一种水力大直径分级造穴卸压增透装置及方法
技术领域
本发明涉及水力大直径分级造穴卸压增透技术领域，特别是水力大直径分级造穴卸压增透装置及方法。
背景技术
煤矿瓦斯(煤层气)是重要的非常规天然气资源之一，在煤矿井下开展高瓦斯煤层的煤层气抽采时，未卸压煤层的煤层气抽采能否取得较好的效果主要取决于煤层的渗透性。但我国大部分矿区的煤层属于高瓦斯低渗煤层，煤质松软且渗透性差，渗透率仅为10-4～10-3mD，由于煤层的渗透性直接决定了煤矿瓦斯(煤层气)抽采及利用的效率，解决低渗煤层的煤层气难抽问题已成为确保煤矿安全生产，提高煤层气产量和利用率的关键环节。研发提高低渗煤层的渗透性、煤层气增产的技术与装备，已成为一项艰难而迫切的任务，所以难抽煤层井下增透关键技术及装备研发已成为亟待开展的重要任务。
水力造穴是指借助顺层钻孔或穿层钻孔深入煤体内部，采用高压水射流冲出大量煤体，形成若干直径较大的洞室，在煤体中形成一定卸压排放瓦斯区域。该措施一方面在水力造穴过程中将大量松软煤体破碎并冲出，起到了降低煤体地应力的作用；另一方面在煤层中形成的洞穴增大煤层裸露面积并且在洞室周围形成巨大的裂隙网络，为瓦斯运移及抽采提供了广阔的空间，改善了煤层渗透性，可以有效提高瓦斯抽采效率和瓦斯抽采量。
水力冲孔造穴技术是一种低透气性煤层卸压增透的有效方式，进入深部后，煤层透气性进一步降低，地应力增加，需要采取更大强度的卸压增透措施才能保证抽采防突的效果。对于水力冲孔造穴技术来说，即需要制造更大半径的孔洞。目前的水力冲孔造穴技术受冲孔方法、设备能力、结构限制，最大造穴半径有限，一般不超过0.5m。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的水力大直径分级造穴卸压增透装置，可改变冲孔的过程，实现多次分级立体冲孔造穴，突破常规水力造穴方法造穴半径的极限，扩大钻孔的卸压范围，提高卸压增透防突效果。另外，本发明还提出一种水力大直径分级造穴卸压增透方法。
在第一个技术方案中，一种水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括钻杆、钻头、钻杆夹持器、分级造穴钻头和供水装置，其中钻头安装在钻杆的前端，分级造穴钻头安装在钻杆内部且靠近前段靠近钻头处，钻杆与分级造穴钻头相对的位置具有外钻杆开槽，所述钻杆夹持器夹持在钻杆的尾部，该钻杆夹持器可驱动钻头和钻杆夹持器同步轴向转动，所述供水装置通过管路与分级造穴钻头连接并对分级造穴钻头供水；所述分级造穴钻头包括分级造穴钻头底座、分级造穴钻头转盘、中空导水轴、以及至少两组分级造穴钻头射流杆和分级造穴钻头射流喷嘴，其中分级造穴钻头底座固定安装在钻杆内，中空导水轴安装在分级造穴钻头底座上，所述分级造穴钻头转盘可转动的安装在中空导水轴上，所述分级造穴钻头射流杆尾部安装在分级造穴钻头转盘上，分级造穴钻头射流喷嘴安装在分级造穴钻头射流杆的头部，且所述分级造穴钻头射流杆的延长线与中部开槽中空导水轴的轴心交错，所述分级造穴钻头转盘内部具有转盘导水空腔；
所述供水装置通过管路对接，并通过管路、中部开槽中空导水轴和分级造穴钻头转盘对分级造穴钻头射流杆供水，所述分级造穴钻头射流喷嘴向外高压喷水，且分级造穴钻头转盘通过分级造穴钻头射流喷嘴向外高压喷水形成的离心扭力转动。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述供水装置包括耐高压水尾，所述钻杆包括内钻杆和外钻杆，所述钻杆夹持器包括第一钻杆夹持器和第二钻杆夹持器，所述外钻杆套装在内钻杆的外部，所述钻头安装在外钻杆的前端，所述分级造穴钻头安装在内钻杆的前端，所述高压水尾连接在内钻杆的尾端，所述第一钻杆夹持器夹持在内钻杆的尾段，所述第二钻杆夹持器夹持在外钻杆的尾段。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述分级造穴钻头底座朝向分级造穴钻头射流杆一侧表面具有弹簧磁力挡片，该弹簧磁力挡片设置在分级造穴钻头射流杆的旋转路径上，该弹簧磁力挡片用于在分级造穴钻头射流杆停止转动时吸引分级造穴钻头射流杆，使分级造穴钻头射流杆收纳在外钻杆内部。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述外钻杆内还设有连接杆，该连接杆两端分别连接钻头尾部和分级造穴钻头的前端。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述中部开槽中空导水轴通过底座轴承安装在分级造穴钻头底座上，所述分级造穴钻头底座内具有连通中部开槽中空导水轴和内钻杆的底座导水管路，且底座导水管路与底座轴承外壁焊接，所述中部开槽中空导水轴与底座轴承内壁焊接。
在第二个技术方案中，一种水力大直径分级造穴卸压增透方法，使用如第一个技术方案中的水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括如下步骤：
步骤1，水力大直径分级造穴卸压增透装置造穴作业前，通过操纵第一钻杆夹持器和第二钻杆夹持器，将内钻杆、外钻杆、分级造穴钻头、钻头钻进到造穴工作位置；
步骤2，使用本发明中的耐高压水尾通过内钻杆、分级造穴钻头底座、分级造穴钻头转盘、中部开槽中空导水轴、分级造穴钻头射流可加长杆导水，实现分级造穴钻头射流喷嘴喷出高压射流，两组高压射流反作用力作用于分级造穴钻头转盘，产生扭矩带动分级造穴钻头转盘纵向高速旋转；
步骤3，分级造穴钻头横向旋转立体造穴，射流喷嘴纵向高速旋转同时，由钻机分别通过第一钻杆夹持器和第二钻杆夹持器带动内钻杆与外钻杆同步径向旋转，带动分级造穴钻头径向旋转，进而带动射流喷嘴径向旋转，完成该位置的立体造穴；
步骤4，完成全煤厚造穴后，停止供水，退出内钻杆、分级造穴钻头，更换加长尺寸的分级造穴钻头射流可加长杆，将内钻杆、分级造穴钻头，与钻头内螺纹旋紧相接，并推送至已造穴孔洞位置，重复步骤二与步骤三，在已有孔穴的基础上，完成造穴钻头大尺寸分级造穴。
在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤3后包括，步骤31：在步骤3完成该位置的立体造穴后，停止供水，通过弹簧磁力挡片的阻挡与磁力作用，实现分级造穴钻头射流可加长杆回正，继续将内钻杆、外钻杆、分级造穴钻头、钻头钻进到下一造穴工作位置，重复上述步骤3，完成全煤厚连续造穴。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
使用本发明的有益效果是：
与现有技术相比，采用本发明在传统钻机钻进成孔的基础上，使用水力大直径分级造穴卸压增透装置发生造穴钻头的横向与纵向同时旋转，在钻孔附近形成了大体积立体三维空间，持续钻进实现全煤厚连续造穴，并可通过加长射流杆，实现更大体积的分级立体造穴，且具备小尺寸钻孔造穴、操作简单、易于控制等优点，增加了钻孔增透卸压范围，降低了人工劳动强度，降低了钻具机械损耗，有利于提升矿井瓦斯治理水平，确保煤矿安全生产。
附图说明
图1为本发明水力大直径分级造穴卸压增透装置中分级造穴钻头示意图。
图2为本发明水力大直径分级造穴卸压增透装置中分级造穴钻头侧向的示意图。
图3为本发明水力大直径分级造穴卸压增透装置整体示意图。
图4为本发明水力大直径分级造穴卸压增透装置中分级造穴钻头转盘受力示意图。
附图标记包括：
1-耐高压水尾、2-内钻杆、3-第一导水连接头、4-分级造穴钻头底座、5-分级造穴钻头转盘、6-中部开槽中空导水轴、7-第二导水连接头、8-分级造穴钻头射流杆、9-分级造穴钻头射流喷嘴、10-分级造穴钻头、11-第一钻杆夹持器、12-第二钻杆夹持器、13-外钻杆、14-连接杆、15-钻头、16-弹簧磁力挡片、20-高压水射流反作用力、21-扭矩方向、22-钻孔、31-底座导水管路、32-底座轴承、33-转盘导水空腔、34-外钻杆开槽。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图1-图4所示，本实施例提出的水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括钻杆、钻头15、钻杆夹持器、分级造穴钻头10和供水装置，其中钻头15安装在钻杆的前端，分级造穴钻头10安装在钻杆内部且靠近前段靠近钻头15处，钻杆与分级造穴钻头10相对的位置具有外钻杆开槽34，钻杆夹持器夹持在钻杆的尾部，该钻杆夹持器可驱动钻头15和钻杆夹持器同步轴向转动，供水装置通过管路与分级造穴钻头10连接并对分级造穴钻头10供水；分级造穴钻头10包括分级造穴钻头底座4、分级造穴钻头转盘5、中空导水轴、以及至少两组分级造穴钻头射流杆8和分级造穴钻头射流喷嘴9，其中分级造穴钻头底座4固定安装在钻杆内，中空导水轴安装在分级造穴钻头底座4上，分级造穴钻头转盘5可转动的安装在中空导水轴上，分级造穴钻头射流杆8尾部安装在分级造穴钻头转盘5上，分级造穴钻头射流喷嘴9安装在分级造穴钻头射流杆8的头部，且分级造穴钻头射流杆8的延长线与中部开槽中空导水轴6的轴心交错，分级造穴钻头转盘5内部具有转盘导水空腔33；
供水装置通过管路、中部开槽中空导水轴6和分级造穴钻头转盘5对分级造穴钻头射流杆8供水，分级造穴钻头射流喷嘴9向外高压喷水，且分级造穴钻头转盘5通过分级造穴钻头射流喷嘴9向外高压喷水形成的离心扭力转动。
供水装置包括耐高压水尾1，钻杆包括内钻杆2和外钻杆13，钻杆夹持器包括第一钻杆夹持器11和第二钻杆夹持器12，外钻杆13套装在内钻杆2的外部，钻头15安装在外钻杆13的前端，分级造穴钻头10安装在内钻杆2的前端，高压水尾连接在内钻杆2的尾端，第一钻杆夹持器11夹持在内钻杆2的尾段，第二钻杆夹持器12夹持在外钻杆13的尾段。
分级造穴钻头底座4朝向分级造穴钻头射流杆8一侧表面具有弹簧磁力挡片16，该弹簧磁力挡片16设置在分级造穴钻头射流杆8的旋转路径上，该弹簧磁力挡片16用于在分级造穴钻头射流杆8停止转动时吸引分级造穴钻头射流杆8，使分级造穴钻头射流杆8收纳在外钻杆13内部。
外钻杆13内还设有连接杆14，该连接杆14两端分别连接钻头15尾部和分级造穴钻头10的前端。
中部开槽中空导水轴6通过底座轴承32安装在分级造穴钻头底座4上，分级造穴钻头底座4内具有连通中部开槽中空导水轴6和内钻杆2的底座导水管路31，且底座导水管路31与底座轴承32外壁焊接，中部开槽中空导水轴6与底座轴承32内壁焊接。
具体的，耐高压水尾1与内钻杆2连接，所述分级造穴钻头底座4通过第一导水连接头3与内钻杆2连接；所述底座导水管路31与底座轴承32外壁焊接，所述中部开槽中空导水轴6与底座轴承32内壁焊接，所述分级造穴钻头转盘5与中部开槽中空导水轴6螺纹连接，且转盘导水空腔33与中部开槽中空导水轴6内部相通，所述分级造穴钻头射流喷嘴9过分级造穴钻头10射流可加长杆、第二导水连接头7与分级造穴钻头转盘5连接，所述弹簧磁力挡片16上部为弹簧挡片，底部装有磁石，且上部挡片位于分级造穴钻头10射流可加长杆旋转路径上，底部固定于分级造穴钻头底座4之上；所述分级造穴钻头10通过连接杆14与钻头15连接；所述内钻杆2通过第一钻杆夹持器11连接钻机，所述外钻杆13通过第一钻杆夹持器11连接钻机；
进一步，分级造穴钻头10由分级造穴钻头底座4、分级造穴钻头转盘5、中部开槽中空导水轴6、第二导水连接头7、分级造穴钻头10射流可加长杆、分级造穴钻头射流喷嘴9、弹簧磁力挡片16、底座导水管路31、底座轴承32组成，其中分级造穴钻头10射流可加长杆加长前长度小于钻孔22半径。
分级造穴钻头底座4与分级造穴钻头转盘5通过中部开槽中空导水轴6、底座轴承32相接，且两者之间留有空隙。两组第二导水连接头7、分级造穴钻头10射流可加长杆、分级造穴钻头射流喷嘴9相互错开，不在同一直线上。
本水力大直径分级造穴技术及装备创新冲孔的方式及冲孔设备结构，改变冲孔的过程，实现多次分级立体冲孔造穴。突破常规水力造穴方法造穴半径的极限，扩大钻孔22的卸压范围，提高卸压增透防突效果。
实施例2
本实施例提出的水力大直径分级造穴卸压增透方法，使用如实施例1中提出的的水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括如下步骤：
步骤1，水力大直径分级造穴卸压增透装置造穴作业前，通过操纵第一钻杆夹持器11和第二钻杆夹持器12，将内钻杆2、外钻杆13、分级造穴钻头10、钻头15钻进到造穴工作位置；
步骤2，使用本发明中的耐高压水尾11通过内钻杆2、第一导水连接头3、分级造穴钻头底座4、分级造穴钻头转盘5、中部开槽中空导水轴6、转盘导水空腔33、第二导水连接头7、分级造穴钻头10射流可加长杆导水，实现分级造穴钻头射流喷嘴9喷出高压射流，两组高压射流反作用力作用于分级造穴钻头转盘5，产生扭矩带动分级造穴钻头转盘5纵向高速旋转，如图4中扭矩方向22表示。
步骤3，分级造穴钻头10横向旋转立体造穴，射流喷嘴纵向高速旋转同时，由钻机分别通过第一钻杆夹持器11和第二钻杆夹持器12带动内钻杆2与外钻杆13同步径向旋转，带动分级造穴钻头10径向旋转，进而带动射流喷嘴径向旋转，完成该位置的立体造穴；停止供水，通过弹簧磁力挡片16的阻挡与磁力作用，实现分级造穴钻头10射流可加长杆回正，继续将内钻杆2、外钻杆13、分级造穴钻头10、钻头15钻进到下一造穴工作位置，重复上述步骤，完成全煤厚连续造穴。
步骤4，完成全煤厚连续造穴后，停止供水，退出内钻杆2、分级造穴钻头10，更换加长尺寸的分级造穴钻头10射流可加长杆，将内钻杆22、分级造穴钻头10，与钻头15内螺纹旋紧相接，并推送至已造穴孔洞位置，重复步骤二与步骤三，在已有孔穴的基础上，完成造穴钻头15大尺寸分级造穴。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
