一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻钻具及钻进方法与流程

本发明属于煤矿井下坑道钻探技术领域，具体涉及一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻钻具及钻进方法。

背景技术：

煤矿井下定向孔具有轨迹控制精高、一孔多分支、目标地层延伸距离长、覆盖范围广等优点，可进行超前、区域、精准灾害隐患探查和治理，在煤矿安全生产中发挥着重要作用。

煤矿井下定向孔一般包括主孔和分支孔两部分，其中分支孔是提高钻孔覆盖范围，确保灾害防治无盲区的关键。目前煤矿井下定向孔主要采用无孔底侧钻分支工艺、慢速磨削开分支法进行分支孔施工，其存在以下不足：

第一，需预留分支点。侧钻分支点应选在钻孔倾角连续增长段，定向孔主孔施工时就需要连续造斜，预留好分支点。

第二，分支孔间距大。由于只能在预留分支点处开分支，而受定向孔轨迹控制影响，每隔50～80m才能预留一个分支点，因此分支孔间距一般为50～80m，无法保证分支孔的相互搭接，容易产生空白带。

第三，侧钻分支效率低。侧钻分支时，主要依靠定向钻头侧切削刃刮削孔壁下侧，使主孔产生小的台阶，并不断增大，最终从主孔脱离形成分支孔。当给进速度太快或者给进速度不稳定时，台阶形成困难，容易导致侧钻分支失败，因此为了保证侧钻分支成功率，需要严格控制给进速度，侧钻分支效率相对较低，尤其是岩层侧钻分支往往需要耗时几个小时，甚至需要几天。

第四，分支孔无法下入筛管护孔。为确保钻孔后期灾害防治效果，需保持钻孔始终畅通有效，虽然目前已可实现定向孔的主孔筛管护孔，但是分支孔仍主要采用裸孔完孔，坍塌报废可能性大。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻钻具及钻进方法，解决了目前煤矿井下灾害防治定向孔需预留分支点、分支孔间距大、侧钻分支效率低、分支孔无法下入筛管护孔等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻钻具，该钻具包括导向钻具和能够插入导向钻具内的柔性分支钻具；所述导向钻具内壁上设置有一段定位槽，导向套管管壁上设置有供柔性分支钻具伸出的导向口；

所述柔性分支钻具包括依次连接的内钻杆、定位接头、连续管、弯接头和喷头；所述定位接头包括接头管体、沿接头管体径向设置的定位键和用于调整定位键径向位置的定位键调整件；所述接头管体两端分别与内钻杆、连续管连接，接头管体的管壁上设置有供定位键沿径向移动的通孔；

所述定位键上设置有限位块，定位键的端部与所述外套管上的定位槽匹配；所述定位键调整件上设置有沿接头管体轴向延伸的滑槽；所述定位键一端通过第一弹性件与接头管体内壁连接，定位键另一端穿过所述滑槽与通孔对应；所述定位键调整件夹设在接头管体内壁与限位块之间，且定位键调整件能够沿接头管体轴向来回移动；限位块挤顶在定位键调整件的调整面上，所述调整面上设置有一段凹向通孔方向的内凹面。

具体的，所述定位键调整件包括滑套段和定位键调整段，所述滑套段包括一端设置有凸缘的套筒和套设在套筒上的第二弹性件，第二弹性件的两端分别挤顶在套筒的凸缘和接头管体内壁的凸台上；定位键调整段由两个并列连接在套筒端部的调整板组成，两个调整板之间设置有一定间距，该间距形成所述的滑槽。

优选的，所述导向口与定位槽位于外套管的同一过轴面上，所述定位槽的方向与弯接头的弯曲方向一致。

优选的，所述导向钻具包括外套管与外套管连接的导向套管；所述外套管与导向套管之间通过六方公接头与六方母接头连接，且六方公接头与六方母接头之间通过一销钉固定。

优选的，所述导向套管内位于导向口附近设置有弹性导向体，弹性导向体一边设置为弧形边，该弧形边与导向套管管壁侧边缘之间形成连接导向口与导向套管内孔的弧形过渡通道。

优选的，所述导向套管的自由端设置为半圆球形。

进一步的，在上述钻具基础上，该钻具还包括筛管完孔钻具，筛管完孔钻具包括筛管和连接在筛管上的推送短节，所述推送短节上设置有通道，所述通道上设置有阀体。

具体的，所述推送短节包括壳体、阀体和第三弹性件，所述阀体包括杆体和封堵头，所述壳体上设置有第一流通孔和第二流通孔；所述杆体一端通过第一流通孔与设置在壳体外的封堵头连接，杆体另一端连接在壳体上；所述杆体上设置有凸缘，所述第三弹性件两端分别连接在凸缘和与杆体连接处的壳体内壁上，第三弹性件伸缩方向沿杆体的轴向。

本发明还公开了一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻方法，该方法采用本发明记载的钻具进行分支孔钻进，具体包括以下步骤：

步骤1，钻进主孔，从主孔下入导向钻具至设计的侧钻分支点处；

步骤2，调整导向钻具的导向口方向，使其与设计侧钻分支方向一致后，锁定导向钻具；

步骤3，从导向钻具内孔中插入柔性分支钻具，向柔性分支钻具内输入冲洗液，回转柔性分支钻具，冲洗液推动柔性分支钻具中的定位键调整件前移，使限位块与调整面的内凹面接触，当定位键卡入定位槽中时，停止回转柔性分支钻具；

步骤4，调整冲洗液的压力，推动定位键调整件继续前移，使限位块与调整面的外凸面接触，带动定位键从定位槽中缩回；推动柔性分支钻具从导向钻具的导向口伸出，喷头在冲洗液作用下进行回转碎岩，从主孔孔壁侧钻出分支孔；

步骤5，当前分支孔钻进完成后，从钻孔中退出柔性分支钻具，解除对导向钻具的锁定，移动导向钻具至下一侧钻分支点处，重复步骤2至步骤4；完成所有分支孔的钻进；

当增加筛管完孔钻具时，从导向钻具中退出柔性分支钻具，下入筛管完孔钻具，向导向钻具内输入冲洗液，冲洗液压力推动筛管完孔钻具进入当前分支孔内；然后解除对导向钻具的锁定，移动导向钻具至下一侧钻分支点处，重复步骤2至步骤4；完成所有分支孔的钻进。

具体的，所述步骤4中分支孔钻进时，当设计轨迹为稳斜段时，利用钻机提供的给进动力和回转动力，使柔性分支钻具在钻机和冲洗液带到下进行回转碎岩，弯接头方向一直变化，钻孔轨迹保持稳定向前施工；当设计轨迹为造斜段时，保持弯接头方向不变，利用钻机提供给进动力，喷头在冲洗液作用下进行回转碎岩。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过调整导向钻具姿态，可以精准控制开分支方向，在导向钻具引导下，可沿钻孔径向任意方向进行侧钻分支；而且分支孔数量和间距不受预留分支点影响，可确保各分支孔有效搭接，避免了灾害防治空白带。

(2)本发明采用冲洗液喷射的方式进行分支孔钻进，侧钻分支速度与正常钻进速度相同，施工效率高。

(3)本发明通过导向钻具与柔性分支钻具配合，钻进过程向主孔施工时不用预留分支点，实现任意位置开分支。

(4)本发明利用导向钻具引导，以冲洗液为动力推动，实现了分支孔筛管完孔，避免了分支孔坍塌失效，保障了定向孔灾害防治效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例记载的导向钻具与柔性分支钻具的结构示意图。

图2是本发明实施例记载的外套管的结构示意图。

图3是本发明实施例记载的导向钻具的结构示意图。

图4是本发明实施例记载的定位接头的结构示意图。

图5是图4的a-a剖面图。

图6是本发明实施例记载的定位键调整件的结构示意图。

图7是图5的c-c剖面图。

图8是本发明实施例记载的筛管完孔钻具的结构示意图。

图9是本发明实施例记载的推送短节的结构示意图。

图10是图9的b-b剖面图。

图11是本发明实施例记载的分支钻孔示意图。

图中各标号表示为：

1-导向钻具，2-柔性分支钻具，3-筛管完孔钻具，4-主孔，5-分支孔；

11-外套管，12-导向套管；

111-定位槽；121-导向口，122-弹性导向体，123-弧形过渡通道；

21-内钻杆，22-定位接头，23-连续管，24-弯接头，25-喷头，26-销钉；

221-接头管体，222-定位键，223-定位键调整件，224-限位块，225-第一弹性件；

2211-通孔，2212-凸台；

2231-套筒，2232-第二弹性件，2233-调整板，2234-滑槽，2235-第一定位面，2236-第二定位面，2237-第三定位面；

31-筛管，32-推送短节，33-导向头；

321-壳体，322-阀体，323-第三弹性件，324-第一流通孔，325-第二流通孔；

3211-套管，3212-第一端盖，3213-第二端盖，3214-螺母；

3221-杆体，3222-封堵头，3223-凸缘。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

实施例1

本实施例中公开了一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻钻具，该钻具包括导向钻具1和能够插入导向钻具1内的柔性分支钻具2，具体的，导向钻具1的内径与柔性分支钻具2的外径匹配。

导向钻具1内壁上设置有一段定位槽111，如图2所示，导向套管12管壁上设置有供柔性分支钻具2伸出的导向口121，如图3所示。

导向钻具1包括外套管11与外套管11连接的导向套管12，外套管11与导向套管12的内孔直径相同。优选的，外套管11与导向套管12之间通过六方公接头与六方母接头连接，且六方公接头与六方母接头之间通过一销钉26限位，具体的，销钉26插入六方公接头与六方母接头之间的销钉孔后通过螺母进行紧固。销钉26沿水平面且垂直于外套管11轴线，通过将销钉26设置在与导向口121所在面上，来确定导向口121的朝向。两个外套管11之间也通过六方公接头与六方母接头连接，方便定位。

柔性分支钻具2包括依次连接的内钻杆21、定位接头22、连续管23、弯接头24和喷头25，如图1所示。本发明中的连续管23为低碳合金钢制作的管材，有很好的挠性；弯接头24具有一定弯曲角度的短管，实现造斜；喷头25可在泥浆泵提供的高压冲洗液作用下进行回转碎岩。

如图4所示，定位接头22包括接头管体221、沿接头管体221径向设置的定位键222和用于调整定位键222径向位置的定位键调整件223。接头管体221两端分别与内钻杆21、连续管23连接，接头管体221的管壁上设置有供定位键222沿径向移动的通孔2211。定位键222上设置有限位块224，本发明实施例中，限位块224具体为设置在定位键221中部位置两侧的耳板，两个耳板与定位键222整体形成十字形结构件。定位键222的端部与外套管11上的定位槽111大小匹配，当定位键222沿径向从通孔2211伸出后可以座键在定位槽111中。

定位键调整件223上设置有沿接头管体221轴向延伸的滑槽2234，如图7所示，该滑槽2234沿定位键调整件223厚度方向贯通。定位键222一端通过第一弹性件225与接头管体221内壁连接，定位键222另一端穿过所述滑槽2234与接头管体221上的通孔2211对应。定位键调整件223夹设在接头管体221内壁与限位块224之间，且定位键调整件223能够沿接头管体221轴向来回移动，在具体使用时，通过冲洗液压力推动定位键调整件223移动。限位块224挤顶在定位键调整件223的调整面上，调整面上设置有一段凹向通孔2211方向的内凹面。具体的，如图6所示，本实施例的调整面由第一定位面2235、第二定位面2236和第三定位面2237形成，其中第二定位面2236为内凹面，第一定位面2235与第三定位面2237共面，且高于第二定位面2236，第一定位面2235与第三定位面2236的高度要保证当限位块224挤顶在这两个定位面上时，定位键222端部收回至与接头管体221外壁齐平。优选的，第一定位面2235与第二定位面2236之间的台阶处圆弧过渡，第二定位面2236与第三定位面2237的台阶处也为圆弧过渡。

在不受外力时，定位键222上的限位块224与调整面的外凸面(即第一定位面2235)接触，此处的外凸面是指调整面上除内凹面以外的接触面；当定位键调整件223移动一定距离时，限位块224挤顶在该内凹面上，此时通过第一弹性件225的回弹力推动定位键222通过通孔2211挤顶在定位槽111中，通过定位槽111与定位键222的定位，可以保证弯接头24位于设定方向，使得分支孔按照设定方向开孔。

本实施例中，第一弹性件225为弹簧。

定位键调整件223包括滑套段和定位键调整段，如图4所示，其中滑套段包括一端设置有凸缘的套筒2231和套设在套筒2231上的第二弹性件2232，第二弹性件2232具体为弹簧。第二弹性件2232的两端分别挤顶在套筒2231的凸缘和接头管体221内壁的凸台2212上，套筒2231的外径小于接头管体凸台2212处对应的孔径，使得套筒2231在凸台对应的孔中滑动。定位键调整段由两个并列连接在套筒2231端部的调整板2233组成，两个调整板2233之间设置有一定间距，该间距形成贯通的滑槽2234。套筒2231、调整板2233与接头管体221内壁均是间隙配合，在冲洗液的作用下，套筒2231和调整板2233一同沿冲洗液流动方向移动，第二弹性件2232被压缩，当冲洗液作用力消失后，在第二弹性件2232的回弹力下，套筒2231和调整板2233返回原位置。最好的，在两个调整板2233的末端设置有横挡，对定位键调整件223的移动进行限位，避免其与定位键222脱离。

作为本实施例的优选方案，导向口121与定位槽111位于外套管11的同一过轴面上，定位槽111的方向与弯接头24的弯曲方向一致，这样就能保证导向口121、定位槽111与弯接头24的弯曲方向一致，方便调整弯接头24方向，使得分支孔5按照设定方向开孔。

作为本发明的优选方案，导向套管12内位于导向口121附近设置有弹性导向体122，弹性导向体122具体材质可采用丁腈橡胶等耐磨橡胶材料，避免喷头25与导向套管12金属内壁直接接触。弹性导向体122一边设置为弧形边，具体的，本实施例的弹性导向体122整体为斜圆柱体，斜圆柱体的直径与导向套管12内径匹配，将弹性导向体122部分侧面设置为弧形倾斜面。该弧形边与导向套管12管壁侧边缘之间形成连接导向口121与导向套管12内孔的弧形过渡通道123，该弧形过渡通道123形成引导通道，方便柔性分支钻具2伸出。

作为本实施例的优选方案，导向套管12的自由端(即导向套管12的前端)设置为半圆球形，减少移动过程中的阻力。

实施例2

为了实现了分支孔5筛管完孔，避免分支孔坍塌失效，在实施例1钻具的基础上还设置有筛管完孔钻具3。

如图8所示，本实施例的筛管完孔钻具3包括筛管31和连接在筛管31上的推送短节32，推送短节32上设置有通道，用于分支孔5中瓦斯气体等的流通。通道上设置有阀体322，高压冲洗液首先推动阀体33封闭流道，进而冲洗液推动整个筛管完孔钻具3进入分支孔5内。

本实施例中，如图9所示，推送短节32包括壳体321、阀体322和第三弹性件323，第三弹性件323具体为弹簧。阀体322包括杆体3221和封堵头3222，壳体321上设置有第一流通孔324和第二流通孔325，第一流通孔324和第二流通孔325形成推送短节32上的通道。杆体3221一端通过第一流通孔324与设置在壳体321外的封堵头3222连接，另一端连接在壳体321上。其中，封堵头3222的直径大于第一流通孔324的直径，最好的，封堵头3222位于第一流通孔324的一端设置有外凸的弧形，提升密封性。杆体3221上设置有凸缘3223，第三弹性件323两端分别连接在凸缘3223和与杆体3221连接处的壳体321内壁上，第三弹性件323伸缩方向沿杆体3221的轴向，当冲洗液的压力消失后，在第三弹性件323的回弹作用下，第一流通孔3211打开。

本实施例的壳体321由套管3211和设置在套管3211内的两个端盖组成，套管3211和两个端盖之间形成壳体内腔，第一端盖3212上设置有中心孔，中心孔的直径大于杆体3221的直径，该中心孔形成第一流通孔324；第二端盖3213上也设置中心孔，杆体3221穿过第二端盖3213上的中心孔后通过螺母3214固定在第二端盖3213上，同时第二端盖3213四周设置有第二流通孔325，用于分支孔中的瓦斯气体等流通；第一端盖3212与套管3211内壁一体化加工而成，第二端盖3213与套管3211内壁丝扣连接。

作为本实施例的优选方案，在筛管31另一端连接有导向头33，导向头33为半圆形，可减少前移过程中阻力。

实施例3

本实施例公开了一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻方法，具体采用实施例1记载的钻具进行分支孔钻进，具体包括以下步骤：

步骤1，钻进主孔，具体的采用常规定向钻具施工主孔4后，退出孔内定向钻具；然后从主孔下入导向钻具1至设计的侧钻分支点处，下入时，依次连接导向套管12和外套管11；

步骤2，导向口121方向调整：调整导向钻具1的导向口121方向，使其与设计侧钻分支方向一致后，锁定导向钻具1。具体的，在调整时，慢慢回转导向钻具1，由于销钉26朝向与导向口121朝向一样，可依据销钉26朝向来调整。

步骤3，柔性分支钻具2的下入和定位：从导向钻具1内孔中插入柔性分支钻具2，此时定位键222上的限位块224与定位键调整件223上调整面的第一定位面2235接触；然后向柔性分支钻具2内输入冲洗液，回转柔性分支钻具2，冲洗液推动定位键调整件223前移，使限位块224与调整面的内凹面接触，具体根据过流面积和弹簧弹性力大小来确定输入冲洗液压力，保证冲洗液压力正好推动定位键调整件223移动至定位键222与内凹面接触；当定位键222与外套管11上的定位槽111方向一致时，在第一弹性件225的作用下定位键222通过通孔2211卡入定位槽111中，停止回转柔性分支钻具2；

步骤4，调整冲洗液的压力，推动定位键调整件223继续前移，使限位块224与调整面的外凸面(即第三定位面2237)接触，带动定位键222从定位槽111中缩回；推动柔性分支钻具2从导向钻具1的导向口121伸出，喷头25在冲洗液作用下进行回转碎岩，从主孔4孔壁侧钻出分支孔5；

在本步骤的分支钻进时，当设计轨迹为稳斜段时，利用钻机提供的给进动力和回转动力，使柔性分支钻具2在钻机和冲洗液带到下进行回转碎岩，弯接头24方向一直变化，钻孔轨迹保持稳定向前施工；当设计轨迹为造斜段时，保持弯接头24方向不变，利用钻机提供给进动力，喷头25在冲洗液作用下进行回转碎岩。

每根内钻杆施工完成后，关闭泥浆泵，在第一弹性件225的作用下，推动整个定位键调整件223在接头管体221内复位移动，最终限位块224与起始的外凸面(即第一定位面)2235接触，定位键222保持缩回。

步骤5，当前分支孔5钻进完成后，从钻孔中退出柔性分支钻具2，解除对导向钻具1的锁定，移动导向钻具1至下一侧钻分支点处，重复步骤2至步骤4；完成所有分支孔的钻进。

需要注意的是，在导向钻具1下入时，外套管11总长度应大于分支孔5长度；在柔性分支钻具2下入时，连续管23的长度应小于外套管11总长度减去定位接头22的长度。

实施例4

本实施例公开了一种煤矿井下定向孔近距离多分支侧钻完孔方法，本实施例与实施例3的区别在于：在分支孔钻进完成后增加了护孔步骤，具体方法包括：

执行实施例3中步骤1至步骤4的钻进方法后，从导向钻具1中退出柔性分支钻具2，下入筛管完孔钻具3，向导向钻具1内输入冲洗液，在高压冲洗液作用下，推送短节上的第三弹性件323压缩，封堵头3222下行封闭第一流通孔324，冲洗液压力推动筛管完孔钻具3进入当前分支孔5内，完成分支孔5的护孔；然后解除对导向钻具1的锁定，移动导向钻具1至下一侧钻分支点处，重复实施例3中的步骤2至步骤4；直至完成所有分支孔的钻进。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。