用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆進(jìn)方法及鉆桿的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于軟弱煤巖層鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆進(jìn)方法及鉆桿。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，軟弱煤巖層鉆孔施工是鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域一項(xiàng)難題。軟弱煤巖層鉆進(jìn)過程中，由于鉆孔變形破壞嚴(yán)重，鉆進(jìn)阻力大、排渣困難，致使鉆孔深度淺、鉆進(jìn)效率低，同時(shí)鉆進(jìn)過程中卡鉆、斷鉆等鉆孔事故頻發(fā)。特別是軟煤層鉆孔施工，由于煤體強(qiáng)度低，受地應(yīng)力、瓦斯壓力、構(gòu)造應(yīng)力等因素作用，鉆孔收縮比變形極為嚴(yán)重，鉆進(jìn)過程中，鉆桿處于被煤渣完全包裹狀態(tài)，鉆進(jìn)阻力大，卡鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，我國多個(gè)礦區(qū)已發(fā)生多起鉆孔瓦斯燃燒、鉆孔CO中毒事故。例如，河南豫北、豫西煤田很多礦井煤層為軟煤層，煤層以m類碎粒煤(煤堅(jiān)固性系數(shù)f=0.25-0.5)和IV類糜棱煤(f〈0.3)為主，很多區(qū)域的鉆孔施工深度不足20 m，致使煤層中形成抽采盲區(qū)，其結(jié)果嚴(yán)重影響煤層瓦斯抽采效率，同時(shí)影響煤礦安全高效開采，給煤礦生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。針對軟煤層鉆進(jìn)難題，發(fā)展了一系列新型鉆具，專利名稱為“突出煤層扒孔降溫鉆具及其鉆進(jìn)方法”(ZL200610111830.7)、“用于瓦斯抽采鉆孔施工的低螺旋耐磨鉆桿及其加工工藝”(ZL2008 10049974.3)、“非對稱異型截面鉆桿”(ZL200910064223.3)、“異型多棱刻槽鉆桿”(ZL200910064973.0)都取到了較好的鉆進(jìn)效果，一定程度上推進(jìn)了我國軟煤巖鉆探工程技術(shù)水平的提高。由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，軟煤層鉆孔施工仍然是制約煤層瓦斯抽采效率的重要難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆進(jìn)方法及鉆桿，解決常規(guī)鉆具鉆進(jìn)阻力大、鉆孔深度淺、鉆進(jìn)效率低、鉆孔事故多的問題。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆進(jìn)方法，包括以下步驟；
①.在待施工地點(diǎn)取煤樣或巖樣，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算評(píng)估鉆孔收縮比dc；；鉆孔收縮比d。為鉆孔孔壁變形最大位移uP與鉆孔未收縮時(shí)半徑r的比值；
②.根據(jù)施工地點(diǎn)軟煤巖的鉆孔收縮比dc設(shè)計(jì)鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑CU，當(dāng)鉆孔收縮比O
20%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑Cl1設(shè)計(jì)為1.5r(l-dc)?1.8r(l-dc);當(dāng)鉆孔收縮比20%<dc < 40%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑山設(shè)計(jì)為1.7r(l-dc)?2.lr(l-dc)；當(dāng)鉆孔收縮比40%<dc < 60%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑di設(shè)計(jì)為1.8r(l-dc)?2.5r(l-dc)；當(dāng)鉆孔收縮比dc>60%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑di設(shè)計(jì)為1.9r(l-dc)?1.8r；
③.根據(jù)施工地點(diǎn)煤層的鉆孔收縮比d。設(shè)計(jì)鉆桿表面凸起高度或凹槽深度；當(dāng)鉆孔收縮比O 20%時(shí)，鉆桿表面凸起高度設(shè)置為O mm?5 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比20<dc <40%時(shí)，鉆桿表面凸起高度設(shè)置為3 mm?8 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比40<cU 60%時(shí)，鉆桿表面凸起高度設(shè)置為5 mm?11 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比dc>60%時(shí)，鉆桿表面凸起高度設(shè)置為5 mm?15 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比O < dc < 50%時(shí)，鉆桿表面凹槽深度設(shè)置為O mm?3 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比dc>50%時(shí)，鉆桿表面凹槽深度設(shè)置為3 mm?5 mm范圍內(nèi)；
④.根據(jù)施工地點(diǎn)煤層的鉆孔收縮比d。設(shè)計(jì)鉆桿表面凸起或凹槽之間間距，當(dāng)鉆孔收縮比O < K 20%時(shí)，鉆桿表面凸起或凹槽之間間距設(shè)置為10 mm?40 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比20<山< 40%時(shí)，鉆桿表面凸起或凹槽之間間距設(shè)置為20 mm?50 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比40<cU 100%時(shí)，鉆桿表面凸起或凹槽之間間距設(shè)置為40 mm?80 mm范圍內(nèi)；
⑤.根據(jù)施工地點(diǎn)煤層的鉆孔收縮比dc設(shè)計(jì)鉆進(jìn)速度；當(dāng)鉆孔收縮比O<dc< 20%時(shí)，鉆進(jìn)速度設(shè)計(jì)為0.8 m/min?I m/min;當(dāng)鉆孔收縮比20<dc < 40%時(shí)，鉆進(jìn)速度設(shè)計(jì)為0.6 m/min?0.8 m/min;當(dāng)鉆孔收縮比40<K 60%時(shí)，鉆進(jìn)速度設(shè)計(jì)為0.4 m/min?0.6 m/min；當(dāng)鉆孔收縮比60<dc < 100%時(shí)，鉆進(jìn)速度設(shè)計(jì)為0.2 m/min?0.4 m/min；
⑥.根據(jù)施工地點(diǎn)煤層地質(zhì)條件，確定鉆孔施工直徑、鉆孔之間間距、鉆孔距離頂?shù)装寰嚯x、鉆孔傾角、方位角，并依據(jù)步驟①?⑤，確定鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑CU、鉆桿表面凸起高度或凹槽深度、鉆桿表面凸起或凹槽之間間距、鉆進(jìn)速度，并確定降阻散熱仿生鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。
[0005]用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆桿，包括同軸向順次連接的凹連接件、桿體和凸連接件，凹連接件、桿體和凸連接件內(nèi)部沿軸向方向具有貫通的空腔，桿體、凸連接件及凹連接件的外圓周表面或者桿體及凸連接件的外圓周表面或者桿體及凹連接件的外圓周表面或者桿體的外圓周表面均勻設(shè)置有仿生結(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)為凹槽和/或凸起。
[0006]相鄰的兩個(gè)凹槽、相鄰的兩個(gè)凸起或者相鄰的凹槽及凸起之間的距離為1mm?80mm η
[0007]凹槽的深度為0.1臟?5 mm η
[0008]凸起的高度為0.Imm?15 mm η
[0009]以上技術(shù)方案所采用的原理如下:鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆孔內(nèi)發(fā)生堵塞、鉆桿被完全包裹時(shí)，根據(jù)仿生學(xué)理論，將鉆具表面設(shè)計(jì)為凸凹不平結(jié)構(gòu)，可有效降低鉆桿與堵塞段接觸面積，從而降低鉆桿的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)阻力，此外，鉆桿表面的凹凸結(jié)構(gòu)使煤渣處于流動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)將散失，預(yù)防堵塞段局部熱量聚集，避免鉆孔內(nèi)熱量聚集引起的鉆孔事故。本發(fā)明根據(jù)煤層地質(zhì)條件評(píng)估鉆孔收縮比dc并確定鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑cb、鉆桿表面凸起高度或凹槽深度、鉆桿表面凸形或凹槽之間間距、鉆進(jìn)速度等技術(shù)參數(shù)，應(yīng)用降阻散熱仿生鉆桿施工鉆孔，實(shí)現(xiàn)低阻、低溫一體化鉆進(jìn)。
[0010]由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下效果:
本發(fā)明提供一種鉆進(jìn)方法并設(shè)計(jì)相應(yīng)鉆桿，從而有效降低鉆桿的鉆進(jìn)阻力，有利于提高軟煤巖鉆孔深度和鉆進(jìn)效率。通過本發(fā)明鉆進(jìn)方法指導(dǎo)降阻散熱仿生鉆桿的合理鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑CU、鉆桿表面凸起高度或凹槽深度、鉆桿表面凸形或凹槽之間間距和鉆進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)了基于煤層地質(zhì)條件仿生鉆桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有效降低了鉆桿的鉆進(jìn)阻力。
[0011]本發(fā)明針對軟煤巖鉆進(jìn)困難的技術(shù)難題，結(jié)合大量工程實(shí)踐，依據(jù)巖石力學(xué)、仿生學(xué)相關(guān)理論，充分考慮煤層地質(zhì)條件，發(fā)明了用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆進(jìn)方法及鉆桿，鉆進(jìn)方法指導(dǎo)降阻散熱仿生鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮降阻散熱仿生鉆桿的“降阻”和“散熱”的雙重作用，有利于提高軟煤巖鉆孔深度，值得在煤礦企業(yè)推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的軸向剖視圖；
圖3是圖2中A處的局部放大圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例二的軸向剖視圖；
圖6是圖5中B處的局部放大圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例三的軸向剖視圖；
圖9是圖8中C處的局部放大圖；
圖10是本發(fā)明實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖11是本發(fā)明實(shí)施例四的軸向剖視圖；
圖12是圖11中D處的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例一:
如圖1?圖3所示，用于軟煤巖降阻散熱仿生鉆進(jìn)方法，根據(jù)煤層地質(zhì)條件評(píng)估鉆孔收縮比dc并確定鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑CU、鉆桿表面凸起高度H1、鉆桿表面凸形之間間距L和鉆進(jìn)速度，應(yīng)用降阻散熱仿生鉆桿施工鉆孔，實(shí)現(xiàn)低阻、低溫一體化鉆進(jìn)，具體包括以下步驟:
①.在待施工地點(diǎn)取煤樣或巖樣，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算評(píng)估鉆孔收縮比dc(鉆孔收縮比d。為鉆孔孔壁變形最大位移uP與鉆孔未收縮時(shí)半徑r的比值)；
②.根據(jù)施工地點(diǎn)軟煤巖的鉆孔收縮比dc設(shè)計(jì)鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑CU，當(dāng)鉆孔收縮比O
20%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑Cl1設(shè)計(jì)為1.5r(l-dc)?1.8r(l-dc);當(dāng)鉆孔收縮20%<dc < 40%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑di設(shè)計(jì)為1.7r(l-dc)?2.lr(l-dc);當(dāng)鉆孔收縮40%<dc < 60%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑cU設(shè)計(jì)為1.8r(l-dc)?2.5r(l-dc)；當(dāng)鉆孔收縮dc>60%時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑di設(shè)計(jì)為1.9r( l_dc)?1.8r;
③.根據(jù)施工地點(diǎn)煤層的鉆孔收縮比dc設(shè)計(jì)鉆桿表面凸起高度扭或凹槽深度H2;當(dāng)鉆孔收縮比OS20%時(shí)，鉆桿表面凸起高度H1設(shè)置為O mm?5 mm范圍內(nèi)；當(dāng)鉆孔收縮比20<dc<40%時(shí)，鉆桿表面凸起高度H1設(shè)置為3 mm?