[发明专利]一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用

说明书

本发明提供了一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用；包括钻具、定向螺杆马达、无线电磁波随钻测量系统、钻头；所述钻头、定向螺杆马达、无线电磁波随钻测量系统、普通钻杆、水辫依次丝扣连接；本发明利用电磁波作为传输介质，遥测深度深，传输速率快且数据传输可靠有效，对井下工况的适应性强；仅使用普通钻杆和地层即可完成孔内所测数据的有效传输，与有线随钻测量相比，钻杆强度更高，抗剪切、抗疲劳强度更好，节省了大量的人力、物力及财力，将为煤矿井下定向钻孔的首选方式及装备。

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻探领域，具体涉及一种煤矿井下复杂地层复合定向钻进装备及其应用。

背景技术

定向钻进技术起源于油气勘探开发领域，随着钻探技术的不断发展深入，该技术逐渐被引入地质勘探、煤矿井下钻探等新领域。近钻头随钻测量定向钻进技术是煤矿井下钻探工程领域中的一项新技术，目前主要用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治以及地质构造勘探等钻探工程。定向钻进施工中，若孔眼轨迹狗腿度(全角变化率)过大，则容易引起卡钻、压钻、埋钻、掉钻具等井下事故的发生，因此，保证孔眼轨迹平滑是定向钻孔施工过程中的关键环节。

目前，在煤矿钻孔施工中，定向钻孔由于钻进时上部钻具不旋转，只是单纯的滑动定向钻进(钻头依靠螺杆马达的旋转动力旋转)方式来改变孔眼方向、增倾角或减倾角。在整个滑动钻进过程中，钻具与孔壁间的摩擦力导致钻机所施加的钻压有一部分没有施加到钻头上，这种钻头所受钻压小于钻机所施加的钻压的现象称为滑动钻进的托压。其次，在送钻过程中，钻具与孔壁黏卡的解除、摩擦状态由静摩擦向动摩擦的转换等原因会造成钻具的弹性能量突然释放而导致无法均匀送钻，有时钻头突然撞击孔底，甚至损坏钻头和孔内动力钻具，这种钻具弹性能量突然释放并导致钻具不均匀送入的现象称为钻具蛙动。尤其是近水平段钻孔施工过程中，随着水平位移的加长，大部分钻具躺在孔内的底部，钻具与孔壁的接触摩阻力很大，转动钻具需要很大的扭矩，通常钻具通过钻机驱动机构驱动而获得一个固定的转速。钻具越长，钻具传递扭矩和钻压的能力也随之降低，使得钻具端部即钻头处产生扭转振动，振动速度约为孔外钻具的转速，振动的剧烈程度取决于孔外驱动系统的特性、钻头与岩石的相互作用及钻具与孔壁的摩擦。当钻头周期性地粘滞和重新滑动时，钻具将产生“粘滞-滑动”现象，这种现象被认为是一种使钻孔效率下降且常常造成钻具破坏的一种危害性很强的振动，振动相当剧烈，钻具处于或停或转“粘滞-滑动”的状态，滑动瞬间钻头速度远远超过孔外钻具的转速，钻头和钻具承受巨大的动载。由于摩擦力、托压、蛙动及粘滞-滑动等原因使得整个孔眼轨迹不够平滑，进而导致钻头破碎的岩屑无法顺利返出，给正常钻进带来一定的风险，必须勤洗孔，保持孔内清洁，进而又延长了整个施工周期。

目前煤矿定向钻孔施工中常采用“螺杆马达+MWD系统”。滑动钻进时，钻头依靠螺杆马达的旋转动力旋转钻进。在狗腿度(全角变化率)较大的地方，由于部分钻具躺在孔眼下侧，钻具与孔壁的静摩擦力增大，导致钻机给钻头施加钻压、钻探工程师进行工具面定向带来极大困难，频繁出现滑动托压，严重制约着定向钻孔的速度。

摩擦力的大小等于摩擦系数乘以钻具与孔壁的侧向接触力，在倾角较大的情况下，正常钻进施加钻压时孔眼的静摩擦力会随之增大，当该部分的重力分量不足以克服孔眼的静摩擦力时会出现托压，一旦克服孔眼的静摩擦，滑动摩擦会随之减弱。钻具开始下滑时的摩擦系数称为静摩擦系数，一般静摩擦系数比滑动开始后的动摩擦系数约大25％。

扭矩与反扭矩对孔眼摩阻的影响十分重要。滑动钻进托压时，由钻机驱动的钻具左右旋转和钻具向前运动共同作用产生一个钻进速度，相关研究表明该钻进速度是钻具沿孔眼轨道运动的函数。左右旋转钻具可以降低孔眼的轴向摩阻，在理想工具面时，钻具从孔口旋转至钻具的某一位置，在该位置上钻具旋转摩擦产生的扭矩对抗孔壁摩擦，使钻具停止旋转；同时，由钻头产生的反扭矩向上传送至钻具的某一位置，该位置就是克服孔底钻具组合和下部钻具反扭矩的位置，该位置被称为干扰点，干扰点与钻头之间的区域称为干扰区。如果从孔口旋转钻具使其进入了干扰区，就会影响工具面向角。