CN107575164A - 一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置及方法，涉及煤层瓦斯抽采技术领域。具体包含如下步骤：首先，在煤层中施工瓦斯抽采钻孔，将连接有高压胶管的自进式喷头安装在导向装置中；然后，将导向装置和自进式喷头整体放置到钻杆中，启动高压水泵，自进式喷头推动导向装置进入钻杆底部的限位可开闭钻头中；接着，增加高压水泵的出水压力，使得自进式喷头推动导向装置突破限位可开闭钻头的中心钻头和向装置中安装的挡片，从而自进式喷头从导向管中导出并对煤层进行径向钻进作业；最后，将导向装置利用钻机控制和调整进行反复的钻进作业。本发明结构简单，适用面广，并且能够显著提高煤层的抽采效果。

Description

一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置及方法

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置及方法。

背景技术

煤矿井下瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害最基本、最直接、最常用的手段之一，然而我国煤层的透气性较差，渗透率一般小于1×10^-3μm²，普遍属于低渗透煤储层，瓦斯难以抽采。尤其是随着我国煤矿开采深度的增加，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井逐渐增多，深部煤层处于“三高”(即高地温、高地应力、高储层压力)地质环境下，渗透率越发降低，严重影响了瓦斯抽采效果。因此，增加煤层透气性已成为煤矿井下瓦斯抽采亟待解决的关键技术问题。

目前，高压水力化技术及装备已成为提高煤层渗透率的重要途径。该类技术及装备主要利用高压泵将水转化为高压流体，通过钻孔将其压入煤层，压开煤层内闭合裂隙并发生扩展、延伸，以至相互之间发生连接贯，形成相互交织的贯通裂隙网络；或通过高压水射流对煤体进行切割，扩大钻孔直径，增加煤层暴露面积和钻孔径向卸压范围，达到提高煤层渗透率的目的。然而，目前的水力化技术及装备仍存在一定的局限性，如水力压裂技术的压裂影响范围不可控，对松软煤层压裂效果不明显，且一般只适用于穿层孔，顺层孔有可能诱发突出的危险，压裂后容易造成应力集中对后续开采造成影响等；水力割缝、水力冲孔、水力冲孔等受到高压泵能力及工艺影响较大，影响范围相对较小，一般为1.5-2.5m。

高压水力径向钻进技术是一种新型的煤层增透技术。该技术先行施工抽采钻孔，退钻后安装导向器并下放至煤层预定位置，然后将高压管路与自进式喷头通过钻杆输送至导向器，最后，自进式喷头以高压水为动力，在煤层钻孔中钻进形成放射状小直径钻孔，从而达到使煤层增透的效果。该技术的最大优点在于可控制煤层抽采半径，且影响范围较大，实现低渗透率煤层的均匀增透。但是，目前该技术的施工工艺较为繁琐、效率低，限制了其推广应用。如中国专利文献CN103899349 B授权的《一种煤层瓦斯预抽采方法及抽采孔径向钻进导向装置》，首先在煤层中施工抽采钻孔后，然后实施退钻工艺，再将导向装置安装带钻孔内进而进行实施径向钻进工艺；中国专利文献CN105089499 A公开的《煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置及导向方法》，首先在煤(岩)层中施工母孔，然后退出钻杆，再将导向器安装到钻杆与钻孔的连接处，重新将钻具送入钻孔预定位置进行径向作业。综上所述，目前有关径向钻进的方法都需要实施退钻工艺，大幅度加大了径向钻进作业时间，同时也增加了工人作业强度。有鉴于此，亟需改进煤层抽采钻孔的高压水力径向钻进的导向装置及施工工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置及工艺，实现瓦斯抽采钻孔施工完毕后，在不退钻条件下实现径向钻孔作业，提高小直径径向钻孔施工效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，包括限位可开闭钻头8和导向装置6；

所述限位可开闭钻头8包括中空柱状的外钻头81和中心钻头82，所述限位可开闭钻头8与所述导向装置6配合使用，所述外钻头81远离刀头端的中空部分设置有限位槽87，所述限位槽87用于限制所述导向装置6的轴向运动；

所述导向装置6包括底部挡板61，底部挡板61的一端安装有导向管63，底部挡板61和导向管63两者的直孔段直径相同，所述底部挡板61和导向管63连接处设置有挡片62，所述挡片62用于阻挡自进式喷头3的向前钻进，所述导向管63径向出口的轴线与底部挡板61的轴线之间有0～90°的夹角，用于改变所述自进式喷头的钻进方向。

进一步，所述底部挡板61与导向管63通过螺纹连接，所述底部挡板61呈锥型，所述限位槽87的几何形状与所述底部挡板61的相匹配。

进一步，所述安装槽83的几何尺寸大于等于所述中心钻头82对应的几何尺寸，所述搭接槽84的高度不得干涉中心钻头82旋转，且所述中心钻头82在轴向力作用下克服防脱装置的约束力以销轴85为转轴旋转并置于所述安装槽83内。

进一步，所述挡片62的外径底部挡板61和导向管63连接段的直径相同，挡片62的材料强度保证在自进式喷头3的射流推进作用下带动导向装置6在钻杆内部前进并穿出限位可开闭钻头8的中心钻头82，同时提高水压后自进式喷头3可将挡片62击碎，从而使自进式喷头3伸出导向管63外。

进一步，所述限位槽87的径向截面积大于所述导向管的径向截面积。

一种进行径向钻进的方法，包括如下步骤：

S1：在煤层中施工瓦斯抽采钻孔；

S2：将连接有高压胶管的自进式喷头安装在导向装置中，高压胶管的另一端与连接高压水泵连接；

S3：将导向装置和自进式喷头整体放置到钻杆中；

S4：启动高压水泵，自进式喷头推动导向装置进入钻杆底部的限位可开闭钻头中；

S5：增加高压水泵的出水压力，使得自进式喷头推动导向装置突破限位可开闭钻头的中心钻头，从而使导向装置部分暴露到限位可开闭钻头外；

S6：继续增加高压水泵的出水压力，使得自进式喷头击碎导向装置中安装的挡片，从而自进式喷头从导向管中导出，暴露到钻孔中，对煤层进行反复的径向钻进作业，行成放射状的径向分支的小钻孔。

本发明的有益效果在于：本发明在使用时，首先将连接有高压胶管的自进式喷头放置到导向装置中，进而再整体放入钻杆中；其次，开启高压水泵，启动自进式喷头带动导向装置通过钻杆进入钻杆底部的可开闭式钻头内部；再次，加大高压水泵的输出功率，增大自进式喷头前进动力，使得导向装置的导向管顶开钻头顶端中心钻头的阻碍，暴露到抽采钻孔中，由于受到导向装置底部挡板与可开闭式钻头内部限位块的约束，因此可确保导向装置只能部分暴露到钻孔中；最后，进一步加大高压水泵的输出功率，增大自进式喷头前进动力和破坏能力，使得其击碎导向装置中挡片，从导向装置伸出，进而对煤层进行径向钻进作业，形成一系列的“放射状”径向分支小直径钻孔，提高煤层抽采效果。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明原理示意图，其中a为本发明在顺层瓦斯抽采钻孔中施工径向钻孔工艺原理示意图；b为本发明在穿层瓦斯抽采钻孔中施工径向钻孔工艺原理示意图；

图2为本发明施工工艺流程图；

图3为本发明的导向装置结构示意图；

图4为本发明中限位可开闭钻头结构示意图，其中a为限位可开闭钻头结构示意图，b为a的A-A剖面图；

图5为本发明的导向装置与开闭式钻头铰接组合示意图；

图6为“放射状”的径向小直径钻孔示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图3所示，本发明提供一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，该导向装置6主要用于控制自进式喷头3径向钻进作业时的方位角。导向装置6的底部设有一个锥型底部挡板61，底部挡板61上安置导向管63，底部挡板61与导向管63通过螺纹连接，两者直孔段直径相同；导向管63的轴线与导向过渡管的轴线之间有0～90°的夹角，可根据具体的工程选取不同角度的导向管进行安装；底部挡板61和导向管63连接处安装挡片62，挡片62的外径与底部挡板61和导向管63连接段的直径相同，挡片62的材料强度应能保证在自进式喷头3的射流推进作用下带动导向装置6在钻杆内部前进并顶开、穿出限位可开闭钻头8，同时保证提高水压后自进式喷头3可将其击碎，从而伸出导向管63外。

如图4所示，图4a为限位可开闭钻头结构示意图，图4b为图4a中的A-A剖面图。本发明还提供一种限位可开闭钻头，限位可开闭钻头8主要用于控制导向装置6的穿出和限位。限位可开闭钻头8包括呈中空柱状结构的外钻头81和中心钻头82，外钻头一侧外周壁上开设有用于容纳中心钻头的安装槽83，外钻头81与该安装槽83相对的另一侧外周壁上设有搭接槽84；中心钻头82的固定端通过销轴85铰接在安装槽83的底部，中心钻头82的自由端通过防脱装置固定在搭接槽内84，安装槽的83几何尺寸大于等于中心钻头82对应的几何尺寸，搭接槽84的高度不得干涉中心钻头82旋转，且中心钻头82在轴向力作用下克服防脱装置的约束力以销轴85为转轴旋转并可置于安装槽83内，中心钻头82下部设置有限位槽87，外钻头81和中心钻头82上均设有刀头86。

如图5所示，本发明的导向装置与限位可开闭钻头铰接组合示意图。限位可开闭钻头8中的限位槽87形成的锥型孔洞顶部的截面积应大于导向管63的垂直投影面积；限位可开闭钻头8中的限位槽87形成的锥型孔洞与锥型底部挡板61相配合，保证导向管63顶开中心钻头82后，顺利穿出可开闭式钻头8暴露在钻孔2中；同时可确保导向装置6不能全部脱离钻头8而完全暴露在钻孔2中。限位槽87与底部挡板61之间通过增加摩擦系数或定位槽，实现两者的同步转动。

图1a为本发明在顺层瓦斯抽采钻孔中施工径向钻孔工艺原理示意图；图1b为本发明在穿层瓦斯抽采钻孔中施工径向钻孔工艺原理示意图；本发明在顺层和穿层瓦斯抽采钻孔中的施工方法大同小异，因此本实施案例以图1a案例中的技术方案进行清楚、完整地描述。结合图2本发明施工工艺流程图，如图2所示，本实施例具体包含如下步骤：

步骤S1，利用煤矿井下本质安全钻机在煤层1中(先穿过岩层10煤层1中)施工瓦斯抽采钻孔2。

步骤S2：待抽采钻孔施工完毕后，将连接有高压胶管4的自进式喷头3安置到导向装置6中，高压胶管4用于连接高压水泵5和自进式喷头3。

步骤S3：将自进式喷头3和导向装置6整体放入钻杆7中。

步骤S4：启动高压水泵5，自进式喷头3推动导向装置6在钻杆7中前进，直至达到钻杆7底部的限位可开闭钻头8中。

步骤S5：增加出水压力，自进式喷头3推动力进一步增强，使得导向装置6突破限位可开闭钻头8的中心钻头83，导向管64部分暴露到限位可开闭钻头8外，同时也暴露到瓦斯抽采钻孔2中。

步骤S6：进一步增加出水压力强度，自进式喷头3击碎导向装置6中安装的挡片63，从导向管64导出，暴露到钻孔2中；对煤层1进行径向钻进作业，形成一个径向分支小直径钻孔9。通过不同位置不同角度的反复作业，最终形成图6所示的“放射状”的径向分支小直径钻孔。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，其特征在于：包括限位可开闭钻头(8)和导向装置(6)；

所述限位可开闭钻头(8)包括中空柱状的外钻头(81)和中心钻头(82)，所述限位可开闭钻头(8)与所述导向装置(6)配合使用，所述外钻头(81)远离刀头端的中空部分设置有限位槽(87)，所述限位槽(87)用于限制所述导向装置(6)的轴向运动；

所述导向装置(6)包括底部挡板(61)，底部挡板(61)的一端安装有导向管(63)，底部挡板(61)和导向管(63)两者的直孔段直径相同，所述底部挡板(61)和导向管(63)连接处设置有挡片(62)，所述挡片(62)用于阻挡自进式喷头(3)的向前钻进，所述导向管(63)径向出口的轴线与底部挡板(61)的轴线之间有0～90°的夹角，用于改变所述自进式喷头的钻进方向。

2.根据权利要求1所述的一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，其特征在于：所述底部挡板(61)与导向管(63)通过螺纹连接，所述底部挡板(61)呈锥型，所述限位槽(87)的几何形状与所述底部挡板(61)的相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，其特征在于：所述安装槽(83)的几何尺寸大于等于所述中心钻头(82)对应的几何尺寸，所述搭接槽(84)的高度不得干涉中心钻头(82)旋转，且所述中心钻头(82)在轴向力作用下克服防脱装置的约束力以销轴(85)为转轴旋转并置于所述安装槽(83)内。

4.根据权利要求1所述的一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，其特征在于：所述挡片(62)的外径底部挡板(61)和导向管(63)连接段的直径相同，挡片(62)的材料强度保证在自进式喷头(3)的射流推进作用下带动导向装置(6)在钻杆内部前进并穿出限位可开闭钻头(8)的中心钻头(82)，同时提高水压后自进式喷头(3)可将挡片(62)击碎，从而使自进式喷头(3)伸出导向管(63)外。

5.根据权利要求1所述的一种随钻条件下的高压水力径向钻进导向装置，其特征在于：所述限位槽(87)的径向截面积大于所述导向管的径向截面积。

6.一种应用权利要求1-5任一项的导向装置进行径向钻进的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：在煤层中施工瓦斯抽采钻孔；

S2：将连接有高压胶管的自进式喷头安装在导向装置中，高压胶管的另一端与连接高压水泵连接；

S3：将导向装置和自进式喷头整体放置到钻杆中；

S4：启动高压水泵，自进式喷头推动导向装置进入钻杆底部的限位可开闭钻头中；

S5：增加高压水泵的出水压力，使得自进式喷头推动导向装置突破限位可开闭钻头的中心钻头，从而使导向装置部分暴露到限位可开闭钻头外；

S6：继续增加高压水泵的出水压力，使得自进式喷头击碎导向装置中安装的挡片，从而自进式喷头从导向管中导出，暴露到钻孔中，对煤层进行反复的径向钻进作业，行成放射状的径向分支的小钻孔。