CN114961548A - 煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法。包括：双壁钻杆，包括内钻杆和外钻杆；偏置溢流装置，近钻头测量探管，指向式传动短节，定向钻头。该钻具定向钻进时，利用偏置溢流装置和指向式传动短节形成定向纠斜方向，产生造斜力；利用双壁钻杆的内钻杆、外钻杆相对旋转，精准控制定向纠斜方向，利用近钻头测量探管实时测量孔底参数，为钻孔轨迹调控提供依据；利用孔口钻机作为动力源，通过外钻杆将扭矩传递至指向式传动短节，驱动定向钻头回转碎岩。本发明可在钻具旋转的同时进行钻孔轨迹控制，适用于液动定向钻进工艺和气动定向钻进工艺，实现了中硬煤层、碎软煤层、岩层等不同目标地层中精准、安全、高效定向钻进施工。

Description

煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法

技术领域

本发明涉及一种导向钻具及钻进方法，属于煤矿井下坑道钻探领域，具体是涉及一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法。

背景技术

我国煤矿地质条件复杂，伴生灾害多，瓦斯***、煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压等各类灾害频发。煤矿井下定向钻孔是进行瓦斯抽采治理、水害防治、地质构造探查的重要技术手段。目前，已开发出分别适用于中硬煤层、碎软煤层、顶底板岩层的专用定向钻进技术装备，在煤矿灾害防治中发挥了重要作用，为煤矿安全高效开采提供了保障。

定向钻具是进行定向钻孔施工的核心和关键，现有技术装备主要采用螺杆钻具进行施工，研制了适用于中硬煤层、岩层钻进施工的液驱螺杆钻具和适用于碎软煤层钻进施工的气驱螺杆钻具，开发了滑动定向钻进技术、复合定向钻进技术，以清水、泥浆、空气为钻孔冲洗介质，实现了钻进过程精准控制，并多次创造了煤矿井下钻孔深度纪录。但是现有技术装备仍然存在地层适应性差、钻进效率低、工艺适用性单一、滑动定向纠斜模式制约了长距离安全施工、随钻测量滞后等不足，具体体现如下：

(1)地层适应性差。液驱螺杆钻具需配套液动定向钻进工艺施工，只适用于中硬煤岩层，碎软煤层钻进时，高压液体易引发钻孔孔壁失稳破坏，成孔困难；而气驱螺杆钻具需配套气动定向钻进工艺施工，其减少了对地层的扰动破坏，适用于碎软煤层钻进，但其输出扭矩小，在岩层中的钻进效率低，当钻孔穿出目标碎软煤层进入岩层后，钻进困难，很难将钻孔轨迹调整回碎软煤层。

(2)钻进效率低。定向钻进时主要依靠孔底液驱螺杆钻具和气驱定向钻具输出的动力进行孔底局部转动碎岩，液驱螺杆钻具和气驱定向钻具主要利用钻孔冲洗介质的动能转化为碎岩机械能，其额定输出扭矩均远小于孔口钻机的额定输出扭矩，钻进动力小，钻进效率低，尤其是岩层钻进速度极慢。

(3)工艺适用性单一。液驱螺杆钻具和气驱螺杆钻具均需要利用冲洗介质进行驱动工作，受液体、气体两种介质的物理特性不同影响，液驱螺杆钻具和气驱螺杆钻具的结构存在较大差异，两者不能互换使用，当根据孔内地层情况选择不同钻进工艺时，需要更换定向钻具，才可正常进行施工。

(4)滑动定向纠斜模式制约了长距离安全施工。钻孔轨迹纠斜时，需要保持螺杆钻具造斜方向保持不变，此时钻杆不能回转。受该因素影响，定向纠斜时无法旋转钻杆，钻孔的排渣效率下降，易因钻渣积聚导致卡埋钻事故；同时定向纠斜时，钻杆滑动给进，作用在钻杆上的摩阻力远大于回转动摩擦阻力，拖压现象严重，孔底钻进动力不足，制约了钻进成孔深度。

(5)随钻测量滞后。钻孔轨迹测量是钻孔轨迹控制的基础，受螺杆钻具结构特性影响，其长度一般为3～5m，钻孔轨迹随钻测量探管安装在螺杆钻具与定向钻杆之间，与钻头的间距一般为6～8m，测量数据滞后于孔底实际情况，需要对钻头处轨迹参数进行估算，影响了钻孔轨迹测控精度。

因此，本发明结合煤矿井下精准、高效灾害防治需要，针对目前煤矿井下定向钻进技术装备存在的不足，研究设计了煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法，克服了上述缺陷。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的是针对目前煤矿井下定向钻进技术装备存在的地层适应性差、钻进效率低、工艺适用性单一、滑动定向纠斜模式制约了长距离安全施工、随钻测量滞后等不足，提供了一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具及钻进方法。为解决上述问题，本发明的方案是：

一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，包括：

双壁钻杆，包括内钻杆和外钻杆；

偏置溢流装置，包括偏置溢流装置外管以及位于所述偏置溢流装置外管内部的且可相对于所述偏置溢流装置外管周向转动的偏置溢流芯管；所述偏置溢流装置外管和所述偏置溢流芯管分别连接所述外钻杆和内钻杆；所述偏置溢流芯管远离所述内钻杆的一端设置有与偏置溢流芯管轴线平行但不重合的偏置圆孔；

近钻头测量探管安装在偏置溢流装置内，可测量钻孔轨迹参数、地层参数、指向式传动短节造斜方向等参数，可选用有线、泥浆脉冲或电磁波等传输方式将测量数据发送至孔口，根据测量参数和传输方式的不同，近钻头测量探管长度可改变。所述的钻孔轨迹参数包括倾角、方位角，所述的地层参数包括但不限于方位电阻率、方位伽马；

指向式传动短节，包括传动短节外管以及位于所述传动短节外管内的传动轴；所述传动轴的一端设置有偏置球头，所述偏置球头与所述偏置圆孔相连；所述传动轴的另一端与钻头相连；所述传动短节外管与所述偏置溢流装置外管相连，所述传动短节外管与所述传动轴之间通过传动球传动；所述传动轴设置有与所述溢流芯管相连通的过流孔；

定向钻头与指向式传动短节的传动轴后端母螺纹连接，在指向式传动短节旋转带动下进行定向碎岩。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述外钻杆的两端设置连接螺纹，螺纹根部设置有外钻杆台阶面，所述外钻杆台阶面处设置有推力轴承；所述内钻杆通过所述推力轴承定位于所述外钻杆内部。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的双壁钻杆之间连接时，外钻杆之间通过螺纹连接，既可传递旋转动力，又可传递给进动力；内钻杆之间通过六方母接头、六方公接头相互插接连接，仅传递旋转动力。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的双壁钻杆的外钻杆的外表面形状可根据钻进目标地层选择，当钻进目标地层为中硬煤层、岩层时，外表面为外平圆形结构；当钻进地层为碎软煤层时，外表面为螺旋、三棱或三棱螺旋等异形结构。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述偏置溢流装置外管包括依次连接的偏置溢流上接头、偏置溢流下接头；所述偏置溢流上接头连接外钻杆；所述偏置溢流下接头连接传动短节外管。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述偏置溢流下接头内表面设置有三个台阶面，第一台阶面与偏置溢流芯管之间设置有推力轴承组，第二台阶面与所述第一台阶段面相邻设置且内径小于第一台阶面；第三台阶面与第二台阶面相邻设置且直径大于第二台阶面；所述溢流芯管位于第一台阶面内的部分直径小于位于第三台阶面部分的直径。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的偏置溢流芯管前端设置有六方母接头，六方母接头内部靠近接头端面方向设置有与双壁钻杆锁紧母A第二台阶面长度和直径相等的内圆面，靠近六方母接头外部根部处设置有与锁紧母B配合连接的公螺纹；偏置溢流芯管内部靠近六方母接头端设置有用于安装近钻头测量探管的仪器仓，仪器仓的长度可根据近钻头测量探管长度调整；偏置溢流芯管后端内部设置有与偏置溢流芯管轴线平行但不重合的偏置圆孔，偏置圆孔与仪器仓通过一个斜孔相连通，偏置圆孔内安装有径向轴承，与偏置圆孔相对位置处设置有折线孔，折线孔前端与偏置溢流下接头第一台阶面导通，折线孔后端设置有母螺纹，并连接有溢流阀，偏置溢流芯管后端外部设置有与密封体配合连接的公螺纹；所述的溢流阀在低压力作用时关闭截流，在高压力作用下打开泄流。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述传动短节外管内部设置有传动球安装台阶面，所述传动球安装台阶面沿周向布置有若干个与所述传动球安装台阶面轴线平行的半圆柱型凹槽；所述传动轴上设置有传动球体，所述传动球体外缘沿周向均匀布置有与所述半圆柱型凹槽相配合的半球形内凹面，所述半球形内凹面与所述半圆柱型凹槽之间设置有传动球。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述传动球安装台阶面两侧设置有锁紧螺母，所述传动球通过所述锁紧螺母进行限位。

优选的，上述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，所述的偏置溢流装置与指向式传动短节连接时，指向式传动短节的传动轴的偏置球头***偏置溢流装置的径向轴承中，传动轴的中心轴线与导向钻具中心轴线存在夹角，传动轴所指方向即为指向式传动短节造斜方向，可由近钻头测量探管测量得到；旋转偏置溢流芯管，径向轴承跟随旋转，并带到传动轴绕传动短节下接头偏转，指向式传动短节造斜方向对应调整。

一种利用上述煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具进行钻进的方法，步骤一：定向钻进工艺选择。当钻进目标地层为碎软煤层时，采用气动定向钻进工艺施工，以压缩气体作为钻孔冲洗介质；当钻进目标地层为中硬煤层和岩层时，采用液动定向钻进工艺，以清水、泥浆作为钻孔冲洗介质。

步骤二：钻具选择与连接。根据选用的定向钻进工艺，选择双壁钻杆和近钻头测量探管。完成孔口套管段施工后，依次安装定向钻头、指向式传动短节、偏置溢流装置、近钻头测量探管和双壁钻杆，利用钻机将旋转指向式气液两用导向钻具下入至距离孔底0.5m处。

步骤三：参数测量与定向钻进模式选取。利用近钻头测量探管测量钻孔轨迹参数、地层参数和指向式传动短节造斜方向，根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差和地层情况选择定向钻进模式。

步骤四：定向钻进。根据选择的定向钻进工艺和定向钻进模式进行钻孔施工，控制实钻轨迹沿设计轨迹延伸。

步骤五：钻孔完孔。重复步骤三和步骤四进行钻孔施工，直至钻孔达到设计深度后，退出孔内旋转指向式气液两用导向钻具，完成钻孔施工。

优选的，上述的钻进方法，所述的步骤二中近钻头测量探管选用方法为：采用液动定向钻进工艺时，可以选用有线式或泥浆脉冲式近钻头测量探管；采用气动定向钻进工艺时，可以选用有线式或电磁波传输式近钻头测量探管。

优选的，上述的钻进方法，所述的步骤三中定向钻进模式包括纠斜钻进模式、稳斜钻进模式两种。

优选的，上述的钻进方法，所述的步骤三中定向钻进模式选取的具体依据为：当钻进地层为目标地层，且钻孔实钻轨迹与设计轨迹偏差小于最大允许偏差时，采用稳斜钻进模式；否则采用纠斜钻进模式。

优选的，上述的钻进方法，包括气动定向钻进步骤，具体为向双壁钻杆的内钻杆注入压缩气体，向双壁钻杆内钻杆与外钻杆之间的环状间隙中注入低压液体，所述压缩气体依次沿内钻杆中心孔、传动轴过流孔和定向钻头流出携带钻进产生的钻渣从双壁钻杆的外钻杆与钻孔孔壁之间的间隙流出。

优选的，上述的钻进方法，还包括液动定向钻进步骤，具体为：向双壁钻杆内钻杆、内钻杆与外钻杆之间的环状间隙均注入高压水；高压水沿传动轴的过流孔和定向钻头流出携带钻进产生的钻渣从双壁钻杆外钻杆与钻孔孔壁之间的间隙流出。

优选的，上述的钻进方法，所述的步骤四定向钻进时，纠斜钻进模式包括以下分步骤：

分步骤一：调整定向纠斜方向。利用钻机旋转双壁钻杆的内钻杆，带动偏置溢流芯管转动，进而带到指向式传动短节的传动轴围绕传动短节下接头偏转，直至传动轴的指向与定向纠斜方向一致；锁定内钻杆，保持偏置溢流芯管不动。

分步骤二：定向纠斜施工。利用钻机回转和推动双壁钻杆的外钻杆，带动指向式传动短节及其传动轴转动，进而带动定向钻头旋转破碎地层；传动轴在偏置溢流装置的径向轴承作用下，在相对偏置溢流装置旋转的同时，保持定向纠斜方向不变，使定向钻头向设定方向进行纠偏。

优选的，上述的钻进方法，所述的步骤四定向钻进时，稳斜钻进模式的具体操作为：利用钻机同步旋转双壁钻杆的内钻杆和外钻杆，带动偏置溢流装置的偏置溢流芯管与指向式传动短节的传动轴同步旋转，使传动轴的朝向动态变化，不向固定方向纠斜，从而使定向钻头沿当前钻孔倾角和方位角钻进。

因此，本发明研制了煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，开发了基于该钻具的旋转导向钻进方法，利用孔口钻机动力进行施工，可在钻具旋转的同时进行钻孔轨迹控制，适用于液动定向钻进工艺和气动定向钻进工艺，实现了中硬煤层、碎软煤层、岩层等不同目标地层中精准、安全、高效定向钻进施工。具有以下优点：

(1)地层适应性强。该钻具利用偏置溢流装置和指向式传动短节形成定向纠斜方向、产生造斜力，利用双壁钻杆的内钻杆、外钻杆相对旋转功能精准控制定向纠斜方向，与各类钻孔冲洗介质均可配合使用，可根据目标地层情况，选择气动定向钻进工艺和液动定向钻进工艺，满足中硬煤层、碎软煤层、岩层等各类地层中钻进需要。

(2)钻进效率高。该钻具定向钻进时，钻进动力直接来源于孔口定向钻机，由定向钻机通过双壁钻杆外钻杆、偏置溢流上接头、偏置溢流下接头、传动短节上接头、传动短节下接头、传动轴，依次传递至定向钻头进行回转碎岩，较常规液动螺杆钻具和气动螺杆钻具的输出扭矩提高10倍以上，可显著提高钻进速度。

(3)工艺适用性广。该钻具工作性能发挥与冲洗介质无关，既可用于液动定向钻进工艺，又可用于气动定向钻进工艺，不需要重新更换钻具。

(4)回转纠斜模式提升了钻孔成孔能力和安全性。与以往滑动纠斜、回转稳斜不同，本发明进行钻孔轨迹纠斜和稳斜时，双壁钻杆的外钻杆均处于回转状态，利用外钻杆回转搅动和大流量冲洗液紊流携带，提升了钻孔排渣效率，保障了钻进施工安全；同时，作用在双壁钻杆上的摩阻力远小于滑动钻进摩擦阻力，提升了钻压传递效率，保障了孔底钻进动力，利用深孔钻进。

(5)近钻头随钻测量提高测量精度。该钻具结构简单，大幅度缩短了随钻测量探管与孔底钻头的距离，提高了钻孔轨迹的测量精度，为钻孔轨迹精准控制提供了依据。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是旋转指向式气液两用导向钻具示意图。

图2是双壁钻杆示意图。

图3是偏置溢流装置示意图。

图4是指向式传动短节示意图。

图5旋转指向式气液两用近钻头测量导向钻进示意图。

附图标号及含义如下：

双壁钻杆1、偏置溢流装置2、近钻头测量探管3、指向式传动短节4、定向钻头5、外钻杆11、内钻杆12、推力轴承A13、推力轴承B14、锁紧母A15、密封圈16、偏置溢流上接头21、锁紧母B22、推力轴承组23、偏置溢流芯管24、偏置溢流下接头25、密封体26、径向轴承27、溢流阀28、传动短节上接头41、锁紧母C42、钢球43、锁紧母D44、传动短节下接头45、传动轴46、定向钻头5、钻孔6、地层7。将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

下面通过实施例，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。实施例如下：

参见图1，一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，由双壁钻杆1、偏置溢流装置2、近钻头测量探管3、指向式传动短节4和定向钻头5依次连接组成。所述的近钻头测量探管3安装在偏置溢流装置2内，可测量钻孔6轨迹参数、地层7参数、指向式传动短节4造斜方向等参数，可选用有线、泥浆脉冲或电磁波等传输方式将测量数据发送至孔口，根据测量参数和传输方式的不同，近钻头测量探管3长度可改变。所述的钻孔6轨迹参数包括倾角、方位角，所述的地层7参数包括但不限于方位电阻率、方位伽马。所述的近钻头测量探管3的信号传输模式包括有线式、泥浆脉冲式和电磁波传输式，可根据定向钻进工艺选用。所述的定向钻头5与指向式传动短节4的传动轴46后端母螺纹连接，在指向式传动短节4旋转带动下进行定向碎岩。

参见图2，所述的双壁钻杆1包括外钻杆11、内钻杆12、推力轴承A13、推力轴承B14、锁紧母A15，所述的外钻杆11采用螺纹方式连接，其前端设置有母螺纹，后端设置有公螺纹，内壁靠近母螺纹、公螺纹根部处设置有台阶；所述的推力轴承A13安装在外钻杆11内壁母螺纹根部台阶处；所述的推力轴承B14安装在外钻杆11内壁公螺纹根部台阶处；所述的内钻杆12采用六方插接方式进行连接，其前端设置有六方母接头，六方母接头靠近接头端面方向设置有内圆面，六方母接头外径大于内钻杆12杆体外径形成台阶，后端设置有六方公接头，六方公接头根部设置有公螺纹；所述的锁紧母A15内表面设置有与内钻杆12公接头根部公螺纹相配合的母螺纹，外表面设置有两个台阶面，第二台阶面的长度、外径与内钻杆12六方母接头的内圆面长度、内径一致，第二台阶面上设置有两道凹槽，凹槽内安装有密封圈16；所述的内钻杆12由推力轴承A13、推力轴承B14径向定位于外钻杆11内，并由锁紧母A15轴向锁定，可相对于外钻杆11周向转动，不可轴向移动。所述的双壁钻杆1之间连接时，外钻杆11之间通过螺纹连接，既可传递旋转动力，又可传递给进动力；内钻杆12之间通过六方母接头、六方公接头相互插接连接，仅传递旋转动力，锁紧母第二台阶面与六方母接头内圆面紧密接触，并由锁紧母第二台阶面上设置的密封圈16密封，将内钻杆12、外钻杆11之间的环状间隙与内钻杆12中心孔隔离。所述的双壁钻杆1的外钻杆11的外表面形状可根据钻进目标地层选择，当钻进目标地层为中硬煤层、岩层时，外表面为外平圆形结构；当钻进地层为碎软煤层时，外表面为螺旋、三棱或三棱螺旋等异形结构。

参见图3，所述的偏置溢流装置2包括依次连接的偏置溢流上接头21、偏置溢流下接头25，所述的偏置溢流上接头21两端均为母螺纹，其前端与外钻杆11公螺纹连接，后端与偏置溢流下接头25连接；所述的偏置溢流下接头25前端设置有公螺纹，与偏置溢流上接头21连接，后端母螺纹与指向式传动短节4连接；偏置溢流下接头25内表面设置有三个台阶面，第一台阶面为圆形，内部设置有推力轴承组23，第一台阶面长度与推力轴承组23长度相同；第二台阶面为圆形，内径小于第一台阶面；第三台阶面为圆形；所述的推力轴承组23由偏置溢流上接头21和偏置溢流下接头25第二台阶面进行限位；所述的偏置溢流装置2内部还设置有偏置溢流芯管24，偏置溢流芯管24为台阶形结构，前端外径小于后端外径，后端由偏置溢流下接头25第二台阶面限位，前端由与偏置溢流芯管24连接的锁紧母B22进行限位，偏置溢流芯管24可相对于偏置溢流上接头21和偏置溢流下接头25周向转动，不可轴向移动。所述的偏置溢流芯管24前端设置有六方母接头，六方母接头内部靠近接头端面方向设置有与双壁钻杆1锁紧母A15第二台阶面长度和直径相等的内圆面，靠近六方母接头外部根部处设置有与锁紧母B22配合连接的公螺纹；偏置溢流芯管24内部靠近六方母接头端设置有用于安装近钻头测量探管3的仪器仓，仪器仓的长度可根据近钻头测量探管3长度调整；偏置溢流芯管24后端内部设置有与偏置溢流芯管24轴线平行但不重合的偏置圆孔，偏置圆孔与仪器仓通过一个斜孔相连通，偏置圆孔内安装有径向轴承27，与偏置圆孔相对位置处设置有折线孔，折线孔前端与偏置溢流下接头25第一台阶面导通，折线孔后端设置有母螺纹，并连接有溢流阀28，偏置溢流芯管24后端外部设置有与密封体26配合连接的公螺纹；所述的溢流阀28在低压力作用时关闭截流，在高压力作用下打开泄流。

参见图4，所述的指向式传动短节4包括依次连接的传动短节上接头41和传动短节下接头45，所述的传动短节上接头41两端均设置有公螺纹，前端与偏置溢流装置2连接，后端与传动短节下接头45连接；所述的传动短节下接头45前端设置有母螺纹，与传动短节上接头41连接；传动短节下接头45内表面设置有四个台阶面，第一台阶面位于母螺纹根部，其上设置有母螺纹，第二台阶面沿周向均匀布置有8个与第二台阶面轴线平行的半圆柱形凹槽，第二台阶面长度与半圆柱形凹槽的直径相同；第三台阶面上设置有母螺纹；第四台阶面内径大于第三台阶面内径。所述的指向式传动短节4还包括设置在其内部的传动轴46，所述的传动轴46前端设置有偏置球头，偏置球头外径与偏置溢流装置2的径向轴承27内径相同，中间设置有传动球体，传动球体外缘沿周向均匀布置有8个半球形内凹面，后端设置有母螺纹；指向式传动短节4半球形内凹面与传动短节下接头45半圆柱形凹槽的半径相同。所述的传动轴46由与传动短节下接头45第一台阶面母螺纹连接的锁紧母C42、与传动短节下接头45第三台阶面母螺纹连接的锁紧母D44进行轴向限位；由安装在指向式传动短节4的半球形内凹面与传动短节下接头45的半圆柱形凹槽内的钢球43进行周向限位。所述的指向式传动短节4中，锁紧母C42外表面设置有与传动短节下接头45第一台阶面母螺纹配合的公螺纹，内表面设置有两个台阶面，第一台阶面为圆柱形，直径大于传动轴46轴体外径，第二台阶面为与传动轴46传动球体配合的球形；锁紧母D44外表面设置有与传动短节下接头45第三台阶面母螺纹连接的公螺纹，内表面设置有两个台阶面，第一台阶面为圆柱形，直径大于传动轴46轴体外径，第二台阶面为与传动轴46传动球体配合的球形；传动轴46沿中心轴线设置有过流孔，在偏置球头与传动球体之间的轴体上设置有与过流孔连通的径向导流孔。

参见图1、图2、图3和图4，所述的偏置溢流装置2与指向式传动短节4连接时，指向式传动短节4的传动轴46的偏置球头***偏置溢流装置2的径向轴承27中，传动轴46的中心轴线与导向钻具中心轴线存在夹角，传动轴46所指方向即为指向式传动短节4造斜方向，可由近钻头测量探管3测量得到；旋转偏置溢流装置2，径向轴承27跟随旋转，并带到传动轴46绕传动短节下接头45偏转，指向式传动短节4造斜方向对应调整。

参见图5，一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具钻进方法，包括以下步骤：

步骤一：定向钻进工艺选择。当钻进目标地层为碎软煤层时，采用气动定向钻进工艺施工，以压缩气体作为钻孔冲洗介质；当钻进目标地层为中硬煤层和岩层时，采用液动定向钻进工艺，以清水、泥浆作为钻孔冲洗介质。

步骤二：钻具选择与连接。根据选用的定向钻进工艺，选择双壁钻杆1和近钻头测量探管3，其中近钻头测量探管3选用方法为：采用液动定向钻进工艺时，可以选用有线式或泥浆脉冲式近钻头测量探管3；采用气动定向钻进工艺时，可以选用有线式或电磁波传输式近钻头测量探管3。完成孔口套管段施工后，依次安装定向钻头5、指向式传动短节4、偏置溢流装置2、近钻头测量探管3和双壁钻杆1，利用钻机将旋转指向式气液两用导向钻具下入至距离孔底0.5m处。

步骤三：参数测量与定向钻进模式选取。利用近钻头测量探管3测量钻孔6轨迹参数、地层7参数和指向式传动短节4造斜方向，根据钻孔6实钻轨迹与设计轨迹的偏差和地层7情况选择定向钻进模式，包括纠斜钻进模式、稳斜钻进模式两种。当钻进地层7为目标地层，且钻孔6实钻轨迹与设计轨迹偏差小于最大允许偏差时，采用稳斜钻进模式；否则采用纠斜钻进模式。

步骤四：定向钻进。根据选择的定向钻进工艺和定向钻进模式进行钻孔6施工，控制实钻轨迹沿设计轨迹延伸。当采用气动定向钻进工艺时，向双壁钻杆1的内钻杆12注入压缩气体，向双壁钻杆1内钻杆12与外钻杆11之间的环状间隙中注入低压液体，溢流阀28保持关闭，低压液体充满内钻杆12与外钻杆11之间的环状间隙，对双壁钻杆1推力轴承A13、推力轴承B14进行降温润滑；压缩气体依次沿内钻杆12中心孔、传动轴46过流孔和定向钻头5流出，冷却定向钻头5后，携带钻进产生的钻渣，从双壁钻杆1外钻杆11与钻孔6孔壁之间的间隙流出。当采用液动定向钻进工艺时，向双壁钻杆1内钻杆12、内钻杆12与外钻杆11之间的环状间隙均注入高压水，溢流阀28被打开，高压水沿传动轴46过流孔和定向钻头5流出，冷却定向钻头5后，携带钻进产生的钻渣，从双壁钻杆1外钻杆11与钻孔6孔壁之间的间隙流出。当采用纠斜钻进模式时，首先调整定向纠斜方向，即利用钻机旋转双壁钻杆1的内钻杆12，带到偏置溢流芯管24转动，进而带动指向式传动短节4的传动轴46围绕传动短节下接头45偏转，直至传动轴46的指向与定向纠斜方向一致；锁定内钻杆12，保持偏置溢流芯管24不动；然后利用钻机回转和推动双壁钻杆1的外钻杆11，带动指向式传动短节4及其传动轴46转动，进而带动定向钻头5旋转破碎地层7；传动轴46在偏置溢流装置2的径向轴承27作用下，在相对偏置溢流装置2旋转的同时，保持定向纠斜方向不变，使定向钻头5向设定方向进行纠偏。当采用稳斜钻进模式时，利用钻机同步旋转双壁钻杆1的内钻杆12和外钻杆11，带动偏置溢流装置2的偏置溢流芯管24与指向式传动短节4的传动轴46同步旋转，使传动轴46的朝向动态变化，不向固定方向纠斜，从而使定向钻头5沿当前钻孔6倾角和方位角钻进。

步骤五：钻孔6完孔。重复步骤三和步骤四进行钻孔6施工，直至钻孔6达到设计深度后，退出孔内旋转指向式气液两用导向钻具，完成钻孔6施工。

尽管本文较多地使用了双壁钻杆1、偏置溢流装置2、近钻头测量探管3、指向式传动短节4、定向钻头5、外钻杆11、内钻杆12、推力轴承A13、推力轴承B14、锁紧母A15、密封圈16、偏置溢流上接头21、锁紧母B22、推力轴承组23、偏置溢流芯管24、偏置溢流下接头25、密封体26、径向轴承27、溢流阀28、传动短节上接头41、锁紧母C42、钢球43、锁紧母D44、传动短节下接头45、传动轴46、定向钻头5、钻孔6、地层7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，包括：

双壁钻杆(1)，包括内钻杆(12)和外钻杆(11)；

偏置溢流装置(2)，包括偏置溢流装置外管以及位于所述偏置溢流装置外管内部的且可相对于所述偏置溢流装置外管周向转动的偏置溢流芯管(24)；所述偏置溢流装置外管和所述偏置溢流芯管(24)分别连接所述外钻杆(11)和内钻杆(12)；所述偏置溢流芯管(24)远离所述内钻杆(12)的一端设置有与偏置溢流芯管(24)轴线平行但不重合的偏置圆孔；

近钻头测量探管(3)，安装在偏置溢流装置(2)内，可测量钻孔(6)轨迹参数、地层(7)参数、指向式传动短节(4)造斜方向参数，所述的钻孔(6)轨迹参数包括倾角、方位角，所述的地层(7)参数包括但不限于方位电阻率、方位伽马；

指向式传动短节(4)，包括传动短节外管以及位于所述传动短节外管内的传动轴(46)；所述传动轴(46)的一端设置有偏置球头，所述偏置球头与所述偏置圆孔相连；所述传动轴(46)的另一端与钻头(5)相连；所述传动短节外管与所述偏置溢流装置外管相连，所述传动短节外管与所述传动轴(46)之间通过传动球传动；所述传动轴(46)设置有与所述溢流芯管(24)相连通的过流孔；

所述的定向钻头(5)，与指向式传动短节(4)的传动轴(46)后端母螺纹连接，在指向式传动短节(4)旋转带动下进行定向碎岩。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述外钻杆(11)的两端设置连接螺纹，螺纹根部设置有外钻杆台阶面，所述外钻杆台阶面处设置有推力轴承；所述内钻杆(12)通过所述推力轴承定位于所述外钻杆(11)内部；所述的双壁钻杆(1)之间连接时，外钻杆(11)之间通过螺纹连接，既可传递旋转动力，又可传递给进动力；内钻杆(12)之间通过六方母接头、六方公接头相互插接连接，仅传递旋转动力。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述的双壁钻杆(1)的外钻杆(11)的外表面形状可根据钻进目标地层选择，当钻进目标地层为中硬煤层、岩层时，外表面为外平圆形结构；当钻进地层为碎软煤层时，外表面为螺旋、三棱或三棱螺旋等异形结构。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述偏置溢流装置外管包括依次连接的偏置溢流上接头(21)、偏置溢流下接头(25)；所述偏置溢流上接头(21)连接外钻杆(11)；所述偏置溢流下接头(25)连接传动短节外管。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述偏置溢流下接头(25)内表面设置有三个台阶面，第一台阶面与偏置溢流芯管(24)之间设置有推力轴承组(23)，第二台阶面与所述第一台阶段面相邻设置且内径小于第一台阶面；第三台阶面与第二台阶面相邻设置且直径大于第二台阶面；所述溢流芯管(24)位于第一台阶面内的部分直径小于位于第三台阶面部分的直径。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述传动短节外管内部设置有传动球安装台阶面，所述传动球安装台阶面沿周向布置有若干个与所述传动球安装台阶面轴线平行的半圆柱型凹槽；所述传动轴(46)上设置有传动球体，所述传动球体外缘沿周向均匀布置有与所述半圆柱型凹槽相配合的半球形内凹面，所述半球形内凹面与所述半圆柱型凹槽之间设置有传动球。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述传动球安装台阶面两侧设置有锁紧螺母，所述传动球通过所述锁紧螺母进行限位。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具，其特征在于，所述的偏置溢流装置(2)与指向式传动短节(4)连接时，指向式传动短节(4)的传动轴(46)的偏置球头***偏置溢流装置(2)的径向轴承(27)中，传动轴(46)的中心轴线与导向钻具中心轴线存在夹角，传动轴(46)所指方向即为指向式传动短节(4)造斜方向，可由近钻头测量探管(3)测量得到；旋转偏置溢流芯管(24)，径向轴承(27)跟随旋转，并带到传动轴(46)绕传动短节下接头(45)偏转，指向式传动短节(4)造斜方向对应调整。

9.一种利用上述任一权利要求所述的煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具进行钻进的方法，其特征在于，包括气动定向钻进步骤，具体为向双壁钻杆(1)的内钻杆(12)注入压缩气体，向双壁钻杆(1)内钻杆(12)与外钻杆(11)之间的环状间隙中注入低压液体，所述压缩气体依次沿内钻杆(12)中心孔、传动轴(46)过流孔和定向钻头(5)流出携带钻进产生的钻渣从双壁钻杆(1)的外钻杆(11)与钻孔(6)孔壁之间的间隙流出。

10.根据权利要求9所述的煤矿井下旋转指向式气液两用导向钻具进行钻进的方法，其特征在于，还包括液动定向钻进步骤，具体为：向双壁钻杆(1)内钻杆(12)、内钻杆(12)与外钻杆(11)之间的环状间隙均注入高压水；高压水沿传动轴(46)的过流孔和定向钻头(5)流出携带钻进产生的钻渣从双壁钻杆(1)外钻杆(11)与钻孔(6)孔壁之间的间隙流出。

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