松软煤层正负压协同动力排渣钻具及钻进方法

本发明属于松软突出煤层或松软岩层钻孔施工，具体涉及松软煤层正负压协同动力排渣钻具及钻进方法。

背景技术：

1、松软突出煤层是指煤的硬度系数f<0.8的煤层，它是地质构造的产物，主要是由于断层和层滑等原因所形成，所以也称松软煤层为构造煤层。松软煤层通常都与断层、褶皱、产状变化、煤层厚度变化等有共生关系。松软突出煤层具有强度低、瓦斯吸解速度快、瓦斯含量相对高的特征，因此它属于煤与瓦斯突出体。

2、当前，井工瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的主要技术手段，井工瓦斯抽采以钻孔施工为前提，其中主要包括本煤层瓦斯抽采钻孔、穿层瓦斯抽采钻孔，对于地质条件复杂的松软煤岩，在钻孔施工时，孔壁收缩、破坏严重，加之含瓦斯煤体喷孔现象频发，钻孔内易形成堵塞段，使排渣空间丧失，抱钻、卡钻和断钻现象频繁，致使钻孔深度浅、钻进效率低和孔内事故频发，其结果严重影响了瓦斯抽采进度和煤矿安全生产的正常进行。目前采用的常规钻进技术与装备对松软煤岩施钻时极易发生垮孔、塌孔等突发情况，使钻进无法正常进行。

3、本技术人提交了“用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法”(申请号201310568692.5)，其中涉及到的“双通道钻头”和“双通道多孔紊流卸压钻杆”与“用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法”(申请号201310566830.6)，其中涉及到的“中心回流钻头”和“双层内排渣防堵钻杆”，在使用的过程中存在一定的缺陷，存在的主要缺陷有：第一：钻头切削的渣体只能依靠被动方式排渣，易在孔底堆积；第二：钻杆的内管与内腔壁之间为排渣通道，渣体易在钻杆内堵塞；第三：内管的内孔作为流体通道，在接头连接处密封性较差且渣体在孔底不易收集。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种松软煤层正负压协同动力排渣钻具及钻进方法，形成了正负压协同动力的高效排渣钻进技术体系，有利于提升松软煤层钻进深度和钻进效率。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：松软煤层正负压协同动力排渣钻具，包括内排滚轮钻头、虹吸式双通道钻杆、正负压供风器和负压气渣分离装置，虹吸式双通道钻杆沿前后方向同轴向固定连接有若干节，内排滚轮钻头后端同轴固定连接在最前端一节虹吸式双通道钻杆前端，正负压供风器固定安装在最后端一节虹吸式双通道钻杆后端，正负压供风器通过管路与负压气渣分离装置连接。

3、内排滚轮钻头包括钻头基体，钻头基体为具有中心通孔的圆筒结构，钻头基体内部同轴设置有第一内管，第一内管的外径小于钻头基体的内径，第一内管后端与钻头基体后端对齐，钻头基体内圆前端部一体设有环形台阶，第一内管前端固定连接在环形台阶后侧面，第一内管外圆与钻头基体内圆之间的环腔为第一冷却通道，第一内管内腔为第一排渣通道，第一内管的前端内圆周加工有第一内螺纹接头，钻头基体的后端内圆周加工有第二内螺纹接头，钻头基体前端沿圆周方向均匀设有至少两个牙掌，每个牙掌内侧均通过轴颈转动设有一个牙轮。

4、牙掌内部设有前后通透的供风孔，供风孔后端与第一冷却通道相通；牙轮外圆沿轴线方向设有由若干个凹槽隔开的若干个环切削齿，环切削齿切削面安装有金刚石复合片，环切削齿、凹槽和金刚石复合片的数量根据实际情况进行调整。

5、每节虹吸式双通道钻杆均包括钻杆本体，钻杆本体内腔同轴线设有第二内管，第二内管两端外侧壁均与钻杆本体内侧壁通过点焊方式连接为一体，第二内管外圆与钻杆本体内圆之间形成第二冷却通道，第二内管内腔为第二排渣通道，钻杆本体与第二内管前端加工有分别与第一内螺纹接头、第二内螺纹接头相适配的第一外螺纹接头、第二外螺纹接头，钻杆本体与第二内管后端加工有分别与第一外螺纹接头、第二外螺纹接头相适配的第三内螺纹接头、第四内螺纹接头；

6、最前端一节钻杆本体前端的第二外螺纹接头伸入并螺纹连接到钻头基体后端的第二内螺纹接头内；同时最前端一节第二内管前端的第一外螺纹接头伸入并螺纹连接到第一内管后端的第一内螺纹接头内；第一冷却通道与第二冷却通道前后贯通，第一排渣通道与第二排渣通道前后贯通。

7、钻杆本体的外表面沿轴向设有至少两条圆周阵列布置的螺旋刻槽或者钻杆本体的外表面沿轴向设有至少两条圆周阵列布置的长条状凹槽，钻杆本体的第一外螺纹接头和第二外螺纹接头前端环面均安装有橡胶密封圈。

8、第一外螺纹接头和第二外螺纹接头的结构相同，第一外螺纹接头、第一内螺纹接头、第二外螺纹接头、第二内螺纹接头、第三内螺纹接头和第四内螺纹接头均设计为锥形丝扣或平扣；

9、长条状凹槽的截面形状均为圆形、椭圆形、方形或多边形。

10、松软煤层正负压协同动力排渣钻具的钻进方法，采用所述的松软煤层正负压协同动力排渣钻具进行实施，具体包括以下步骤：

11、（1）根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进排渣动力供气通道正压p1和排渣通道负压p2；

12、（2）将内排滚轮钻头的后端通过第一内螺纹接头、第二内螺纹接头分别和第一外螺纹接头、第二外螺纹接头螺纹配合固定安装在虹吸式双通道钻杆的前端，完成组装该松软煤层正负压协同动力排渣钻具；

13、（3）将虹吸式双通道钻杆固定安装在钻机上，随后虹吸式双通道钻杆后端连接正负压供风器和负压气渣分离装置；

14、（4）启动钻机、正负压供风器和和负压气渣分离装置，正负压供风器通过第二冷却通道、第一冷却通道和供风孔向内排滚轮钻头提供高压风，内排滚轮钻头依靠钻机推进力、扭矩以及与煤体之间摩擦力来旋转切削煤岩，钻进产生的钻屑依靠内排滚轮钻头的涡流作用，供风孔正压气体将钻孔底周围渣体吹向内排滚轮钻头中央，加上内排滚轮钻头中央的第一排渣通道为负压环境，因此，内排滚轮钻头钻进产生的所有渣体排向内排滚轮钻头的第一排渣通道，随后钻屑通过虹吸式双通道钻杆的第二排渣通道进入负压气渣分离装置进行降尘和分离含瓦斯气体，最后，瓦斯在负压气渣分离装置的抽气口进入瓦斯抽采管道，钻屑在负压气渣分离装置的排渣口排出。

15、步骤（1）具体如下：

16、①、当煤岩坚固性系数0＜f≤0.5时、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供气通道正压p1调节为p1≥0.8 mpa，排渣通道负压p2调节为p2≥25 kpa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.5时、瓦斯压力p<0.74 mpa时，供气通道正压p1调节为p1≥0.8 mpa，排渣通道负压p2调节为p2≥20kpa；

17、②、当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供气通道正压p1调节为p1≥0.5 mpa，排渣通道负压p2调节为p2≥20 kpa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时、瓦斯压力p<0.74 mpa时，供气通道正压p1调节为p1≥0.5 mpa，排渣通道负压p2调节为p2≥15 kpa。

18、采用上述技术方案，本发明对现有技术的不足主要做了以下三项改进：第一：设计了内排滚轮钻头和虹吸式双通道钻杆；第二：内排滚轮钻头依靠自身涡流作用、牙掌侧面圆孔的正压作用及内管内腔的负压作用进行排渣，使渣体及时均匀排出；第三：虹吸式双通道钻杆通过内管外圆环腔正压、内管内腔负压，使渣体在钻杆内顺利排出并且钻杆外螺纹接头安装有橡胶密封圈，提高了钻杆密封性。

19、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明主要用于松软煤层钻进，钻进时，内排滚轮钻头的牙轮依靠钻机推进力、扭矩以及与煤体之间摩擦力来旋转切削煤岩，使钻屑依靠内排滚轮钻头的涡流作用、牙掌侧面圆孔的正压作用及内管内腔的负压作用进入排渣通道，实现随钻护孔助排，同时，虹吸式双通道钻杆通过内管外圆环腔正压、内管内腔负压，使渣体在钻杆内顺利排出并且钻杆外螺纹接头安装有橡胶密封圈，提高了钻杆密封性，以及钻杆本体上的螺旋刻槽起到了降低钻进阻力的作用。

20、综上所述，本发明在钻孔过程中形成了正负压协同动力的高效排渣钻进技术体系，有利于提升松软煤层钻进深度和钻进效率。