[发明专利]煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔技术，具体涉及在低透气煤层瓦斯抽采过程中自进式钻进树状钻孔时使用的钻具。

背景技术

我国很多煤层具有低渗透率等特点，常规方法难以对低渗透率的煤层进行有效的瓦斯抽采，如何增加煤层透气性是解决低透气性煤层瓦斯抽采难题的关键。

水力化技术作为一种有效的储层增透技术，为解决煤层低渗问题提供了可行的方法，是增加煤层渗透率的有效途径。水力化技术是以高压水作为动力，使储层内原生裂隙扩大延伸或者人为形成新的孔洞、槽缝、裂隙等，促使岩体产生位移，达到储层卸压增渗的目的，如水射流割缝(或扩孔、钻孔)、水力压裂等。水力喷射树状钻孔煤层增透技术作为一种新型的水力化增透技术，以高压水为动力，使自进式钻头先在岩层母孔中前进，在到达煤层预定位置后，通过导向器导向，从而钻凿出垂直的树状子孔，以达到使煤层增透的效果。水力喷射树状钻孔煤层增透技术是高效、安全的瓦斯预抽方式，具有缩短钻孔总长度，进而节约钻孔成本缩短钻孔时间；实现低渗透率煤层的均匀增透；钻孔不会产生火花与煤尘，增加工作的安全性，改善工作环境等优点。

目前用于煤矿井下水力喷射树状钻孔的钻具是分开独立的。由于要实现高压软管在导向器内的转向，母孔必须满足一定的直径要求，因此，在使用普通钻头钻进钻完母孔后，需要用扩孔钻头进行扩孔。煤矿现有扩孔钻头虽然可以钻出满足要求的孔，但由于钻孔与导向器的送入是单独进行的，往往会花费许多时间、增加工作量，并且，母孔在导向器下放过程中也可能存在塌孔的情况。

另外，现在的导向器对导向轨道设计不合理，一是通常只有一个曲率，高压软管转弯时较为困难；二是未对转向导向轨道宽度做出合理设计，存在导向孔过小使高压软管钻头卡住，过大则不能起到实际约束作用的问题。此外，现在的导向器对钻进树状钻孔时的排渣问题考虑不足，导向器环空小，不能顺利排渣，从而影响钻头的顺利前进。

还有，煤矿井下水力喷射树状钻孔需要自进式钻头，且自进式钻头需要与导向器配合，现在的钻头存在以下问题：1)钻头或喷嘴结构复杂，尺寸大，转向能力差，寿命短；2)长距离钻孔时水射流破岩钻进效率低；3)所钻孔眼尺寸小，易卡钻头，且排渣困难；4)旋转射流钻头由于旋转射流中心能量低，破岩效果差，容易在钻孔中心形成凸台，阻碍钻头推进；5)钻头产生的自进力小，孔眼轨迹不易控制，容易钻偏孔。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具，其将钻杆、导向器、钻头、高压软管、自进式钻头以及刻度盘进行合理组合，并优化了钻杆结构，减小了高压软管通过的阻力；优化了导向器结构，使导向器能够与钻头配合使用；优化了钻头结构，提高钻进效率；选取了合适的高压软管，优化了高压软管前端自进式钻头的结构；设计了刻度盘，使树状钻孔能够均匀分布。

本发明的技术解决方案如下：

煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具包括钻杆、导向器、钻头、高压软管、导向刻度盘以及自进式钻头。

其中，钻杆、导向器和钻头依次连接，在扩孔时配合使用。高压软管、自进式钻头和刻度盘在钻进树状钻孔时使用，在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘，刻度盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向器的转动角度通过刻度盘控制，自进式钻头连接在高压软管前端，钻进树状钻孔时经由钻杆并通过导向器导向，依靠喷嘴射流产生自进力钻出树状孔。

所述钻杆直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为73mm，内径50mm；钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接；钻杆内部为光滑的通孔，高压软管能顺利通过。

所述导向器的直径大小为100-150mm。导向器上端为具有内螺纹的钻杆连接部，下端为具有外螺纹的钻头连接部，两个连接部都有上下贯通的通孔。导向器内有双曲率转弯导向轨道，其宽度为高压软管前端喷嘴宽度的2倍，范围在20-50mm之间，转弯半径为75-150mm，属超短半径径向水平井导向器。

所述导向轨道的进口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从进口到出口依次包括轴向直管段、第一圆弧段、斜管段和第二圆弧段。

所述轴向直管段其长度为30-50mm，钻杆连接部的通孔通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段。

所述第一圆弧段的圆弧弧度a＝10°-30°，直径75-150mm。

所述斜管段与两圆弧段相切，连接第一圆弧段和第二圆弧段。