CN111894477B - 一种突出煤层护孔卸压组合钻具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种突出煤层护孔卸压组合钻具及其使用方法，组合钻具包括螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆，还包括专用钻头和过渡搭接装置，所述专用钻头与螺旋槽筛孔钻杆连接，所述过渡搭接装置一端与螺旋槽筛孔钻杆连接，另一端与异形刻槽钻杆连接，所述专用钻头、过渡搭接装置、螺旋槽筛孔钻杆以及异形刻槽钻杆同轴分布。本发明中，采用螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆，利用设置的专用钻头和过渡搭接装置形成组合钻具，在钻进作业过程中能够达到较好的护孔卸压效果，并便于对钻孔口处瓦斯及煤尘的收集，结构组合方便，提高了钻进作业的灵活性。

Description

一种突出煤层护孔卸压组合钻具及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采钻进技术领域，尤其涉及一种突出煤层护孔卸压组合钻具及其使用方法。

背景技术

松软煤层和突出煤层钻进存在钻进排渣难、钻进效率低、钻孔深度浅、成孔率低、成孔效果差等问题，直接影响钻孔封孔质量和瓦斯抽采效率。

目前煤矿打钻常用的钻杆有螺旋（低螺旋）钻杆、三棱钻杆、光面钻杆、异形截面钻杆、双通道护孔钻杆等，每种钻杆均有自身的适用条件和优缺点。

现井下打钻过程中，常使用单一种类型钻杆进行打钻，无法适用复杂多变的地质条件，更无法更好的发挥其自身的优势。

突出煤层钻进时，煤体瓦斯压力高，钻进过程中钻孔底部新揭露的煤体附近自由面突然增大，瓦斯涌出量大，在地应力、瓦斯压力及钻进扰动等共同作用下，钻孔底部区域煤体易失稳破坏，喷孔现象频发，运用单一类型钻具则无法在兼顾成本的前提下，实现煤层的护孔排渣以及孔口处的瓦斯收集。

中国发明专利（公告号：CN 101566049 B）公开了一种异型多棱刻槽钻杆，由中空的多棱柱体和连接件组成，多棱柱体截面外轮廓由直线段加圆弧段组成，同时在杆体表面布有不连续的螺旋槽。该发明加工简单、成本低、排渣面积大，但与钻孔壁接触面积小，对钻孔壁的护孔作用差。

中国发明专利（公告号：CN 108505955 B）公开了一种护孔卸压内排渣钻杆，包括空心的杆体、同轴设置在杆体内部的注流管、连接杆体与注流管的支撑件，杆体内壁与注流管外壁之间为排渣通道，注流管内部为进风、进水通道，以与钻杆体钻孔时的旋转方向相反的方向为反向，所述杆体外圆柱面上设有以圆柱螺旋状沿反向上升的螺旋凹槽，螺旋凹槽内设置有多个连通杆体内部空腔的卸压孔。该钻杆成本较高，且存在钻孔口处瓦斯及煤尘收集难等问题。

除此之外，上述钻杆多是单独使用，未在结合其各自优点的基础上实行钻具组合使用，无法更好的发挥每个钻杆的优势。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种突出煤层护孔卸压组合钻具及其使用方法，实现钻进作业过程中更好的护孔卸压，便于对钻孔口处瓦斯及煤尘的收集，结构组合方便，提高了钻进作业的灵活性。

为达到此目的，本发明采用如下技术方案：

一种突出煤层护孔卸压组合钻具，包括螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆，还包括专用钻头和过渡搭接装置，所述专用钻头与螺旋槽筛孔钻杆连接，所述过渡搭接装置一端与螺旋槽筛孔钻杆连接，另一端与异形刻槽钻杆连接，所述专用钻头、过渡搭接装置、螺旋槽筛孔钻杆以及异形刻槽钻杆同轴分布。

进一步地，所述的螺旋槽筛孔钻杆包括Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆和Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆一端部的外圆柱面上设有外螺纹，另一端部的内圆柱面上设有内螺纹，Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆的两端部内圆柱面上均设有内螺纹，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆和Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆通过内外螺纹连接。

所述的专用钻头包括承载套和若干个切削刃，承载套为圆柱体，且设有中心通孔，承载套的侧面沿其轴向均匀开设有若干个导流凹槽，相邻导流凹槽间形成导流凸体，所述导流凸体上设有与Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆的内螺纹配合的螺纹段，所述切削刃设置在各个导流凸体的一端部以及同侧的中心通孔处，切削刃上设有射流孔。

进一步地，所述专用钻头的外径比螺旋槽筛孔钻杆的外径大5mm-25mm。

所述的过渡搭接装置包括连接管段、承载管段和过渡导流道，所述连接管段和承载管段同轴设置且为一体式结构，所述过渡导流道嵌于连接管段和承载管段内，并与其同轴设置，所述连接管段侧面沿其轴向开设有若干个连接凹槽，相邻连接凹槽之间形成连接凸体，连接凸体上设有与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆内螺纹配合的螺纹段，所述承载管段侧面沿其轴向设有承载凹槽，承载凹槽轴向一端与连接凹槽连接，另一端位于承载管段的侧面上，连接凹槽和承载凹槽形成过渡排渣通道。

还包括套设在过渡搭接装置上的滑套，所述滑套与承载管段远离连接管段端部侧面设置的限位凸体形成限位配合，滑套在向前钻进时保持过渡排渣通道畅通，打钻结束向后退钻时保持过渡排渣通道闭合。

进一步地，所述过渡排渣通道以过渡搭接装置的轴向为中心对称布置。

进一步地，所述承载凹槽的轴向长度为承载管段长度的1/4-1/2。

所述的Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆设置为一个，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆设置为若干个，相邻的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆通过其内外螺纹连接，所述的异形刻槽钻杆设置为若干个，相邻的异形刻槽钻杆通过其内外螺纹连接。

一种突出煤层护孔卸压组合钻具的使用方法，采用上述组合钻具，包括以下步骤：

步骤1：使用异形刻槽钻杆配合大直径钻头在开孔位置进行钻进、扩孔；

步骤2：在扩孔后的孔口处安装孔口除尘装置；

步骤3：依据钻进作业需要，确定满足使用需要的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆的数量；

步骤4：将确定数量的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆通过内外螺纹配合进行连接，将确定数量的异形刻槽钻杆通过内外螺纹连接，并将过渡搭接装置和滑套装配；

步骤5：将Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆一端与专用钻头螺纹连接，另一端与配合后Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆的外螺纹连接，将过渡搭接装置与配合后Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆的内螺纹连接，使得专用钻头的中心通孔与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆内的注流管连通；

步骤6：将异形刻槽钻杆一端与过渡搭接装置螺纹连接，另一端与钻探设备连接，使异形刻槽钻杆内的导流腔与外部高压介质源连通，完成组合钻具的装配；

步骤7：驱动钻探设备和外部高压介质源；

步骤8：钻套设备驱动钻具旋转进行钻进作业，外部高压介质源依次经过异形刻槽钻杆内的导流腔、过渡导流道以及注流管，最终由钻头上的射流孔喷流到钻头的施工作业面上，实现对钻头作业的降温冷却，并驱动钻孔内的碎屑沿钻具轴线进行排屑泄压作业。

本发明达到的有益效果如下：

（1）本发明中，采用螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆，利用设置的专用钻头和过渡搭接装置形成组合钻具，在钻进作业过程中能够达到较好的护孔卸压效果，并便于对钻孔口处瓦斯及煤尘的收集，结构组合方便，提高了钻进作业的灵活性；

（2）过渡排渣通道设置在过渡搭接装置的侧面上，可保证对钻孔壁的护孔作用，并提高组合钻具使用时的排渣能力；

（3）过渡排渣通道以转换接头的轴向为中心对称布置，在增大排渣通道的基础上，提高对钻孔壁的护孔稳定性。

附图说明

图1为Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆结构示意图；

图2为Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆结构示意图；

图3为组合钻具结构示意图；

图4为专用钻头的结构示意图；

图5为图4的主视图；

图6为过渡搭接装置的结构示意图；

图7为图6的主视图；

图8为图7中沿A方向的剖视图；

图9为滑套的结构示意图；

图10图9的主视图；

图11为滑套在向前钻进时与过渡搭接装置的装配示意图；

图12为滑套在退钻时与过渡搭接装置的装配示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1至图12，一种突出煤层护孔卸压组合钻具，包括螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆，螺旋槽筛孔钻杆包括Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1和Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1一端部的外圆柱面上设有外螺纹，另一端部的内圆柱面上设有内螺纹，Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2的两端部内圆柱面上均设有内螺纹，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1的具体结构已在中国发明专利（公告号：CN 108505955 B）中予以公布，在此不再详细阐述，Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆相比Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆，不同之处就是将Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆一端部的外螺纹设置为内螺纹，其余结构均相同，在此，其具体结构也不再赘述。

所述的异形刻槽钻杆5包括棱状刻槽钻杆和异形截面钻杆，其中，棱状刻槽钻杆包括异形三棱刻槽钻杆、异形四棱刻槽钻杆、三棱刻槽钻杆以及四棱刻槽钻杆，棱状刻槽钻杆和异形截面钻杆在本领域内均为现有技术，在此，不再详细阐述。

还包括专用钻头3和过渡搭接装置4，所述专用钻头3与Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2的内螺纹螺纹连接，所述过渡搭接装置4一端与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1的内螺纹螺纹连接，另一端与异形刻槽钻杆5螺纹连接，所述专用钻头3、过渡搭接装置4、Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1、Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2以及异形刻槽钻杆5同轴分布。

进一步地，所述的专用钻头3包括承载套31和若干个切削刃32，承载套31为圆柱体，且设有中心通孔311，优选地，所述中心通孔311的内径与Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2内注流管采用插接方式配合使用，注流管接头***中心通孔311内，承载套31的侧面沿其轴向均匀开设有若干个导流凹槽312，相邻导流凹槽312间形成导流凸体313，所述导流凸体313上设有与Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2的内螺纹配合的螺纹段，所述切削刃32设置在各个导流凸体313的一端部以及同侧的中心通孔311处，切削刃32上设有射流孔321，本实施例中，导流凹槽312设置为四个。

优选地，所述专用钻头3的外径比螺旋槽筛孔钻杆的外径大5mm-25mm，便于钻孔壁与钻杆外径间的环形间隙形成让压间隙，承受钻孔围岩发生有限变形，发挥深部围岩承载能力；钻杆外表面控制钻孔壁过渡变形造成钻孔壁失稳坍塌破坏，达到护孔目的；让压间隙由专用钻头、钻杆直径控制，具体数值需根据煤层瓦斯压力、地应力、钻孔失稳破坏特性、钻机扭矩及钻杆与钻孔壁摩擦力矩等合理选取。

所述的过渡搭接装置4包括连接管段41、承载管段42和过渡导流道43，所述连接管段41和承载管段42同轴设置且为一体式结构，所述过渡导流道43嵌于连接管段41和承载管段42内，并与其同轴设置，所述连接管段41侧面沿其轴向开设有若干个连接凹槽411，相邻连接凹槽411之间形成连接凸体412，连接凸体412上设有与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1内螺纹配合的螺纹段，所述承载管段42侧面沿其轴向设有承载凹槽421，承载凹槽421轴向一端与连接凹槽411连接，另一端位于承载管段42的侧面上，连接凹槽411和承载凹槽421形成过渡排渣通道，本实施例中，过渡排渣通道设置为四个。

优选地，所述连接凹槽411的横断面呈圆弧形或“凵”字形槽状结构。

优选地，所述承载凹槽421底面所在直线与承载管段42的轴向呈15°-60°布置，便于承载凹槽421起到外排渣效果。

进一步地，为提高对钻孔壁的护孔稳定性，所述过渡排渣通道以过渡搭接装置4的轴向为中心对称布置。

还包括套设在过渡搭接装置4上的滑套6，所述滑套6与承载管段42远离连接管段41端部侧面设置的限位凸体422形成限位配合，滑套6在向前钻进时保持过渡排渣通道畅通，打钻结束向后退钻时保持过渡排渣通道闭合，防止向外退钻停压风时煤渣从排渣通道进入螺旋槽筛孔钻杆内通道，堵塞钻杆，在此过程中，滑套6移动的动力来源于钻孔壁给滑套的摩擦力。

优选地，为保证滑套6在过渡搭接装置上对过渡排渣通道的顺利开启和闭合，所述承载凹槽421的轴向长度为承载管段42长度的1/4-1/2。

进一步地，所述的Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2设置为一个，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1设置为若干个，相邻的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1通过其内外螺纹连接，所述的异形刻槽钻杆5设置为若干个，相邻的异形刻槽钻杆5通过其内外螺纹连接。

一种突出煤层护孔卸压组合钻具的使用方法，采用上述组合钻具，包括以下步骤：

步骤1：使用异形刻槽钻杆配合大直径钻头在开孔位置进行钻进、扩孔；

步骤2：在扩孔后的孔口处安装孔口除尘装置；

步骤3：依据钻进作业需要，确定满足使用需要的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1和异形刻槽钻杆5的数量，本实施例中，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1和异形刻槽钻杆5均设置为1个；

步骤4：将过渡搭接装置4和滑套6装配；

步骤5：将Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2一端与专用钻头螺纹连接，另一端与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1的外螺纹连接，将过渡搭接装置与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1的内螺纹连接，使得专用钻头3的中心通孔311与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1内的注流管连通；

步骤6：将异形刻槽钻杆5一端与过渡搭接装置4螺纹连接，另一端与钻探设备连接，使异形刻槽钻杆5内的导流腔与外部高压介质源连通，完成组合钻具的装配；

步骤7：驱动钻探设备和外部高压介质源；

步骤8：钻套设备驱动钻具旋转进行钻进作业，外部高压介质源依次经过异形刻槽钻杆内5的导流腔、过渡搭接装置4的过渡导流道43以及Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆1和Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆2的注流管，最终由专用钻头上的射流孔321喷流到钻头的施工作业面上，实现对钻头作业的降温冷却，并驱动钻孔内的碎屑沿钻具轴线进行排屑泄压作业。

为保证钻进作业时排渣的顺利进行，组合后钻杆的排屑总量大于或等于专用钻头3钻进产渣量的1.5倍，其中，产渣量指单位时间内钻头向前破煤岩的量，排渣量指单位时间内阻尼钻杆段通过流体及螺旋槽排出的煤岩碎屑的量。

排屑和瓦斯泄压作业时，螺旋槽筛孔钻杆及过渡搭接装置外侧面与钻孔孔壁接触面对钻孔壁支撑，然后钻孔内碎屑与钻头喷射的高压介质和钻孔内产生的瓦斯气混合，一部分混合物通过螺旋槽筛孔钻杆外表面的导流槽从钻孔中排出；另一方部分混合物通过螺旋槽筛孔钻杆的导流孔渗流到螺旋槽筛孔钻杆的杆体与注流管之间位置，并沿螺旋槽筛孔钻杆轴线从前向后流动，最终通过过渡导流道排出并沿异形刻槽钻杆的导流腔进行排屑泄压。

以上结合具体实施过程进一步描述解释了发明的技术方案，但其保护范围不受此限制。本领域的技术人员在未脱离本发明精神和范围内的一切等效修饰和改变，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种突出煤层护孔卸压组合钻具，包括螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆，其特征在于：还包括专用钻头和过渡搭接装置，所述专用钻头与螺旋槽筛孔钻杆连接，所述过渡搭接装置一端与螺旋槽筛孔钻杆连接，另一端与异形刻槽钻杆连接，所述专用钻头、过渡搭接装置、螺旋槽筛孔钻杆以及异形刻槽钻杆同轴分布；

所述的螺旋槽筛孔钻杆包括Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆和Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆一端部的外圆柱面上设有外螺纹，另一端部的内圆柱面上设有内螺纹，Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆的两端部内圆柱面上均设有内螺纹，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆和Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆通过内外螺纹连接；

所述的过渡搭接装置包括连接管段、承载管段和过渡导流道，所述连接管段和承载管段同轴设置且为一体式结构，所述过渡导流道嵌于连接管段和承载管段内，并与其同轴设置，所述连接管段侧面沿其轴向开设有若干个连接凹槽，相邻连接凹槽之间形成连接凸体，连接凸体上设有与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆内螺纹配合的螺纹段，所述承载管段侧面沿其轴向设有承载凹槽，承载凹槽轴向一端与连接凹槽连接，另一端位于承载管段的侧面上，连接凹槽和承载凹槽形成过渡排渣通道。

2.根据权利要求1所述的一种突出煤层护孔卸压组合钻具，其特征在于：所述的专用钻头包括承载套和若干个切削刃，承载套为圆柱体，且设有中心通孔，承载套的侧面沿其轴向均匀开设有若干个导流凹槽，相邻导流凹槽间形成导流凸体，所述导流凸体上设有与Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆的内螺纹配合的螺纹段，所述切削刃设置在各个导流凸体的一端部以及同侧的中心通孔处，切削刃上设有射流孔。

3.根据权利要求1所述的一种突出煤层护孔卸压组合钻具，其特征在于：所述专用钻头的外径比螺旋槽筛孔钻杆的外径大5mm-25mm。

4.根据权利要求1所述的一种突出煤层护孔卸压组合钻具，其特征在于：还包括套设在过渡搭接装置上的滑套，所述滑套与承载管段远离连接管段端部侧面设置的限位凸体形成限位配合，滑套在向前钻进时保持过渡排渣通道畅通，打钻结束向后退钻时保持过渡排渣通道闭合。

5.根据权利要求1所述的一种突出煤层护孔卸压组合钻具，其特征在于：所述过渡排渣通道以过渡搭接装置的轴向为中心对称布置。

6.根据权利要求1所述的一种突出煤层护孔卸压组合钻具，其特征在于：所述承载凹槽的轴向长度为承载管段长度的1/4-1/2。

7.根据权利要求4至6任一所述的一种突出煤层护孔卸压组合钻具，其特征在于：所述的Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆设置为一个，Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆设置为若干个，相邻的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆通过其内外螺纹连接，所述的异形刻槽钻杆设置为若干个，相邻的异形刻槽钻杆通过其内外螺纹连接。

8.一种突出煤层护孔卸压组合钻具的使用方法，采用权利要求7所述的组合钻具，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：使用异形刻槽钻杆配合大直径钻头在开孔位置进行钻进、扩孔；

步骤2：在扩孔后的孔口处安装孔口除尘装置；

步骤3：依据钻进作业需要，确定满足使用需要的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆和异形刻槽钻杆的数量；

步骤4：将确定数量的Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆通过内外螺纹配合进行连接，将确定数量的异形刻槽钻杆通过内外螺纹连接，并将过渡搭接装置和滑套装配；

步骤5：将Ⅱ型螺旋槽筛孔钻杆一端与专用钻头螺纹连接，另一端与配合后Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆的外螺纹连接，将过渡搭接装置与配合后Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆的内螺纹连接，使得专用钻头的中心通孔与Ⅰ型螺旋槽筛孔钻杆内的注流管连通；

步骤6：将异形刻槽钻杆一端与过渡搭接装置螺纹连接，另一端与钻探设备连接，使异形刻槽钻杆内的导流腔与外部高压介质源连通，完成组合钻具的装配；

步骤7：驱动钻探设备和外部高压介质源；

步骤8：钻套设备驱动钻具旋转进行钻进作业，外部高压介质源依次经过异形刻槽钻杆内的导流腔、过渡导流道以及注流管，最终由钻头上的射流孔喷流到钻头的施工作业面上，实现对钻头作业的降温冷却，并驱动钻孔内的碎屑沿钻具轴线进行排屑泄压作业。

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