煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統及方法技術方案

技術編號：43658636 閱讀：13 留言：0更新日期：2024-12-13 12:50

本發明專利技術公開了一種煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統及方法，包括依次相接的定向鉆頭、雙壁中空液驅螺桿鉆具、三通道儀器外管、三通道鉆桿和三通道水便，雙壁中空液驅螺桿鉆具前端連接定向鉆頭，雙壁中空液驅螺桿鉆具中心通道為高壓風或氮氣通道，連通定向鉆頭風眼，定子與轉子環空通道為高壓水進入通道，定子桿體與螺桿鉆具外管環空通道為高壓水返出通道；三通道儀器外管、三通道鉆桿和三通道水便的中心通道為高壓風或氮氣進入通道，中間環空通道為高壓水進入通道，外環空通道為高壓水返出通道。本發明專利技術具有液動定向鉆進扭矩大，巖層鉆進效率高，空氣排渣可提高復雜破碎地層成孔能力的顯著優點，能實現定向鉆進用水的循環利用，節約水資源。

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【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于煤礦鉆探的，涉及一種復雜地層定向鉆進方法，具體涉及一種復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統及定向鉆進工藝方法。

技術介紹

1、煤礦井下近水平定向鉆進技術由于具有鉆孔軌跡人為可控、施工精度高、單孔覆蓋范圍大等優勢，已廣泛應用于煤礦井下瓦斯治理、水害防治、隱蔽致災因素探測等鉆孔施工中，取得了顯著的應用效果。目前煤礦井下定向鉆進工藝主要包括液動定向鉆進工藝和氣動定向鉆進工藝，其中液動定向鉆進工藝采用高壓水驅動螺桿鉆具鉆進，具有輸出扭矩高的優點，適用于地層硬度系數小于10的巖層和硬度系數大于0.8的硬煤層，但對于復雜地層條件，如泥巖、砂質泥巖等不穩定地層，斷層、褶皺、陷落柱等地質構造，碎軟煤層等，鉆進過程中在高壓水的沖刷作用下孔壁易失穩，塌孔嚴重，難以成孔，因此不適用于上述復雜地層條件鉆進；同時液動定向鉆進工藝施工用水量要求大，一般供水量要求不小于20m3/h，該鉆進用水未實現循環利用，造成水資源浪費嚴重，對于水資源嚴重短缺區域煤礦無法使用該鉆進工藝。氣動定向鉆進工藝采用高壓氣體驅動螺桿鉆具鉆進，由于采用氣體作為排渣介質，氣體排渣具有對孔壁擾動小的優勢，該工藝在復雜地層條件下具有很好的成孔能力，目前主要適用于硬度系數0.3-0.8的碎軟煤層。但受制于氣體自身可壓縮特性，以及煤礦井下用空壓機及制氮裝置輸出氣體壓力低，導致氣動螺桿鉆具輸出扭矩低，該工藝不適用巖層鉆進，鉆進中當鉆遇煤層頂底板或煤層中夾矸，鉆進效率極低，嚴重者難以鉆進，導致鉆孔施工效率低，嚴重者且無法達到設計孔深要求。

技術實現思路</p>

1、針對現有技術中存在的不足，本專利技術的目的在于，提供煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統及方法，解決現有技術中，在復雜地層條件下存在的液動定向鉆進工藝塌孔嚴重，難以成孔，且液動定向鉆進工藝供水量要求高且無循環利用，氣動定向鉆進工藝巖層中鉆效極低甚至難以鉆進等問題。

2、為了解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案予以實現：

3、煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，包括依次相接的定向鉆頭、雙壁中空液驅螺桿鉆具、三通道儀器外管、三通道鉆桿和三通道水便；

4、所述雙壁中空液驅螺桿鉆具包括依次相連的中空的轉子、萬向軸和傳動軸，還包括套在轉子外的定子、設在定子外的定子桿體、套在定子桿體外的螺桿鉆具外管；所述三通道儀器外管包括從內到外依次套設的內管、中間管和外管；所述三通道鉆桿包括從內到外依次套設的鉆桿內管、鉆桿中間管和鉆桿外管；所述三通道水便包括從內到外依次套設的水便內管、水便中間管和水便外管；

5、所述傳動軸、萬向軸、轉子、內管、鉆桿內管和水便內管之間從前到后依次相接并連通為中心通道，中心通道前端與定向鉆頭的風眼連通，中心通道后端為高壓膠管接頭以與空壓機或制氮裝置連通；所述定子及定子桿體、中間管、鉆桿中間管和水便中間管依次相接并連通為中間環空通道，中間環空通道前端通過密封件密封，中間環空通道后部與高壓膠管接頭連通以與泥漿泵連接；所述螺桿鉆具外管、外管、鉆桿外管和水便外管依次相接并連通為外環空通道，外環空通道前端封口且通過定子桿體前端側壁上的水眼與中間環空通道連通，外環空通道后部與高壓膠管接頭連通以與水箱連接。

6、本專利技術還包括如下技術特征：

7、具體的，所述轉子后端為公接頭并與內管前端母接頭插接，定子桿體后端為母接頭并與中間管前端公接頭插接，螺桿鉆具外管后端為母扣并與外管前端公扣采用絲扣連接。

8、具體的，所述內管后端為公接頭并與鉆桿內管前端母接頭插接，中間管后端為母接頭并與鉆桿中間管前端公接頭插接，外管后端為母扣并與鉆桿外管前端公扣采用絲扣連接。

9、具體的，所述鉆桿內管后端為公接頭并與水便內管前端母接頭插接，鉆桿中間管后端為母接頭并與水便中間管前端公接頭插接，鉆桿外管后端為母扣并與水便外管前端公扣采用絲扣連接。

10、具體的，所述水便內管后部外壁與水便中間管后端內壁環形凸臺之間設有密封圈；水便中間管后部外壁與水便外管后端內壁環形凸臺之間設有密封圈；在水便內管和水便中間管之間、水便中間管和水便外管之間均安裝有軸承組件，以使水便內管、水便中間管和水便外管之間能互相單動轉動。

11、具體的，所述水便內管后部側壁壁面內設有連通孔該連通孔連通中間環空通道與高壓膠管接頭；水便中間管后部側壁壁面內設有連通孔該連通孔連通外環空通道與高壓膠管接頭。

12、具體的，所述三通道儀器外管對應的中心通道內設有隨鉆測量儀器組件。

13、具體的，所述中心通道為壓風或氮氣進入通道，中間環空通道為高壓水進入通道，外環空通道為高壓水返出通道；高壓水由中間環空通道進入驅動雙壁中空液驅螺桿鉆具的轉子轉動帶動定向鉆頭回轉碎巖鉆進，再由外環空返出進入水箱；壓風或氮氣經過中心通道進入至定向鉆頭風眼，對定向鉆頭冷卻和攜帶鉆屑，再由定向鉆具與孔壁環空通道返出孔外。

14、具體的，所述高壓水由中間環空通道進入驅動雙壁中空液驅螺桿鉆具轉子轉動，再由外環空通道返出進入水箱，再由泥漿泵吸入進入中間環空通道，實現高壓水的循環利用。

15、所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統進行定向鉆進方法，包括以下步驟：

16、步驟1：依次連接定向鉆頭、雙壁中空液驅螺桿鉆具、三通道儀器外管、三通道鉆桿和三通道水便；

17、步驟2：三通道水便中心通道通過高壓膠管與空壓機或制氮裝置連接，三通道水便中間環空通道通過高壓膠管與泥漿泵連接，三通道水便外環空通通道過高壓膠管與水箱連接；

18、步驟3：啟動泥漿泵、空壓機或制氮裝置，分別向定向鉆具內供高壓水和高壓空氣或氮氣，高壓空氣或氮氣從定向鉆具與孔壁環空通道返出孔外，高壓水從外環空通道返出至水箱，高壓水循環利用；

19、步驟4：啟動定向鉆機，回轉定向鉆具調整好工具面向角，通過定向鉆機推動定向鉆具前進，并帶動定向鉆頭前進，雙壁中空液驅螺桿鉆具帶動定向鉆頭回轉碎巖，實現滑動定向鉆進；

20、步驟5：當定向鉆機三通道鉆桿鉆進結束，關閉泥漿泵、關閉空壓機或制氮機，卸掉三通道水便，利用隨鉆測量儀器，測量鉆孔軌跡，在新接三通道鉆桿，再連接三通道水便；

21、步驟6：重復步驟3、4和5完成定向鉆孔施工。

22、本專利技術與現有技術相比，具有如下技術效果：

23、本專利技術采用氣液雙循環系統，一方面利用高壓水驅動螺桿鉆具帶動定向鉆頭回轉碎巖，充分發揮液動螺桿鉆具輸出扭矩大的優點，可滿足巖層的高效定向鉆進需要，另一方面利用高壓氣體進行排渣，充分發揮氣體對孔壁擾動小的優勢，可滿足碎軟煤層，泥巖、砂質泥巖等不穩定地層，斷層、陷落柱等地質構造等不穩定區域成孔需要。同時本專利技術實現了定向鉆進高壓水的循環利用，節約了水資源，能夠適用于水資源極度短缺的煤礦井下鉆孔施工。綜上，本專利技術的系統方法能夠解決復雜地層條件下液動定向鉆進不穩定地層塌孔和氣動定向鉆進巖層鉆效極低的技術難題，大大拓寬定向鉆進技術的適用地層條件范圍。

本文檔來自技高網...

【技術保護點】

1.煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，包括依次相接的定向鉆頭(1)、雙壁中空液驅螺桿鉆具(2)、三通道儀器外管(3)、三通道鉆桿(4)和三通道水便(5)；

2.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述轉子(2-5)后端為公接頭并與內管(3-1)前端母接頭插接，定子桿體(2-7)后端為母接頭并與中間管(3-2)前端公接頭插接，螺桿鉆具外管(2-8)后端為母扣并與外管(3-3)前端公扣采用絲扣連接。

3.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述內管(3-1)后端為公接頭并與鉆桿內管(4-1)前端母接頭插接，中間管(3-2)后端為母接頭并與鉆桿中間管(4-2)前端公接頭插接，外管(3-3)后端為母扣并與鉆桿外管(4-3)前端公扣采用絲扣連接。

4.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述鉆桿內管(4-1)后端為公接頭并與水便內管(5-1)前端母接頭插接，鉆桿中間管(4-2)后端為母接頭并與水便中間管(5-2)前端公接頭插接，鉆桿外管

5.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述水便內管(5-1)后部外壁與水便中間管(5-2)后端內壁環形凸臺之間設有密封圈；水便中間管(5-2)后部外壁與水便外管(5-3)后端內壁環形凸臺之間設有密封圈；在水便內管(5-1)和水便中間管(5-2)之間、水便中間管(5-2)和水便外管(5-3)之間均安裝有軸承組件，以使水便內管(5-1)、水便中間管(5-2)和水便外管(5-3)之間能互相單動轉動。

6.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述水便內管(5-1)后部側壁壁面內設有連通孔該連通孔連通中間環空通道(20)與高壓膠管接頭(5-4)；水便中間管(5-2)后部側壁壁面內設有連通孔該連通孔連通外環空通道(30)與高壓膠管接頭(5-4)。

7.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述三通道儀器外管(3)對應的中心通道(10)內設有隨鉆測量儀器組件(3-4)。

8.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述中心通道(10)為壓風或氮氣進入通道，中間環空通道(20)為高壓水進入通道，外環空通道(30)為高壓水返出通道；高壓水由中間環空通道(20)進入驅動雙壁中空液驅螺桿鉆具(2)的轉子(2-5)轉動帶動定向鉆頭(1)回轉碎巖鉆進，再由外環空返出進入水箱(8)；壓風或氮氣經過中心通道(10)進入至定向鉆頭(1)風眼，對定向鉆頭(1)冷卻和攜帶鉆屑，再由定向鉆具與孔壁環空通道返出孔外。

9.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述高壓水由中間環空通道(20)進入驅動雙壁中空液驅螺桿鉆具(2)轉子(2-5)轉動，再由外環空通道(30)返出進入水箱(8)，再由泥漿泵(7)吸入進入中間環空通道(20)，實現高壓水的循環利用。

10.權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統進行定向鉆進方法，其特征在于，包括以下步驟：

...

【技術特征摘要】

4.如權利要求1所述的煤礦井下復雜地層氣液雙循環定向鉆進系統，其特征在于，所述鉆桿內管(4-1)后端為公接頭并與水便內管(5-1)前端母接頭插接，鉆桿中間管(4-2)后端為母接頭并與水便中間管(5-2)前端公接頭插接，鉆桿外管(4-3)后端為母扣并與水便外管(5-3)前端公扣采用絲扣連接。

【專利技術屬性】
技術研發人員：王建強，王力，黃寒靜，金新，管強盛，陳洪巖，曹小軍，
申請(專利權)人：中煤科工西安研究院集團有限公司，
類型：發明
國別省市：

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