CN112855061B - 一种地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***及方法，水力切割恢复***包括井孔修复部分和地面控制部分；井孔修复部分包括主撑杆和水力切割修复装置，水力切割修复装置包括上定位部、下回转部和水射流喷枪；地面控制部分包括水射流高压泵站、主撑杆回转装置和集中电控单元。本发明根据视频探测反馈的图像数据通过计算机建模确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角后，采用对瓦斯抽采钻井错断变形区域进行水力切割的修复方式，使瓦斯抽采钻井错断变形区域的错断井孔通过水力切割面形成的倾斜过渡通道实现错断变形段的连通，特别适用于对已发生严重错断变形的瓦斯抽采钻井的井孔进行修复。

Description

一种地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***及方法

技术领域

本发明涉及一种水力切割恢复***及方法，具体是一种适用于对地面瓦斯抽采剪切失效钻井的错断变形区域进行修复、以使地面瓦斯抽采剪切失效钻井恢复抽采能力的水力切割恢复***及方法，属于煤矿瓦斯灾害防治与高效开发技术领域。

背景技术

煤层瓦斯在煤炭开采过程中会释放到采掘空间中而导致瓦斯超限，从而给矿井生产带来危险隐患、严重制约煤矿的安全生产。瓦斯抽采是矿井瓦斯灾害防治的根本措施，目前煤层瓦斯的开采方法主要有两种：一是通过地面钻井进行负压抽采，二是通过井下钻孔进行负压抽采。其中利用地面瓦斯抽采钻井进行负压抽采的方式基本都是从地面开孔并竖直向下钻孔施工井身，至煤层上方10～30m的位置停钻，井身深度一般都超过300m，然后在钻井井身内设置套管以加固井身、并作为瓦斯从井下流通至地面的唯一流通通道，一般而言，为了降低施工难度，钻井施工均是在采煤工作面回采前完成，地面瓦斯抽采钻井进行负压抽采的方式具有抽采瓦斯流量大、浓度高，对井下采空区瓦斯涌出控制效果好，且不受井下生产开拓布局影响的优点，广泛应用于各大煤矿。

当井下采煤工作面推进经过瓦斯抽采钻井下方的煤层后，采场上覆岩层垮落、下沉，在竖向方向上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，利用采场上覆岩层运动形成的裂隙通道网络，地面瓦斯抽采钻井可以实现大流量、高浓度的卸压瓦斯抽采。然而，采场上覆岩层运动也会对钻井井身产生剪切、挤压、拉伸等作用力，极易造成井身套管发生剪切、挤压等变形。一旦井身套管发生变形，则抽采的瓦斯气流会在套管变形区域产生较大的局部阻力，从而加大抽采泵的抽采负压、降低抽采流量，进而导致瓦斯抽采能力大幅度降低。数据统计表明，剪切变形是井身套管变形发生概率最大的变形形式，也是导致抽采负压上升、影响瓦斯抽采效果的主要变形形式。若相邻岩层的相对移动量较大，则会导致井身套管剪切变形量增大，甚至会完全破断堵塞瓦斯流动通道、导致瓦斯抽采钻井完全失去抽采能力。

在钻井抽采卸压瓦斯的实际工程应用中，一旦出现因井身套管变形破断导致的流量大幅度下降甚至失去抽采能力后，往往是放弃该瓦斯抽采钻井、将该瓦斯抽采钻井作为废井处理，由于瓦斯抽采钻井施工通常是在采煤工作面回采前完成，因此不仅不能发挥钻井抽采以降低井下瓦斯涌出量的作用，而且造成巨大的经济损失。因此，修复已变形破断的瓦斯抽采钻井的井身错断变形区域，使已变形破断的瓦斯抽采钻井恢复抽采能力，具有显著的经济效益和社会意义。

现有技术中，针对竖直钻井的井身进行修复多见于石油和天然气的开采，由于石油和天然气的开采通常采取向油田注水或注气以补充和合理利用地层能量、提高采收率及开发速度，且石油和天然气开采过程中通常在将含油气岩层压裂处理后高压压入含有陶粒砂的压裂支撑剂进行填充支撑、以使含油气岩层裂隙不因应力释放而闭合，因此石油和天然气的开采不会造成油田上方的上覆岩层垮落下沉，常规的地壳运动通常只会造成生产井井身套管的轻微挤压缩径变形、而不会造成如煤矿瓦斯抽采钻井的大变形剪切破断。因此针对石油和天然气开采的生产井的井身修复多是采用液压控制的滚轮或膨胀机构等修复设备对缩径变形套管进行挤压、使其恢复圆度的方式来进行整形修复，然而针对已剪切破断、甚至完全错位破断的井孔，一方面修复设备不便于进入破断区域，另一方面，即使修复设备进入破断区域，但这种通过扩径整形的修复方式也无法完成错位破断井孔的修复。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***及方法，能够对已错断变形的瓦斯抽采钻井的井身错断变形区域进行修复，使已错断变形的瓦斯抽采钻井恢复抽采能力，特别适用于对已发生严重错断变形的瓦斯抽采钻井的井孔进行修复。

为实现上述目的，本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***包括井孔修复部分和地面控制部分；

所述的井孔修复部分包括主撑杆和同轴固定安装在主撑杆底端的水力切割修复装置；

水力切割修复装置包括上定位部、下回转部和水射流喷枪；上定位部的机体上沿其周向方向上设有多个中心对称设置的定位卡爪，定位卡爪通过卡爪同步径向伸缩机构安装在上定位部的机体上、且卡爪同步径向伸缩机构上设有卡爪同步径向伸缩驱动部件，通过控制卡爪同步径向伸缩驱动部件的动作可以实现多个定位卡爪同步沿上定位部的机体径向方向伸出或缩入；下回转部包括同轴固定安装在上定位部机体底端的喷枪回转控制部件，喷枪回转控制部件的回转输出轴上固定设有回转架，通过控制喷枪回转控制部件的动作可以实现回转架绕喷枪回转控制部件的中轴线周向回转；管状结构的水射流喷枪的枪体铰接安装在回转架上，水射流喷枪的枪体与回转架之间还设有喷枪摆动控制部件，喷枪摆动控制部件是伸缩缸结构，通过控制喷枪摆动控制部件的伸缩动作可以实现水射流喷枪绕其铰接中心沿上下方向摆动；

所述的地面控制部分包括水射流高压泵站、主撑杆回转装置和集中电控单元；主撑杆回转装置定位设置在瓦斯抽采钻井的井口位置，主撑杆穿入设置在瓦斯抽采钻井内、且主撑杆的顶部与主撑杆回转装置安装连接，主撑杆或主撑杆回转装置上还设有主撑杆升降控制机构；水射流高压泵站的输入端与储水罐连通连接，水射流高压泵站的输出端通过穿入在瓦斯抽采钻井内的高压输水管与水射流喷枪的输入端密闭安装连接；集中电控单元包括中央控制计算机、主撑杆回转控制回路、主撑杆升降控制回路、水力切割修复装置控制回路和高压水射流控制回路，中央控制计算机分别与主撑杆回转装置、主撑杆升降控制机构、卡爪同步径向伸缩驱动部件、喷枪回转控制部件和喷枪摆动控制部件电连接。

作为本发明的进一步改进方案，水力切割修复装置上还设有视频探头，集中电控单元还包括视频探测控制回路，中央控制计算机与视频探头电连接。

作为本发明上定位部的一种实施方式，上定位部是三爪卡盘结构，三爪卡盘结构的上定位部包括旋转盘，卡爪同步径向伸缩机构是设置在旋转盘的盘面上的盘面螺旋定位槽和设置在定位卡爪上的卡爪螺旋定位槽，三个相对于旋转盘中心对称设置的定位卡爪通过卡爪螺旋定位槽配合卡接安装在旋转盘的盘面上，卡爪同步径向伸缩驱动部件是可以驱动旋转盘旋转的旋转驱动部件。

作为本发明上定位部的另一种实施方式，定位卡爪是平行四边形结构，定位卡爪包括一件竖直设置的卡爪体和两件平行设置的铰接连杆，上下分置设置的两件铰接连杆的一端分别铰接安装在卡爪体上、另一端分别铰接安装在上定位部的机体上，卡爪体、铰接连杆和上定位部的机体共同围成平行四边形铰接结构，铰接连杆向上摆动时、卡爪体靠近上定位部的机体缩入，铰接连杆向下摆动时、卡爪体远离上定位部的机体伸出；卡爪同步径向伸缩机构是可以同步控制多个定位卡爪的铰接连杆摆动的连杆机构，卡爪同步径向伸缩驱动部件是可以驱动定位卡爪的铰接连杆摆动的伸缩缸，伸缩缸的缸体端固定安装在上定位部上、伸缩端通过连杆机构分别与多个定位卡爪的铰接连杆铰接连接。

作为本发明的进一步改进方案，主撑杆是空心直管结构；上定位部的机体轴心位置设有整体贯穿上定位部的通孔，喷枪回转控制部件是空心轴减速电机，上定位部和下回转部的轴心位置形成可允许高压输水管穿过的高压输水管通道；高压输水管穿入主撑杆和高压输水管通道后与水射流喷枪的输入端密闭安装连接。

作为本发明的进一步改进方案，主撑杆是空心直管结构；上定位部的机体轴心位置设有整体贯穿上定位部的通孔，喷枪回转控制部件是空心轴减速电机，上定位部和下回转部的轴心位置形成可允许高压输水管穿过的高压输水管通道；水射流高压泵站的输出端通过高压水管与主撑杆的内腔密封安装连接，主撑杆的底端与位于高压输水管通道内的高压输水管密封滚动安装连接，高压输水管的底端与水射流喷枪的输入端密闭安装连接。

一种地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复方法，具体包括以下步骤：

a.修复准备：首先确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角，在主撑杆的底端安装水力切割修复装置、并将高压输水管与水射流喷枪安装后，向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆、并根据需切除端面和孔壁的具体切割高度使水力切割修复装置位于错断变形区域内的设定位置，通过主撑杆回转装置将主撑杆的顶部定位安装后，连接各个水路管路和电路；

b.水力切割修复：中央控制计算机先根据需切除端面和孔壁的具体切割方位角控制主撑杆回转装置带动主撑杆回转、再控制喷枪摆动控制部件带动水射流喷枪摆动使水射流喷枪的喷射方向正对错断交错井孔位置后，中央控制计算机控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪同步沿上定位部的机体径向方向伸出并稳固支撑在井孔内壁上；然后中央控制计算机控制启动水射流高压泵站，控制高压水经高压输水管自水射流喷枪喷出对需切除的端面和孔壁进行水力切割，水力切割过程中通过控制喷枪回转控制部件回转实现水射流喷枪的弧形切割轨迹；

c.设备回收：需切除的端面和孔壁被切除后，瓦斯抽采钻井错断变形区域的错断井孔通过水力切割面形成的倾斜过渡通道实现错断变形段的连通，中央控制计算机先控制关闭水射流高压泵站、再控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪同步沿上定位部的机体径向方向缩入复位，最后通过主撑杆升降控制机构回收主撑杆上井。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b中对需切除的端面和孔壁进行水力切割时，先将错断交错井孔的对接位置水力切割击穿，然后再通过控制喷枪回转控制部件在0～180°中心角范围内正反往复回转、使水射流喷枪在周向方向对已击穿的通孔进行扩孔；在完成对已击穿的通孔在周向范围内的扩孔后，先控制喷枪摆动控制部件带动水射流喷枪向上或向下摆动至设定角度并定位后、再重复控制喷枪回转控制部件进行0～180°中心角范围内正反往复回转，使水射流喷枪在径向方向对已击穿的通孔进行扩孔，直至需切除的端面和孔壁被全部切除。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b中，在完成倾斜过渡通道的水力切割后，先控制关闭水射流高压泵站、再控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪同步缩入复位、并通过主撑杆升降控制机构将主撑杆向上提升设定距离，然后再次控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪同步伸出定位，然后对倾斜过渡通道上方的孔壁进行再次水力切割、将倾斜过渡通道修复成上开口与下开口大小相同的直通道结构。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a中确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角的方式，是在向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆的同时，视频探头将获得的图像反馈给集中电控单元的中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的图像数据进行现场获知错断变形区域的深度并进行计算机建模，构建瓦斯抽采钻井错断变形区域数学模型，确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角；步骤b中，操作人员在地面根据视频探头的反馈通过中央控制主撑杆回转装置的回转角度以及喷枪摆动控制部件的伸缩量、调整水射流喷枪的喷射方向和喷射角度。

与现有技术相比，本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***根据视频探测反馈的图像数据通过集中电控单元的中央控制计算机进行计算机建模、构建瓦斯抽采钻井错断变形区域数学模型，确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角后，向瓦斯抽采钻井内下入安装有水力切割修复装置的主撑杆，水力切割修复装置位于错断变形区域内的设定位置后，先控制主撑杆回转装置带动主撑杆回转、再控制喷枪摆动控制部件带动水射流喷枪摆动使水射流喷枪的喷射方向正对错断交错井孔位置，然后控制上定位部使水力切割修复装置稳固定位在井孔内壁上，启动水射流高压泵站即可实现对需切除的端面和孔壁进行水力切割，水力切割过程中可通过控制喷枪回转控制部件回转实现水射流喷枪的弧形切割轨迹，需切除的端面和孔壁被全部切除后，瓦斯抽采钻井错断变形区域的错断井孔即可通过水力切割面形成的倾斜过渡通道实现错断变形段的连通，能够实现使已变形破断的地面瓦斯抽采剪切失效钻井恢复抽采能力，特别适用于对已发生严重错断变形的地面瓦斯抽采钻井的井孔进行修复。

附图说明

图1是地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***的结构示意图；

图2是本发明水力切割修复装置水力切割状态的结构示意图；

图3是本发明提升水力切割修复装置后水力切割状态的结构示意图；

图4是水力切割的轨迹示意图，其中(a)是先将错断交错井孔的对接位置水力切割击穿图、(b)是水射流喷枪在周向方向对已击穿的通孔进行扩孔图、(c)是水射流喷枪在径向方向对已击穿的通孔进行扩孔图；

图5是水力切割修复装置采用平行四边形铰接结构的定位卡爪时上定位部的俯视图；

图6是图5的A-A剖视图。

图中：1、储水罐；2、水射流高压泵站；3、高压输水管；4、主撑杆回转装置；5、主撑杆；6、上定位部；61、定位卡爪；7、下回转部；71、喷枪回转控制部件；72、回转架；8、水射流喷枪；81、喷枪摆动控制部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***包括井孔修复部分和地面控制部分。

所述的井孔修复部分包括主撑杆5和同轴固定安装在主撑杆5底端的水力切割修复装置；

主撑杆5可以是实心直杆结构、也可以是空心直管结构；

水力切割修复装置包括上定位部6、下回转部7和水射流喷枪8；上定位部6的机体上沿其周向方向上设有多个中心对称设置的定位卡爪61，定位卡爪61通过卡爪同步径向伸缩机构安装在上定位部6的机体上、且卡爪同步径向伸缩机构上设有卡爪同步径向伸缩驱动部件，通过控制卡爪同步径向伸缩驱动部件的动作可以实现多个定位卡爪61同步沿上定位部6的机体径向方向伸出或缩入；如图2、图3所示，下回转部7包括同轴固定安装在上定位部6机体底端的喷枪回转控制部件71、且喷枪回转控制部件71回转中心角的范围是0～180°，喷枪回转控制部件71可以是液压马达结构、也可以是空心轴减速电机结构，喷枪回转控制部件71的回转输出轴上固定设有回转架72，通过控制喷枪回转控制部件71的动作可以实现回转架72绕喷枪回转控制部件71的中轴线周向回转；管状结构的水射流喷枪8的枪体铰接安装在回转架72上，水射流喷枪8的枪体与回转架72之间还设有喷枪摆动控制部件81，喷枪摆动控制部件81可以是液压缸或电动缸等伸缩缸，通过控制喷枪摆动控制部件81的伸缩动作可以实现水射流喷枪8绕其铰接中心沿上下方向摆动。

所述的地面控制部分包括水射流高压泵站2、主撑杆回转装置4和集中电控单元；主撑杆回转装置4定位设置在瓦斯抽采钻井的井口位置，主撑杆5穿入设置在瓦斯抽采钻井内、且主撑杆5的顶部与主撑杆回转装置4安装连接，主撑杆5或主撑杆回转装置4上还设有主撑杆升降控制机构，主撑杆升降控制机构可以是配合的螺旋升降结构、也可以是液压缸升降结构等其他升降结构；水射流高压泵站2的输入端与储水罐1连通连接，水射流高压泵站2的输出端通过穿入在瓦斯抽采钻井内的高压输水管3与水射流喷枪8的输入端密闭安装连接；集中电控单元包括中央控制计算机、主撑杆回转控制回路、主撑杆升降控制回路、水力切割修复装置控制回路和高压水射流控制回路，中央控制计算机分别与主撑杆回转装置4、主撑杆升降控制机构、卡爪同步径向伸缩驱动部件、喷枪回转控制部件71和喷枪摆动控制部件81电连接。

利用本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***对瓦斯抽采钻井的错断变形井孔进行修复时，可先根据瓦斯抽采钻井错断变形区域视频探测装置反馈的图像数据通过集中电控单元的中央控制计算机进行计算机建模，构建瓦斯抽采钻井错断变形区域数学模型，确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角；

然后根据错断变形区域的深度确定主撑杆5和高压输水管3的长度，在主撑杆5的底端安装水力切割修复装置、并将高压输水管3与水射流喷枪8安装后，向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆5、并根据需切除端面和孔壁的具体切割高度使水力切割修复装置位于错断变形区域内的设定位置，通过主撑杆回转装置4将主撑杆5的顶部定位安装后，连接各个水路管路和电路；

中央控制计算机先根据需切除端面和孔壁的具体切割方位角控制主撑杆回转装置4带动主撑杆5回转、再控制喷枪摆动控制部件81带动水射流喷枪8摆动使水射流喷枪8的喷射方向正对错断交错井孔位置后，中央控制计算机控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪61同步沿上定位部6的机体径向方向伸出并稳固支撑在井孔内壁上；然后中央控制计算机控制启动水射流高压泵站2，高压水即经高压输水管3自水射流喷枪8喷出对需切除的端面和孔壁进行水力切割，如图4所示，水力切割过程中可通过控制喷枪回转控制部件71回转实现水射流喷枪8的弧形切割轨迹，如图4(a)所示，可先将错断交错井孔的对接位置(即错断交错井孔的最薄孔壁位置)水力切割击穿，然后如图4(b)所示，再通过控制喷枪回转控制部件71在0～180°中心角范围内正反往复回转、使水射流喷枪8在周向方向对已击穿的通孔进行扩孔，在完成对已击穿的通孔在周向范围内的扩孔后，先控制喷枪摆动控制部件81带动水射流喷枪8向上或向下摆动至设定角度并定位后、再重复控制喷枪回转控制部件71进行0～180°中心角范围内正反往复回转，如图4(c)所示，可实现水射流喷枪8在径向方向对已击穿的通孔进行扩孔，直至需切除的端面和孔壁被全部切除，瓦斯抽采钻井错断变形区域的错断井孔即通过水力切割面形成的倾斜过渡通道实现错断变形段的连通；完成修复后，中央控制计算机先控制关闭水射流高压泵站2、再控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪61同步沿上定位部6的机体径向方向缩入复位，最后通过主撑杆升降控制机构回收主撑杆5上井即可。

如图2所示，由于水射流喷枪8上下摆动形成的喷射轨迹是锥形结构(图2中虚线所示)，因此水力切割面形成的倾斜过渡通道也是上开口小、下开口大的锥形结构，为了实现足够的流通量，可以在完成锥形结构的倾斜过渡通道的水力切割后，先控制关闭水射流高压泵站2、再控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪61同步缩入复位、并通过主撑杆升降控制机构将主撑杆5向上提升设定距离，然后如图3所示，再次控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪61同步伸出定位，即可对锥形结构的倾斜过渡通道上方的孔壁进行再次水力切割(图3中虚线所示)，可以将锥形结构的倾斜过渡通道修复成上开口与下开口大小相同的直通道结构。

为了便于实时准确探测及了解瓦斯抽采钻井的井身错断变形区域的具体破断情况及修复情况，作为本发明的进一步改进方案，水力切割修复装置上还设有视频探头，集中电控单元还包括视频探测控制回路，中央控制计算机与视频探头电连接，导线可沿主撑杆5上井。可在向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆5的同时，直接将视频探头获得的图像反馈给中央控制计算机，中央控制计算机即可直接根据反馈的图像数据进行现场获知错断变形区域的深度和计算机建模，另外，通过合理设置定位卡爪61的尺寸，在向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆5的过程中，可以根据视频探头的反馈控制定位卡爪61的伸缩实现对缩径变形的孔道进行局部挤压修复；水力切割修复过程中，操作人员可以在地面通过视频探头的反馈直接控制调整水射流喷枪8的喷射方向和喷射角度。

作为本发明上定位部6的一种实施方式，上定位部6可以是三爪卡盘结构，三爪卡盘结构的上定位部6包括旋转盘，卡爪同步径向伸缩机构是设置在旋转盘的盘面上的盘面螺旋定位槽和设置在定位卡爪61上的卡爪螺旋定位槽，三个相对于旋转盘中心对称设置的定位卡爪61通过卡爪螺旋定位槽配合卡接安装在旋转盘的盘面上，卡爪同步径向伸缩驱动部件是可以驱动旋转盘旋转的驱动部件，卡爪同步径向伸缩驱动部件可以是驱动电机、也可以是驱动液压马达等其他可以驱动旋转盘旋转的驱动部件，通过驱动旋转盘的正反旋转可以实现三个定位卡爪61同步沿上定位部6的机体径向方向伸出或缩入。

作为本发明上定位部6的另一种实施方式，如图5、图6所示，定位卡爪61可以是平行四边形铰接结构，定位卡爪61包括一件竖直设置的卡爪体和两件平行设置的铰接连杆，上下分置设置的两件铰接连杆的一端分别铰接安装在卡爪体上、另一端分别铰接安装在上定位部6的机体上，卡爪体、铰接连杆和上定位部6的机体共同围成平行四边形铰接结构，卡爪同步径向伸缩机构是可以同步控制多个定位卡爪61的铰接连杆摆动的连杆机构，卡爪同步径向伸缩驱动部件是可以驱动定位卡爪61的铰接连杆摆动的液压缸或电动缸等伸缩缸，伸缩缸的缸体端固定安装在上定位部6上、伸缩端通过连杆机构分别与多个定位卡爪61的铰接连杆铰接连接，通过控制伸缩缸的伸缩可以实现多个定位卡爪61铰接连杆的同步摆动。也可以采用每个定位卡爪61均单独设置伸缩缸的方式，伸缩缸可以直接两端铰接设置在平行四边形铰接结构的对角线位置，通过控制多个伸缩缸的同步伸缩实现多个定位卡爪61铰接连杆的同步摆动，如此设置可以实现将上定位部6的机体轴心位置设置整体贯穿上定位部6的通孔、便于穿接管路。

为了实现更稳固的定位效果，作为本发明的进一步改进方案，如图6所示，铰接连杆向上摆动时、卡爪体向上定位部6的机体贴近缩入，铰接连杆向下摆动时、卡爪体向上定位部6的机体外部伸出，即，上定位部6的机体与下铰接连杆之间的夹角是锐角结构。如此设置，在定位卡爪61伸出并支撑在井孔内壁上时，由于水力切割的后座力使水力切割修复装置整体有向上移动的趋势，因此水力切割过程中，上定位部6的机体可对铰接连杆产生向下摆动的力矩，此力矩可以作用于卡爪体向井孔内壁施加压力，水力切割的后座力越大、则卡爪体向井孔内壁施加的压力也越大，进而实现水力切割修复装置在水力切割过程中的稳固定位。

作为本发明水力切割修复装置控制方式的一种实施方式，采用全液压控制，即，卡爪同步径向伸缩驱动部件是驱动液压马达或驱动液压缸，喷枪回转控制部件71是回转控制液压马达，喷枪摆动控制部件81是摆动控制液压缸，卡爪同步径向伸缩驱动部件、喷枪回转控制部件71和喷枪摆动控制部件81通过液压管路和液压控制阀组与液压泵站连接，集中电控单元的中央控制计算机分别与液压控制阀组和液压泵站电连接。进一步的，液压控制阀组和液压泵站可集成安装在上定位部6顶部。

作为本发明水力切割修复装置控制方式的另一种实施方式，采用全电动控制，即，卡爪同步径向伸缩驱动部件是驱动电机或驱动电动缸，喷枪回转控制部件71是回转控制电机，喷枪摆动控制部件81是摆动控制电动缸。

为了减少机构设置、且避免因回转架72回转造成的高压输水管3的缠绕问题，作为本发明的进一步改进方案，主撑杆5是空心直管结构；上定位部6的机体轴心位置设有整体贯穿上定位部6的通孔(上定位部6可采用前述的三爪卡盘结构)，喷枪回转控制部件71是空心轴减速电机，即上定位部6和下回转部7的轴心位置形成可允许高压输水管3穿过的高压输水管通道；高压输水管3穿入主撑杆5和高压输水管通道后与水射流喷枪8的输入端密闭安装连接。进一步的，为避免高压输水管3的拧转问题，可以直接利用空心直管结构的主撑杆5输送高压水，即，水射流高压泵站2的输出端通过高压水管与主撑杆5的内腔密封安装连接，主撑杆5的底端与位于高压输水管通道内的高压输水管3通过端面密封结构密封滚动安装连接，高压输水管3的底端与水射流喷枪8的输入端密闭安装连接。

针对具有多个错断变形区域的地面瓦斯抽采钻井，在修复完成靠近地面的第一个错断变形区域后，为了便于水力切割修复装置能够顺利经倾斜过渡通道进入第二个错断变形区域，作为本发明的进一步改进方案，主撑杆5是包括上硬管部分和下软管部分的结构，主撑杆5的上硬管部分与主撑杆回转装置4安装连接，主撑杆升降控制机构设置在主撑杆5的上硬管部分或主撑杆回转装置4上，水力切割修复装置安装在主撑杆5的下软管部分底端，通过水力切割修复装置切割合适角度的倾斜过渡通道，可以实现主撑杆5的下软管部分连同水力切割修复装置能够经倾斜过渡通道进入第二个错断变形区域。

为了进一步实现增加喷射压力，作为本发明的进一步改进方案，水射流喷枪8是上大下小的锥形管结构。

本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***的主撑杆5、主撑杆回转装置4和主撑杆升降控制机构可以直接采用煤矿水力开采装置的高压输运管、高压输运管回转装置和高压输运管升降控制机构，即，本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***的水力切割修复装置可以直接安装在煤矿水力开采装置的高压输运管底端，不用再额外设计回转装置和升降控制机构、以降低修复成本；采用本地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***可以实现瓦斯抽采钻井错断变形区域的错断井孔通过水力切割面形成的倾斜过渡通道实现错断变形段的连通，能够实现使已变形破断的瓦斯抽采钻井恢复抽采能力，特别适用于对已发生严重错断变形的瓦斯抽采钻井的井孔进行修复。

Claims (10)

1.一种地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***，其特征在于，包括井孔修复部分和地面控制部分；

所述的井孔修复部分包括主撑杆(5)和同轴固定安装在主撑杆(5)底端的水力切割修复装置；

水力切割修复装置包括上定位部(6)、下回转部(7)和水射流喷枪(8)；上定位部(6)的机体上沿其周向方向上设有多个中心对称设置的定位卡爪(61)，定位卡爪(61)通过卡爪同步径向伸缩机构安装在上定位部(6)的机体上、且卡爪同步径向伸缩机构上设有卡爪同步径向伸缩驱动部件，通过控制卡爪同步径向伸缩驱动部件的动作可以实现多个定位卡爪(61)同步沿上定位部(6)的机体径向方向伸出或缩入；下回转部(7)包括同轴固定安装在上定位部(6)机体底端的喷枪回转控制部件(71)，喷枪回转控制部件(71)的回转输出轴上固定设有回转架(72)，通过控制喷枪回转控制部件(71)的动作可以实现回转架(72)绕喷枪回转控制部件(71)的中轴线周向回转；管状结构的水射流喷枪(8)的枪体铰接安装在回转架(72)上，水射流喷枪(8)的枪体与回转架(72)之间还设有喷枪摆动控制部件(81)，喷枪摆动控制部件(81)是伸缩缸结构，通过控制喷枪摆动控制部件(81)的伸缩动作可以实现水射流喷枪(8)绕其铰接中心沿上下方向摆动；

所述的地面控制部分包括水射流高压泵站(2)、主撑杆回转装置(4)和集中电控单元；主撑杆回转装置(4)定位设置在瓦斯抽采钻井的井口位置，主撑杆(5)穿入设置在瓦斯抽采钻井内、且主撑杆(5)的顶部与主撑杆回转装置(4)安装连接，主撑杆(5)或主撑杆回转装置(4)上还设有主撑杆升降控制机构；水射流高压泵站(2)的输入端与储水罐(1)连通连接，水射流高压泵站(2)的输出端通过穿入在瓦斯抽采钻井内的高压输水管(3)与水射流喷枪(8)的输入端密闭安装连接；集中电控单元包括中央控制计算机、主撑杆回转控制回路、主撑杆升降控制回路、水力切割修复装置控制回路和高压水射流控制回路，中央控制计算机分别与主撑杆回转装置(4)、主撑杆升降控制机构、卡爪同步径向伸缩驱动部件、喷枪回转控制部件(71)和喷枪摆动控制部件(81)电连接。

2.根据权利要求1所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***，其特征在于，水力切割修复装置上还设有视频探头，集中电控单元还包括视频探测控制回路，中央控制计算机与视频探头电连接。

3.根据权利要求1或2所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***，其特征在于，上定位部(6)是三爪卡盘结构，三爪卡盘结构的上定位部(6)包括旋转盘，卡爪同步径向伸缩机构是设置在旋转盘的盘面上的盘面螺旋定位槽和设置在定位卡爪(61)上的卡爪螺旋定位槽，三个相对于旋转盘中心对称设置的定位卡爪(61)通过卡爪螺旋定位槽配合卡接安装在旋转盘的盘面上，卡爪同步径向伸缩驱动部件是可以驱动旋转盘旋转的旋转驱动部件。

4.根据权利要求1或2所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***，其特征在于，定位卡爪(61)是平行四边形结构，定位卡爪(61)包括一件竖直设置的卡爪体和两件平行设置的铰接连杆，上下分置设置的两件铰接连杆的一端分别铰接安装在卡爪体上、另一端分别铰接安装在上定位部(6)的机体上，卡爪体、铰接连杆和上定位部(6)的机体共同围成平行四边形铰接结构，铰接连杆向上摆动时、卡爪体靠近上定位部(6)的机体缩入，铰接连杆向下摆动时、卡爪体远离上定位部(6)的机体伸出；卡爪同步径向伸缩机构是可以同步控制多个定位卡爪(61)的铰接连杆摆动的连杆机构，卡爪同步径向伸缩驱动部件是可以驱动定位卡爪(61)的铰接连杆摆动的伸缩缸，伸缩缸的缸体端固定安装在上定位部(6)上、伸缩端通过连杆机构分别与多个定位卡爪(61)的铰接连杆铰接连接。

5.根据权利要求1或2所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***，其特征在于，主撑杆(5)是空心直管结构；上定位部(6)的机体轴心位置设有整体贯穿上定位部(6)的通孔，喷枪回转控制部件(71)是空心轴减速电机，上定位部(6)和下回转部(7)的轴心位置形成可允许高压输水管(3)穿过的高压输水管通道；高压输水管(3)穿入主撑杆(5)和高压输水管通道后与水射流喷枪(8)的输入端密闭安装连接。

6.根据权利要求1或2所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***，其特征在于，主撑杆(5)是空心直管结构；上定位部(6)的机体轴心位置设有整体贯穿上定位部(6)的通孔，喷枪回转控制部件(71)是空心轴减速电机，上定位部(6)和下回转部(7)的轴心位置形成可允许高压输水管(3)穿过的高压输水管通道；水射流高压泵站(2)的输出端通过高压水管与主撑杆(5)的内腔密封安装连接，主撑杆(5)的底端与位于高压输水管通道内的高压输水管(3)密封滚动安装连接，高压输水管(3)的底端与水射流喷枪(8)的输入端密闭安装连接。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复***的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

a.修复准备：首先确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角，在主撑杆(5)的底端安装水力切割修复装置、并将高压输水管(3)与水射流喷枪(8)安装后，向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆(5)、并根据需切除端面和孔壁的具体切割高度使水力切割修复装置位于错断变形区域内的设定位置，通过主撑杆回转装置(4)将主撑杆(5)的顶部定位安装后，连接各个水路管路和电路；

b.水力切割修复：中央控制计算机先根据需切除端面和孔壁的具体切割方位角控制主撑杆回转装置(4)带动主撑杆(5)回转、再控制喷枪摆动控制部件(81)带动水射流喷枪(8)摆动使水射流喷枪(8)的喷射方向正对错断交错井孔位置后，中央控制计算机控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪(61)同步沿上定位部(6)的机体径向方向伸出并稳固支撑在井孔内壁上；然后中央控制计算机控制启动水射流高压泵站(2)，控制高压水经高压输水管(3)自水射流喷枪(8)喷出对需切除的端面和孔壁进行水力切割，水力切割过程中通过控制喷枪回转控制部件(71)回转实现水射流喷枪(8)的弧形切割轨迹；

c.设备回收：需切除的端面和孔壁被切除后，瓦斯抽采钻井错断变形区域的错断井孔通过水力切割面形成的倾斜过渡通道实现错断变形段的连通，中央控制计算机先控制关闭水射流高压泵站(2)、再控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪(61)同步沿上定位部(6)的机体径向方向缩入复位，最后通过主撑杆升降控制机构回收主撑杆(5)上井。

8.根据权利要求7所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复方法，其特征在于，步骤b中对需切除的端面和孔壁进行水力切割时，先将错断交错井孔的对接位置水力切割击穿，然后再通过控制喷枪回转控制部件(71)在0～180°中心角范围内正反往复回转、使水射流喷枪(8)在周向方向对已击穿的通孔进行扩孔；在完成对已击穿的通孔在周向范围内的扩孔后，先控制喷枪摆动控制部件(81)带动水射流喷枪(8)向上或向下摆动至设定角度并定位后、再重复控制喷枪回转控制部件(71)进行0～180°中心角范围内正反往复回转，使水射流喷枪(8)在径向方向对已击穿的通孔进行扩孔，直至需切除的端面和孔壁被全部切除。

9.根据权利要求7或8所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复方法，其特征在于，步骤b中，在完成倾斜过渡通道的水力切割后，先控制关闭水射流高压泵站(2)、再控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪(61)同步缩入复位、并通过主撑杆升降控制机构将主撑杆(5)向上提升设定距离，然后再次控制卡爪同步径向伸缩驱动部件动作使多个定位卡爪(61)同步伸出定位，然后对倾斜过渡通道上方的孔壁进行再次水力切割、将倾斜过渡通道修复成上开口与下开口大小相同的直通道结构。

10.根据权利要求7或8所述的地面瓦斯抽采剪切失效钻井水力切割恢复方法，其特征在于，水力切割修复装置上还设有视频探头，集中电控单元还包括视频探测控制回路，中央控制计算机与视频探头电连接；

步骤a中确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角的方式，是在向瓦斯抽采钻井中下入主撑杆(5)的同时，视频探头将获得的图像反馈给集中电控单元的中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的图像数据进行现场获知错断变形区域的深度并进行计算机建模，构建瓦斯抽采钻井错断变形区域数学模型，确定错断变形区域的深度以及需切除端面和孔壁的具体切割高度和切割方位角；

步骤b中，操作人员在地面根据视频探头的反馈通过中央控制主撑杆回转装置(4)的回转角度以及喷枪摆动控制部件(81)的伸缩量、调整水射流喷枪(8)的喷射方向和喷射角度。

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