一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法，屬于煤礦開采【技術(shù)領域】，具體涉及一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法。本發(fā)明通過控制鉆孔環(huán)空中的沖洗液返出壓力，在近水平長鉆孔上建立起虛擬“液柱”，同時采用具有良好綜合性能的沖洗液體系、閉式循環(huán)，借助虛擬“液柱”壓差作用使沖洗液適量濾失而在孔壁上形成柔性濾膜，以此來發(fā)揮沖洗液的護壁防塌、平衡地層壓力等功能，增強近水平定向長鉆孔鉆進技術(shù)對松軟破碎、水敏性等復雜地層的適應能力。
【專利說明】一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法，屬于煤礦開采【技術(shù)領域】，具體涉及一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]我國煤礦95%以上為井工開采，復雜的煤田地質(zhì)條件給煤礦安全生產(chǎn)帶來了嚴重災害，其中井下瓦斯災害是我國煤礦安全生產(chǎn)中最嚴重的災害之一，且隨著采煤范圍的擴大和采煤深度的增加，原來一些低瓦斯礦井逐漸轉(zhuǎn)變成了高瓦斯礦井，使得煤礦安全生產(chǎn)形勢更加嚴峻。我國煤礦幾十年瓦斯治理的經(jīng)驗證明:瓦斯預抽采是降低煤層瓦斯含量、防治瓦斯災害最有效的技術(shù)手段，同時也是綜合利用瓦斯的基礎。
[0003]煤礦井下近水平定向長鉆孔是實現(xiàn)瓦斯高效抽采的重要技術(shù)途徑，具有有效距離長、分支孔多、鉆進效率高、一孔多用、集中抽采等優(yōu)點，它促進了我國煤礦井下瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展，對保障煤礦安全高效生產(chǎn)和加快瓦斯抽采利用起到了重大推動作用。
[0004]目前，煤礦井下近水平定向長鉆孔鉆進施工普遍采用清水作為沖洗液、開式循環(huán)，即清水由鉆桿柱中心孔到達孔底后經(jīng)鉆桿柱與孔壁間的環(huán)狀間隙返出后以污水的形式排掉。清水作為沖洗液在近水平鉆孔中的攜巖能力相對較低，且護壁防塌、抑制泥頁巖水化膨脹等性能較差。目前雖已嘗試通過在清水中添加化學處理劑的方式來改善其性能，但因近水平鉆孔循環(huán)通道中幾乎無液柱壓力，孔內(nèi)處于完全意義上的欠平衡狀態(tài)，化學處理劑難以在孔壁表面上形成有效的濾膜，不能充分發(fā)揮沖洗液應有的作用；同時，開式循環(huán)消耗大量的清水和處理劑，成本高，且污染井巷環(huán)境。
[0005]此外，隨著近水平定向鉆進技術(shù)應用范圍和領域的拓展，施工鉆遇的地層呈現(xiàn)多樣化，由單一的中硬及以上煤層變?yōu)椴煌愋兔簬r層和頂?shù)装鍘r層。近水平定向長鉆孔在諸如松軟破碎、水敏性等復雜地層中延伸時，存在孔壁穩(wěn)定性差、成孔難度大，易發(fā)生卡鉆等孔內(nèi)事故的問題，嚴重影響鉆孔軌跡控制和鉆孔工程目的的實現(xiàn)。
[0006]為此，本發(fā)明的設計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究，綜合多年從事相關領域工作的實踐經(jīng)驗，研究出一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進方法及配套裝置，以克服上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的孔壁穩(wěn)定性差、成孔難度大、易卡鉆等問題，提供了一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)及方法。采用本系統(tǒng)及方法能充分發(fā)揮沖洗液護壁防塌、平衡地層壓力的功能，進而減少或避免孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高近水平定向長鉆孔穿越松軟破碎、水敏性等復雜地層的能力。
[0008]本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
[0009]一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，包括:鉆桿柱、鉆孔環(huán)空、封孔管、沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置、孔口密封控壓裝置，其中:所述封孔管固定于煤巖層內(nèi)，所述孔口密封控壓裝置與封孔管連接，所述鉆桿柱穿過所述孔口密封控壓裝置后深入封孔管以及煤巖層內(nèi)并與所述封孔管以及所述煤巖層形成鉆孔環(huán)空，所述沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置與鉆桿柱的中心孔相連，所述鉆桿柱的中心孔與所述鉆孔環(huán)空相通，所述孔口密封控壓裝置用于控制鉆孔環(huán)空內(nèi)沖洗液壓力，其上設有沖洗液返回通道。
[0010]優(yōu)化的，上述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，所述孔口密封控壓裝置包括:通過承壓腔與所述鉆孔環(huán)空相通的排液彎管、通過承壓活塞與排液彎管相連接的卸壓腔、通過調(diào)壓彈簧與所述承壓活塞相連的控壓手輪。
[0011]優(yōu)化的，上述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，所述孔口密封控壓裝置還包括:承壓密封座、位于承壓密封座內(nèi)的軸向密封膠塞和徑向密封膠塞、至少部分包裹所述承壓密封座并且內(nèi)部充滿密封液體的浮動腔，其中:所述軸向密封膠塞的外表面與承壓密封座內(nèi)表面耦合，其一端包裹于鉆桿柱外部，另一端與膠塞壓緊環(huán)相連，所述膠塞壓緊環(huán)與調(diào)節(jié)螺栓相接，并且通過調(diào)節(jié)螺栓推動所述膠塞壓緊環(huán)可控制所述軸向密封膠塞與鉆桿柱之間的抱緊程度；所述徑向密封膠塞由碟簧壓緊并且可隨承壓密封座一起在浮動腔內(nèi)自由滑動。
[0012]優(yōu)化的，上述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，所述沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置包括:與所述鉆桿柱中心孔相連的送水器、與所述孔口密封控壓裝置的沖洗液返回通道相連接的用于從沖洗液中分離瓦斯氣體及煤渣的分離器、與所述分離器相連的沖洗液凈化裝置、與所述沖洗液凈化裝置相連的沖洗液罐、泥漿泵，所述泥漿泵的吸入端與沖洗液罐相連，輸出端與送水器相連接。
[0013]優(yōu)化的，上述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，所述沖洗液罐內(nèi)設有配漿器，所述配漿器通過配漿閥門和混漿膠管與泥漿泵的輸出端相連，所述送水器與泥漿泵的輸出端之間設有沖洗液閥門。
[0014]一種利用上述的煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)進行控壓鉆進的方法，包括:
[0015]施工準備步驟，在煤巖層中開孔并用封孔管封孔后，在封孔管內(nèi)注水憋壓達到
1.3MPa?1.5MPa，觀察封孔管的孔內(nèi)壓力變化及開孔點周圍煤壁滲水情況，若30分鐘內(nèi)封孔管內(nèi)的壓力下降值< 0.15MPa，且封孔管周圍無水滲漏，則封孔合格，否則需采取加固封孔措施或重新開孔；
[0016]設備安裝步驟，將鉆桿柱下入封孔管以及煤巖層內(nèi)，將孔口密封控壓裝置安裝到封孔管上，再依次連接送水器、泥漿泵、沖洗液罐、分離器、沖洗液凈化裝置構(gòu)成孔外沖洗液閉式循環(huán)通道，配置沖洗液罐內(nèi)的沖洗液；
[0017]鉆進施工步驟，根據(jù)地層情況，通過孔口密封控壓裝置將鉆孔環(huán)空沖洗液返排壓力控制在0.6MPa?0.8MPa之間，實施鉆進作業(yè)。
[0018]優(yōu)化的，上述的控壓鉆進方法，所述施工準備步驟進一步包括:
[0019]開孔子步驟，采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝開孔，孔徑153mm，開孔深度在15m以上，鉆至預定深度后循環(huán)沖孔時間1min以上；
[0020]封孔子步驟，在開孔子步驟形成的孔內(nèi)，下入外徑Φ127πιπι、壁厚5mm的鋼制封孔管，總長度為13.0m?13.5m，煤壁外出露長度彡20cm ;采用帶壓注水泥漿技術(shù)封固封孔管，注漿后候凝時間不少于18小時；
[0021]試壓子步驟，待封孔候凝結(jié)束后，在封孔管法蘭上安裝試驗接頭，由泥漿泵向孔內(nèi)注水，壓力達到1.3MPa?1.5MPa后停止注水，觀察封孔管孔內(nèi)壓力變化及開孔點周圍煤壁滲水情況，若30分鐘內(nèi)壓力下降值< 0.15MPa，且封孔管周圍無水滲漏，則封孔合格，否則需采取加固封孔措施或重新開孔；
[0022]優(yōu)化的，上述的控壓鉆進方法，所述設備安裝步驟進一步包括:
[0023]沖洗液配置子步驟，在沖洗液罐注滿清水后加入0.7%?1.0%增粘防塌處理劑、0.4%?0.6%泥頁巖水化膨脹抑制劑和0.1%?0.25%潤滑減阻材料，充分混合后靜置待用。
[0024]優(yōu)化的，上述的控壓鉆進方法，所述鉆進施工步驟進一步包括:
[0025]鉆進施工子步驟，開啟孔外沖洗液閉式循環(huán)通道，向孔內(nèi)循環(huán)通道注入沖洗液并開始鉆進；
[0026]控壓鉆進子步驟，根據(jù)實際鉆遇的地層情況，通過控壓手輪調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧的壓縮量將鉆孔環(huán)空內(nèi)的沖洗液壓力控制在0.6MPa?0.8MPa之間；
[0027]密封控制子步驟，鉆進過程中，根據(jù)軸向密封膠塞密封面磨損情況，通過調(diào)節(jié)螺栓、膠塞壓緊環(huán)來調(diào)節(jié)軸向密封膠塞與鉆桿柱之間的抱緊程度，以保證鉆桿柱與鉆孔環(huán)空之間的可靠承壓密封。
[0028]優(yōu)化的，上述的控壓鉆進方法，所述沖洗液包含:0.7%?1.0 %的增粘防塌處理劑、0.4%?0.6%的泥頁巖水化膨脹抑制劑和0.1%?0.25%的潤滑減阻材料。
[0029]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1.適于復雜地層的作業(yè):可充分發(fā)揮沖洗液的護壁防塌、平衡地層壓力、抑制泥頁巖水化膨脹等功能，提高了近水平定向鉆進技術(shù)對松軟破碎、水敏性等復雜地層的適應能力；2.沖洗液體系綜合性能更好:沖洗液的攜巖能力強、潤滑性好，利于彎曲下斜孔段、深孔段攜洛，孔內(nèi)清潔，同時采用閉式循環(huán)，既節(jié)省了清水用量，又避免了井巷環(huán)境污染；3.減少瓦斯超限事故發(fā)生:孔內(nèi)沖洗液附加壓力值增大了煤巖層中瓦斯氣體進入孔內(nèi)的阻力，有利于防止瓦斯大量涌出而引起噴孔。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]附圖1是本發(fā)明控壓鉆進系統(tǒng)主視圖。
[0031]附圖2是本發(fā)明中孔口密封控壓裝置的右視圖。
[0032]附圖3是本發(fā)明中孔口密封控壓裝置的主視圖。

【具體實施方式】
[0033]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。圖中，鉆桿柱I，煤巖層2，封孔水泥3，鉆孔環(huán)空4，封孔管5，孔口密封控壓裝置6，送水器7，高壓膠管8，沖洗液閥門9，分離器10，沖洗液凈化裝置11，泥漿泵12，吸液膠管13，混漿膠管14，返排管線15，負壓管路16，排渣口 17，排屑口 18，沖洗液罐19，配漿器20，配漿閥門21，控壓手輪22，調(diào)壓彈簧23，承壓活塞24，卸壓腔25，排液彎管26，測壓接頭27，承壓腔28，徑向密封膠塞29，浮動腔30，碟簧31，軸向密封膠塞32，承壓密封座33，膠塞壓緊環(huán)34，清潔刷35，調(diào)節(jié)螺栓36。
[0034]實施例:
[0035]如圖1所示，一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，包括:鉆桿柱1、鉆孔環(huán)空4、封孔管5、孔口密封控壓裝置6、沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置，其中:封孔管5固定于煤巖層2內(nèi)，孔口密封控壓裝置6與封孔管5連接，鉆桿柱I穿過孔口密封控壓裝置6后深入封孔管5以及煤巖層2內(nèi)并在封孔管5以及煤巖層2內(nèi)形成鉆孔環(huán)空4，沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置與鉆桿柱I內(nèi)部的鉆桿柱中心孔相連，鉆桿柱中心孔與鉆孔環(huán)空相通，孔口密封控壓裝置用于控制鉆孔環(huán)空內(nèi)沖洗液壓力，其上設有沖洗液返回通道。
[0036]沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置包括:與鉆桿柱中心孔相連的送水器7、通過返排管線15與孔口密封控壓裝置6的沖洗液返回通道相連接的用于從沖洗液中分離瓦斯氣體及煤渣的分離器10、與分離器10相連的沖洗液凈化裝置11、與沖洗液凈化裝置11相連的沖洗液罐19、泥漿泵12，其中，泥漿泵12的吸入端通過吸液膠管13與沖洗液罐19相連，輸出端通過高壓膠管8與送水器7相連接；在沖洗液罐19內(nèi)設有配漿器20，配漿器20通過配漿閥門21和混漿膠管14與泥漿泵12的輸出端相連，在高壓膠管8上設有沖洗液閥門9。
[0037]本實施例中，孔口密封控壓裝置6通過法蘭與封孔管5連接在一起，封孔管5與煤巖層2之間由封孔水泥3充填。孔口密封控壓裝置6的作用是控制鉆孔環(huán)空4內(nèi)沖洗液在孔口處的返出壓力，使整個鉆孔循環(huán)通道內(nèi)各處沖洗液產(chǎn)生一個附加的壓力，該壓力的直接動力源為泥漿泵12，進而人為在近水平定向長鉆孔上建立起虛擬“液柱”。在此前提下，采用具有良好綜合性能的沖洗液體系，并借助沖洗液凈化裝置實現(xiàn)閉式循環(huán)，在虛擬“液柱”壓差作用下使沖洗液適量濾失而在孔壁上形成柔性的濾膜，以此來發(fā)揮沖洗液的護壁防塌、平衡地層壓力等功能，維持復雜煤巖地層孔壁的相對穩(wěn)定性，增強近水平定向長鉆孔鉆進技術(shù)對復雜煤巖地層的適應能力。
[0038]沖洗液閉式循環(huán)過程為:泥漿泵12通過吸液膠管13從沖洗液罐19中抽吸沖洗液，加壓后經(jīng)由高壓膠管8此時，閥門9打開、閥門21關閉和送水器7進入鉆桿柱I中心孔，到達孔底驅(qū)動螺桿馬達做功后攜帶煤渣屑沿鉆孔環(huán)空4返出，通常為氣液固三相混合物，進入孔口密封控壓裝置6后改變流道，經(jīng)返排管線15流入分離器10內(nèi)，其中的瓦斯氣體分離后進入負壓管路16，依靠重力沉降的大顆粒的煤渣由排渣口 17排出，液相連通小顆粒煤屑進入沖洗液凈化裝置11內(nèi)，凈化后的沖洗液流入沖洗液罐19中重新循環(huán)，分離出的煤屑經(jīng)排屑口 18排出。
[0039]借助閥門9、21可利用泥漿泵作為動力源來配置沖洗液:關閉閥門9、打開閥門21，泥漿泵12通過吸液膠管13從沖洗液罐19中抽吸沖洗液，加壓后經(jīng)由混漿膠管14進入配漿器20以射流方式進行配漿，加速處理劑的混合和溶解。
[0040]孔口密封控壓裝置6的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，包括:通過承壓腔28與所述鉆孔環(huán)空4相通的排液彎管26、連接于排液彎管26上的測壓接頭27、通過承壓活塞24與排液彎管26相連接的卸壓腔25、通過調(diào)壓彈簧23與所述承壓活塞24相連的控壓手輪22、承壓密封座33、位于承壓密封座33內(nèi)的軸向密封膠塞32和徑向密封膠塞29、至少部分包裹所述承壓密封座33并且內(nèi)部充滿密封液體的浮動腔30。
[0041]采用此結(jié)構(gòu)后，鉆孔環(huán)空4返出的沖洗液在孔口密封控壓裝置6內(nèi)改變流動通道，即在承壓腔28內(nèi)由環(huán)形流道進入圓形流道，即進入排液彎管26后，需推開承壓活塞24后方能進入卸壓腔25，通過控壓手輪22調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧23的壓縮量，進而改變承壓活塞24被推開的難易程度，間接控制鉆孔環(huán)空沖洗液返出壓力，返出壓力大小由測壓接頭27上的壓力表顯示。
[0042]孔口處鉆孔環(huán)空4的密封利用兩個膠塞實現(xiàn):徑向密封膠塞29和軸向密封膠塞32，其中，軸向密封膠塞32具有似“碗”狀外形結(jié)構(gòu)，其外表面與承壓密封座33內(nèi)表面耦合，其中心孔的一端包裹于鉆桿柱I外部，另一端與膠塞壓緊環(huán)34相連，膠塞壓緊環(huán)34與調(diào)節(jié)螺栓36相接，軸向密封膠塞32的中心孔與鉆桿柱I之間的抱緊程度通過調(diào)節(jié)螺栓36推動膠塞壓緊環(huán)34來控制，以滿足承壓密封的要求；徑向密封膠塞29由碟簧31壓緊，且可隨承壓密封座33 —起在浮動腔30內(nèi)自由滑動，可有效降低軸向密封膠塞32的磨損。
[0043]在鉆桿I和調(diào)節(jié)螺栓36間設有清潔刷35，在鉆進過程中，清潔刷35的作用是清潔新加鉆桿外表面以保護軸向密封膠塞32的密封面。
[0044]本實施例中的近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)進行控壓鉆進的方法包括:施工準備步驟、設備安裝步驟、鉆進施工步驟。
[0045]其中，施工準備步驟包括:
[0046]開孔子步驟:開孔采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進工藝進行，可先施工96_的導向孔、再擴孔至153mm,也可利用鉆-擴一體式鉆頭直接施工153mm的鉆孔,開孔深度不小于15m ;鉆至預定深度后循環(huán)沖孔時間不少于lOmin，目的是將孔內(nèi)鉆屑排除干凈，便于順利下管。
[0047]封孔子步驟:開孔完成后下入外徑127_、壁厚5_的鋼制套管(即專封孔管5)，總長度13.0m?13.5m，煤壁外出露長度彡20cm ;采用“兩堵一注”帶壓注水泥漿技術(shù)封固套管柱，注漿后候凝時間不少于18小時。
[0048]試壓子步驟:封孔候凝結(jié)束后利用泥漿泵12進行試壓，即在封孔管5法蘭上安裝試驗接頭，由泥漿泵12向孔內(nèi)注水，壓力達到1.3MPa?1.5MPa后關閉試驗接頭上的截止閥停止注水，觀察孔內(nèi)壓力變化及開孔點周圍煤壁滲水情況，30分鐘內(nèi)壓力下降值< 0.15MPa，且封孔管周圍無水滲漏，則封孔合格，否則需采取加固封孔措施或重新開孔。
[0049]設備安裝步驟包括:
[0050]下鉆子步驟:將鉆頭、孔底馬達、隨鉆測量系統(tǒng)、無磁鉆桿依次下入孔內(nèi)，之后將孔口密封控壓裝置6安裝到封孔管5上，具體分兩步進行:先連接封孔管與孔口密封控壓裝置主體，后安裝徑向密封膠塞29、軸向密封膠塞32及其附屬零件。
[0051]管匯連接子步驟:通過高壓膠管8、吸液膠管13、混漿膠管14、返排管線15將送水器7、泥漿泵12、沖洗液罐19、配漿器20、沖洗液凈化裝置11和孔口密封控壓裝置6連接在一起構(gòu)成孔外沖洗液閉式循環(huán)系統(tǒng)。
[0052]沖洗液配置子步驟:沖洗液罐19注滿清水后根據(jù)配方設計加入0.7%?1.0%增粘防塌處理劑、0.4%?0.6%泥頁巖水化膨脹抑制劑和0.1%?0.25%潤滑減阻材料；關閉閥門9、打開閥門21，開動泥漿泵12向配漿器20供液混漿，充分混合后靜置待用。
[0053]鉆進施工步驟包括:
[0054]鉆進施工子步驟:啟動沖洗液凈化裝置11、打開負壓管路16 ;關閉閥門21，打開閥門9 ;向外旋轉(zhuǎn)控壓手輪22使調(diào)壓彈簧23壓縮量最小；開動泥漿泵開始鉆進。
[0055]控壓鉆進子步驟:根據(jù)實際鉆遇的地層情況，通過控壓手輪22調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧23的壓縮量將鉆孔環(huán)空沖洗液返排壓力控制在0.6MPa?0.8MPa之間，建立起虛擬“液柱”，借此來充分發(fā)揮沖洗液護壁防塌、平衡地層壓力等功能，提高安全穿過松軟破碎、水敏性等復雜層段的能力。
[0056]密封控制子步驟:鉆進過程中，根據(jù)軸向密封膠塞32密封面磨損情況，通過調(diào)節(jié)螺栓36、膠塞壓緊環(huán)34來調(diào)節(jié)軸向密封膠塞與鉆桿柱之間的抱緊程度，以保證鉆桿柱I與鉆孔環(huán)空4之間的可靠承壓密封。
[0057]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
[0058]盡管本文較多地使用了鉆桿柱I，煤巖層2，封孔水泥3，鉆孔環(huán)空4，封孔管5，孔口密封控壓裝置6，送水器7，高壓膠管8，沖洗液閥門9，分離器10，沖洗液凈化裝置11，泥漿泵12，吸液膠管13，混漿膠管14，返排管線15，負壓管路16，排渣口 17，排屑口 18，沖洗液罐19，配漿器20，配漿閥門21，控壓手輪22，調(diào)壓彈簧23，承壓活塞24，卸壓腔25，排液彎管26，測壓接頭27，承壓腔28，徑向密封膠塞29，浮動腔30，碟簧31，軸向密封膠塞32，承壓密封座33，膠塞壓緊環(huán)34，清潔刷35，調(diào)節(jié)螺栓36等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，包括:鉆桿柱(I)、鉆孔環(huán)空(4)、封孔管(5)、沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置，其中:所述封孔管(5)固定于煤巖層(2)內(nèi)，所述鉆桿柱(I)與所述封孔管(5)以及所述煤巖層(2)形成鉆孔環(huán)空(4)，所述沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置與鉆桿柱(I)中心孔相連，所述鉆桿柱(I)中心孔與所述鉆孔環(huán)空(4)相通，其特征在于，還包括:與封孔管(5)連接的用于控制鉆孔環(huán)空(4)內(nèi)沖洗液壓力并設有沖洗液返回通道的孔口密封控壓裝置￠)，所述鉆桿柱(I)穿過所述孔口密封控壓裝置(6)后進入所述封孔管(5)和煤巖層(2)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，其特征在于，所述孔口密封控壓裝置(6)包括:通過承壓腔(28)與所述鉆孔環(huán)空(4)相通的排液彎管(26)、通過承壓活塞(24)與排液彎管(26)相連接的卸壓腔(25)、通過調(diào)壓彈簧(23)與所述承壓活塞(24)相連的控壓手輪(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，其特征在于，所述孔口密封控壓裝置(6)還包括:承壓密封座(33)、位于承壓密封座(33)內(nèi)的軸向密封膠塞(32)和徑向密封膠塞(29)、至少部分包裹所述承壓密封座(33)并且內(nèi)部充滿密封液體的浮動腔(30)，其中: 所述軸向密封膠塞(32)的外表面與承壓密封座(33)內(nèi)表面耦合，其一端包裹于鉆桿柱(I)外部，另一端與膠塞壓緊環(huán)(34)相連，所述膠塞壓緊環(huán)(34)與調(diào)節(jié)螺栓(36)相接，并且通過調(diào)節(jié)螺栓(36)推動所述膠塞壓緊環(huán)(34)可控制所述軸向密封膠塞(32)與鉆桿柱⑴之間的抱緊程度； 所述徑向密封膠塞(29)由碟簧(31)壓緊并且可隨承壓密封座(33) —起在浮動腔(30)內(nèi)自由滑動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，其特征在于，所述沖洗液閉式循環(huán)凈化裝置包括:與所述鉆桿柱(I)中心孔相連的送水器(7)、與所述孔口密封控壓裝置￠)的沖洗液返回通道相連接的用于從沖洗液中分離瓦斯氣體及煤渣的分離器(10)、與所述分離器(10)相連的沖洗液凈化裝置(11)、與所述沖洗液凈化裝置(11)相連的沖洗液罐(19)、泥漿泵(12)，所述泥漿泵(12)的吸入端與沖洗液罐(19)相連，輸出端與送水器(7)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)，其特征在于，所述沖洗液罐(19)內(nèi)設有配漿器(20)，所述配漿器(20)通過配漿閥門(21)和混漿膠管(14)與泥漿泵(12)的輸出端相連，所述送水器(7)與泥漿泵(12)的輸出端之間設有沖洗液閥門(9)。
6.一種利用權(quán)利要求1-5所述的任一煤礦井下近水平定向長鉆孔控壓鉆進系統(tǒng)進行控壓鉆進的方法，其特征在于，包括: 施工準備步驟，在煤巖層中開孔并用封孔管(5)封孔后，在封孔管(5)內(nèi)注水憋壓達到1.3MPa?1.5MPa，觀察封孔管(5)的孔內(nèi)壓力變化及開孔點周圍煤壁滲水情況，若30分鐘內(nèi)封孔管(5)內(nèi)的壓力下降值< 0.15MPa，且封孔管周圍無水滲漏，則封孔合格，否則需采取加固封孔措施或重新開孔；設備安裝步驟，將鉆桿柱(I)下入封孔管(5)以及煤巖層(2)內(nèi)，將孔口密封控壓裝置(6)安裝到封孔管(5)上，再依次連接送水器(7)、泥漿泵(12)、沖洗液罐(19)、分離器(10)、沖洗液凈化裝置(11)構(gòu)成孔外沖洗液閉式循環(huán)通道，配置沖洗液罐(19)內(nèi)的沖洗液； 鉆進施工步驟，根據(jù)地層情況，通過孔口密封控壓裝置(6)將鉆孔環(huán)空(4)沖洗液返排壓力控制在0.6MPa?0.8MPa之間，實施鉆進作業(yè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控壓鉆進方法，其特征在于，所述施工準備步驟進一步包括: 開孔子步驟，采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝開孔，孔徑為153mm，開孔深度在15m以上，鉆至預定深度后循環(huán)沖孔時間1min以上； 封孔子步驟，在開孔子步驟形成的孔內(nèi)，下入外徑為127mm、壁厚5mm的鋼制封孔管(5)，總長度為13.0m?13.5m，煤壁外出露長度彡20cm ;采用帶壓注水泥漿技術(shù)封固封孔管(5)，注漿后候凝時間不少于18小時； 試壓子步驟，待封孔候凝結(jié)束后，在封孔管(5)法蘭上安裝試驗接頭，由泥漿泵(12)向孔內(nèi)注水，壓力達到1.3MPa?1.5MPa后停止注水，觀察封孔管(5)孔內(nèi)壓力變化及開孔點周圍煤壁滲水情況，若30分鐘內(nèi)壓力下降值< 0.15MPa，且封孔管(5)周圍無水滲漏，則封孔合格，否則需采取加固封孔措施或重新開孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控壓鉆進方法，其特征在于，所述設備安裝步驟進一步包括: 沖洗液配置子步驟，在沖洗液罐(19)注滿清水后加入0.7%?1.0%增粘防塌處理劑、0.4%?0.6%泥頁巖水化膨脹抑制劑和0.1%?0.25%潤滑減阻材料，充分混合后靜置待用。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控壓鉆進方法，其特征在于，所述鉆進施工步驟進一步包括: 鉆進施工子步驟，開啟孔外沖洗液閉式循環(huán)通道，向孔內(nèi)循環(huán)通道注入沖洗液并開始鉆進; 控壓鉆進子步驟，根據(jù)實際鉆遇的地層情況，通過控壓手輪(22)調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧(23)的壓縮量將鉆孔環(huán)空⑷內(nèi)的沖洗液返出壓力控制在0.6MPa?0.8MPa之間； 密封控制子步驟，鉆進過程中，根據(jù)軸向密封膠塞(32)密封面磨損情況，通過調(diào)節(jié)螺栓(36)、膠塞壓緊環(huán)(34)來調(diào)節(jié)軸向密封膠塞與鉆桿柱之間的抱緊程度，以保證鉆桿柱(I)與鉆孔環(huán)空(4)之間的可靠承壓密封。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控壓鉆進方法，其特征在于，所述沖洗液包含:0.7 %?.1.0 %的增粘防塌處理劑、0.4%?0.6%的泥頁巖水化膨脹抑制劑和0.1%?0.25%的潤滑減阻材料。
【文檔編號】E21B21/00GK104358514SQ201410493548
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】劉建林, 李泉新, 石智軍, 許超, 史海岐, 畢志琴 申請人:中煤科工集團西安研究院有限公司