专利名称：一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具及其施工方法。
背景技术：
煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔是在风巷内向煤层顶板或在高位钻场内沿顶板施 工的钻孔，主要用于抽采顶板裂隙带、部分采空区、受采空区影响的上覆邻近层的瓦斯，所 依据的理论基础是卸压抽采。顶板定向长钻孔抽采瓦斯具有抽采周期长、抽采量大的优点， 是解决工作面瓦斯问题、上隅角和回风流中瓦斯超限的主要措施，同时能够使采空区大量 瓦斯得到回收利用，带来可观的经济和社会效益。煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔常用施工方法有两种孔底稳定组合钻具钻进和单 弯螺杆马达钻进。孔底稳定组合钻具由钻头、稳定器和钻杆组成，为达到控制钻孔轨迹的目 的，须在前端钻杆上配置3 5个稳定器。施钻时根据钻孔设计轨迹通过调整稳定器的数 量及安装位置来改变钻头在孔内受力状态，以实现向上、向下、保直的定向效果。孔底稳定 组合钻具施工顶板瓦斯抽采定向长钻孔存在的主要问题是钻孔轨迹方位不可控，倾角控 制精度低；坚固性系数f值大于6. 5的硬岩层中钻进效率低，成孔速度慢。单弯螺杆马达钻 具组合由钻头、单弯螺杆马达、随钻测量单元、钻杆组成，通过调整单弯螺杆马达弯头的朝 向(即工具面向角)来控制钻孔轨迹的延伸方向。单弯螺杆马达滑动钻进形成的钻孔轨 迹理论上为空间弧形曲线，其倾角、方位角连续变化，实钻时每钻进一段距离(通常为3米 或6米，特殊情况下可更长)需调整一次单弯螺杆马达弯头的朝向，以使实钻轨迹围绕设计 轨迹延伸，钻孔设计轨迹为直线时也须如此。单弯螺杆马达施工顶板瓦斯抽采定向长钻孔 存在的主要问题是坚固性系数f值大于6. 5的硬岩层中钻进效率低，成孔速度慢；实钻过 程中轨迹定向控制工作量大，辅助操作时间长。
发明内容
本发明的目的是针对上述两种常用的施工煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔钻进方 法存在的不足坚固性系数￡值> 6. 5的硬岩层中钻进效率低，钻孔轨迹方位不可控、倾角 控制精度低，实钻轨迹定向控制工作量大、辅助操作时间长，提供了一种施工煤层顶板瓦斯 抽采定向长钻孔的钻具及其施工方法。为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案
一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具，包括下无磁钻杆、随钻测量单元、上无磁钻 杆、通缆式钻杆、流体输送器、通讯电缆、孔口监视器，所述的通缆式钻杆的钻杆柱下端均依 次设置上无磁钻杆、随钻测量单元、下无磁钻杆，下无磁钻杆的下端分别连接有潜孔锤变丝 接头或螺杆马达变丝接头，潜孔锤变丝接头的下端依次连接气动潜孔锤、潜孔锤钻头，螺杆 马达变丝接头的下端依次连接弯外管螺杆马达、胎体式PDC钻头；所述的通缆式钻杆的上 端设置流体输送器，流体输送器通过高压水管与泥浆泵或空压机连通；所述的通缆式钻杆 的顶端通过通讯电缆与孔口监视器连接。
一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具的施工方法，通过以下步骤实现
a.根据煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔设计轨迹倾角、方位角的变化情况将钻孔轨迹分 段倾角和方位角均不变的为直线型孔段，倾角和方位角中只要有一个是变化的为曲线型 孔段；
b.钻进直线型孔段时首先下入气动潜孔锤钻具组合实施冲击回转钻进工艺，钻进过程 中随钻测量单元根据需要不断地测量钻孔参数，孔口监视器实时显示实钻轨迹与设计轨迹 信息，当实钻轨迹倾角或方位角偏离设计值超过4°时则停止钻进，提钻更换钻具组合，下 入单弯螺杆马达钻具组合，实施滑动定向钻进工艺纠正实钻轨迹的延伸方向，实钻轨迹回 归正常后更换钻具组合，再次下入气动潜孔锤钻具组合继续实施冲击回转钻进工艺，根据 需要重复更换钻具组合的操作；
c.钻进直线型孔段时，在地层坚固性系数f值小于6.5的地层中，如果气动潜孔锤冲击 回转钻进进尺不足150米钻孔轨迹下斜就已超过4°则提钻更换钻具组合，改用单弯螺杆 马达钻具组合以滑动定向钻进工艺施工直线型孔段；
d.钻进曲线型孔段时下入单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进，严格控制实钻轨 迹围绕设计轨迹延伸，保证实钻轨迹与设计轨迹之间的偏差距离不大于1. 5m ；
e.利用单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进时，控制倾角、方位角变化率 ^ 1° /3m，避免实钻轨迹过于弯曲，保证实钻孔眼轨迹平滑，降低钻具回转、滑动的阻力。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在
1、本发明通过将煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔设计轨迹分为不同性质的孔段，并采用 两种不同钻具组合和钻进工艺方法分段、交替施工直线型孔段以气动潜孔锤钻进组合实 施冲击回转钻进为主，单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进为辅；曲线段以单弯螺杆 马达钻具组合实施滑动定向钻进。分段、交替施工充分发挥了冲击回转钻进和滑动定向钻 进工艺的技术优势气动潜孔锤冲击回转钻进技术以冲击动载和回转切削共同作用破碎岩 石，因冲击载荷产生的破碎应力大、岩石以体积破碎为主而使钻速加快，特别是在坚固性系 数f值大于6. 5的硬岩层中能显著提高钻进效率；单弯螺杆马达滑动定向钻进能够实现钻 孔轨迹的准确控制。该方法与现有技术方法相比综合钻进效率可提高2 5倍，成孔速度 提高1 2倍。2、本发明利用两种不同钻具组合、钻进工艺方法分段、交替施工煤层顶板瓦斯抽 采定向长钻孔，两种钻进工艺方法与对应孔段特点相适应不具备定向功能的气动潜孔锤 冲击回转钻进工艺方法施工非定向直线型孔段，具备定向功能的单弯螺杆马达钻具以滑动 定向钻进方式施工曲线型孔段及直线型孔段的纠斜段，实现准确控制钻孔轨迹的同时大幅 减少定向控制工作量、降低控制钻孔轨迹的难度。附图及
图1是本发明的钻具实施例1的组合连接示意图； 图2是本发明的钻具实施例2的组合连接示意图； 图3是煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔水平面设计轨迹示例图。
1-潜孔锤钻头，2-胎体式PDC钻头，3-气动潜孔锤，4-单弯螺杆马达，5_潜孔锤变丝接头，6-螺杆马达变丝接头，7-下无磁钻杆，8-随钻测量单元，9-上无磁钻杆，10-通缆式 钻杆，11-流体输送器，12-通讯电缆，13-高压水管，14-泥浆泵，15-孔口监视器，16-空压 机。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细说明。参见图1，实施例1，本发明包括下无磁钻杆7、随钻测量单元8、上无磁钻杆9、通缆 式钻杆10、流体输送器11、通讯电缆12、孔口监视器15，所述的通缆式钻杆10的钻杆柱下 端均依次设置上无磁钻杆9、随钻测量单元8、下无磁钻杆7，下无磁钻杆7的下端分别连接 有潜孔锤变丝接头5，潜孔锤变丝接头5的下端依次连接气动潜孔锤3、潜孔锤钻头1 ；所述 的通缆式钻杆10的上端设置流体输送器11，流体输送器11通过高压水管13与空压机16 连通；所述的通缆式钻杆10的顶端通过通讯电缆12与孔口监视器15连接。参见图2，实施例2，本发明包括下无磁钻杆7、随钻测量单元8、上无磁钻杆9、通缆 式钻杆10、流体输送器11、通讯电缆12、孔口监视器15，所述的通缆式钻杆10的钻杆柱下 端均依次设置上无磁钻杆9、随钻测量单元8、下无磁钻杆7，下无磁钻杆7的下端分别连接 有螺杆马达变丝接头6，螺杆马达变丝接头6的下端依次连接弯外管螺杆马达4、胎体式PDC 钻头2 ；所述的通缆式钻杆10的上端设置流体输送器11，流体输送器11通过高压水管13 与泥浆泵14连通；所述的通缆式钻杆10的顶端通过通讯电缆12与孔口监视器15连接。本发明的施工方法，通过以下步骤实现
a.根据煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔设计轨迹倾角、方位角的变化情况将钻孔轨迹分 段倾角和方位角均不变的为直线型孔段，倾角和方位角中只要有一个是变化的为曲线型 孔段。b.钻进直线型孔段时首先下入气动潜孔锤钻具组合实施冲击回转钻进工艺，钻进 过程中随钻测量单元8根据需要不断地测量钻孔参数，孔口监视器15实时显示实钻轨迹 与设计轨迹信息，当实钻轨迹倾角或方位角偏离设计值超过4°时则停止钻进，提钻更换钻 具组合，下入单弯螺杆马达钻具组合，实施滑动定向钻进工艺纠正实钻轨迹的延伸方向，实 钻轨迹回归正常后更换钻具组合，再次下入气动潜孔锤钻具组合继续实施冲击回转钻进工 艺，根据需要重复更换钻具组合的操作。c.钻进直线型孔段时，在地层坚固性系数f值小于6. 5的地层中，如果气动潜孔锤 冲击回转钻进进尺不足150米钻孔轨迹下斜就已超过4°则提钻更换钻具组合，改用单弯 螺杆马达钻具组合以滑动定向钻进工艺施工直线型孔段。d.钻进曲线型孔段时下入单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进，严格控制实 钻轨迹围绕设计轨迹延伸，保证实钻轨迹与设计轨迹之间的偏差距离不大于1. 5m。e.利用单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进时，控制倾角、方位角变化率 ^ 1° /3m，避免实钻轨迹过于弯曲，保证实钻孔眼轨迹平滑，降低钻具回转、滑动的阻力。煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔钻场(包括顶板高位钻场、巷道钻场)开拓完 成、钻进设备运抵现场后，在设备安装稳固前需仔细研究该钻场所布置的各个钻孔的设计 资料，重点掌握钻孔设计轨迹，包括设计轨迹倾角和方位角变化情况、开孔角度等。参见图3，顶板高位钻场设计了 3个钻孔，编号为1#、姊、3#，其中1#和3#钻孔水 平面设计轨迹为直线段+曲线段+直线段组合，姊钻孔水平面设计轨迹为单一直线。巷道钻场设计了 2个斜向顶板钻孔，编号为4#、5#，钻孔水平面设计轨迹均为单一直线。1#和3# 钻孔的具体施工过程相同，2#、4#和5#钻孔的具体施工过程相同，下面以1#钻孔为例加以 说明。详细了解钻孔的设计轨迹后，根据设计开孔角度稳固钻机，合理摆放附属钻进设备， 按常规方式开孔并安装孔口瓦斯抽采管路。施工第一段直线型孔段时首先下入气动潜孔锤 钻具组合，钻进过程中每隔:3m或6m测量一次钻孔参数，并比较实钻轨迹与设计轨迹之间偏 差情况。由于钻具自重作用，潜孔锤冲击回转钻进时钻孔轨迹具有下斜趋势，试验及现场实 钻表明不同岩性的顶板地层、不同钻进参数条件下钻孔轨迹下斜的速度不同，不同煤矿区 需因地制宜在实钻过程中不断摸索总结。如果在施工直线型孔段过程中实钻轨迹的倾角 或方位角与设计值偏差超过4°则停止钻进更换钻具组合，下入单弯螺杆马达钻具组合实 施滑动定向钻进来纠正实钻轨迹的延伸方向，使其轨迹回归正常，并可根据具体情况考虑 预留2° 3°正倾角以抵消重力作用引起的下斜效应，重新下入气动潜孔锤钻具组合。在 地层坚固性系数f值小于6. 5的地层中，如果气动潜孔锤冲击回转钻进进尺不足150米钻 孔轨迹下斜就已超过4°则改用单弯螺杆马达钻具组合以滑动定向钻进方式施工直线型孔 段。直线孔段施工完成后，提钻下入单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进，并根据随钻 测量结果严格控制实钻轨迹，使之围绕设计轨迹延伸，避免倾角、方位角大幅度变化，控制 倾角、方位角变化率/3m，保证实钻孔眼轨迹平滑，降低钻具回转、滑动的阻力。曲线 型孔段施工完成后提钻更换钻具组合，如前所述方式施工第二段直线型孔段。
2#、4#和5#钻孔的具体施工过程与1#直线型孔段的施工过程相同，在垂直面
上轨迹控制原理如附图3所示，以气动潜孔锤冲击回转钻进为主，单弯螺杆马达滑动定向 钻进为辅，交替、轮换施工。
权利要求
1.一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具，其特征在于包括下无磁钻杆(7)、随钻 测量单元(8)、上无磁钻杆(9)、通缆式钻杆(10)、流体输送器(11)、通讯电缆(12)、孔口监 视器(15)，所述的通缆式钻杆(10)的钻杆柱下端均依次设置上无磁钻杆(9)、随钻测量单 元(8)、下无磁钻杆(7)，下无磁钻杆(7)的下端分别连接有潜孔锤变丝接头( 或螺杆马 达变丝接头(6)，潜孔锤变丝接头(5)的下端依次连接气动潜孔锤(3)、潜孔锤钻头(1)，螺 杆马达变丝接头(6)的下端依次连接弯外管螺杆马达G)、胎体式PDC钻头O)；所述的通 缆式钻杆(10)的上端设置流体输送器(11)，流体输送器(11)通过高压水管(1 与泥浆 泵(14)或空压机(16)连通；所述的通缆式钻杆(10)的顶端通过通讯电缆(1 与孔口监 视器(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具的施工方法，其特 征在于通过以下步骤实现a.根据煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔设计轨迹倾角、方位角的变化情况将钻孔轨迹分 段倾角和方位角均不变的为直线型孔段，倾角和方位角中只要有一个是变化的为曲线型 孔段；b.钻进直线型孔段时首先下入气动潜孔锤钻具组合实施冲击回转钻进工艺，钻进过程 中随钻测量单元(8)根据需要不断地测量钻孔参数，孔口监视器(15)实时显示实钻轨迹 与设计轨迹信息，当实钻轨迹倾角或方位角偏离设计值超过4°时则停止钻进，提钻更换钻 具组合，下入单弯螺杆马达钻具组合，实施滑动定向钻进工艺纠正实钻轨迹的延伸方向，实 钻轨迹回归正常后更换钻具组合，再次下入气动潜孔锤钻具组合继续实施冲击回转钻进工 艺，根据需要重复更换钻具组合的操作；c.钻进直线型孔段时，在地层坚固性系数f值小于6.5的地层中，如果气动潜孔锤冲击 回转钻进进尺不足150米钻孔轨迹下斜就已超过4°则提钻更换钻具组合，改用单弯螺杆 马达钻具组合以滑动定向钻进工艺施工直线型孔段；d.钻进曲线型孔段时下入单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进，严格控制实钻轨 迹围绕设计轨迹延伸，保证实钻轨迹与设计轨迹之间的偏差距离不大于1. 5m ；e.利用单弯螺杆马达钻具组合实施滑动定向钻进时，控制倾角、方位角变化率 ^ 1° /3m，避免实钻轨迹过于弯曲，保证实钻孔眼轨迹平滑，降低钻具回转、滑动的阻力。
全文摘要
本发明涉及一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具及其施工方法。本发明包括下无磁钻杆、随钻测量单元、上无磁钻杆、通缆式钻杆、流体输送器、通讯电缆、孔口监视器，通缆式钻杆的钻杆柱下端均依次设置上无磁钻杆、随钻测量单元、下无磁钻杆，下无磁钻杆的下端分别连接有潜孔锤变丝接头或螺杆马达变丝接头，潜孔锤变丝接头的下端依次连接气动潜孔锤、潜孔锤钻头，螺杆马达变丝接头的下端依次连接弯外管螺杆马达、胎体式PDC钻头；通缆式钻杆的上端设置流体输送器，流体输送器通过高压水管与泥浆泵或空压机连通；通缆式钻杆的顶端通过通讯电缆与孔口监视器连接。本发明采用两种不同钻具组合和钻进工艺方法分段、交替施工，显著提高钻进效率。
文档编号E21B4/12GK102134965SQ201110026908
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者刘建林, 曹明, 白公正, 石智军, 赵永哲, 韩仕洲 申请人:煤炭科学研究总院西安研究院