[发明专利]逐级强化软煤岩强度钻进方法及钻具

摘要

本发明公开了一种逐级强化软煤岩强度钻进方法及钻具，依据逐级强化软煤岩强度钻进方法，基于煤岩坚固性系数f确定煤岩体强化级数N、分级强化长度L_n、分级强化比d_q‑n、煤岩钻头旋转速度ν_c，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度ν_d、供风风量Q_a，并确定逐级强化软煤岩强度钻具的设计形式。逐级强化软煤岩强度钻具，包括煤岩逐级强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆。本发明针对软煤岩钻进技术难题，考虑煤层地质条件，发明了逐级强化软煤岩强度钻进方法及钻具，应用逐级强化软煤岩强度钻具施工钻孔，实现软煤岩“先逐级强化‑后钻进”的协同钻进工艺方案，可有效改善软弱煤岩地层的钻进效果。

主权项

1.逐级强化软煤岩强度钻进方法，其特征在于：包括以下步骤：①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；测定施工地点煤层瓦斯压力p；②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩体强化级数N、分级强化长度L_n、分级强化比d_q‑n；强化级数N为煤岩逐级强化钻头结构沿钻孔轴向分段数量，每一段长度为分级强化长度L_n(n＝1，2，…，n)；分级强化比d_q‑n(n＝1，2，…，n)为煤岩逐级强化钻头分级强化长度L_n最大直径d_n(n＝1，2，…，n)与安装在钻杆前端的煤岩钻头直径d的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩体强化级数N为3～10级、强化长度L_n为5mm～150mm、分级强化比d_q‑n设计为0.3～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩体强化级数N为2～8级、强化长度L_n为5mm～200mm、分级强化比d_q‑n设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩体强化级数N为1～6级、强化长度L_n为10mm～500mm、分级强化比d_q‑n设计为0.1～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩体强化级数N为1～4级、强化长度L_n为10mm～500mm、分级强化比d_q‑n设计为0～0.3；③.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩钻头旋转速度ν_c；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩钻头旋转速度ν_c设计为120r/min～280r/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩钻头旋转速度ν_c设计为100r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩钻头旋转速度ν_c设计为70r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩钻头旋转速度ν_c设计为60r/min～190r/min；④.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度ν_d；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.2m/min～0.4m/min；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.2m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.4m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.4m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.6m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.6m/min～1m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.8m/min～1m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74MPa时，钻进速度ν_d设计为0.8m/min～1.2m/min；⑤.空气动力排渣时，根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定供风风量Q_a；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74MPa时，供风风量Q_a设计为12m³/min～20m³/min，供风压力为0.8MPa～1.5MPa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74MPa时，供风风量Q_a设计为10m³/min～18m³/min，供风压力为0.8MPa～1.4MPa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74MPa时，供风风量Q_a设计为10m³/min～18m³/min，供风压力为0.8MPa～1.3MPa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74MPa时，供风风量Q_a设计为8m³/min～16m³/min，供风压力为0.7MPa～1.2MPa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74MPa时，供风风量Q_a设计为8m³/min～16m³/min，供风压力为0.7MPa～1.1MPa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74MPa时，供风风量Q_a设计为7m³/min～14m³/min，供风压力为0.6MPa～1MPa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74MPa时，供风风量Q_a设计为6m³/min～14m³/min，供风压力为0.6MPa～1MPa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74MPa时，供风风量Q_a设计为5m³/min～12m³/min，供风压力为0.6MPa～0.8MPa；⑥.将钻杆安装在钻机上，安装逐级强化软煤岩强度钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩逐级强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，煤岩钻头旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩逐级强化钻头不旋转或旋转速度ν_q≤5r/min；⑦根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p，基于煤岩坚固性系数f确定煤岩体强化级数N、分级强化长度L_n、分级强化比d_q‑n、煤岩钻头旋转速度ν_c，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度ν_d、供风风量Q_a，并确定逐级强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。