专利名称：松软煤岩层钻固一体化装置与方法
技术领域：
本发明涉及煤层气开发技术领域，尤其涉及松软煤岩层钻进成孔技术。
背景技术：
煤层气与瓦斯气体的基本成分相同，两者主要成份均为甲烷气体。从煤矿安全角度，瓦斯是一种有害的气体。为了避免煤炭开采过程中由于瓦斯带来的各种事故，人们尝试了水力挤出、水力压裂、松动爆破、开采保护层等各种技术措施。其中，井下千米长钻孔技术因其钻孔数量少、影响范围大、工程量少等优点在井下瓦斯治理中发挥着越来越重要的作用。从煤层气开发的角度，甲烷气体是一种洁净能源，为了利用这种能源，人们采用了井下瓦斯抽采、地面煤层气开发、井上下联合抽采等多种工艺技术手段。在一些煤层厚度较大、 煤层气含量较多、地面建筑物较多、地面施工难度相对较大的地区，水平井技术因其钻井数量少、单井产气量高、总体开发成本低、产气周期短等特点成为这些地区煤层气开发的主要方式之一。井下千米长钻孔抽放瓦斯和地面水平井开发抽采煤层气共同的特点就是都需要进行钻孔。中国成煤环境的复杂性、构造运动的多期性导致了各个地区的煤层或多或少都发生了一定的变形，加上煤层本身岩石力学强度不大，钻进过程中能否解决塌孔问题而顺利成孔直接决定着井下瓦斯抽采效果和地面煤层气开发的成败。为了回避在煤层中进行钻孔成孔难的技术问题，逐渐延伸出在岩层中进行钻孔的技术。在岩层中钻孔的缺陷一方面是钻进效率低；另一方面是若遇到构造运动引起的岩层破碎带，就会面临塌孔的危险。因此，能否解决松软煤岩层中钻进过程中塌孔的问题，是进行井下瓦斯抽放、地面水平井成功开发、提高抽采效果的首要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种松软煤岩层钻固一体化装置以解决松软煤岩层钻进成孔过程中的塌孔问题。为实现上述目的，本发明的松软煤岩层钻固一体化装置包括钻杆，钻杆与外置动力机构传动连接，还包括有轮廓呈圆台状的挤压螺旋体，挤压螺旋体直径较大的一端为其后端并固定连接在所述钻杆前端，所述挤压螺旋体直径较小的一端为其前端并设有钻头， 钻头直径与所述挤压螺旋体的前端直径相同。所述钻杆为空心钻杆，钻杆前端滑动穿设有两个扩径体，钻杆内设有与外置动力机构传动连接的转轴；所述钻杆内部前端通过固定体设有轴承，轴承内设有连接体，连接体通过离合装置与所述转轴传动连接；所述连接体两侧分别啮合传动连接有一个三角楔，所述两个三角楔的外侧分别与一所述的扩径体顶压配合；所述钻杆上径向凹陷设有环状凹槽，所述环状凹槽沿钻杆长度方向至少设有一个；各环状凹槽内皆设有支撑结构；各环状凹槽处的钻杆上设有轴承，轴承上设有用于推动所述支撑结构的推杆，轴承内设有固定体， 固定体通过离合装置与所述转轴传动连接。所述钻杆内壁上于所述各扩径体的两侧处设有控位槽；所述三角楔上设有磁铁。
所述支撑结构包括两个以上的支撑弧片，所述两个以上的支撑弧片首尾处循环叠置形成筒状结构，各支撑弧片的头端处和尾端处对应设有相互适配的卡接定位结构；所述各环状凹槽处的轴承上均设有用于推动所述各支撑弧片的推杆，所述推杆的数目与所述支撑弧片的数目相同且位置相对应。所述支撑弧片的数目为四个，所述卡接定位结构为相互适配的凸起和凹槽，所述凸起设在各支撑弧片的头端或尾端，所述凹槽与所述凸起相对应设在各支撑弧片的尾端或头端，所述各支撑弧片的头端和尾端处的厚度为支撑弧片中部厚度的一半。所述离合装置包括转体和固连在转轴前端的转子，转体内设有与所述转子相适配的方孔；所述连接体处的离合装置的转体固定连接在所述连接体内；所述环状凹槽处的离合装置的转体与该处的固定体固定连接。三角楔处的转体后方的钻杆内设有控位装置，各环状凹槽处的转体的前、后两个方向的钻杆内均设有控位装置；
所述控位装置包括设在钻杆内壁上的轴承，轴承内均勻连接有四根弹簧，相邻弹簧间的夹角为90度；各弹簧上均设有控制体，控制体的轮廓呈圆台形且各控制体直径较大的一端朝向钻杆内壁。所述钻头前端镶嵌有金钢石颗粒，所述挤压螺旋体的侧面上设有挤压螺纹，挤压螺纹处镶嵌有金钢石颗粒，所述扩径体的外端镶嵌有金钢石颗粒。本发明具有如下的优点
1.钻进时，钻杆带动挤压螺旋体和钻头一体转动，由于挤压螺旋体前端直径小而后端直径大，因此在钻进过程中能够对钻孔周边的煤体(或岩体)进行挤压，使钻孔处的煤体由较为松软的状态被挤压成较为固实的状态，从而解决因煤层太软而导致的塌孔问题，大大提高了钻孔的成孔率、降低了开发成本，为后续瓦斯抽采和煤层气开发提供重要的保障。2.扩径体等的设置能够对钻孔进行扩径从而形成钻孔扩径段；支撑结构能够在推杆的推动下旋转扩径，从而对钻孔扩径段进行支撑。支撑结构的作用是将已钻好的孔支撑起来，进一步防止孔的坍塌。3.控位槽的设置能够对扩径体进行限位，使其只能在控制槽内移动，从而防止扩径体的晃动过于剧烈，使其更好地工作。磁铁的作用是完成扩径后将扩径体吸回至钻杆内部。4.支撑结构的设置便于制造和使用，能够对钻孔扩径段起到良好的支撑作用。5.支撑弧片的数目为四个，既不会因数目过多带来制造和使用上的麻烦，也能够保证支撑后支撑弧片直径的扩大程度。卡接定位结构为相互适配的凸起和凹槽，结构简单， 便于制造和使用。所述各支撑弧片的头端和尾端处的厚度为支撑弧片中部厚度的一半，使得在相邻支撑弧片的凸起与凹槽相卡合后，该卡合部位的厚度与支撑弧片中部的厚度相同，这就使整个支撑结构更加平滑、减少支撑的难度、支撑效果更加稳定。支撑弧片支撑的过程如下转轴带动转子旋转、轴承带动钢筋旋转，推动一片支撑弧片运动，直到该片支撑弧片头端上的凸起进入相邻支撑弧片尾端上的凹槽后，该片支撑弧片不再运动。继续旋转直到四段支撑弧片均支撑起来。此时，支撑弧片支撑在扩径孔段，不会影响后期的继续钻进。6.离合装置结构简单，便于制造和使用，同时工作可靠。
7.控位装置的设置，一方面在转子插入转体前会受到阻力，从而使地面人员感知转子的具体位置，另一方面在转子插入转体后会阻挡转子从转体内脱出，从而使离合装置更便于操控，同时工作更加稳定可靠。8.金钢石颗粒镶嵌于各钻孔、挤压扩孔以及扩径部位，能够提高钻孔以及挤压扩孔、旋转扩径的效率，并延长上述各部位的使用寿命。本发明的第二个发明目的在于提供一种上述松软煤岩层钻固一体化装置的使用方法。为实现上述发明目的，本发明的松软煤岩层钻固一体化装置的钻孔方法依次按以下步骤施工(1)根据煤岩性特征组合选择钻头，测试包括松软煤岩层钻固一体化装置的各组成部件以及外置动力装置等设备，确保所述各设备能正常工作；(2)所述各设备就绪后，连接所述各设备；(3)将转子伸入扩径体处的转体内；(4)外置动力机构中设有用于带动所述转轴旋转的正反转电动机；在选好钻孔地点启动外置动力机构带动钻杆和钻头开始钻进，当钻至需要支撑井段以后，开启正反转电动机，使其通过转轴、转子和转体带动连接体旋转，连接体以啮合传动的方式带动三角楔移动，三角楔在移动中逐渐将扩径体顶压推送出钻杆，从而使钻杆带动扩径体旋转、对钻孔进行扩径；钻进一段与所述支撑弧片的长度相对应的距离后即在钻孔内形成钻孔扩径段，此时再使电动机反向旋转，收回所述扩径体， 然后关闭正反转电动机；(5)通过所述转轴将所述转子拉回至第一节支撑体处的转体内； (6)钻杆向前推进，使支撑体到达钻孔扩径段，开启正反转电动机，使其通过转子、转体、固定体和轴承带动所述轴承上的各推杆旋转，各推杆推动各支撑弧片旋转，使相邻支撑弧片头端和尾端处的凸起和凹槽卡扣在一起；此时各支撑弧片直径增加并首尾卡扣定位在一起从而形成筒状支撑结构，形成筒状支撑结构后关闭所述正反转电动机；(7)通过所述转轴将所述转子再次伸入到扩径系统的转体内；(8)重复步骤4到7，直到全部支撑弧片都形成筒状支撑结构后即最终完成钻孔工作。本发明的钻孔方法步骤简便，能够在一次钻进过程中实现钻孔、挤压扩孔和钻孔的扩径、支撑，有效解决了松软煤岩层钻进成孔过程中的塌孔问题，极大提高了松软煤岩层的钻孔成孔率。
图1是本发明的结构示意图； 图2是图1的A—A剖视图3是图1的B—B剖视图4是图1的C—C剖视图5是图1的D—D剖视图6是图1的E—E剖视图7是图1的F—F剖视图8是支撑弧片未脱离环状凹槽时的展开图9是支撑弧片脱离环状凹槽支撑起来后的展开图。
具体实施方式
本实施例中前向为钻头钻进方向。如图1所示，本发明的松软煤岩层钻固一体化装置包括钻杆8和轮廓呈圆台状的挤压螺旋体2，钻杆8与外置动力机构传动连接。所述挤压螺旋体2直径较大的一端为其后端并以螺接的方式固定连接在所述钻杆8前端，所述挤压螺旋体2直径较小的一端为其前端并设有钻头1 (所述钻头1最好与所述挤压螺旋体2 —体设置，钻头1也可以单独设置并固连在所述挤压螺旋体2前端)，钻头1直径与所述挤压螺旋体2的前端直径相同。如图1和图2所示，所述钻杆8为空心钻杆，钻杆8前端滑动穿设有两个扩径体6， 钻杆8内设有与外置动力机构传动连接的转轴16 ；所述钻杆8内部前端通过固定体4设有轴承5，轴承5内设有所述的连接体3，连接体3通过离合装置与所述转轴16传动连接。如图1图2和图3所示，所述连接体3两侧分别啮合传动连接有一个三角楔19，所述两个三角楔19的外侧分别与一所述的扩径体6顶压配合；所述钻杆8内壁上于所述各扩径体6的两侧处设有控位槽7，所述三角楔上设有磁铁10。如图1所示，所述钻杆8上径向凹陷设有环状凹槽21，所述环状凹槽21沿钻杆8长度方向至少设有一个(可根据钻孔需要选择钻杆8 的长度以及环状凹槽21设置的数目)；各环状凹槽21内皆设有支撑结构；如图1、图5和图 6所示，所述支撑结构包括两个以上的支撑弧片13 (每个支撑结构的支撑弧片13的数目最好如图5和图6所示为四个)，所述两个以上的支撑弧片13首尾处循环叠置形成筒状结构， 各支撑弧片13的头端处和尾端处对应设有相互适配的卡接定位结构；各环状凹槽21处的钻杆8上设有轴承5，所述各环状凹槽21处的轴承5上均设有用于推动所述各支撑弧片13 的推杆14 (或推板)，所述推杆14的数目与所述支撑弧片13的数目相同且位置相对应，所述推杆14由钢筋制成。各环状凹槽21处的轴承5内设有固定体4，固定体4通过离合装置与所述转轴16传动连接。如图5至图9所示，所述卡接定位结构为相互适配的凸起17和凹槽18，所述凸起 17设在各支撑弧片13的头端或尾端，所述凹槽18与所述凸起17相对应设在各支撑弧片 13的尾端或头端。如图8和图9所示，所述各支撑弧片13的头端和尾端处的厚度为支撑弧片13中部厚度的一半。如图1至图7所示，所述离合装置包括转体9和固连在转轴16前端的转子15，各转体9内设有与所述转子15相适配的方孔9A ；所述连接体3处的离合装置的转体9固定连接在所述连接体3内；所述环状凹槽21处的离合装置的转体9与该处的固定体4固定连接。如图1、图4和图3所示，三角楔19处的转体9后方的钻杆8内设有控位装置，各环状凹槽21处的转体9的前、后两个方向的钻杆8内均设有控位装置；所述控位装置包括设在钻杆8内壁上的轴承5，轴承5内均勻连接有四根弹簧11，相邻弹簧11间的夹角为90 度；各弹簧11上均设有控制体12，控制体12的轮廓呈圆台形且各控制体12直径较大的一端朝向钻杆8内壁，各控制体12直径较小的一端朝向钻杆8轴线。如图1所示，所述钻头1前端镶嵌有金钢石颗粒，所述挤压螺旋体2的侧面上设有挤压螺纹2A，挤压螺纹2A处镶嵌有金钢石颗粒，所述扩径体6的外端镶嵌有金钢石颗粒。本发明还公开了使用上述松软煤岩层钻固一体化装置的钻孔方法，该方法按以下步骤施工
(1)根据煤岩性特征组合选择钻头1，测试包括松软煤岩层钻固一体化装置的各组成部件、外置水箱以及外置动力装置等设备，确保所述各设备能正常工作。( 2 )所述各设备就绪后，连接所述各设备。(3)将转子15伸入扩径体6处的转体9内。(4)外置动力机构中设有用于带动所述转轴16旋转的正反转电动机；在选好钻孔地点启动外置动力机构带动钻杆8和钻头1开始钻进。钻出小孔以后，挤压螺旋体2在钻杆 8的带动下旋转，挤压螺纹2A不断向周围岩体中挤进，不断挤压周围的岩体，使小孔进一步扩大、压实，直到和钻杆8直径相同。根据所钻岩层的实际情况选择挤压螺旋体2的长度 当岩层破坏较严重且岩体较软时，可以增加挤压螺旋体2的长度，同时减小挤压螺旋体2的前端直径以及钻头7的前端直径；反之就缩短挤压螺旋体2的长度，同时增大挤压螺旋体2 的前端直径以及钻头7的前端直径(挤压螺旋体2的后端直径保持不变)。只有根据岩体情况选择挤压螺旋体2长度，才能使成孔以后岩体被充分压实，降低塌孔的可能性，从而实现边挤边钻，完成钻孔的同时，又使周围的岩体得到压实。尤其是当岩体比较破碎时，可以增加挤压螺旋体2的长度，这样可降低钻头1钻进过程中对周围煤(岩)体的松动作用，同时使周围岩体得到压实。当钻至需要支撑井段以后，开启正反转电动机，使其通过转轴16、转子15和转体9 带动连接体3旋转，连接体3以啮合传动的方式带动三角楔19移动，三角楔19在移动中逐渐将扩径体6顶压推送出钻杆8，从而使钻杆8带动扩径体6旋转、对钻孔进行扩径；钻进一段与所述支撑弧片13的长度相对应的距离后即在钻孔内形成钻孔扩径段，此时再使电动机反向旋转，收回所述扩径体6，然后关闭正反转电动机。磁铁10的作用是完成扩径后将扩径体吸回至钻杆内部。其工作过程是完成扩径以后，使连接体处的离合装置处于合上状态，开启正反转电机带动转轴和连接体反向旋转。 由于此时扩径体处于自然静止状态，没有受到煤岩体的作用力，因此可以通过磁铁10把扩径体吸引到钻杆内部。(5)通过所述转轴16将所述转子15拉回至第一节支撑体处的转体9内，本步操作最好由有经验的老工人进行操作。(6)钻杆8向前推进，使支撑体到达钻孔扩径段，开启正反转电动机，使其通过转子15、转体9、固定体4和轴承5带动所述轴承5上的各推杆14旋转，各推杆14推动各支撑弧片13旋转，使相邻支撑弧片13头端和尾端处的凸起17和凹槽18卡扣在一起；此时各支撑弧片13直径增加并首尾卡扣定位在一起从而形成筒状支撑结构，形成筒状支撑结构后关闭所述正反转电动机。(7)通过所述转轴16将所述转子15再次伸入到扩径系统的转体9内。(8)重复步骤4到7，直到全部支撑弧片13都形成筒状支撑结构后即最终完成钻孔工作。(9)拆卸各装置，等待进行其他操作。
权利要求
1.松软煤岩层钻固一体化装置，包括钻杆，钻杆与外置动力机构传动连接，其特征在于还包括有轮廓呈圆台状的挤压螺旋体，挤压螺旋体直径较大的一端为其后端并固定连接在所述钻杆前端，所述挤压螺旋体直径较小的一端为其前端并设有钻头，钻头直径与所述挤压螺旋体的前端直径相同。
2.根据权利要求1所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于所述钻杆为空心钻杆，钻杆前端滑动穿设有两个扩径体，钻杆内设有与外置动力机构传动连接的转轴；所述钻杆内部前端通过固定体设有轴承，轴承内设有连接体，连接体通过离合装置与所述转轴传动连接；所述连接体两侧分别啮合传动连接有一个三角楔，所述两个三角楔的外侧分别与一所述的扩径体顶压配合；所述钻杆上径向凹陷设有环状凹槽，所述环状凹槽沿钻杆长度方向至少设有一个；各环状凹槽内皆设有支撑结构；各环状凹槽处的钻杆上设有轴承，轴承上设有用于推动所述支撑结构的推杆，轴承内设有固定体，固定体通过离合装置与所述转轴传动连接。
3.根据权利要求2所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于所述钻杆内壁上于所述各扩径体的两侧处设有控位槽；所述三角楔上设有磁铁。
4.根据权利要求3所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于所述支撑结构包括两个以上的支撑弧片，所述两个以上的支撑弧片首尾处循环叠置形成筒状结构，各支撑弧片的头端处和尾端处对应设有相互适配的卡接定位结构；所述各环状凹槽处的轴承上均设有用于推动所述各支撑弧片的推杆，所述推杆的数目与所述支撑弧片的数目相同且位置相对应。
5.根据权利要求4所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于所述支撑弧片的数目为四个，所述卡接定位结构为相互适配的凸起和凹槽，所述凸起设在各支撑弧片的头端或尾端，所述凹槽与所述凸起相对应设在各支撑弧片的尾端或头端，所述各支撑弧片的头端和尾端处的厚度为支撑弧片中部厚度的一半。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于所述离合装置包括转体和固连在转轴前端的转子，转体内设有与所述转子相适配的方孔；所述连接体处的离合装置的转体固定连接在所述连接体内；所述环状凹槽处的离合装置的转体与该处的固定体固定连接。
7.根据权利要求6所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于三角楔处的转体后方的钻杆内设有控位装置，各环状凹槽处的转体的前、后两个方向的钻杆内均设有控位装置；所述控位装置包括设在钻杆内壁上的轴承，轴承内均勻连接有四根弹簧，相邻弹簧间的夹角为90度；各弹簧上均设有控制体，控制体的轮廓呈圆台形且各控制体直径较大的一端朝向钻杆内壁。
8.根据权利要求2至5中任一项所述的松软煤岩层钻固一体化装置，其特征在于所述钻头前端镶嵌有金钢石颗粒，所述挤压螺旋体的侧面上设有挤压螺纹，挤压螺纹处镶嵌有金钢石颗粒，所述扩径体的外端镶嵌有金钢石颗粒。
9.使用权利要求7中所述松软煤岩层钻固一体化装置的钻孔方法，其特征在于依次按以下步骤施工(1)根据煤岩性特征组合选择钻头，测试包括松软煤岩层钻固一体化装置的各组成部件以及外置动力装置等设备，确保所述各设备能正常工作；(2)所述各设备就绪后，连接所述各设备；(3)将转子伸入扩径体处的转体内；(4)外置动力机构中设有用于带动所述转轴旋转的正反转电动机；在选好钻孔地点启动外置动力机构带动钻杆和钻头开始钻进，当钻至需要支撑井段以后，开启正反转电动机， 使其通过转轴、转子和转体带动连接体旋转，连接体以啮合传动的方式带动三角楔移动，三角楔在移动中逐渐将扩径体顶压推送出钻杆，从而使钻杆带动扩径体旋转、对钻孔进行扩径；钻进一段与所述支撑弧片的长度相对应的距离后即在钻孔内形成钻孔扩径段，此时再使电动机反向旋转，收回所述扩径体，然后关闭正反转电动机；(5)通过所述转轴将所述转子拉回至第一节支撑体处的转体内；(6)钻杆向前推进，使支撑体到达钻孔扩径段，开启正反转电动机，使其通过转子、转体、固定体和轴承带动所述轴承上的各推杆旋转，各推杆推动各支撑弧片旋转，使相邻支撑弧片头端和尾端处的凸起和凹槽卡扣在一起；此时各支撑弧片直径增加并首尾卡扣定位在一起从而形成筒状支撑结构，形成筒状支撑结构后关闭所述正反转电动机；(7)通过所述转轴将所述转子再次伸入到扩径系统的转体内；(8)重复步骤4到7，直到全部支撑弧片都形成筒状支撑结构后即最终完成钻孔工作。
全文摘要
本发明公开了一种松软煤岩层钻固一体化装置，包括钻杆，钻杆与外置动力机构传动连接，还包括有轮廓呈圆台状的挤压螺旋体，挤压螺旋体直径较大的一端为其后端并固定连接在钻杆前端，挤压螺旋体直径较小的一端为其前端并设有钻头，钻头直径与挤压螺旋体的前端直径相同。由于挤压螺旋体前端直径小而后端直径大，因此在钻进过程中能够对钻孔周边的煤体进行挤压、解决因煤层太软而导致的塌孔问题，提高钻孔的成孔率、降低了开发成本，为后续瓦斯抽采和煤层气开发提供重要的保障。本发明还提供了使用上述松软煤岩层钻固一体化装置的钻孔方法，该钻孔方法能够在一次钻进过程中实现钻孔、挤压扩孔和钻孔的扩径、支撑，极大提高了松软煤岩层的钻孔成孔率。
文档编号E21B17/00GK102199991SQ201110114709
公开日2011年9月28日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者倪小明, 夏大平, 宋金星, 徐涛, 李金海, 贾炳 申请人:河南理工大学