一种碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置及方法与流程

1.本发明属于煤矿瓦斯治理领域，具体涉及一种碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置及方法。


背景技术：

2.煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔工艺的发展先后经历了水力排渣钻进技术、中风压宽翼片螺旋钻杆钻进技术、三棱钻杆钻进技术、高转速螺旋钻进技术和空气套管钻进技术，将碎软煤层顺层钻孔孔深提高到了200m左右。然而这些技术采用回转钻进工艺进行钻孔施工，钻孔轨迹无法随钻测控，煤层钻遇率低，同时钻孔深度较浅，瓦斯抽采效率有待进一步提高。目前，空气复合定向钻进技术实现了碎软煤层顺层长距离定向钻孔的目标，将钻孔深度的记录提高到了300m以上，能够随钻测控钻孔轨迹，大幅提高了煤层钻遇率，提升了碎软煤层瓦斯抽采效果。
3.碎软煤层顺层长距离定向钻孔一般采用前进式开分支的方法进行施工，即：施工过程中每隔一定距离主动上调钻孔倾角进行探顶作业以预测煤层及顶板岩层走向，探顶后退钻适当距离向下开分支，并把分支孔作为主孔继续向深处钻进，保证钻孔在煤层中延伸。碎软煤层顺层钻孔成孔后一般采用孔口下入筛管或钻杆内下入筛管的方法进行护孔。现有的两种筛管下入方法存在以下问题：
①
筛管下入过程中无法测量钻孔轨迹，不能判断筛管下入的准确位置；
②
筛管下入过程中不具备调整筛管下入方向的能力，无法实现主孔向分支孔、或分支孔向主孔的准确下入；
③
无法实现主孔和分支孔全孔段的筛管下入，筛管护孔孔段短，瓦斯抽采量和抽采率低。


技术实现要素：

4.针对现有技术进行碎软煤层顺层钻孔护孔时，不能判断筛管下入的准确位置，无法实现主孔向分支孔、或分支孔向主孔的准确下入，无法实现钻孔全孔段的筛管下入，筛管护孔孔段短、瓦斯抽采效率低等不足，本发明的设计者通过潜心研究和设计，综合从事相关产业的经验和成果，提出一种碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置及方法，可以实现筛管下入过程中随钻测量钻孔轨迹，准确判断筛管下入的位置，同时可以完成主孔向分支孔、或分支孔向主孔的准确下入，实现钻孔全孔段的筛管下入，有效护孔时间长，提高瓦斯抽采量和抽采效率。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
6.一种碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置，包括定向钻具串和筛管钻具串，所述定向钻具串包括依次连接的钻杆、电磁波随钻测量装置、弯管和钻头；所述筛管钻具串包括依次连接的下入管和筛管，所述筛管的前后两端分别安装有筛管前端定位头和筛管末端定位头。
7.进一步的，所述筛管的中部安装有筛管扶正器。
8.进一步的，所述电磁波随钻测量装置包括安装短节、测量短节、供电短节、发控短
节和绝缘短节；其中，所述安装短节采用两端厚中部薄的非等壁厚结构，其壁厚部分的外壁开有凹槽，用于安装测量短节、供电短节和发控短节；所述安装短节壁厚部分与其两端的壁薄部分的连接段的内壁均加工有坡角；所述发控短节一端通过在安装短节、绝缘短节和弯管外壁开设的线槽中安装的铠装电缆与弯管导通，发控短节另一端与钻杆导通。
9.进一步的，所述安装短节中在发控短节安装位置的下方设有压力检测口。
10.进一步的，所述弯管的弯角大于定向钻孔施工所用螺杆马达的弯角。
11.进一步的，所述筛管钻具串上，所述筛管末端定位头和筛管前端定位头之间的筛管长度等于预计下入护孔孔段的长度。
12.进一步的，所述下入管与筛管末端定位头采用反丝螺纹连接，所述筛管末端定位头与筛管采用正丝螺纹连接，所述筛管与筛管前端定位头采用正丝螺纹连接；所述筛管由两段子筛管连接而成，两端子筛管采用正丝螺纹连接，且连接处安装有筛管扶正器。
13.另一方面，本发明还给出了一种碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入方法，所述方法采用上述本发明的碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置进行，包括如下步骤：
14.步骤1，下入定向钻具串，接近第一个分支孔深度时调整定向钻具串使其弯管的弯头朝向正上方；
15.步骤2，将定向钻具串下至距第一个分支孔的孔底0.4～0.5m；
16.步骤3，根据第一个分支孔深度选择筛管，使得筛管末端定位头和筛管前端定位头之间筛管的长度等于第一个分支孔的深度，利用下入管将筛管钻具串从定向钻具串的中心通道下入到第一个分支孔的孔底；
17.步骤4，孔口顺时针转动下入管，使下入管和筛管末端定位头分离，从钻孔内撤出下入管，回拉定向钻具串使其退回主孔，此时筛管末端定位头、筛管和筛管前端定位头保留在第一个分支孔内，完成第一个分支孔的筛管下入；
18.步骤5，调整定向钻具串使其弯管的弯头朝向下方，沿主孔向下一个分支孔下入，重复步骤2、3和4，每个分支孔的下入方式均与第一个分支孔相同，直至全部分支孔中全部被下入筛管；
19.步骤6，回拉定向钻具串使其退回主孔，调整定向钻具串使其弯管的弯头朝向下方，沿主孔将定向钻具串下至距主孔的孔底0.4～0.5m，根据主孔深度选择合理的筛管长度，使得筛管末端定位头和筛管前端定位头之间筛管的长度等于主孔的深度，利用下入管将筛管钻具串从定向钻具串中心通道下至主孔孔底；
20.步骤7，顺时针转动下入管，使下入管和筛管末端定位头分离，从钻孔内撤出下入管，回拉定向钻具串使其退出钻孔，使得筛管末端定位头、筛管和筛管前端定位头保留在主孔内，完成钻孔全孔段的筛管下入。
21.进一步的，在所述步骤2、5和6中，通过电磁波随钻测量装置工具面向角判断弯管的弯头朝向，当工具面向角为0
°
时，弯管的弯头朝向正上方，为180
°
时，弯管的弯头朝向正下方。
22.进一步的，在所述步骤4、5、6中，判断定向钻具串下入到了主孔还是分支孔的方法：由孔口向定向钻具串内供风，电磁波随钻测量装置开始测量倾角、方位角和工具面向角，如果测量倾角、方位角与实钻轨迹参数中的测量倾角、方位角均一致，则判断定向钻具
串下入到了主孔内，否则判断定向钻具串下入到了分支孔内。
23.相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
24.(1)筛管下入位置准确。本发明在筛管下入过程中，采用电磁波随钻测量装置测量钻孔倾角、方位角参数，通过和钻孔实钻数据比较，能够准确判断筛管的下入位置，下入深度准确可控。
25.(2)具备调整筛管下入方向的能力。本发明的定向钻具串设有弯管，通过在孔口回转下入管，可以调整弯管的朝向，并利用电磁波随钻测量装置测量工具面可以确定弯管朝向的角度，具备调整筛管下入方向的能力。
26.(3)钻孔主孔和分支孔全孔段的筛管下入护孔。本发明的筛管下入装置及方法，筛管下入位置准确，并且具备调整筛管下入方向的能力，可以实现主孔向分支孔、或分支孔向主孔的准确下入，保证钻孔主孔和分支孔全孔段的筛管下入，护孔效果好，可以提高瓦斯抽采量和抽采率。
附图说明
27.图1为筛管下入装置示意图。
28.图2为定向钻具串连接示意图。
29.图3为筛管钻具串连接示意图。
30.图中各标号含义：1-定向钻具串、2-筛管钻具串、101-钻杆、102-电磁波随钻测量装置、103-安装短节、104-测量短节、105-供电短节、106-发控短节、107-铠装电缆、108-绝缘短节、109-弯管、110-钻头、201-下入管、202-筛管末端定位头、203-筛管、204-筛管扶正器、205-筛管前端定位头。
31.以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
32.参见图1～图3，本发明的碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置，包括定向钻具串1和筛管钻具串2；其中，定向钻具串1包括采用正丝螺纹依次连接的钻杆101、电磁波随钻测量装置102、弯管109和钻头110；筛管钻具串2包括依次连接的下入管201和筛管203，筛管203的前后两端分别安装有筛管前端定位头205和筛管末端定位头202。优选的，筛管203的中部安装有筛管扶正器204。筛管前端定位头205和筛管末端定位头202采用筛管悬挂器。
33.作为本发明的一种较优的实现方式，参见图2，电磁波随钻测量装置102包括安装短节103、测量短节104、供电短节105、发控短节106和绝缘短节108；其中，安装短节103采用两端厚中部薄的非等壁厚结构，其壁厚部分的外壁开有凹槽，用于安装测量短节104、供电短节105和发控短节106；安装短节103壁厚部分与其两端的壁薄部分的连接段的内壁均加工有坡角，以减小筛管钻具串2通过安装短节103的阻力。发控短节106一端通过在安装短节103、绝缘短节108和弯管109外壁开设的线槽中安装的铠装电缆107与弯管109导通，发控短节106另一端与钻杆101导通，形成以绝缘短节108为电绝缘阻隔的左、右两个发射极，进行孔内设备向孔口设备的电磁波信号的传输。优选的，安装短节103中在发控短节106安装位置的下方设有压力检测口，用于发控短节106的压力开关检测定向钻具串内1的压力。上述
技术方案中，孔口设备向定向钻具串1内供风时，发控短节106压力开关打开，电磁波随钻测量装置102测量倾角、方位角和工具面向角并向孔口设备传输；孔口设备停止向定向钻具串1内供风时，发控短节106的压力开关关闭，电磁波随钻测量装置102停止信号测量并进入待机状态。
34.其中，弯管109的弯角大于定向钻孔施工所用螺杆马达的弯角，以保证筛管203顺利从主孔下入到分支孔。
35.参见图3，筛管钻具串2上，筛管末端定位头202和筛管前端定位头205之间的筛管203长度等于预计下入护孔孔段的长度；优选的，下入管201与筛管末端定位头202采用反丝螺纹连接，筛管末端定位头202与筛管203采用正丝螺纹连接，筛管203与筛管前端定位头205采用正丝螺纹连接。优选的，筛管203由两段子筛管连接而成，两端子筛管采用正丝螺纹连接，且连接处安装有筛管扶正器204。上述技术方案中，当筛管前端定位头205下入到预定深度后，在孔口正向转动筛管钻具串2，完成下入管201与筛管末端定位头202的分离，至此实现筛管203的下放。筛管末端定位头202和筛管前端定位头205在定向钻具串1内为收缩状态，伸出钻头110后为弹开状态，用于筛管203的定位和扶正，同时，筛管203中部的筛管扶正器204用于减小筛管203贴合孔壁的面积，提高瓦斯抽采效果。
36.利用上述本发明的碎软煤层瓦斯抽采顺层定向钻孔筛管下入装置，实现碎软煤层顺层定向钻孔的全孔段护孔方法，包括如下步骤：
37.步骤1，下入定向钻具串1，接近第一个分支孔深度时调整定向钻具串1使其弯管109的弯头朝向正上方，
38.步骤2，将定向钻具串1下至距第一个分支孔的孔底0.4～0.5m，以保证筛管钻具串2的筛管前端定位头205顺利从钻头110穿出；
39.步骤3，根据第一个分支孔深度选择筛管203，使得筛管末端定位头202和筛管前端定位头205之间筛管203的长度等于第一个分支孔的深度，利用下入管201将筛管钻具串2从定向钻具串1的中心通道下入到第一个分支孔的孔底；
40.步骤4，孔口顺时针转动下入管201，使下入管201和筛管末端定位头202分离，从钻孔内撤出下入管201，回拉定向钻具串1使其退回主孔，此时筛管末端定位头202、筛管203和筛管前端定位头205保留在第一个分支孔内，完成第一个分支孔的筛管下入；
41.步骤5，调整定向钻具串1使其弯管109的弯头朝向下方，沿主孔向下一个分支孔下入，重复步骤2、3和4，每个分支孔的下入方式均与第一个分支孔相同，直至全部分支孔中全部被下入筛管203；
42.步骤6，回拉定向钻具串1使其退回主孔，调整定向钻具串1使其弯管109的弯头朝向下方，沿主孔将定向钻具串1下至距主孔的孔底0.4～0.5m，根据主孔深度选择合理的筛管203长度，使得筛管末端定位头202和筛管前端定位头205之间筛管203的长度等于主孔的深度，利用下入管201将筛管钻具串2从定向钻具串1中心通道下至主孔孔底；
43.步骤7，顺时针转动下入管201，使下入管201和筛管末端定位头202分离，从钻孔内撤出下入管201，回拉定向钻具串1使其退出钻孔，使得筛管末端定位头202、筛管203和筛管前端定位头205保留在主孔内，完成钻孔全孔段的筛管下入。
44.优选的，在步骤2、5和6中，通过电磁波随钻测量装置测量工具面向角判断弯管109的弯头朝向，当工具面向角为0
°
时，弯管109的弯头朝向正上方，为180
°
时，弯管109的弯头
朝向正下方。
45.优选的，在上述方法的步骤4、5、6中，判断定向钻具串1下入到了主孔还是分支孔的方法：由孔口向定向钻具串1内供风，电磁波随钻测量装置102开始测量倾角、方位角和工具面向角，如果测量倾角、方位角与主孔实钻轨迹参数中的测量倾角、方位角均一致，则判断定向钻具串1下入到了主孔内，否则判断定向钻具串1下入到了分支孔内。
46.尽管本发明较多地使用了定向钻具串、筛管钻具串、钻杆、电磁波随钻测量装置、安装短节、测量短节、供电短节、发控短节、铠装电缆、绝缘短节、弯管、钻头、下入管、筛管末端定位头、筛管、筛管扶正器、筛管前端定位头等技术术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明所要保护的方案相违背的。