CN110630182B - 水力喷射钻进小半径径向回转装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿瓦斯灾害防治技术领域，水力喷射钻进小半径径向回转装置，其中铰链结构的轴向方向内部中空，且铰链结构为单向弯曲铰链，铰链结构后端通过活动弯关节连接在内层钻管的前端，且活动弯关节的弯曲方向与铰链结构回转方向在同一平面内，所述铰链结构以及内层钻管内置于外层钻管内，铰链结构的前端与外层钻管沿垂直于铰链结构弯曲方向铰接，所述第一钻管夹持器固定外层钻管并提供持续向前推力，所述第二钻管夹持器夹持内层钻管并提供持续向前推力，带动铰链结构产生径向回转。本装置主要用于井下煤层水力喷射水平钻进过程中径向回转，具备小尺寸钻孔转向、操作简单、易于控制等优点。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯灾害防治技术领域，具体涉及煤层中使用水力喷射钻进的小半径径向回转装置及方法。
背景技术
煤矿瓦斯（煤层气是重要的非常规天然气资源之一，在煤矿井下开展高瓦斯煤层的煤层气抽采时，未卸压煤层的煤层气抽采能否取得较好的效果主要取决于煤层的渗透性。但我国大部分矿区的煤层属于高瓦斯低渗煤层，煤质松软且渗透性差，渗透率仅为10-4~10-3mD，由于煤层的渗透性直接决定了煤矿瓦斯(煤层气)抽采及利用的效率，解决低渗煤层的煤层气难抽问题已成为确保煤矿安全生产，提高煤层气产量和利用率的关键环节。研发提高低渗煤层的渗透性、煤层气增产的技术与装备，已成为一项艰难而迫切的任务，所以难抽煤层井下增透关键技术及装备研发已成为亟待开展的重要任务。
径向水力喷射水平钻进技术是煤层增透及井下瓦斯防治的有效技术手段。径向水力喷射水平钻进技术早期主要应用于石油***，而煤矿井下抽采钻孔与石油钻井存在较大差异性，煤矿井下钻孔尺寸远小于石油钻井，目前急需一种工艺及装置，解决小尺寸钻孔的水射流水平转向问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明所解决现有技术中存在的技术问题是针对目前煤矿抽采钻孔尺寸小，水平转向难度大等问题，提供了一种水力喷射钻进小半径径向回转装置及方法，主要用于井下煤层水力喷射增透过程中径向回转，具备小尺寸钻孔转向、操作简单、易于控制等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，水力喷射钻进小半径径向回转装置，包括外层钻管、内层钻管、活动弯关节、铰链结构、第一钻管夹持器和第二钻管夹持器，其中铰链结构的轴向方向内部中空，且铰链结构为单向弯曲铰链，铰链结构后端通过活动弯关节连接在内层钻管的前端，且活动弯关节的弯曲方向与铰链结构回转方向在同一平面内且方向相反，所述铰链结构以及内层钻管内置于外层钻管内，铰链结构的前端与外层钻管沿垂直于铰链结构弯曲方向铰接，所述第一钻管夹持器固定外层钻管并提供持续向前推力，所述第二钻管夹持器夹持内层钻管并提供持续向前推力，带动铰链结构产生径向回转。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述外层钻管对应铰链结构的位置第一镂空处，该第一镂空处位于铰链结构的弯曲方向，使得铰链结构弯曲后部分段沿第一镂空处置于外层钻管外部。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述外层钻管对应铰链结构的位置具有第二镂空处。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述水力喷射钻进小半径径向回转装置还包括连接管，所述铰链结构的后部铰接在连接管的前部，所述连接管的后部连接在活动弯关节上。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述铰接结构包括若干个活动页片，所述活动页片为梯形结构，活动页片下底依次相邻布置且活动页面主体同向布置，相邻两个活动页片通过铰链接轴可转动连接，且在铰链结构在极限弯曲状态时，相邻两个活动页片的侧边可抵接并形成定位。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述活动页片的内部中空处设有活动滚轮。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述活动弯关节内丝尺寸与内层钻管外丝尺寸匹配。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述水力喷射钻进小半径径向回转装置还包括动力***，所述动力***包括三相异步电动机、电动机开关、超高压电动油泵、油泵控制阀、高压胶管和压力表，其中所述超高压电动油泵的输入端通过电动机开关控制连接三相异步电动机，超高压电动油泵输出端通过油泵控制阀和高压胶管压力表连接第一钻管夹持器和第二钻管夹持器，以控制第一钻管夹持器、第二钻管夹持器的开合和推进。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述铰链结构的前端与外层钻管通过锚固滚轮铰接。
在第二个技术方案中，水力喷射钻进小半径径向回转方法，使用如第一个技术方案中任一项所述的水力喷射钻进小半径径向回转装置，包括以下步骤：
步骤一，水力喷射钻进径向回转作业前，钻进***在煤体内形成预定尺寸钻孔，并将外层钻管、内层钻管、柔性钻管、转向器钻进到预定径向回转位置；
步骤二，小半径径向回转工作，控制第二钻杆夹持器使内层钻管向前推进，进而使活动弯关节向前推进并转向，带动铰链结构整体90度转向，进而内部的柔性钻管带动射流喷头发生90度径向回转；
步骤三，水力喷射钻进，完成径向回转后，射流喷头在钻孔孔壁上开口，并由射流喷头上的反向喷嘴提供动力向前推进，形成射流钻孔。
使用本发明的有益效果是：
与现有技术相比，采用本发明在传统钻机钻进成孔的基础上，使用转向器控制射流喷头发生径向回转，在钻孔附近形成了多个径向支孔，具备小尺寸钻孔转向、操作简单、易于控制等优点，增加了钻孔增透卸压范围，降低了人工劳动强度，降低了钻具机械损耗；有利于提升矿井瓦斯治理水平，确保煤矿安全生产。
附图说明
图1为水力喷射钻进小半径径向回转装置铰连接装置回转前状态的结构示意图。
图2为水力喷射钻进小半径径向回转装置铰连接装置回转后状态的结构示意图。
图3为水力喷射钻进小半径径向回转装置铰连接装置回转前状态的前部结构示意图。
图4为水力喷射钻进小半径径向回转装置铰连接装置回转后状态的前部结构示意图。
图5为水力喷射钻进小半径径向回转装置中活动弯关节的结构示意图。
附图标记包括：
1为三相异步电动机；2为电动机开关；3为超高压电动油泵；4为油泵控制阀；5为高压胶管；6为压力表；7为第一钻管夹持器；8为第二钻管夹持器；9为外层钻管；10为内层钻管；11为柔性钻管；12为转向器；13为活动弯关节；131为关节轴；14为活动页片；15为铰链接轴；16为活动滚轮；17为射流喷头；18为连接管；19为锚固滚轮；20为铰链结构。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图1-图5所示，本实施例提出的水力喷射钻进小半径径向回转装置，包括外层钻管9、内层钻管10、活动弯关节13、铰链结构20、第一钻管夹持器7和第二钻管夹持器8，其中铰链结构20的轴向方向内部中空，且铰链结构20为单向弯曲铰链，铰链结构20的后端通过活动弯关节13连接在内层钻管10的前端，且活动弯关节13的弯曲方向与铰链结构20回转方向在同一平面内且方向相反，所述外层钻管9套装在铰链结构20以及内层钻管10外部，铰链结构20的前端与外层钻管9沿垂直于铰链结构20弯曲方向铰接，第一钻管夹持器7夹持外层钻管9，所述第二钻管夹持器8夹持内层钻管10，且第二钻管夹持器8可使内层钻管10向前部方向推动，并使铰链结构20形成回转。
超高压电动油泵3的输入端通过电动机开关2连接三相异步电动机1，其输出端通过油泵控制阀4高压胶管5压力表6连接第一钻管夹持器7，其输出端通过油泵控制阀44高压胶管5压力表6连接第二钻管夹持器8；外层钻管9通过第一钻管夹持器7连接动力***，内层钻管10通过第二钻管夹持器8连接动力***；转向器12通过活动弯关节13连接内层钻管10，通过锚固滚轴固定在外层钻杆上；柔性钻管11与射流喷头17连接，内置于内层钻管10内。
本实施例中的动力***包括三相异步电动机1、电动机开关2、超高压电动油泵3、油泵控制阀4、高压胶管5和压力表6，其中超高压电动油泵3的输入端通过电动机开关2控制连接三相异步电动机1，超高压电动油泵3输出端通过油泵控制阀4和高压胶管5压力表6连接第一钻管夹持器7和第二钻管夹持器8，以控制第一钻管夹持器7以及第二钻管夹持器8的开合和推进。
具体的，打开电动机开关2，三相异步电动机1起到后通过油泵控制阀4切换与不同高压胶管5的连通状态，即切换第一钻管夹持器7、第二钻管夹持器8的工作状态。通过油泵控制阀4切换第一钻管夹持器7、以及第二钻管夹持器8开合和前后移动。
使用本装置时，首先将外层钻管9、内层钻管10、柔性钻管11、转向器12钻进到预定径向回转位置，然后驱动第二钻管夹持器8推动内层钻管10推进，在此过程中，外层钻管9位置不动，直至形成转向器12弯曲状态，如图2所示。
如图3、图4所示，具体的，转向器12包括，活动弯关节13、关节轴131、连接管18、锚固滚轮19和铰链结构20，其中铰链结构20包括活动页片14、铰链接轴15、活动滚轮16、射流喷头17和锚固滚轮19。
在转向器12弯曲的过程中，内层钻管10前部略微下沉，其主要是根据内层钻管10自身弹性形成一定的弯曲，在内层钻管10向前推进时，活动弯关节13通过关节轴131和内层钻管10前部的铰接形成类似关节的弯折，因铰链结构20的前节通过锚固滚轮19铰接在外层钻管9上，使得铰链结构20的前节仅可以转动，而不能形成位移。通过铰链结构20和活动弯关节13弯曲方向的设定，在本实施例中，铰链结构20仅可以向上方弯曲，活动弯关节13向下移动，从而形成如图4所示效果。
外层钻管9对应铰链结构20的位置第一镂空处，该第一镂空处位于铰链结构20的弯曲方向，使得铰链结构20弯曲后部分段沿第一镂空处置于外层钻管9外部，使得铰链结构20弯曲的角度更大，铰链结构20的回转空间更大，铰链结构20更容易形成90度弯曲。
外层钻管9对应铰链结构20的位置具有第二镂空处，其在柔性钻管11弯曲时，柔性钻管11的前端与第二镂空处相对。在铰链结构20弯曲时，射流喷头17可通过第二镂空处向前推进。
在本实施例中，水力喷射钻进小半径径向回转装置还包括连接管18，铰链结构20的后端铰接在连接管18的前端，连接管18的后端连接在活动弯关节13上。活动弯关节13内丝尺寸与内层钻管10外丝尺寸匹配，使得两者可插装连接以及螺纹连接。
铰接结构包括若干个活动页片14，活动页片14为梯形结构，活动页片14下底依次相邻布置且活动页面主体同向布置，相邻两个活动页片14通过铰链接轴15可转动连接，且在铰链结构20在极限弯曲状态时，相邻两个活动页片14的侧边可抵接并形成定位。铰接结构中单个活动页片14可设计成多种形式，纵向截面为梯形、圆形、椭圆形、多面菱形等。
活动页片14的内部中空处设有活动滚轮16，该活动用于承托并定位柔性钻管11，铰链结构20中前节中，活动滚轮16和锚固滚轮19对向夹持在柔性钻管11的前段，以控制柔性钻管11前部的位置和角度。
实施例2
水力喷射钻进小半径径向回转方法，使用第一个技术方案中的水力喷射钻进小半径径向回转装置，包括以下步骤：
步骤一，水力喷射钻进径向回转作业前，钻进***在煤体内形成预定尺寸钻孔，并将外层钻管9、内层钻管10、柔性钻管11、转向器12钻进到预定径向回转位置；
步骤二，小半径径向回转工作，使用控制第二钻杆夹持器使内层钻管10向前推进，进而使活动弯关节13向前推进并转向，带动铰链结构20整体90度转向，进而内部的柔性钻管11带动射流喷头17发生90度径向回转；
步骤三，水力喷射钻进，完成径向回转后，射流喷头17在钻孔孔壁上开口，并由射流喷头17上的反向喷嘴提供动力向前推进，形成射流钻孔。
本方法通过使用水力喷射钻进小半径径向回转装置，可在钻孔中极小空间内实现回转。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (6)
1.水力喷射钻进小半径径向回转装置，其特征在于：包括外层钻管、内层钻管、活动弯关节、铰链结构、第一钻管夹持器和第二钻管夹持器，其中铰链结构的轴向方向内部中空，且铰链结构为单向弯曲铰链，铰链结构后端通过活动弯关节连接在内层钻管的前端，且活动弯关节的弯曲方向与铰链结构回转方向在同一平面内且方向相反，所述铰链结构以及内层钻管内置于外层钻管内，铰链结构的前端与外层钻管沿垂直于铰链结构弯曲方向铰接，所述第一钻管夹持器固定外层钻管并提供持续向前推力，所述第二钻管夹持器夹持内层钻管并提供持续向前推力，带动铰链结构产生径向回转；
所述铰链 结构包括若干个活动页片，所述活动页片为梯形结构，活动页片下底依次相邻布置且活动页面主体同向布置，相邻两个活动页片通过铰链接轴可转动连接，且在铰链结构在极限弯曲状态时，相邻两个活动页片的侧边可抵接并形成定位；
所述外层钻管对应铰链结构的位置第一镂空处，该第一镂空处位于铰链结构的弯曲方向，使得铰链结构弯曲后部分段沿第一镂空处置于外层钻管外部；
所述外层钻管对应铰链结构的位置具有第二镂空处；
所述活动页片的内部中空处设有活动滚轮。
2.根据权利要求1所述的水力喷射钻进小半径径向回转装置，其特征在于：所述水力喷射钻进小半径径向回转装置还包括连接管，所述铰链结构的后部铰接在连接管的前部，所述连接管的后部连接在活动弯关节上。
3.根据权利要求1所述的水力喷射钻进小半径径向回转装置，其特征在于：所述活动弯关节内丝尺寸与内层钻管外丝尺寸匹配。
4.根据权利要求1所述的水力喷射钻进小半径径向回转装置，其特征在于：所述水力喷射钻进小半径径向回转装置还包括动力***，所述动力***包括三相异步电动机、电动机开关、超高压电动油泵、油泵控制阀、高压胶管和压力表，其中所述超高压电动油泵的输入端通过电动机开关控制连接三相异步电动机，超高压电动油泵输出端通过油泵控制阀和高压胶管压力表连接第一钻管夹持器和第二钻管夹持器，以控制第一钻管夹持器、第二钻管夹持器的开合和推进。
5.根据权利要求1所述的水力喷射钻进小半径径向回转装置，其特征在于：所述铰链结构的前端与外层钻管通过锚固滚轮铰接。
6.水力喷射钻进小半径径向回转方法，使用如权利要求1-5任一项所述的水力喷射钻进小半径径向回转装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，水力喷射钻进径向回转作业前，钻进***在煤体内形成预定尺寸钻孔，并将外层钻管、内层钻管、柔性钻管、转向器钻进到预定径向回转位置；
步骤二，小半径径向回转工作，控制第二钻杆夹持器使内层钻管向前推进，进而使活动弯关节向前推进并转向，带动铰链结构整体90度转向，进而内部的柔性钻管带动射流喷头发生90度径向回转；
步骤三，水力喷射钻进，完成径向回转后，射流喷头在钻孔孔壁上开口，并由射流喷头上的反向喷嘴提供动力向前推进，形成射流钻孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 113122 No.11 Binhe Road, Shenfu demonstration area, Fushun City, Liaoning Province Patentee after: Shenyang Research Institute Co.,Ltd. Address before: 113122 No. 11 Binhe Road, Fushun Economic Development Zone, Fushun City, Liaoning Province Patentee before: CCTEG (China Coal Technology and Engineering Group Corp.) |
|
| CP03 | Change of name, title or address |