[发明专利]强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具

摘要

本发明公开了一种强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比d_q，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数N、切削层厚H、切削轴距L，并确定强化软煤岩强度分层切削钻具的结构设计形式。强化软煤岩强度分层切削钻具，包括煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻头接头、钻杆。本发明针对软煤岩钻进技术难题，考虑煤层地质条件，发明了强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具，应用强化软煤岩强度分层切削钻具施工钻孔，实现软煤岩前段强化、后段切削钻进的协同钻进工艺方案，可有效减少塌孔、喷孔等钻孔动力现象对对钻孔施工的影响，有利于改善软弱煤岩地层的钻进效果。

主权项

1.强化软煤岩强度分层切削钻进方法，其特征在于：包括以下步骤：①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；测定施工地点煤层瓦斯压力p；②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比d_q；钻孔强化比d_q为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d₁与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d₂的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻孔强化比d_q设计为0.5～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻孔强化比d_q设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻孔强化比d_q设计为0～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻孔强化比d_q设计为0～0.3；③.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数N；切削层数N为煤岩体挤压强化后成孔区煤岩钻头待切削厚度h被切削完成的次数；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为4～15；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为3～12；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为3～12；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为3～10；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为3～10；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为2～8；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为2～8；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74MPa时，煤岩钻头切削层数N设计为2～6；④.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层厚H；切削层厚H为钻头每一层切削的厚度；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74MPa时，层厚H设计为2mm～15mm；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74MPa时，层厚H设计为3mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74MPa时，层厚H设计为3mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74MPa时，层厚H设计为4mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74MPa时，层厚H设计为4mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74MPa时，层厚H设计为5mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74MPa时，层厚H设计为5mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74MPa时，层厚H设计为5mm～20mm；⑤.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削轴距L；切削轴距L为钻孔连续两次分层切削开始位置之间的轴向距离；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74MPa时，切削轴距L设计为150mm～800mm；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74MPa时，切削轴距L设计为120mm～700mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74MPa时，切削轴距L设计为130mm～750mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74MPa时，切削轴距L设计为100mm～650mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74MPa时，切削轴距L设计为110mm～700mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74MPa时，切削轴距L设计为80mm～600mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74MPa时，切削轴距L设计为90mm～650mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74MPa时，切削轴距L设计为50mm～550mm；⑥.将钻杆安装在钻机上，安装强化软煤岩强度分层切削钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，启动钻机旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩强化钻头不旋转或旋转速度ν_q≤5r/min；⑦.根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比d_q，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数N、切削层厚H、切削轴距L，并确定强化软煤岩强度分层切削钻具的结构设计形式。