[發明專利]一種煤礦鉆進偏離預警傳感器系統和鉆進糾偏方法

有效

• 申請號: 202110546070.7
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113236225B
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發明（設計）人: 譚健;郭偉耀;鄭雅華;趙同彬;譚云亮
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）;山東科技大學
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B47/024;E21B47/13;E21B7/10
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務所(普通合伙) 37283
• 代理人: 朱玉建

本發明提供了一種煤礦鉆進偏離預警傳感器系統和鉆進糾偏方法，涉及采礦工程和定向鉆孔技術領域。該系統包括無線傳感器、控制器、鉆頭、旋轉聯軸器、連接頭、鉆桿和鉆機，鉆桿和鉆機相連，鉆桿端部設置有連接頭，連接頭和旋轉聯軸器連接，鉆轉聯軸器與鉆頭相連，鉆頭上設置有風孔；鉆桿之間通過套管連接，套管內均設置有無線傳感器；各個無線傳感器之間傳遞測量信息，鉆孔孔口位置設置的信號接收器接收無線傳感器的信號后判斷鉆頭的鉆進軌跡偏差，控制器根據軌跡偏差控制旋轉聯軸器和密封開關；風機通過鉆桿供風，鉆頭上的風孔出風軟化破煤，調整鉆進角度。利用該鉆機完成鉆孔糾偏的方法方便了實時監控鉆進軌跡，減少了信號衰減，保證了鉆進精度。

技術領域

本發明涉及采礦工程和定向鉆孔技術領域，尤其是一種煤礦鉆進偏離預警傳感器系統和鉆進糾偏方法。

背景技術

在煤礦開采水平鉆進過程中，可能會鉆進上百米甚至上千米的近水平孔的鉆孔，鉆進過程中必然會產生鉆孔偏離水平方向的偏斜，有時甚至會發生鉆孔相互交叉的情況。實際鉆孔軌跡發生偏離的影響因素主要是包括煤層地質條件及結構構造、技術因素、鉆具自重、鉆進工藝和鉆進參數以及設備問題和人員等。由于煤層的非均質性與各向異性，煤層地質條件及結構構造對鉆孔的特征及性質有著較大的影響，在鉆進過程中由于孔底受力不均衡容易引起力矩傾倒從而導致鉆孔偏離。其中由于技術因素導致的鉆孔偏離可以分為兩類，一是由于鉆具與鉆機之間不具備適配性導致鉆桿與鉆孔中心沒有對齊，或者采用的鉆桿與碎巖工具絲扣不同心等；二是鉆桿及其他鉆進工具的剛度結構特性，其偏斜強度隨鉆具長度增加與直徑的減小降低。鉆進過程中鉆孔偏離不僅會使煤礦開采效果不佳，更嚴重的還會產生鉆孔空白帶，使得后續煤礦開采作業存在巨大風險，導致礦山災害事故發生。因此，為了準確地進行煤層鉆孔和，必須在鉆孔產生偏離時引起足夠的重視，并通過有效的技術和措施來保證近水平鉆孔按照設計軌跡進行。

利用回轉鉆機進行煤礦施工鉆孔時，如果鉆進時實際開孔參數與原定設計的開孔參數一致，則鉆孔成孔軌跡就會與原定軌跡方向保持一致，如果鉆進延伸方向和原定的鉆孔軌跡方向無法保持一致時，那么此時鉆孔必然會發生偏離。在實際煤礦現場鉆孔施工過程中，受煤層地質條件、鉆具結構以及自重等各種因素的影響，而鉆孔偏離原定軌跡則是由于鉆孔的力學條件、位置條件和空間條件。力學條件是指鉆進過程中，鉆頭唇面與孔底接觸的軸向受力不平衡，鉆孔鉆速差導致孔底平面產生不對稱、不均勻的破碎，且有研究表明，鉆進偏離的角度會隨著切削速度的增大而增大；另外粗徑鉆具的歪倒會使得鉆孔軌跡偏離原來的中心軸線，導致鉆機所給進的鉆壓產生一定的偏離角度，無法沿著原定軸線方向施加給鉆頭，軸向破碎孔底的壓力作用和徑向孔壁的側向力作用使孔底破碎不對稱產生鉆孔偏離。空間條件是指粗徑鉆桿鉆具與孔壁之間存在的間隙，只有粗徑鉆具的軸壓作用偏離原鉆孔軸線時，與孔壁產生間隙，粗徑鉆桿鉆具才有偏離傾斜的空間。位置條件則是指鉆機對鉆頭作用力的方向固定、相對大小固定以及偏離的方向固定。力學條件和空間條件是鉆進軸線方向上有可能發生偏離鉆孔軸線的必要條件，但并不是鉆頭軸線方向上偏離鉆孔軸線的全部條件。只有同時有力學條件、空間條件、位置條件，才會最終發生鉆頭軸線偏離鉆孔軸線。因為只有在鉆機給定的作用力方向和相對大小以及偏離方向均固定后，才能造成鉆頭軸線向固定的作用力方向、鉆速差方向以及偏離方向的偏斜。

目前，現有技術中主要根據鉆頭在孔內的受力情況，采用鉆具組合來實現軌跡保直或者控向。國外主要采用孔底動力的方式來進行鉆孔控向。而目前已出現水力糾偏技術控制鉆孔導向，其方法是利用正常鉆進配套泥漿泵提供的水流通過專用鉆具形成能夠破碎煤巖的高速淹沒射流的方法進行鉆孔導向。而在普通煤層氣水平鉆孔施工現場，一般使用水鉆和風鉆兩種形式，因此，本文擬采用風力糾偏的方式，利用井下風機提供的風流通過專用鉆具實現在預定方向上的定向風力破碎煤巖，在鉆進方向上的孔底平面上形成破碎難易度不同軟硬不同的煤巖結構，引導后續鉆孔沿預定的“軟”方向偏轉，即利用風鉆鑿煤，進而實現近水平孔鉆孔糾偏的目的。