[发明专利]深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具

说明书

本发明公开深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具,钻具包括外管钻具、内管钻具和滑移支撑件，外管钻具包括筛孔钻杆和扩孔钻头，内管钻具包括异形钻杆和内钻头，内管钻具和滑移支撑件能够从外管钻具的内腔中退出；异形钻杆的内腔是为打钻提供流体的供流通道，异形钻杆外壁与筛孔钻杆内壁之间的空间为内排渣通道；筛孔钻杆的外径等于或小于扩孔钻头的外径，筛孔钻杆对钻孔壁起盾护作用；筛孔钻杆的螺旋凹槽内设有多个泄渣筛孔，泄渣筛孔对筛孔钻杆起卸压作用；本发明的双管盾护卸压流体排渣钻具与双动力头钻机配套使用，用于深部突出煤层瓦斯抽采钻孔的双动力双管盾护卸压保直钻进和双动力双管盾护卸压定向钻进。

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采钻孔钻进技术领域，特别涉及深部煤层双动力双管盾护卸压流体排渣钻具，用于深部突出煤层、软硬复合煤层、碎软煤层等难以成孔的瓦斯抽采钻孔的保直钻进和定向钻进。

背景技术

现行深部突出煤层、软硬复合煤层、碎软煤层的本煤层瓦斯抽采钻孔施工所用的钻杆多为刻槽钻杆、肋骨钻杆、三棱刻槽钻杆、三棱钻杆等异形钻杆，其中前三种钻杆的专利申请人为本申请人，即河南理工大学，专利号分别为ZL200610111830.7，ZL200920088879.4，ZL200910064973.0。这些钻杆的共同特点是采用气流、水流或气水联动排渣，钻杆外表与钻孔壁之间的环状空间为排渣通道，由于排渣通道在钻杆之外，称之为外排渣通道。

深部煤层的地应力高、瓦斯含量高、瓦斯压力高，煤孔塌孔、打钻煤炮、孔内煤与瓦斯突出等动力现象均可导致外排渣通道的崩落坍塌和堵塞，排渣困难是深部煤层钻进困难的根本原因。采用外排渣通道，钻杆直径必须小于钻头直径，钻杆在煤孔内的扰动空间大，扶正装置在煤孔内缺乏稳固的支撑基础而无法正常采用，导致煤层钻孔偏斜严重，钻孔轨迹过早的遇到煤层顶板或煤层底板，钻孔偏斜不仅影响钻进深度，而且使钻杆受到交变应力，增加了断钻的概率。现行螺杆马达定向钻进技术虽然可以解决煤孔的偏斜问题，但在深部突出煤层中的钻进深度有限，且压钻丢钻的代价太高，不宜在突出煤层中使用。

双管钻进技术在上世纪被用于浅层松散岩土层的钻进，利用双管内循环和外管钻具防护钻孔的冲刷损毁和孔壁坍塌，成孔之后首先将内管钻具退出，然后将埋线管、管道等通过外管钻具插入孔内，最后再将外管钻具拔出孔外，由于浅层岩土的地应力很小，外管钻具的提拔退出容易实现，因此，双管钻具在地面或浅层隧道工程中应用普遍。

中煤科工集团西安研究有限公司承担国家科技重大专项资助项目“碎软煤层双动力头双管定向钻进技术与装备的研究”（项目编号：2016ZX05045003-002），针对双动力双管钻进技术开展了大量研究，相继申请和获得专利有：“煤矿井下同心跟管定向钻进装置及其施工方法（ZL201610329723.5）”、“一种双管自动加卸装置及煤矿双动力头钻（ZL201811424801.5）”、“一种抵消双层管周向摩阻的双层钻杆（ZL201811113164.X）”、“一种双管钻进三夹持卸扣器单元、钻机装置及方法（ZL202011511508.X）”等，从该项目发表的相关学术论文得知，利用双动力头双管定向钻进技术可以成功穿越突出煤层，将外管遗留在难以成孔的突出煤层中，内管钻具进入煤层顶板岩石后，再实施定向裂隙带长钻孔的施工，攻克了多煤层条件下，高位裂隙带定向长钻孔顺利穿越突出煤层的难题，具有重要意义。从该项目发表的相关论文还得知，利用双动力头双管定向钻进技术可以大幅度提高碎软煤层、突出煤层顺层孔的煤孔钻进深度，大大降低了孔内测量系统-螺杆马达等昂贵钻具被压死丢钻的风险，具有重要意义，也是解决突出煤层瓦斯异常钻进困难的有效手段。然而，由于深部煤层的地应力很高，双管钻进的过程中，外管被压死是大概率事件，因此国家科技重大专项资助项目“碎软煤层双动力头双管定向钻进技术与装备的研究”（项目编号：2016ZX05045003-002），在突出煤层顺层孔试验中，外管采用可以被采煤机切割的高强度PE塑料管， PE塑料外管的强度有限，不是正常的钻杆，外管钻具紧跟内管钻具实施护孔，外管有护孔功能而没有卸压功能，外管被压死卡阻之后，外管将失去继续跟进护孔的作用，如前所述，如果内管钻具继续向前钻进，必然要面对长度更大的极不稳定的外排渣通道的牵制，因此制约了双管双动力碎软煤层定向钻进的终孔深度。