[发明专利]一种构造煤储层水平井钻井及扩孔的钻进模拟装置及方法

说明书

一种构造煤储层水平井钻井及扩孔的钻进模拟装置及方法，适用于深部构造煤层水平井钻井及扩孔钻进研究。包括钻进系统、煤岩体加载系统和PLC控制系统；钻进系统包括钻机机座，钻机机座上设有方形导轨座，方形导轨座上设有导轨滑块，导轨滑块上设有滑台B,滑台B上设有动力驱动NMRV减速电机，变径扩孔控制机构，直通高速旋转接头，通孔型的减速机上的通孔中双层钻杆穿过通孔，钻机机座一侧设有钻杆扶正器，直通高速旋转接头上设有双层钻杆，双层钻杆一端与变径扩孔控制机构、另一端穿过钻杆扶正器设有变径扩孔钻头，变径扩孔钻头顶部设有先导钻头。该装置体积较小，操作简单，自动化程度高，实现100％‑300％任意扩孔率的变径扩孔钻进。

技术领域

本发明涉及一种钻进模拟装置及方法，尤其适用于深部构造煤层水平井钻井及扩孔钻进研究的构造煤储层水平井钻井及扩孔的钻进模拟装置及方法。

背景技术

中国煤层气资源赋存条件复杂，在地质历史中，经历多期构造运动，煤层构造变形强烈，许多矿区发生隆起、凹陷、褶皱和断裂等地质活动，煤层原生结构发生破坏，煤质松软、煤层渗透性差、层理紊乱等特性的松软煤层或构造煤广泛分布。实践证明，现有的疏水降压煤层气抽采技术(SVR技术、ECBM技术及其复合技术)成本大、时间长，抽采效果一般，尚难以满足构造煤煤层气高效抽采的需要。因此，亟需开发新的能快速、高效地降低构造煤煤层瓦斯含量与瓦斯压力的煤层气抽采思路和高效抽采技术。

在特定地质环境下的岩体工程应用中，岩石表现出复杂的工程特性和现象，很多情况下难以进行全尺度模拟，如硐室开挖、深井钻井、采矿问题等。同时，这些岩体工程在施工过程中一旦发生工程事故，补救和处理往往很困难，甚至是不可能的。因此，在进行现场施工前，一般借助室内模拟的方式，以充分研究煤岩体的应力分布、变形特征以及煤岩体的稳定性和工程安全问题。由于深井钻探工程巨大，需要花费大量的人力、物力、财力，通常在室内模拟实际钻进过程，测定钻进过程中的各项参数，实现对钻机钻具、钻杆、钻头、钻井液等性能测试与评价，通过系统地分析各参数之间的相互关系，旨在为实际钻具的研发及钻进过程工艺参数的设定提供有益的借鉴。

目前，已有研究者对煤岩体钻进过程中的钻具工艺参数等做出了研究。如专利CN103726791A和专利CN103726869A中，钻杆外部设计有可收缩扩孔刀具，在钻进过程中可以实现扩孔。但是，扩孔的尺寸与初始钻孔尺寸相比增加幅度较小。专利CN203362038U和专利CN203685037U中，在钻进时可以达到扩孔且保持孔壁稳定的目的，但是扩孔直径较小，不能实现多级扩孔。专利CN108590742A中，通过动力传动机构达到扩孔目的，扩孔直径可达初始钻孔的2～3倍。但是，扩孔时需要卸下钻进钻头并换上扩孔钻头，工作效率较低。专利CN206153617U、专利CN2616655Y和专利CN2317305Y中，钻进深度可以控制，但是扩孔的直径为固定值，不能根据需要去改变扩孔的直径，无法进行多级扩孔，且扩孔时钻头不能继续深入，不能随钻随扩。专利CN108825275A中，采用调节水压的方式推动钻孔刀具钻孔和扩孔的作业，扩孔稳定，刀具易回收，可以随钻随扩和调节扩孔直径，但是，扩孔时需要停止钻进，效率较低。专利CN109030054A中，本煤层定向钻进过程模拟装置，能够模拟出钻杆钻进过程中的各种状态，但是，不能进行扩孔变径。然而，上述这些研究大多数都集中于实际生产领域，对室内煤岩体钻进过程模拟的研究较少，并且，基本未考虑钻进过程中钻井参数如转速、扭矩、钻速等的变化。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种结构简洁、操作简单、实用性强，可以在室内实现构造煤层中进行水平井钻井及扩孔过程的模拟，能够全面准确的模拟钻进过程中钻速、扭矩以及钻压等参数的变化状态，同时可用于研究模拟水平井钻进及扩孔过程中井壁的破坏情况的构造煤储层水平井钻井及扩孔的钻进模拟装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明的构造煤储层水平井钻井及扩孔的钻进模拟装置，包括钻进系统、煤岩体加载系统和PLC控制系统；