锋
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: CN104806164A

Abstract

本发明公开了一种用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，应用旋切降阻护孔钻杆旋转切除钻孔膨胀变形的煤体，同时，根据钻孔收缩比d _c确定旋切降阻护孔钻杆的旋切深度、钻进速度和供风风量，用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，包括旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体。本发明针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合大量工程实践，依据岩石力学相关理论，考虑煤层地质条件，发明了用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，钻进过程中，依靠旋切护孔叶片及时将钻孔孔壁膨胀变形煤体切落，降低了钻杆的旋转和推进阻力。本发明设计新颖，建立了旋切降阻、护孔一体化钻进工艺体系，可有效改善软弱煤岩地层的钻进效果。

Description

用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆

技术领域

本发明属于煤矿复杂条件煤层钻孔施工、软弱破碎岩层钻探工程等技术领域，具体涉及一种用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆。

背景技术

针对煤与瓦斯突出矿井安全开采，我国政府明确要求“先抽后采”和“抽采达标”。伴随煤炭开采向纵深发展，煤层赋存呈“三高二低”特征(高地应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力、低渗透率、低煤体强度)，煤层条件的复杂性，使钻孔施工更为困难。目前，软煤层钻孔施工存在着钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故频发等问题，我国多个矿区已发生多起钻孔瓦斯燃烧、钻孔CO中毒事故，不仅影响煤矿开采效率，同时威胁着煤矿工人的生命安全，给煤矿安全生产带来了严重的经济损失。对于软煤层钻进，先进的钻机装备未能充分发挥其作用，钻进效果并不完全决定于钻机装备，它与钻孔内钻屑能否及时排出有着重要的关系。因此，软煤层钻进过程中，采用护孔技术是保护钻孔排渣空间唯一技术手段，现有的套管钻机配套设备庞大，套管钻具需配套专用的套管钻机，且套管钻具孔内钻进阻力大，钻进工艺复杂，操作工人的劳动强度大，限制了其应用效果。因此，常规的双套管钻具并不适用于地质条件复杂的软煤岩区域，急需开发一种新型钻具，即具有护孔功能，同时又能够不断切除致使钻进阻力增大的钻孔膨胀变形煤体，从而有效降低钻杆的旋转阻力，间接降低钻机动力损耗，有利于提高软煤层钻孔深度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，解决常规套管钻具钻进阻力大、钻孔深度浅、钻进效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，根据煤层地质条件评估钻孔收缩比d_c并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：

①.在待施工地点取煤样，实验室测试煤样单轴抗压强度，应用地质强度指标法，评估煤体力学参数，计算钻孔收缩比d_c，钻孔收缩比d_c为钻孔孔壁变形最大位移u_p与钻孔未收缩时半径r的比值；

②.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d_c设计旋切降阻护孔钻杆的旋切深度。当钻孔收缩比20≤d_c≤40％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为u_p/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-4u_p/3；当钻孔收缩比40＜d_c≤60％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为u_p/2，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-u_p；当钻孔收缩比60＜d_c≤100％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为2u_p/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-2u_p/3；

③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d_c设计钻进速度。当钻孔收缩比20≤d_c≤40％时，钻进速度设计为0.6～0.8m/min；当钻孔收缩比40＜d_c≤60％时，钻进速度设计为0.4～0.6m/min；当钻孔收缩比60＜d_c≤100％时，钻进速度设计为0.2～0.4m/min；

④.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d_c设计供风风量。当钻孔收缩比20≤d_c≤40％时，供风风量设计为8～12m³/min；当钻孔收缩比40＜d_c≤60％时，供风风量设计为12～14m³/min；当钻孔收缩比60＜d_c≤100％时，供风风量设计为14～16m³/min；

⑤.根据施工地点煤层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔倾角、方位角，依据步骤①～④，计算旋切深度、钻进速度和供风风量，并设计旋切降阻护孔钻杆的结构形式。

用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，包括旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体，所述旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体同轴，支撑叶片固定于中心钻杆体上，旋切护孔叶片固定于支撑叶片的外缘，在旋切护孔叶片与支撑叶片之间形成护孔空间，旋切护孔叶片沿钻杆周向布置，在旋切护孔叶片之间形成开放空间；旋切护孔叶片截面呈弧形，旋切护孔叶片的内表面与支撑叶片的最大外圆连接并固定于支撑叶片上，旋切护孔叶片的厚度设置为均匀厚度或沿钻杆旋转方向逐渐增厚两种方式。

所述的支撑叶片固定于中心钻杆体上，支撑叶片设置为直棱或螺旋棱，支撑叶片上设置为有孔和无孔两种方式。

由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：

①.通过现场煤样、实验室测试及理论计算的方法确定施工地点煤层的钻孔收缩比，使工程人员能够更为准确的掌握施工地点煤层地质条件对钻孔施工的影响情况。

②.通过本发明钻进方法指导旋切降阻护孔钻杆的合理旋切深度，钻杆旋转切除钻孔膨胀变形的煤体，有效降低了钻孔孔壁膨胀变形对钻杆形成的围压，从而降低了钻杆的旋转及推进阻力。

③.通过本发明钻进方法确定钻进速度和供风风量，由于充分考虑了钻杆旋切增加的钻屑量，使钻进速度和供风风量的设计与施工地点的煤层地质条件匹配合理，从而有效降低了钻孔内发生钻屑堆积、堵塞的概率。

④.本发明旋切降阻护孔钻杆，通过旋切护孔叶片，能够高效旋转切除钻孔膨胀变形的煤体，并通过旋切护孔叶片之间形成开放空间进入护孔空间，利用风流及时排出孔外，避免了钻孔堵塞。

本发明针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合大量工程实践，依据岩石力学相关理论，充分考虑煤层地质条件，发明了用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法及钻杆，钻进方法指导旋切降阻护孔钻杆结构设计，充分发挥旋切降阻护孔钻杆的“降低钻进阻力”的最佳效果，同时，通过钻杆结构创新，旋切降阻护孔钻杆能够实现旋切降阻、护孔两项功能，有利于提高软煤岩钻孔深度，值得在煤矿企业推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是本发明实施时旋切降阻护孔原理示意图；

图4是本发明实施例二的结构示意图；

图5是图4的左视图；

图6是本发明实施例三的结构示意图；

图7是图6的左视图；

图8是本发明实施例四的结构示意图；

图9是图8的左视图；

图10是本发明实施例五的结构示意图；

图11是图10的左视图；

图12是本发明实施例六的结构示意图；

图13是图12的左视图；

图14是本发明实施例七的结构示意图；

图15是图14的左视图。

具体实施方式

实施例一：用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，根据煤层地质条件评估钻孔收缩比d_c并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：

如图1～图2所示，用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，包括旋切护孔叶片1、支撑叶片2、中心钻杆体3，所述旋切护孔叶片1、支撑叶片2、中心钻杆体3同轴，支撑叶片2固定于中心钻杆体上，旋切护孔叶片1固定于支撑叶片2的外缘，在旋切护孔叶片1与支撑叶片2之间形成护孔空间，旋切护孔叶片1沿钻杆周向布置，在旋切护孔叶片1之间形成开放空间L。旋切护孔叶片1截面呈弧形，旋切护孔叶片1的内表面与支撑叶片2的最大外圆连接并固定于支撑叶片2上，旋切护孔叶片1的厚度设置为均匀厚度或沿钻杆旋转方向逐渐增厚两种方式。支撑叶片2固定于中心钻杆体3上，支撑叶片2设置为直棱或螺旋棱，支撑叶片2上设置为有孔和无孔两种方式。实施例一支撑叶片2设置为直棱，支撑叶片2上不设置孔结构。

下面介绍一下本发明实施例一旋切降阻护孔钻杆钻进原理：

由于软煤层煤体强度低，在软煤层施工钻孔时，受地应力、瓦斯压力、构造应力等因素影响，钻孔变形量大，应用常规护孔钻杆施工钻孔时，钻杆很快被煤体完全包裹并在钻杆孔壁与钻杆之间形成围压，致使钻杆的旋转及推进阻力急剧增大，这也是常规护孔钻杆难以施工深钻孔的原因，因此，发明一种能够降低钻进阻力同时具有良好护孔作用的钻进方法及钻杆是解决常规护孔钻杆难以应用软煤层钻进的唯一技术途径。本发明用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，结合煤层地质条件，依据岩石力学相关理论，确定施工地点煤层的钻孔收缩比，并据此确定施工地点旋切降阻护孔钻杆的合理旋切深度、钻进速度和供风风量。依据本发明钻进方法指导旋切降阻护孔钻杆结构设计，参照图3，钻孔孔壁膨胀变形的煤体沿旋切护孔叶片1之间开放空间L挤入护孔空间内。旋切降阻护孔钻杆沿逆时针旋转时，旋切护孔叶片1将挤入护孔空间内的煤体6切除。伴随着钻杆旋转，如图3所示，钻杆周边的煤体沿箭头方向不断沿开放空间L两侧挤入，并不断被切除，钻杆周边的煤体对钻杆的围压缓慢较小并逐渐被接触，从而实现了旋切降阻。同时，被切除的煤体6沿开放空间L进入旋切护孔叶片1与支撑叶片2之间形成护孔空间并被风流及时排出孔外，因此，也不会因为钻杆周围煤体的挤入而致使钻孔排渣空间堵塞。

实施例二：如图4、图5所示，与实施例一不同的在于，旋切护孔叶片1之间开放空间L变大，该旋切降阻护孔钻杆沿开放空间L的进渣能力增大，但旋切护孔叶片1与支撑叶片2之间形成护孔空间减小，因此，该类型旋切降阻护孔钻杆适合用于钻孔收缩比为20≤d_c≤40％的煤层钻进。

实施例三：如图6、图7所示，与实施例一、实例二不同的在于，实施例一、实例二的钻杆接头采用了螺纹连接31，而实施例三钻杆接头采用了插接式连接32，插接式连接，可实现钻杆的反转，但安装、拆卸钻杆不如螺纹连接方便。

实施例四：如图8、图9所示，与实施例一、实例二不同的在于，实施例四支撑叶片2设置为螺旋棱5结构，支撑叶片2上设置为有孔方式，螺旋结构的支撑叶片2设计方案，使旋切护孔叶片1与支撑叶片2之间的接触面积更大，有利于提高旋切护孔叶片1与支撑叶片2之间的连接强度，从而提高该类型旋切降阻护孔钻杆的使用寿命；支撑叶片2设置排渣孔4，可实现风力排渣钻进，此外，螺旋结构的支撑叶片2也具有辅助排渣功能。

实施例五：如图10、图11所示，与实施例四不同的在于，实施例五钻杆接头采用了插接式连接32，插接式连接。

实施例六：如图12、图13所示，与实施例四不同的在于，旋切护孔叶片1设计为沿钻杆旋转方向逐渐增厚，该类型旋切降阻护孔钻杆相对于实施例四，其具有更强的旋切能力，但同时会致使钻杆旋转阻力的增大。

实施例七：如图14、图15所示，与实施例四不同的在于，支撑叶片2上不设置孔结构，该类型旋切降阻护孔钻杆也可以实现风力排渣钻进，但受螺旋结构支撑叶片2的阻挡，难以发挥风力排渣的效果，因此，该类型旋切降阻护孔钻杆以螺旋排渣为主。

Claims

1.用于软煤层旋切降阻护孔钻进方法，其特征在于：根据煤层地质条件评估钻孔收缩比d_c并确定旋切深度、钻进速度和供风风量，应用旋切降阻护孔钻杆施工钻孔，钻杆旋转连续切除钻孔膨胀变形的煤体，实现旋切降阻、护孔一体化钻进，方法包括以下步骤：

②.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d_c设计旋切降阻护孔钻杆的旋切深度，当钻孔收缩比20≤d_c≤40％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为u_p/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-4u_p/3；当钻孔收缩比40＜d_c≤60％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为u_p/2，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-u_p；当钻孔收缩比60＜d_c≤100％时，旋切降阻护孔钻杆的旋切深度设计为2u_p/3，旋切降阻护孔钻杆的外圆直径设计为2r-2u_p/3；

③.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d_c设计钻进速度，当钻孔收缩比20≤d_c≤40％时，钻进速度设计为0.6～0.8m/min；当钻孔收缩比40＜d_c≤60％时，钻进速度设计为0.4～0.6m/min；当钻孔收缩比60＜d_c≤100％时，钻进速度设计为0.2～0.4m/min；

④.根据施工地点煤层的钻孔收缩比d_c设计供风风量，当钻孔收缩比20≤d_c≤40％时，供风风量设计为8～12m³/min；当钻孔收缩比40＜d_c≤60％时，供风风量设计为12～14m³/min；当钻孔收缩比60＜d_c≤100％时，供风风量设计为14～16m³/min；

2.用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，包括旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体，其特征在于：所述旋切护孔叶片、支撑叶片、中心钻杆体同轴，支撑叶片固定于中心钻杆体上，旋切护孔叶片固定于支撑叶片的外缘，在旋切护孔叶片与支撑叶片之间形成护孔空间，旋切护孔叶片沿钻杆周向布置，在旋切护孔叶片之间形成开放空间；旋切护孔叶片截面呈弧形，旋切护孔叶片的内表面与支撑叶片的最大外圆连接并固定于支撑叶片上，旋切护孔叶片的厚度设置为均匀厚度或沿钻杆旋转方向逐渐增厚两种方式。

3.根据权利要求2所述的用于软煤层旋切降阻护孔钻杆，其特征在于：所述的支撑叶片固定于中心钻杆体上，支撑叶片设置为直棱或螺旋棱，支撑叶片上设置为有孔和无孔两种方式。