[发明专利]一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法

说明书

本发明公开了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法，其中定向钻具包括依次连接的钻柱体和定向钻头，围绕钻柱体外部设置有内环空流道；由中心流道、内环空流道以及钻具与孔壁之间形成的外环空流道构成的“Y型”结构冲洗液循环流道，冲洗液始终在“低背压”状态下流动，大幅降低了泥浆泵的“无功”负载，其液力能有效利用率可提高15％以上，保证高水压地层向孔内大量涌水的工况下，孔底动力钻具正常工作、输出扭矩参数无明显变化，该钻具可在6.0MPa以上地层出水压力条件下正常定向钻进，使井下定向钻进耐水压能力提高50％以上，顶水定向钻进成孔深度500m以上。

技术领域

本发明涉及属于钻探技术领域，尤其涉及一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法。

背景技术

煤矿水害长期以来是制约我国煤炭资源安全高效开采最严重的灾害之一。据不完全统计，我国有30％至40％的原煤储量受到水害的威胁，包括煤层顶板含水层水害、煤层底板承压充水含水层水害、岩溶陷落柱水害、断层破碎带突出水害、老空积水透水害、地表水体透水水害等。其中底板承压充水含水层水害在我国煤矿中发生频率高，危害程度大，典型的华北型煤田底板存在太原组灰岩水、石炭二叠系基底奥灰岩溶水，基底碳酸盐岩分布范围广、厚度大，地质历史上经受过强烈的岩溶化作用；后期构造运动使其大面积裸露地表，接受大气降水和地表水补给的能力强。随着煤炭开采的延伸，作用于煤层底板的水压越来越大，而煤层底板隔水层的厚度、岩性在剖面上复杂多变，加之陷落柱、断层破碎带的发育，使得矿井生产面临严峻水害威胁，突水淹井事故时有发生。此外，随着煤炭开采深度的增加、范围的扩大，一些一直被认为井田矿床水文地质条件相对简单的矿井，也相继发生了顶板、底板水突水淹井事故。

煤矿井下近水平定向长钻孔是进行水害防治的高效手段，在疏排顶板水、探查老空积水、治理底板承压水等方面潜在技术优势明显。井下定向长钻孔利用单弯螺杆马达定向钻具组合、采用随钻测量定向钻进工艺施工，实钻轨迹精确可控，可围绕设计轨迹延伸。与以“穿层”形式设计的常规防治水孔相比，以“顺层”型式设计的定向防治水孔可在目标层内长距离延伸，有效进尺多，利用率高；此外，定向防治水钻孔的施工可在巷道掘进前或与工作面巷道掘进同步进行，能够实现超前疏排水、探放水、注浆加固改造等。

然而，随着定向防治水孔应用范围的扩展，钻进施工的客观条件越来越复杂、工况越来越严苛，具有代表性是大采深矿井，定向防治水孔施工面临高压涌水工况下顶水定向钻进难题。防治水孔钻遇或沟通底板高压含水地层后，在压差(地层孔隙压力大于孔内冲洗液循环流动压力)作用下，大量高压地层水涌入钻孔，使环空返水量增大、流速升高，导致冲洗液循环流动阻力增大，孔底压力(即背压)升高、直接影响冲洗液压力能转化量，进而影响孔底动力钻具的工作性能。特别是在地层涌水压力达到3MPa～4MPa时，定向钻进困难，突出表现为钻孔环空返水量增大、孔底背压升高、泥浆泵供液压力值显著增大、孔底动力钻具输出扭矩减小、机械钻速大幅降低、定向钻进成孔困难。对于煤矿井下探查、疏放类防治水定向钻孔，在地层高压涌水条件下、顶水定向钻进困难，成孔深度往往达不到设计要求，防治水效果差，需补充增加钻探工程量，成本高、周期长。对于煤矿井下注浆加固改造类防治水定向钻孔，在地层高压涌水工况下、顶水定向钻进困难，只能缩短单次注浆孔段长度、频繁提钻注浆，辅助工程量大、注浆候凝等附加作业时间长、综合钻进效率低，深孔钻进困难。而当地层涌水压力达到6MPa以上时，现有定向钻进技术装备已无法顶水施工，一定程度上限制了井下近水平定向孔在矿井水害防治领域的进一步推广应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法，解决现有的高水压顶水定向钻进中存在的钻孔环空返水量增大、孔底压力升高、泥浆泵“负载”骤增，影响冲洗液压力能转化、孔底动力钻具输出扭矩减小、碎岩能力减弱、机械钻进效率大幅降低、难以钻进成孔等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：