一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻头及钻冲孔方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻头及气举水力冲孔方法。

背景技术

为了加强煤矿安全建设，防止瓦斯灾害的发生，水力冲孔技术被广泛应用于煤矿井下。钻-冲一体化钻头是钻孔、冲孔一次性完成，不需要完成钻孔后再起下钻杆更换冲孔喷头。目前，钻-冲一体化喷头多以清水或泥浆作为循环介质，对于煤体结构较好的煤层具有良好的效果，但对于碎软煤层而言，清水循环钻进效果较差。目前对于此类煤层，可采用氮气作为循环介质钻进。而使用氮气作为循环介质的钻头与水力冲孔钻头并不通用，因此，若选择氮气作为循环介质进行钻孔，在钻孔工序完成后还需要起下钻更换冲孔钻头。此外，水力冲孔过程中，由于冲孔水量大、压力高，煤层洞穴内处于水淹没状态，水射流为淹没状态下射流，作用距离极其有限，导致冲孔效率较低，往往需要施工多个钻孔进行冲孔。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻头及钻冲孔方法，以解决水力冲孔过程中使用氮气作为钻孔循环介质时，需要起下钻更换水力冲孔钻头的问题、水力冲孔为淹没状态下射流效率不高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻头，包括内筒、外筒、外单向阀和内单向阀；

所述内筒侧壁设有歧管，歧管的两端孔口均位于内筒外壁，在内筒前部外壁设有环形限位凸起，内筒内壁设有环形凸台；所述外筒侧壁设有冲孔水眼，冲孔水眼在轴向上位于歧管的两个孔口之间；内筒和外筒的前端面为一体式端面，在前端面设有多个钻孔水眼，内筒和外筒后端能连接双壁钻杆；

所述外单向阀设在内筒和外筒间的环隙通道中，在外单向阀与其前方的环形限位凸起之间设有套在内筒上的第一弹簧；环隙通道不通或通入低压钻井液时，外单向阀封堵冲孔水眼，歧管畅通，水流由歧管向前流动，并从钻孔水眼流出，以润滑钻头和携带岩屑；当环隙通道通入高压钻井液时，推动外单向阀挤压第一弹簧并向前移动封堵歧管的前端孔口且露出冲孔水眼，高压钻井液经冲孔水眼喷出，进行冲孔作业；

所述内单向阀设在内筒内且位于环形凸台前方，在前端面和内单向阀之间设有第二弹簧，第二弹簧挤压内单向阀关闭内筒的内通道，当内通道通入高压氮气时能顶开内单向阀使氮气经内通道从钻孔水眼喷出以进行氮气钻孔或氮气气举。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述外单向阀为环形结构，外单向阀的内壁紧贴内筒外壁形成密封，外单向阀的外壁紧贴外筒内壁形成密封。

具体的，所述内单向阀为圆柱状结构，单向阀的直径大于环形凸台的内径且小于内筒内径。

具体的，所述内单向阀与环形凸台接触面为斜面。

具体的，所述前端面镶嵌金刚石。

一种水-气双循环介质的钻-冲一体化装置，包括所述的一体化钻头，还包括双壁钻杆和双通道接头；双壁钻杆包括内管和外管；双通道接头包括接头内管和接头外管；所述内筒、内管和接头内管依次相接形成的中心通道为氮气通道，所述外筒、外管和接头外管依次相接形成的环隙通道为钻井液通道。

具体的，所述外筒与外管之间螺纹连接，内筒与内管之间通过锥形密封插接口相接。

具体的，所述接头内管和接头外管之间的环隙后端封口，在接头外管侧壁设有钻井液入口。

一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻冲孔方法，包括以下步骤：

步骤一，岩层钻孔：对岩层性质进行判别，若岩层膨润性强，采用氮气作为循环介质进行钻孔，若岩层膨润性弱，采用清水或水基循环介质进行钻孔；岩层钻孔后揭露煤层；

步骤二，煤层钻孔：对煤层进行判定，若煤层为碎软煤层，则采用氮气作为循环介质进行钻孔，若煤层结构完整，则采用清水或水基循环介质进行钻孔；

步骤三，气举水力冲孔：冲孔时，由氮气通道注入氮气，钻井液通道注入高压水，当水压超过外单向阀阈值后，进入水力冲孔状态；此时，清水自环隙通道流动，泵压处于高压状态，水流推动外单向阀动作，封堵歧管，打开冲孔水眼，实现冲孔；同时，内通道流入氮气，推动内单向阀动作，实现气举。

具体的，所述步骤一和步骤二中，采用氮气作为循环介质进行钻孔，包括：使用双壁钻杆，在其前端安装钻-冲一体化钻头，在双壁钻杆最末端连接双通道接头；氮气钻孔时，由双通道接头中的氮气通道注入氮气，进行钻进；此时环隙通道无介质通过，氮气进入内通道，推动内单向阀挤压第二弹簧动作，氮气通过内通道由钻孔水眼流出，形成气体循环，进行氮气循环钻进；

采用清水或水基循环介质进行钻孔，包括：由双通道接头中的钻井液通道注入清水或水基循环介质，进行钻进；此时内通道无介质通过，内单向阀处于关闭状态；清水由环隙通道流通，此时控制泵压为低压状态，外单向阀不动作，清水经歧管流入前端钻孔水眼，进行清水循环钻进。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明在钻进、冲孔过程中可以灵活更换清水或氮气作为循环介质，不必起下钻更换钻头。

(2)本发明通过气举手段排出煤层洞穴内的积水，创造非淹没状态条件，增加水射流打击范围，提高水力冲孔效率。

附图说明

图1为钻-冲一体化钻头示意图；

图2为钻-冲一体化装置示意图；

图3为钻冲孔方法流程图；

图4为气举水力冲孔细节图；

图5为不同步骤中钻-冲一体化钻头动作原理图。

图中各个标号的含义为：

1.内筒，2.外筒，3.外单向阀，4.内单向阀，5.歧管，6.环形限位凸起，7.环形凸台，8.冲孔水眼，9.钻孔水眼，10.第一弹簧，11.第二弹簧，12.双壁钻杆，13.双通道接头。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻头，包括内筒1、外筒2、外单向阀3和内单向阀4。

内筒1侧壁设有歧管5，歧管5的两端孔口均位于内筒1外壁，在内筒1前部外壁设有环形限位凸起6，内筒1内壁设有环形凸台7；外筒2侧壁设有冲孔水眼8，冲孔水眼8在轴向上位于歧管5的两个孔口之间；内筒1和外筒2的前端面为一体式端面，在前端面设有多个钻孔水眼9，内筒1和外筒2后端能连接双壁钻杆12。

外单向阀3设在内筒1和外筒2间的环隙通道中，在外单向阀3与其前方的环形限位凸起6之间设有套在内筒1上的第一弹簧10；环隙通道不通或通入低压钻井液时，外单向阀3封堵冲孔水眼8，歧管5畅通，水流由歧管5向前流动，并从钻孔水眼9流出，以润滑钻头和携带岩屑；当环隙通道通入高压钻井液时，推动外单向阀3挤压第一弹簧10并向前移动封堵歧管5的前端孔口且露出冲孔水眼8，高压钻井液经冲孔水眼8喷出，进行冲孔作业。

内单向阀4设在内筒1内且位于环形凸台7前方，在前端面和内单向阀4之间设有第二弹簧11，第二弹簧11挤压内单向阀4关闭内筒1的内通道，当内通道通入高压氮气时能顶开内单向阀4使氮气经内通道从钻孔水眼9喷出以进行氮气钻孔或氮气气举。

外单向阀3为环形结构，外单向阀3的内壁紧贴内筒1外壁形成密封，外单向阀3的外壁紧贴外筒2内壁形成密封。

内单向阀4为圆柱状结构，内单向阀4的直径大于环形凸台7的内径且小于内筒1内径。

内单向阀4与环形凸台7接触面为斜面。

前端面镶嵌金刚石。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供一种水-气双循环介质的钻-冲一体化装置，包括实施例1中的一体化钻头，还包括双壁钻杆12和双通道接头13；双壁钻杆包括内管和外管；双通道接头包括接头内管和接头外管；内筒1、内管和接头内管依次相接形成的中心通道为氮气通道，外筒2、外管和接头外管依次相接形成的环隙通道为钻井液通道。

外筒2与外管之间螺纹连接，内筒1与内管之间通过锥形密封插接口相接。

接头内管和接头外管之间的环隙后端封口，在接头外管侧壁设有钻井液入口。

实施例3：

如图3至5所示，本实施例提供一种水-气双循环介质的钻-冲一体化钻冲孔方法，包括以下步骤：

步骤一，岩层钻孔：钻孔是指在巷道中进行钻孔并揭露煤层。一般而言，煤矿井下水力冲孔以穿层孔冲孔居多，因此，钻孔一般由岩层开孔，揭露煤层。对岩层性质进行判别，主要关注其是否具有较强的膨润性。

①判定一：岩层膨润性强

若岩层膨润性较强，则说明使用清水或水基介质钻孔时易发生塌孔、缩颈等问题，因此，若判定岩层性质膨润性较强时，需要使用氮气作为循环介质进行钻孔。采用氮气作为循环介质进行钻孔，使用双壁钻杆，在其前端安装钻-冲一体化钻头，在双壁钻杆最末端连接双通道接头；氮气钻孔时，由双通道接头中的氮气通道注入氮气，进行钻进；此时环隙通道无介质通过，氮气进入内通道，推动内单向阀挤压第二弹簧动作，氮气通过内通道由钻孔水眼流出，形成气体循环，进行氮气循环钻进。如图5(c)所示。

②判定二：岩层膨润性弱

采用清水或水基循环介质进行钻孔，由双通道接头中的钻井液通道注入清水或水基循环介质，进行钻进；此时内通道无介质通过，内单向阀处于关闭状态；清水由环隙通道流通，此时控制泵压为低压状态(即外单向阀动作压力以下)，外单向阀不动作，清水经歧管流入前端钻孔水眼，进行清水(或钻井液)循环钻进。如图5(a)所示。

步骤二，煤层钻孔：当岩层钻孔揭露煤层后，进行煤层钻孔；对于碎软煤而言，使用清水或水基循环介质进行钻孔，成孔较为困难。对于煤体结构较好的煤层而言，清水钻井效率较高。因此，需要对煤层进行判定。

①判定一：煤层为碎软煤层：

使用氮气钻孔，由双通道接头中的氮气通道注入氮气，进行钻进；动作原理同步骤一判定一。

②判定二：煤层结构完整，可钻性好：

使用清水或水基循环介质钻孔，由双通道接头中的钻井液通道注入清水或水基循环介质，进行钻进；动作原理同步骤二判定二。

步骤三，气举水力冲孔：常规的水力冲孔处于淹没状态下，打击范围有限。本发明使用气举的方法强制排水，创造非淹没射流条件，扩大水力冲孔范围。冲孔时，由氮气通道注入氮气，钻井液通道注入高压水，当水压超过外单向阀阈值后，进入水力冲孔状态；此时，清水自环隙通道流动，泵压处于高压状态(即外单向阀处水压在外单向阀动作压力之上)，水流推动外单向阀动作，封堵歧管，打开冲孔水眼，实现冲孔；同时，内通道流入氮气，推动内单向阀动作，实现气举。如图5(b)和(d)所示。

上述步骤，可在钻孔过程中自由切换循环介质，不必起下钻作业；同时在冲孔过程中可以造成非淹没环境，增加水射流打击范围，从而带来大幅增加冲孔作用范围的有益效果。