[发明专利]煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法

权利要求书

1.一种煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合，其特征在于包括依次连接的定向钻头、空气螺杆马达、下无磁钻杆、无线电磁波随钻测量短节、上无磁钻杆、中间钻杆和送风器，该钻具组合可以进行复合钻进和滑动定向钻进两种方法进行施工：复合钻进时，定向钻头在空气螺杆马达驱动下回转碎岩，同时中间钻杆回转带动空气螺杆马达回转，孔底钻渣由压缩空气从孔底沿着环空间隙排到孔外，中间钻杆能起到辅助排渣作用；滑动定向钻进时，中间钻杆不回转，压缩空气驱动空气螺杆马达回转带动定向钻头回转破碎，通过改变空气螺杆马达的弯头朝向来控制钻孔轨迹，其中，所述无线电磁波随钻测量短节将测量数据发送至孔口接收装置，由孔口接收装置显示施工钻孔轨迹，大大增加钻孔深度和煤层钻遇率，提高钻孔瓦斯抽采效果。

2.如权利要求1所述的定向成孔钻具组合，其特征在于：所述空气螺杆马达由压缩空气驱动内部的转子回转，该空气螺杆马达的前端设有弯外管，所述转子通过弯外管以及万向节连接至定向钻头以带动定向钻头回转来实现切削碎岩。

3.如权利要求2所述的定向成孔钻具组合，其特征在于：所述空气螺杆马达的外部壳体从上部接头至所述弯外管的衬垫处设置有连续右旋螺旋槽，从而能当螺杆马达整体回转时螺旋叶片能够对沉积钻渣起到搅动作用，提高排渣能力。

4.如权利要求1或2或3所述的定向成孔钻具组合，其特征在于：所述下无磁钻杆与上无磁钻杆采用无磁钢材料加工，两者内部均设有大通孔结构，外部设计螺旋槽结构。

5.如权利要求1或2或3所述的定向成孔钻具组合，其特征在于：所述中间钻杆采用大通孔螺旋钻杆或三棱钻杆，大通孔结构能够减小气体压力损失，保证所需风压和风量；大通孔螺旋钻杆螺旋结构或三棱钻杆的三棱结构在钻杆回转时起到搅动和辅助排渣的作用，提高软煤钻进的排粉效果。

6.如权利要求1或2或3所述的定向成孔钻具组合，其特征在于：所述无限电磁波随钻测量短节由无线电磁波测量探管、电池筒、无磁外管和绝缘短节组成，无线电磁波测量探管与电池筒连接后安装在无磁外管内，电池筒为无线电磁波测量探管提供电源，而无线测量探管将测得的钻孔数据通过发射装置以电磁波形式传输到孔口接收装置。

7.如权利要求1-6中任一所述的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合的施工方法，其特征在于包含：

回转钻进开孔并扩孔，安装孔口装置；

通过钻具并调整好倾角和方位角后回转钻进开孔，采用风力排渣，钻进9～12m，后提钻；连接扩孔钻头和钻杆进行扩孔钻进，完成后安装好孔口装置；

连接钻具进行复合钻进；

连接钻具组合，开始旋转复合钻进施工，此时通过中间钻杆回转带动空气螺杆马达回转，空气螺杆马达在压缩空气驱动下回转带动钻头回转切削破碎；压缩空气通过送风器、沿着中间钻杆中心输送到孔底，由于空气螺杆马达的弯外管随着中间钻杆回转不断变换，不起造斜作用，提高软煤排粉效果；

采用滑动定向钻进纠偏；

根据孔口接收装置显示结果，调整空气螺杆马达的弯外管的朝向，此时中间钻杆和空气螺杆马达外壳不回转，压缩空气从孔口沿着中间钻杆的中心进入孔内驱动空气螺杆马达回转从而带动钻头回转切削破碎，由于空气螺杆马达弯外壳作用，改变定向钻头切削方向，实现钻孔造斜和纠偏的目的，钻进过程中，孔内测量装置将测量的钻孔倾角、方位角等数据传输到孔口接收装置，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹，根据显示结果，判断如何进行钻孔轨迹控制，从而使钻孔轨迹尽可能沿着煤层或预定方向延伸；

复合钻进与滑动定向钻进交替进行完成钻孔施工

滑动定向钻进完成后，即造斜完成或纠偏结束，停止滑动定向钻进，重新开始旋转复合钻进，同步骤二所述；当再次需要造斜或纠偏时，则停止旋转复合钻进，重新开始滑动定向钻进，同步骤三所述，如此反复交替进行，直至钻进至设计深度和要求，完成钻孔施工。

8.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于包含：复合钻进过程中，压缩空气携带钻头切削的钻渣沿着钻杆与孔壁的环空间隙排出孔外；中间钻杆回转时起到搅动和辅助排渣的作用，孔内无线电磁波随钻测量短节将测量的钻孔倾角、方位角等数据传输到孔口接收装置，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹。

9.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于包含：在滑动定向钻进时，以空气螺杆马达的高边方向线为始边，高边工具面角为0°360°，顺时针方向为正方向，工具面角范围为0～360°；通过孔口顺时针转动钻杆带动整个空气螺杆马达回转，调整工具面角的大小，来实现对倾角和方位角的调整，从而控制钻孔轨迹。