松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備及其鉆進工藝的制作方法
【專利摘要】松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，包括鉆機、主動雙壁鉆桿、雙通道氣水龍頭、鉆頭以及空壓機，所述鉆機上設(shè)有動力頭，所述主動雙壁鉆桿貫穿動力頭安裝，主動雙壁鉆桿一端的內(nèi)管通過雙通道氣水龍頭與膠管相連通，所述膠管末端連接有煤粉接收裝置，所述雙通道氣水龍頭上設(shè)有與主動雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)形通道相通的氣盒子，所述氣盒子通過氣管與空壓機相連，主動雙壁鉆桿的另一端連接有鉆頭。本發(fā)明最大限度地減少了對煤層的擾動，有效的防止了孔內(nèi)坍塌的發(fā)生，也就避免了卡鉆事故的頻繁發(fā)生；不存在瓦斯聚集的情況，因而有效避免噴孔現(xiàn)象的發(fā)生；生產(chǎn)成本低，且有效改善了施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境；實現(xiàn)一種鉆桿同時在坍塌和縮徑地層中鉆進。
【專利說明】松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備及其鉆進工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地質(zhì)鉆探【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備及其鉆進工藝。

【背景技術(shù)】
[0002]松軟突出煤層在我國可采煤層中占有很大比例。在松軟突出煤層中鉆孔，尤其是地應(yīng)力高的區(qū)域，容易出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔成孔率低、成孔深度淺，鉆孔施工困難。目前針對松軟突出煤層最先進的工藝方法是由煤炭研究總院西安研究院研發(fā)的中風(fēng)壓空氣鉆進技術(shù)。
[0003]中風(fēng)壓空氣鉆進技術(shù)是利用獨立鉆進供風(fēng)系統(tǒng)，對鉆進過程供以中風(fēng)壓(I?1.3MPa)大排量(17m3/min)的壓縮空氣，再配以寬葉螺旋鉆桿，擾動沉積在鉆孔底部的煤粉，減少卡鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生，并具有一定自處理事故的能力；配以大通孔鉆桿，以利于瓦斯抽排管的置入，從而解決縮徑地層瓦斯抽排管難以置入的問題。該技術(shù)對解決松軟突出煤層的鉆進問題起到一定作用，但仍存在如下不足之處:
[0004]1、需配置中風(fēng)壓大風(fēng)量空壓機，消耗動力大，設(shè)備占用空間大，施工成本高；
[0005]2、對于坍塌地層和縮徑地層要用兩種鉆桿，成本高，并且難以處理既坍塌又縮徑的地層；
[0006]3、由于仍為正循環(huán)鉆進，大量煤粉從鉆桿與孔壁間的間隙涌出，一方面對鉆桿產(chǎn)生較大的磨損，另一方面對于坍塌和縮徑地層容易封堵煤粉通道，需用較大的扭矩和較高的空氣壓力與風(fēng)量來打通煤粉通道；
[0007]4、孔壁間隙因塌孔和縮徑而堵塞，即使用螺旋鉆桿也不可能即刻疏通上返通道，一旦煤層中瓦斯大量釋放，就會聚集于堵塞處，當(dāng)瓦斯的釋放量和釋放壓力達(dá)到一定程度時，噴孔現(xiàn)象將不可避免；
[0008]5、由于正循環(huán)鉆進，煤粉從孔口排出，收集處理困難，無法有效改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備及其鉆進工藝，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0010]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0011]松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，包括鉆機、主動雙壁鉆桿、雙通道氣水龍頭、鉆頭以及空壓機，所述鉆機上設(shè)有動力頭，所述主動雙壁鉆桿貫穿動力頭安裝，主動雙壁鉆桿一端的內(nèi)管通過雙通道氣水龍頭與膠管相連通，所述膠管末端連接有煤粉接收裝置(集塵器)，所述雙通道氣水龍頭上設(shè)有與主動雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)形通道相通的氣盒子，所述氣盒子通過氣管與空壓機相連，主動雙壁鉆桿的另一端連接有鉆頭，隨著鉆頭的不斷鉆入地層，在主動雙壁鉆桿和鉆頭之間不斷地加接從動雙壁鉆桿，直至成孔。
[0012]進一步的，雙壁鉆桿的管體與其接頭均采用高級合金鋼制成，管體兩端加厚再與接頭摩擦焊接，外管為外徑為Φ73πιπι的外平式結(jié)構(gòu)，外管扣型為錐度的梯型扣，內(nèi)管通徑為Φ36_。這里只述及一種結(jié)構(gòu)形式的雙壁鉆桿來實現(xiàn)本發(fā)明的鉆進工藝，可使用不同結(jié)構(gòu)形式的雙壁鉆桿，但適用這種鉆進工藝的雙壁鉆桿的技術(shù)特征是外管的外平式結(jié)構(gòu)，其目的是減小鉆桿在給進和起拔時的阻力，及減小鉆桿對地層的擾動。
[0013]進一步的，所述鉆頭內(nèi)徑不大于內(nèi)管通徑，鉆頭內(nèi)設(shè)有內(nèi)出刃，為利于將煤粉導(dǎo)入內(nèi)管鉆頭底部設(shè)置為喇叭狀，鉆頭外出刃大于雙壁鉆桿的外徑。
[0014]進一步的，雙通道氣水龍頭的外殼與動力頭固定連接，且雙通道氣水龍頭同主動雙壁鉆桿密封連接。
[0015]進一步的，所述空壓機的壓力為0.8MPa，排量為4m3/min，連接氣盒子和空壓機之間的氣管上連接有用于向壓縮空氣中注入泡沫液的泡沫泵。在壓縮空氣中注入泡沫，有助于提高壓縮空氣攜帶煤粉的能力，同時能防止進入煤粉接收裝置的粉塵擴散到空中而形成污染。
[0016]進一步的，使用內(nèi)管取出的雙壁鉆桿，在成孔后取出內(nèi)管和連接在內(nèi)管上的鉆頭，以便下入瓦斯抽排管或割縫管，進行后續(xù)瓦斯抽排工序。
[0017]松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備的鉆進工藝，包括如下步驟:
[0018]1、空壓機輸出的壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鉆桿的環(huán)形通道中，再沿著環(huán)形通道通過鉆頭到達(dá)孔底；必要時，通過泡沫泵向空壓機輸出的壓縮空氣注入泡沫；其中壓縮空氣可以由泥漿或清水取代；
[0019]2、在開孔段因雙壁鉆桿與孔壁間阻力較小，空氣攜帶煤粉大部分從孔壁間隙返出，小部分從內(nèi)管返出；隨著孔深加大，雙壁鉆桿與孔壁間阻力也加大，空氣攜帶煤粉從孔壁間隙返出越來越少，從內(nèi)管返出越來越多，孔深到達(dá)5?8米時空氣攜帶煤粉全部從內(nèi)管返出；
[0020]3、從內(nèi)管返出的煤粉通過雙通道氣水龍頭通孔，再通過膠管進入煤粉接收裝置中。
[0021]反循環(huán)鉆進是相對正循環(huán)而言的，利用雙壁鉆桿進行鉆進，壓縮空氣或沖洗液(沖洗介質(zhì))從內(nèi)外管間環(huán)形通道送入孔底，再攜帶巖粉或煤粉從內(nèi)管中返出地面的一種鉆進方法。很好地解決了復(fù)雜地層鉆進和取樣問題。
[0022]本發(fā)明應(yīng)用于松軟突出煤層的瓦斯抽排工程，將會大大提高鉆進效率，提高成孔率，同時配合高壓水割縫技術(shù)，必將成為解決松軟突出煤層瓦斯抽排問題的有效方法，必將產(chǎn)生無可估量的經(jīng)濟效益，對推動能源技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展具有重大的社會效益。
[0023]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0024]1、由于沖洗介質(zhì)從內(nèi)管返出，而不是像正循環(huán)那樣由孔壁間隙返出，因而最大限度地減少了對煤層的擾動，有效的防止了孔內(nèi)坍塌的發(fā)生，也就避免了卡鉆事故的頻繁發(fā)生；
[0025]2、鉆進過程中孔底釋放的大量瓦斯可由通暢的內(nèi)管通道返出，沿孔壁滲出的瓦斯通過穩(wěn)定的通暢的孔壁間隙順暢地排出，不存在瓦斯聚集的情況，因而有效避免噴孔現(xiàn)象的發(fā)生；
[0026]3、由于沖洗介質(zhì)從內(nèi)管返出，內(nèi)管光滑且管徑一致，因而沖洗介質(zhì)的壓力損失小且恒定，又因為過流斷面要比正循環(huán)鉆進時的孔壁間隙小得多，所以滿足煤粉排出地面所需的沖洗液壓力和排量都相對較小，因而可用較小的空壓機或泥漿泵，使設(shè)備投資成本降低；
[0027]4、因為孔壁穩(wěn)定，坍塌少，鉆桿與孔壁摩擦力減小，因而所需鉆機的扭矩和起拔力都減小，從而減少了鉆機投資；
[0028]5、由于沖洗介質(zhì)從內(nèi)管返出，可以通過膠管直接導(dǎo)入煤粉接收裝置，無需孔口捕塵裝置，有效改善了施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境；
[0029]6、對于縮徑地層，鉆進結(jié)束后，可將內(nèi)管拔出，再下入瓦斯抽排管或割縫管，起到與大通孔鉆桿同樣的作用，實現(xiàn)一種鉆桿同時在坍塌和縮徑地層中鉆進。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

【具體實施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的實現(xiàn)技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。
[0032]如圖1所示，松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，包括鉆機1、雙壁鉆桿2、雙通道氣水龍頭7、鉆頭4以及空壓機3，所述鉆機I上設(shè)有動力頭6，所述雙壁鉆桿2貫穿動力頭6安裝，雙壁鉆桿2 —端的內(nèi)管通過雙通道氣水龍頭7與膠管10相連通，所述膠管10末端連接有煤粉接收裝置5，所述雙通道氣水龍頭7上設(shè)有與雙壁鉆桿2內(nèi)外管環(huán)形通道相通的氣盒子8，所述氣盒子8通過氣管與空壓機3相連，雙壁鉆桿2的另一端連接有鉆頭4。
[0033]為盡量減小卡鉆的可能性，將雙壁鉆桿2外管設(shè)計成外平式結(jié)構(gòu)；為配合煤礦主流鉆機，鉆桿外徑為Φ73_;為在有限的鉆桿截面上達(dá)到盡可能高的連接強度，外管扣型為錐度的梯型扣；為承受更大的扭力和起拔力，用高級合金鋼加工鉆桿接頭和管體；管體兩端加厚再與接頭摩擦焊接，以提高焊接處的強度；在保證內(nèi)外管環(huán)形通道和內(nèi)管強度的同時，盡可能地加大內(nèi)管通徑，擬定內(nèi)管通徑為36_。
[0034]鉆頭4的外徑和外出刃的大小與反循環(huán)形成的效果和鉆桿2與孔壁的摩擦力有關(guān)。鉆頭4的外徑和外出刃越大，孔壁間隙越大，則鉆桿2回轉(zhuǎn)阻力越小，但越不容易形成反循環(huán)，且鉆頭的起拔力越大；鉆頭的外徑和外出刃越小，孔壁間隙越小，則鉆桿2回轉(zhuǎn)阻力越大，越容易形成反循環(huán)。所以要通過試驗確定適合松軟突出煤層的鉆頭4直徑和外出刃。為便于煤粉進入內(nèi)管，鉆頭4內(nèi)徑設(shè)計成與內(nèi)管通徑相同，如需下入割縫管，則用較小的內(nèi)出刃。為利于將煤粉導(dǎo)入內(nèi)管鉆頭底部設(shè)置為喇叭狀，鉆頭4外出刃大于雙壁鉆桿2的外徑有利于提高鉆進效率。
[0035]雙通道氣水龍頭7與雙壁鉆桿2連接，其作用是將沖洗介質(zhì)導(dǎo)入到鉆桿2的內(nèi)外管環(huán)形通道中。雙通道氣水龍頭的7外殼與動力頭6固定，芯軸轉(zhuǎn)動，要有可靠且壽命長的密封結(jié)構(gòu)，以保證鉆進工作的正常進行。
[0036]本發(fā)明不局限于水平鉆孔，向上、向下傾斜或垂直鉆孔均適用。
[0037]松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備的鉆進工藝，包括如下步驟:
[0038]1、通過泡沫泵9向空壓機3輸出的壓縮空氣注入泡沫，注入泡沫壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鉆桿2的環(huán)形通道中，再沿著環(huán)形通道通過鉆頭4到達(dá)孔底；其中壓縮空氣可以由泥漿或清水取代；
[0039]2、在開孔段因雙壁鉆桿2與孔壁間阻力較小，空氣攜帶煤粉大部分從孔壁間隙返出，小部分從內(nèi)管返出；隨著孔深加大，雙壁鉆桿2與孔壁間阻力也加大，空氣攜帶煤粉從孔壁間隙返出越來越少，從內(nèi)管返出越來越多，孔深到達(dá)5?8米時空氣攜帶煤粉全部從內(nèi)管返出；
[0040]3、從內(nèi)管返出的煤粉通過雙通道氣水龍頭7通孔，再通過膠管10進入煤粉接收裝置中。
[0041]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明的要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，包括鉆機、主動雙壁鉆桿、雙通道氣水龍頭、鉆頭以及空壓機，其特征是:所述鉆機上設(shè)有動力頭，所述主動雙壁鉆桿貫穿動力頭安裝，主動雙壁鉆桿一端的內(nèi)管通過雙通道氣水龍頭與膠管相連通，所述膠管末端連接有煤粉接收裝置，所述雙通道氣水龍頭上設(shè)有與主動雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)形通道相通的氣盒子，所述氣盒子通過氣管與空壓機相連，主動雙壁鉆桿的另一端連接有鉆頭，隨著鉆頭的不斷鉆入地層，在主動雙壁鉆桿和鉆頭之間不斷地加接從動雙壁鉆桿，直至成孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，其特征是:雙壁鉆桿的管體與其接頭均采用高級合金鋼制成，管體兩端加厚再與接頭摩擦焊接，外管為外徑為Φ 73mm的外平式結(jié)構(gòu)，外管扣型為錐度的梯型扣，內(nèi)管通徑為Φ36πιπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，其特征是:所述鉆頭內(nèi)徑不大于內(nèi)管通徑，鉆頭內(nèi)設(shè)有內(nèi)出刃，為利于將煤粉導(dǎo)入內(nèi)管鉆頭底部設(shè)置為喇叭狀，鉆頭外出刃大于雙壁鉆桿的外徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，其特征是:雙通道氣水龍頭的外殼與動力頭固定連接，且雙通道氣水龍頭同主動雙壁鉆桿密封連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，其特征是:所述空壓機的壓力為0.8MPa，排量為4m3/min，連接氣盒子和空壓機之間的氣管上連接有用于向壓縮空氣中注入泡沫液的泡沫泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備，其特征是:使用內(nèi)管可取出的雙壁鉆桿，在成孔后取出內(nèi)管和連接在內(nèi)管上的鉆頭，以便下入瓦斯抽排管或割縫管，進行后續(xù)瓦斯抽排工序。
7.松軟突出煤層反循環(huán)鉆進設(shè)備的鉆進工藝，其特征是:包括如下步驟: (1)空壓機輸出的壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鉆桿的環(huán)形通道中，再沿著環(huán)形通道通過鉆頭到達(dá)孔底； (2)在開孔段因雙壁鉆桿與孔壁間阻力較小，空氣攜帶煤粉大部分從孔壁間隙返出，小部分從內(nèi)管返出；隨著孔深加大，雙壁鉆桿與孔壁間阻力也加大，空氣攜帶煤粉從孔壁間隙返出越來越少，從內(nèi)管返出越來越多，孔深到達(dá)5?8米時空氣攜帶煤粉全部從內(nèi)管返出； (3)從內(nèi)管返出的煤粉通過雙通道氣水龍頭通孔，再通過膠管進入煤粉接收裝置中。
【文檔編號】E21B21/14GK104514487SQ201310455280
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】周升風(fēng) 申請人:周升風(fēng)