[發明專利]一種煤礦井下復雜地層復合定向鉆進裝備及其應用

在審

• 申請號: 201810671908.3
• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN108590529A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 彭臘梅;石明善;朱國濤;楊英男;盧養茜
• 申請（專利權）人: 陜西太合智能鉆探有限公司
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B10/55;E21B47/013;E21B47/13
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理事務所(普通合伙) 11368
• 代理人: 魏秀枝

本發明提供了一種煤礦井下復雜地層復合定向鉆進裝備及其應用；包括鉆具、定向螺桿馬達、無線電磁波隨鉆測量系統、鉆頭；所述鉆頭、定向螺桿馬達、無線電磁波隨鉆測量系統、普通鉆桿、水辮依次絲扣連接；本發明利用電磁波作為傳輸介質，遙測深度深，傳輸速率快且數據傳輸可靠有效，對井下工況的適應性強；僅使用普通鉆桿和地層即可完成孔內所測數據的有效傳輸，與有線隨鉆測量相比，鉆桿強度更高，抗剪切、抗疲勞強度更好，節省了大量的人力、物力及財力，將為煤礦井下定向鉆孔的首選方式及裝備。

技術領域

本發明涉及煤礦井下坑道鉆探領域，具體涉及一種煤礦井下復雜地層復合定向鉆進裝備及其應用。

背景技術

定向鉆進技術起源于油氣勘探開發領域，隨著鉆探技術的不斷發展深入，該技術逐漸被引入地質勘探、煤礦井下鉆探等新領域。近鉆頭隨鉆測量定向鉆進技術是煤礦井下鉆探工程領域中的一項新技術，目前主要用于煤礦井下瓦斯抽采、水害防治以及地質構造勘探等鉆探工程。定向鉆進施工中，若孔眼軌跡狗腿度(全角變化率)過大，則容易引起卡鉆、壓鉆、埋鉆、掉鉆具等井下事故的發生，因此，保證孔眼軌跡平滑是定向鉆孔施工過程中的關鍵環節。

目前，在煤礦鉆孔施工中，定向鉆孔由于鉆進時上部鉆具不旋轉，只是單純的滑動定向鉆進(鉆頭依靠螺桿馬達的旋轉動力旋轉)方式來改變孔眼方向、增傾角或減傾角。在整個滑動鉆進過程中，鉆具與孔壁間的摩擦力導致鉆機所施加的鉆壓有一部分沒有施加到鉆頭上，這種鉆頭所受鉆壓小于鉆機所施加的鉆壓的現象稱為滑動鉆進的托壓。其次，在送鉆過程中，鉆具與孔壁黏卡的解除、摩擦狀態由靜摩擦向動摩擦的轉換等原因會造成鉆具的彈性能量突然釋放而導致無法均勻送鉆，有時鉆頭突然撞擊孔底，甚至損壞鉆頭和孔內動力鉆具，這種鉆具彈性能量突然釋放并導致鉆具不均勻送入的現象稱為鉆具蛙動。尤其是近水平段鉆孔施工過程中，隨著水平位移的加長，大部分鉆具躺在孔內的底部，鉆具與孔壁的接觸摩阻力很大，轉動鉆具需要很大的扭矩，通常鉆具通過鉆機驅動機構驅動而獲得一個固定的轉速。鉆具越長，鉆具傳遞扭矩和鉆壓的能力也隨之降低，使得鉆具端部即鉆頭處產生扭轉振動，振動速度約為孔外鉆具的轉速，振動的劇烈程度取決于孔外驅動系統的特性、鉆頭與巖石的相互作用及鉆具與孔壁的摩擦。當鉆頭周期性地粘滯和重新滑動時，鉆具將產生“粘滯-滑動”現象，這種現象被認為是一種使鉆孔效率下降且常常造成鉆具破壞的一種危害性很強的振動，振動相當劇烈，鉆具處于或?；蜣D“粘滯-滑動”的狀態，滑動瞬間鉆頭速度遠遠超過孔外鉆具的轉速，鉆頭和鉆具承受巨大的動載。由于摩擦力、托壓、蛙動及粘滯-滑動等原因使得整個孔眼軌跡不夠平滑，進而導致鉆頭破碎的巖屑無法順利返出，給正常鉆進帶來一定的風險，必須勤洗孔，保持孔內清潔，進而又延長了整個施工周期。

目前煤礦定向鉆孔施工中常采用“螺桿馬達+MWD系統”?；瑒鱼@進時，鉆頭依靠螺桿馬達的旋轉動力旋轉鉆進。在狗腿度(全角變化率)較大的地方，由于部分鉆具躺在孔眼下側，鉆具與孔壁的靜摩擦力增大，導致鉆機給鉆頭施加鉆壓、鉆探工程師進行工具面定向帶來極大困難，頻繁出現滑動托壓，嚴重制約著定向鉆孔的速度。

摩擦力的大小等于摩擦系數乘以鉆具與孔壁的側向接觸力，在傾角較大的情況下，正常鉆進施加鉆壓時孔眼的靜摩擦力會隨之增大，當該部分的重力分量不足以克服孔眼的靜摩擦力時會出現托壓，一旦克服孔眼的靜摩擦，滑動摩擦會隨之減弱。鉆具開始下滑時的摩擦系數稱為靜摩擦系數，一般靜摩擦系數比滑動開始后的動摩擦系數約大25％。

扭矩與反扭矩對孔眼摩阻的影響十分重要?；瑒鱼@進托壓時，由鉆機驅動的鉆具左右旋轉和鉆具向前運動共同作用產生一個鉆進速度，相關研究表明該鉆進速度是鉆具沿孔眼軌道運動的函數。左右旋轉鉆具可以降低孔眼的軸向摩阻，在理想工具面時，鉆具從孔口旋轉至鉆具的某一位置，在該位置上鉆具旋轉摩擦產生的扭矩對抗孔壁摩擦，使鉆具停止旋轉；同時，由鉆頭產生的反扭矩向上傳送至鉆具的某一位置，該位置就是克服孔底鉆具組合和下部鉆具反扭矩的位置，該位置被稱為干擾點，干擾點與鉆頭之間的區域稱為干擾區。如果從孔口旋轉鉆具使其進入了干擾區，就會影響工具面向角。