多级变径组合钻具.pdf

1、10申请公布号CN102071876A43申请公布日20110525CN102071876ACN102071876A21申请号201110006233922申请日20110113E21B10/26200601E21B10/4620060171申请人河南理工大学地址454003河南省焦作市高新区世纪大道2001号72发明人蔡成功李坤郭鹏敖仕海周霏赵东苗国强54发明名称多级变径组合钻具57摘要一种多级变径组合钻具，用于煤矿在松软突出煤层和高瓦斯煤层中施工顺层钻孔，防止因喷孔、夹钻导致钻孔施工深度浅和施工困难的技术难题，保证钻孔施工深度和质量，提高防突和抽采瓦斯效果。本多级变径组合钻具由一级钻头1、

2、二级钻头2、三级钻头3、四级钻头4，通过螺纹连接成一个多级变径组合钻具图。钻进时，一级钻头1首先打42MM小直径钻孔；然后，后一级钻头在前一级钻孔的塑性圈内截割煤体，减少截煤作业对煤体应力和瓦斯动力状态的扰动，防止喷孔，并截割掉前一级钻孔的塑性变形，防止钻孔塑性变形对钻杆的夹钻、抱钻行为；经过三到四次变径截割，完成75MM、89MM和108MM直径钻孔的施工。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书2页附图1页CN102071880A1/1页2本发明专利属煤矿安全领域，用于煤矿在松软突出煤层和高瓦斯煤层中施工顺层钻孔，防止因喷孔、夹钻导致钻孔施工深度浅

3、和施工困难的技术难题，保证钻孔施工深度和质量，提高防突和抽采瓦斯效果。1本多级变径组合钻具由一级钻头、二级钻头、三级钻头、四级钻头，通过螺纹连接成一个多级变径组合钻具，截齿呈120度三翼分布。钻进时，一级钻头1首先打42MM小直径钻孔；然后，后一级钻头在前一级钻孔的塑性圈内截割煤体，减少截煤作业对煤体应力和瓦斯动力状态的扰动，防止喷孔，并截割掉前一级钻孔的塑性变形，防止钻孔塑性变形对钻杆的夹钻、抱钻行为；经过三到四次变径截割，完成75MM、89MM和108MM直径钻孔的施工。2根据权利要求1所述多级变径组合钻具，其特征是采用三到四级变径，实现在松软突出煤层和高瓦斯煤层施工直径75MM、89MM

4、或108MM钻孔，防止发生喷孔、夹钻事故。3根据权利要求1所述多级变径组合钻具，其特征是采用一级钻头在前一级钻孔的塑性圈内截割煤体方法，减少截煤作业对煤体应力和瓦斯动力状态的扰动，防止喷孔。4根据权利要求1所述多级变径组合钻具，其特征是采用后一级钻头截割掉前一级钻孔的塑性变形方法，防止钻孔塑性变形对钻杆的夹钻、抱钻行为。5根据权利要求1所述多级变径组合钻具，其特征是各级钻头直径、变径级数和每级长度可根据煤层强度、瓦斯大小、钻进速度等因素，按需要作调整。权利要求书CN102071876ACN102071880A1/2页3多级变径组合钻具技术领域0001本发明涉及多级变径组合钻具，用于在松软突出煤

5、层和高瓦斯煤层中施工顺层钻孔，防止因喷孔、夹钻导致钻孔施工深度浅和施工困难的技术难题，保证钻孔施工深度和质量，提高防突和抽采瓦斯效果。背景技术0002目前，我国煤矿施工煤层钻孔用钻头多为常规钻头，一般钻头直径即为钻孔直径，直径有42MM、75MM、89MM和108MM等规格。在常规钻孔直径下，未发现多级变径组合钻具类似的专利。相关专利有CN962264318的实用新型“可变径卸煤钻具”、申请号为CN032458096的实用新型“自动变径扩孔钻具”和申请号为CN2007101066735的发明“自动变径扩孔钻具”。0003CN962264318“变径扩孔钻具”发明设计人为王魁军、蔡成功、辛新平、

6、许昭泽。该实用新型钻具由前钻体、后钻体、刀体、弹簧片、限位环等组成，在钻进时，定位销和固定爪将刀体固定在钻体上；钻孔打到孔底后，加大钻机推力，将定位销剪断，并由弹簧将刀体弹开，刀体在弹簧力和旋转离心力作用下，实现扩孔作业。0004CN032458096“自动变径扩孔钻具”发明设计人为辛新平、史有才等，是一种煤矿井下施工瓦斯抽放孔的扩孔钻具，由前钻体、刀体、后钻体、限位环、联接螺母等组成，前钻体与后钻体由限位环和联接螺母连接，刀体由轴销固定在前钻体上，在后钻体上设置有滑楔。正常钻进时，滑楔将刀体固定在后钻体上；起钻时，滑楔退出，刀体张开，在旋转离心力作用下实现扩孔作业。0005CN2007101

7、066735“自动变径扩孔钻具”的发明设计人为蔡成功、马丕梁，钻具是一种前钻体、后钻体、截割刀架、支撑刀架组成的四连杆机构。正常钻进时为小直径钻进，当钻进到孔底后，实施起钻扩孔，一次完成大直径钻孔施工成孔作业。0006上述三种钻具均为大直径扩孔钻具，未涉及防喷孔、夹钻问题。发明内容0007本发明提供一种全新原理多级变径组合钻具，通过三到四级变径，实现75MM、89MM、108MM直径的钻孔施工。首先，用一级钻头施工42MM的小直径钻孔，以减少截煤作业对煤体应力和瓦斯动力状态的扰动，防止喷孔发生；然后，后一级钻头在前一级钻孔的塑性圈内揭煤作业，将前一级钻孔的塑性变形给截割掉；经过三到四次截割塑性

8、变形，在钻孔成孔后消除钻孔的塑性变形，消除钻孔变形对钻杆产生夹钻、抱钻等行为；另外，二级钻头、三级钻头、四级钻头分别在前级钻头施工的钻孔塑性圈内进行截割作业，对煤体应力、瓦斯动力状态的扰动减小，也防止施工钻孔过程中发生喷孔。0008本发明解决施工顺层钻孔防止喷孔、夹钻的技术方案是将一级钻头1、二级钻头2、三级钻头3、四级钻头4通过标准钻杆螺纹连接，组合成一个多级变径组合钻具。一级钻头直径为42MM，末级钻头直径为设计钻孔终孔直径，有75MM、89MM或108MM三种规格，中间说明书CN102071876ACN102071880A2/2页4级按钻孔终孔直径合理设计；各级钻头直径、变径级数和每级长

9、度可根据煤层强度、瓦斯大小、钻进速度等因素，按需要作设计。0009本发明的有益效果是利用小直径钻孔开孔和在钻孔塑性圈内截煤作业，减小截割煤体对煤体应力和瓦斯动力状态的扰动，防止喷孔；通过分次成孔，截割掉钻孔塑性变形，防止钻孔塑性变形对钻杆的夹钻、抱钻行为。两项技术结合，解决在松软突出煤层和高瓦斯煤层施工顺层发生喷孔、夹钻导致钻孔施工困难和钻孔施工深度浅的技术难题。钻具施工工艺简单，适应性强。附图说明0010下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。0011图1是多级变径组合钻具工作状态示意图。一级钻头1、二级钻头2、三级钻头3、四级钻头4通过标准钻杆螺纹连接，组合成一个多级变径组合钻具。0012图2是多级变径组合钻具的横截面示意图。截齿呈120度三翼分布。0013图中1一级钻头，2二级钻头，3三级钻头，4四级钻头，5硬质合金片。具体实施方式0014图1为多级变径组合钻具结构和正常钻进作业状态示意图。钻进时，一级钻头1首先打42MM小钻孔；然后二级钻头2在一级钻孔的塑性圈内截割煤体，并将前一级钻孔的塑性变形给截割掉；三级钻头3在二级钻孔的塑性圈内截割煤体，并将前二级钻孔的塑性变形给截割掉；经过三到四次的变径截割煤体，完成钻孔施工。说明书CN102071876ACN102071880A1/1页5图1图2说明书附图CN102071876A