[发明专利]松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺

说明书

技术领域

本发明涉及地质钻探技术领域，具体为一种松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺。

背景技术

松软突出煤层在我国可采煤层中占有很大比例。在松软突出煤层中钻孔，尤其是地应力高的区域，容易出现喷孔、塌孔、卡钻等现象，导致钻孔成孔率低、成孔深度浅，钻孔施工困难。目前针对松软突出煤层最先进的工艺方法是由煤炭研究总院西安研究院研发的中风压空气钻进技术。

中风压空气钻进技术是利用独立钻进供风系统，对钻进过程供以中风压(1～1.3MPa)大排量(17m³/min)的压缩空气，再配以宽叶螺旋钻杆，扰动沉积在钻孔底部的煤粉，减少卡钻等孔内事故的发生，并具有一定自处理事故的能力；配以大通孔钻杆，以利于瓦斯抽排管的置入，从而解决缩径地层瓦斯抽排管难以置入的问题。该技术对解决松软突出煤层的钻进问题起到一定作用，但仍存在如下不足之处：

1、需配置中风压大风量空压机，消耗动力大，设备占用空间大，施工成本高；

2、对于坍塌地层和缩径地层要用两种钻杆，成本高，并且难以处理既坍塌又缩径的地层；

3、由于仍为正循环钻进，大量煤粉从钻杆与孔壁间的间隙涌出，一方面对钻杆产生较大的磨损，另一方面对于坍塌和缩径地层容易封堵煤粉通道，需用较大的扭矩和较高的空气压力与风量来打通煤粉通道；

4、孔壁间隙因塌孔和缩径而堵塞，即使用螺旋钻杆也不可能即刻疏通上返通道，一旦煤层中瓦斯大量释放，就会聚集于堵塞处，当瓦斯的释放量和释放压力达到一定程度时，喷孔现象将不可避免；

5、由于正循环钻进，煤粉从孔口排出，收集处理困难，无法有效改善现场作业环境。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种松软突出煤层反循环钻进设备及其钻进工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

松软突出煤层反循环钻进设备，包括钻机、主动双壁钻杆、双通道气水龙头、钻头以及空压机，所述钻机上设有动力头，所述主动双壁钻杆贯穿动力头安装，主动双壁钻杆一端的内管通过双通道气水龙头与胶管相连通，所述胶管末端连接有煤粉接收装置(集尘器)，所述双通道气水龙头上设有与主动双壁钻杆内外管环形通道相通的气盒子，所述气盒子通过气管与空压机相连，主动双壁钻杆的另一端连接有钻头，随着钻头的不断钻入地层，在主动双壁钻杆和钻头之间不断地加接从动双壁钻杆，直至成孔。

进一步的，双壁钻杆的管体与其接头均采用高级合金钢制成，管体两端加厚再与接头摩擦焊接，外管为外径为Φ73mm的外平式结构，外管扣型为锥度的梯型扣，内管通径为Φ36mm。这里只述及一种结构形式的双壁钻杆来实现本发明的钻进工艺，可使用不同结构形式的双壁钻杆，但适用这种钻进工艺的双壁钻杆的技术特征是外管的外平式结构，其目的是减小钻杆在给进和起拔时的阻力，及减小钻杆对地层的扰动。

进一步的，所述钻头内径不大于内管通径，钻头内设有内出刃，为利于将煤粉导入内管钻头底部设置为喇叭状，钻头外出刃大于双壁钻杆的外径。

进一步的，双通道气水龙头的外壳与动力头固定连接，且双通道气水龙头同主动双壁钻杆密封连接。

进一步的，所述空压机的压力为0.8MPa，排量为4m³/min，连接气盒子和空压机之间的气管上连接有用于向压缩空气中注入泡沫液的泡沫泵。在压缩空气中注入泡沫，有助于提高压缩空气携带煤粉的能力，同时能防止进入煤粉接收装置的粉尘扩散到空中而形成污染。

进一步的，使用内管取出的双壁钻杆，在成孔后取出内管和连接在内管上的钻头，以便下入瓦斯抽排管或割缝管，进行后续瓦斯抽排工序。

松软突出煤层反循环钻进设备的钻进工艺，包括如下步骤：

1、空压机输出的压缩空气通过气盒子进入双壁钻杆的环形通道中，再沿着环形通道通过钻头到达孔底；必要时，通过泡沫泵向空压机输出的压缩空气注入泡沫；其中压缩空气可以由泥浆或清水取代；

2、在开孔段因双壁钻杆与孔壁间阻力较小，空气携带煤粉大部分从孔壁间隙返出，小部分从内管返出；随着孔深加大，双壁钻杆与孔壁间阻力也加大，空气携带煤粉从孔壁间隙返出越来越少，从内管返出越来越多，孔深到达5～8米时空气携带煤粉全部从内管返出；

3、从内管返出的煤粉通过双通道气水龙头通孔，再通过胶管进入煤粉接收装置中。