一种煤矿井下水平钻孔取芯钻具组合及其使用方法与流程

本发明属于煤矿钻探取芯技术领域，具体涉及一种煤矿井下水平钻孔取芯钻具组合及其使用方法。

背景技术：

坑道取芯钻探以水平钻孔为主，主要有单管（或双管）提钻式取芯、绳索取芯、以及水力反循环取芯等三种方法。坑道水力反循环取芯方法与单管（或双管）提钻式取芯方法从总体上比较，无论是从平均回次进尺还是钻孔成本方面，均获得较好的使用效果，因此，在我国铁矿、铜矿、金矿坑道钻探工程中，得到较多地推广应用。

在坑道水力反循环取芯钻进过程中，为了保证孔内冲洗介质反循环效果的持续与稳定，即双壁钻杆中心通道的冲洗介质能够满足携带岩芯柱的流速（≥1.5m/s）要求，目前主要通过以下几种手段来实现：一是在孔外安装孔口密封装置，将钻杆与孔壁形成的环状间隙通道（正循环排渣通道）直接封堵；二是减小正循环通道的环状间隙（1-2mm），增大冲洗介质的正循环排渣阻力，如在双壁钻杆之间每隔一定距离安装一个扩孔扶正封堵器，其外径比取芯钻头外径小1-2mm，或者将钻杆的接头外径与取芯钻头的外径设计得相差较小，如双壁钻杆的接头外径74mm，取芯钻头外径76mm，两者差值只有2mm。

然而，坑道水力反循环取芯方法仍存在平均回次进尺短（约31m）、取芯深度较浅（大多在80m以内）的问题，尤其深度超过50m以后，岩芯堵塞问题尤为严重，影响了取芯钻孔的施工效率。同时，实践表明，煤矿井下钻孔尤其是煤岩钻孔钻进中，采用pdc钻头破碎的岩屑颗粒粒径较大，10目以上（≥2mm）的岩屑颗粒质量比占到50%左右，因此，当孔内出现复杂情况时，由于正循环通道环状间隙小，不能通过冲洗介质正循环方法进行处理。

技术实现要素：

本发明针对坑道水力反循环取芯方法存在的正循环通道环状间隙小，不能通过冲洗介质正循环方法进行处理孔内复杂情况的问题，提供一种煤矿井下水平钻孔取芯钻具组合及其使用方法。

本发明采用如下技术方案：

一种煤矿井下水平钻孔取芯钻具组合，包括钻具ⅰ和钻具ⅱ，其中，钻具ⅰ包括用于取芯的钻头、用于岩芯长度控制的短节ⅰ、若干反螺旋槽双壁钻杆、若干双壁钻杆和反循环水龙头，钻头的一端与短节ⅰ的一端连接，短节ⅰ的另一端与反螺旋槽双壁钻杆的一端连接，反螺旋槽双壁钻杆的另一端与双壁钻杆的一端连接，双壁钻杆的另一端与反循环水龙头的一端连接，钻具ⅱ包括用于取芯的钻头、用于岩芯长度控制的短节ⅰ、若干反螺旋槽双壁钻杆、若干双壁钻杆、用于转换的短节ⅱ、若干单壁钻杆和水龙头，钻头的一端与短节ⅰ的一端连接，短节ⅰ的另一端与反螺旋槽双壁钻杆的一端连接，反螺旋槽双壁钻杆的另一端与双壁钻杆的一端连接，双壁钻杆的另一端与短节ⅱ的一端连接，短节ⅱ的另一端与单壁钻杆的一端连接，单壁钻杆的另一端与水龙头的一端连接，其中，反螺旋槽双壁钻杆、双壁钻杆和单壁钻杆的外径相同，钻头的外径比反螺旋槽双壁钻杆、双壁钻杆和单壁钻杆的外径大。

所述短节ⅱ与双壁钻杆连接的一端设有环状的中心管，与单壁钻杆连接的一端设有连接口，短节ⅱ的侧部设有若干斜孔，斜孔与中心管的内通道相通，中心管的外环间隙与连接口之间设有若干轴向通孔。

所述反螺旋槽双壁钻杆包括外管和内管，外管的外表面设有反向螺旋槽。

所述钻头的外径比反螺旋槽双壁钻杆、双壁钻杆和单壁钻杆的外径大7-24mm。

一种煤矿井下水平钻孔取芯钻具组合的使用方法，包括如下步骤：

开始下钻时，下入钻具ⅰ，采用水力反循环钻进工艺实施连续取芯，水力反循环携带岩芯柱出现不畅时，卸掉反循环水龙头，加接短节ⅱ、单壁钻杆和水龙头，使钻具ⅰ转换为钻具ⅱ，将双壁钻杆当做取芯长筒，改用正循环钻进工艺继续取芯钻进。

本发明提出了一种适用于煤矿井下水平钻孔取芯方法和配套钻具组合，可提高回次进尺，满足煤矿井下大采高超宽工作面（300m宽工作面，采用进回风巷双向施工的方式，钻孔深度150m）的取芯钻孔深度需求，以及满足双壁钻杆水力反循环连续取芯对反循环取芯、正循环排渣处理孔内复杂的施工要求。

本发明的有益效果如下：

1.反螺旋槽双壁钻杆的反螺旋槽结构，对进入正循环通道的冲洗介质-岩屑混合流体可起到增阻作用，在实践过程中，根据实际情况，通过控制反螺旋槽双壁钻杆的加接数量，使正循环通道阻力大于反循环通道阻力，从而满足反循环携带岩芯的流速（≥1.5m/s）要求；

2.钻头比反螺旋槽双壁钻杆、双壁钻杆的规格尺寸相差较大，即钻头钻进所形成的孔壁，与反螺旋槽双壁钻杆、双壁钻杆之间的环状间隙大（7-24mm），可满足煤矿井下pdc钻头尅取岩屑粒径顺利通过的环隙尺寸要求，因此，若孔内出现复杂情况时，可采用正循环工艺进行及时处理，保证孔内钻具安全；

3.当钻孔达到一定深度，水力反循环携带岩芯柱出现不畅时，加接转换短节、单壁钻杆、水龙头，将下部双壁钻杆当做取芯长筒，改用正循环钻进工艺继续进行取芯钻进，可有效提高回次进尺，提高取芯钻进的整体施工效率。

附图说明

图1为本发明钻具ⅰ的结构示意图；

图2为本发明钻具ⅱ的结构示意图；

图3为本发明短节ⅱ的结构示意图；

图4为本发明反螺旋槽双壁钻杆的结构示意图；

其中：1-钻头；2-短节ⅰ；3-反螺旋槽双壁钻杆；4-双壁钻杆；5-反循环水龙头；6-短节ⅱ；7-单壁钻杆；8-水龙头；9-中心管；10-斜孔；11-轴向通孔；12-外管；13-内管。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明实施例提供了一种煤矿井下水平钻孔取芯方法及钻具组合，包括钻具ⅰ与钻具ⅱ的两套钻具组合，当开始下钻时，下入所述的钻具ⅰ，采用水力反循环钻进工艺实施连续取芯，当达到一定深度后，无需提钻，卸掉反循环水龙头5，加接转换短节ⅱ6、单壁钻杆7、水龙头8，将所述的钻具ⅰ转换为所述的钻具ⅱ，采用正循环钻进工艺实施取芯。

其中，钻具ⅰ包括φ98mm取芯的钻头1、φ89mm岩芯长度控制的短节ⅰ2、φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3、φ89mm双壁钻杆4、反循环水龙头5，所述φ89mm取芯的钻头1连接所述φ89mm岩芯长度控制的短节ⅰ2，所述φ89mm岩芯长度控制的短节ⅰ2连接所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3，所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3连接所述φ89mm双壁钻杆4，所述φ89mm双壁钻杆4连接所述反循环水龙头5，所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3可做成1-3m的长度，根据增阻实际需要由若干根依次螺纹连接而成，所述φ89mm双壁钻杆4可做成1-3m的长度，根据钻孔深度不断延伸的需要依次加接φ89mm双壁钻杆4。

所述的钻具ⅱ包括φ98mm取芯的钻头1、φ89mm岩芯长度控制的短节ⅰ2、φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3、φ89mm双壁钻杆4、φ89mm转换的短节ⅱ6、φ89mm单壁钻杆7、水龙头8，所述φ89mm取芯的钻头1连接所述φ89mm岩芯长度控制的短节ⅰ2，所述φ89mm岩芯长度控制的短节ⅰ2连接所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3，所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆连接3所述φ89mm双壁钻杆4，所述φ89mm双壁钻杆4连接所述φ89mm转换的短节ⅱ6，所述φ89mm转换的短节ⅱ6连接所述φ89mm单壁钻杆7，所述φ89mm单壁钻杆7连接所述水龙头8。

所述φ89mm转换的短节ⅱ6下端设有中心管9，侧部设有一个或多个斜孔10，中部周向设有一个或多个轴向通孔11，所述中心管9与所述双壁钻杆4内管插接式连接，所述斜孔10与所述中心管9中心通道相通，所述轴向通孔11与所述中心管9外环隙相通。

所述φ98mm取芯的钻头1的规格尺寸比所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3和所述φ89mm双壁钻杆4的规格尺寸大9mm，所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3、所述φ89mm双壁钻杆4、所述φ89mm单壁钻杆7的规格尺寸皆相同。

其中，所述φ89mm反螺旋槽双壁钻杆3，由外管12和内管13套装而成，所述外管12设有反向螺旋槽，在钻进取芯过程中，对冲洗循环介质携带的岩屑起阻隔作用，增大了该冲洗循环介质-岩屑混合流体通过钻孔孔壁与所述反螺旋槽双壁钻杆3形成的环状间隙的阻力。

所述水力反循环钻进工艺的冲洗介质循环顺序为：反循环水龙头5侧部注水口→反循环水龙头5环隙→双壁钻杆4环隙→反螺旋槽双壁钻杆3环隙→岩芯长度控制的短节ⅰ2环隙→钻头1水口→钻头1中心通道→岩芯长度控制的短节ⅰ2中心通道→反螺旋槽双壁钻杆3中心通道→双壁钻杆4中心通道→反循环水龙头5中心通道→孔外，所述钻头1在孔底破碎的岩屑以及钻取的岩芯随同冲洗介质混合，依次进入钻头和上部连接的双壁钻具中心通道返出孔外。

所述正循环循环钻进工艺的冲洗介质循环顺序为：水龙头8中心通道→单壁钻杆7中心通道→短节ⅱ6的轴向通孔11→短节ⅱ6下端的中心管9外环隙→双壁钻杆4环隙→反螺旋槽双壁钻杆3环隙→短节2环隙→取芯钻头1水口→取芯钻头1与孔壁形成的环隙→岩芯长度控制短节ⅰ2与孔壁形成的环隙→反螺旋槽双壁钻杆3与孔壁形成的环隙→双壁钻杆4与孔壁形成的环隙→短节ⅱ6与孔壁形成的环隙→单壁钻杆7与孔壁形成的环隙→孔外，所述钻头1在孔底破碎的岩屑随同冲洗介质，进入孔底钻具与孔壁形成的环隙返出孔外，钻取的岩芯进入钻头和上部连接的双壁钻具中心通道，随着岩芯的进入，双壁钻具中心通道内流体经斜孔10被挤压至单壁钻杆7与孔壁形成的环隙中，与该环隙内流体返出孔外，岩芯在起钻后取出。