本发明公开了一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合，包括依次连接的解卡钻杆、随钻测量系统、螺杆钻具和解卡钻头；解卡钻杆包括解卡钻杆本体以及中心通信组件；随钻测量系统包括控制单元以及与其相连接的传输单元和测量单元；解卡钻头包括解卡钻头本体和至少两个射流碎岩组件；解卡钻头本体的中心通孔为过流通道。本发明采用在卡钻孔下方施工解卡孔的处理卡钻孔卡钻的方式，不会对卡钻孔内钻具产生往复较高的给进力、起拔力和回转扭矩，能有效避免强力打捞处理塌孔卡钻时带来的钻具易发生疲劳破坏和钻进安全性低的问题。应用卡钻处理钻具施工解卡孔，卡钻处理周期相比套铣打捞缩短50％以上，卡钻处理周期大幅缩短。
1.一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，其特征在于，该方法采用复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合进行，所述复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合包括依次连接的解卡钻杆（1）、随钻测量系统（2）、螺杆钻具（3）和解卡钻头（4）；
解卡钻杆（1）包括解卡钻杆本体（101）以及安装在解卡钻杆本体（101）中心通孔内的中心通信组件（102）；随钻测量系统（2）包括控制单元（202）以及与其相连接的传输单元（201）和测量单元（203），其中：控制单元（202）用于控制测量单元（203）测量解卡孔钻孔轨迹参数，以及控制传输单元（201）传输测量信号；传输单元（201）连接中心通信组件（102），用于通过中心通信组件（102）为随钻测量系统（2）供电，同时向孔口传输测量信号；测量单元（203）用于测量解卡孔钻孔轨迹参数；
所述解卡钻头4包括解卡钻头本体（401）和至少两个射流碎岩组件（405）；其中，解卡钻头本体（401）为前大后小的台阶状圆柱体，解卡钻头本体（401）的前端面均匀布置多个前部切削齿（402），解卡钻头本体（401）的周向侧壁上均匀布置有多排环状耐磨层，每一排环状耐磨层包括多个等间隔的耐磨合金块（403），解卡钻头本体（401）的台阶处为坡面，该坡面上均匀安装多排后部切削齿（404）；解卡钻头本体（401）的中心通孔为过流通道（407）；
步骤2，移机对孔位开孔：将卡钻孔的钻杆在孔口拧开，移钻机对准卡钻孔下方的开孔点，将其作为解卡孔的孔口，应用开孔钻具施工开孔孔段，施工至设计深度后提出开孔钻具；
步骤3，解卡孔施工：向步骤2开的孔内下入钻具组合，在卡钻孔下方施工，过程中使用随钻测量系统（2）监测解卡孔轨迹，直至按设计轨迹施工至解卡深度，得到解卡孔；
步骤4，卡钻孔解卡：处理待解卡区域，直至解卡孔与卡钻孔贯通，使卡钻孔塌孔卡钻产生的大量钻渣通过解卡孔排出孔外，待解卡孔孔口返水正常后说明卡钻点位置已处理完毕，卡钻孔解卡；
步骤5，退出卡钻孔钻具：从解卡孔内退出钻具组合，移钻机对准卡钻孔后连接孔口钻杆，退出卡钻孔钻具。
2.如权利要求1所述的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，其特征在于，所述解卡钻头本体（401）的后部侧壁周向上均匀设置至少两个射流组件安装通孔（406），该安装通孔（406）的高度方向与解卡钻头本体（401）一致且与解卡钻头本体（401）的中心通孔相连通，每个射流组件安装通孔（406）中分别安装一个射流碎岩组件（405）。
3.如权利要求2所述的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，其特征在于，所述射流碎岩组件（405）包括射流喷头（4051）、弹簧（4053）、密封头（4054）和限位块（4055），其中，射流喷头（4051）为一端开有第一凹槽的柱状体，密封头（4054）为一端开有第二凹槽的柱体，且其另一端侧壁为锥面，射流喷头（4051）和密封头（4054）相对设置，且弹簧（4053）的两端分别安装固定在第一凹槽和第二凹槽内；限位块（4055）带有中心通孔，该中心通孔与密封头（4054）的锥面的一端形状配合；限位块（4055）和射流喷头（4051）分别固定在射流组件安装通孔（406）两端的内壁上，密封头（4054）的锥面一端位于限位块（4055）的中心通孔内且两者之间在弹簧（4053）的作用下紧贴；射流喷头（4051）的周向上均匀开有多个射流通道（4052）。
4.如权利要求3所述的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，其特征在于，所述射流喷头（4051）上的射流通道（4052）的个数为3个，且形状为弧形。
5.如权利要求1所述的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，其特征在于，所述步骤1中，设钻孔深度为L1，冲洗液流过螺杆钻具和钻头以致泵压明显升高所需时间为t1，冲洗液达到卡钻点位置以致泵压异常快速升高所需时间为t2，冲洗液在钻柱和孔壁环空中流动速度为v0，卡钻点至孔底的距离L2为v0(t2‑t1)，利用下式计算卡钻点深度L3= L1‑ L2= L1‑ v0(t2‑t1)。
6.如权利要求1所述的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，其特征在于，所述步骤4中，所述卡钻孔解卡的过程中，调整泵压为正常钻进时的1.5倍及以上。
复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合及方法
技术领域
[0001] 本发明属于煤矿井下坑道钻探领域，具体涉及一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合及方法。
背景技术
[0002] 复杂破碎煤系地层在我国煤矿区广泛分布，具有地层破碎、钻进压力高和钻渣排出难等特征，近水平定向钻进过程中易发生卡钻事故，主要包括塌孔卡钻、泥岩缩径卡钻和钻屑沉积卡钻，其中塌孔卡钻是发生频率较高的一种孔内事故，其产生原因：孔壁局部岩体失稳、塌落将钻具卡住，造成钻具旋转、起下受阻，严重时可将钻具完全卡死(既不能转动又不能起下)，造成钻具无法正常活动。
[0003] 复杂破碎煤系地层近水平定向钻进发生塌孔卡钻时，一般采用强力打捞和套铣打捞两种方法进行处理。强力打捞采用正转转速快速变化和快速起下钻迅速反复转换结合的方法，使塌孔卡钻处钻具对坍塌碎屑产生挤压和碾压作用以使钻具松动，从而达到解卡的目的。套铣打捞一般在强力打捞处理无效的情况下使用，该方法应用专用套铣打捞钻具，采用回转钻进工艺套取孔内定向钻具，打通塌孔卡钻部位，从而分别将打捞钻具和定向钻具依次提出，完成塌孔卡钻的处理。然而，应用强力打捞和套铣打捞进行卡钻事故处理时存在以下问题：
[0004] (1)钻具易发生疲劳破坏，钻进安全性低。采用强力打捞处理塌孔卡钻时，孔内钻具受到往复较高的给进力、起拔力和回转扭矩，受力情况复杂，容易发生疲劳破坏，钻具可能发生断裂，造成孔内二次事故，加剧了事故处理的复杂性，降低了钻进安全性。
[0005] (2)卡钻处理效率低，钻进周期长。采用套铣打捞处理塌孔卡钻时，套铣钻具直径规格大于卡钻钻具，套铣钻进回转扭矩大，套铣钻进效率低，处理塌孔卡钻周期长；套铣钻具成孔直径大，孔壁稳定性差，且套铣钻具和钻孔之间的环空间隙小，套铣钻进过程中易发生塌孔卡钻，钻进风险高。
发明内容
[0006] 针对煤矿井下现有塌孔卡钻处理方法存在的钻具易发生疲劳破坏、钻进安全性低、卡钻处理效率低和钻进周期长的问题，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合从事相关产业的经验和成果，提供了一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合及方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
[0008] 一方面，本发明提供了一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合，包括依次连接的解卡钻杆、随钻测量系统、螺杆钻具和解卡钻头；
[0009] 解卡钻杆包括解卡钻杆本体以及安装在解卡钻杆本体中心通孔内的中心通信组件；随钻测量系统包括控制单元以及与其相连接的传输单元和测量单元，其中：控制单元用于控制测量单元测量解卡孔钻孔轨迹参数，以及控制传输单元传输测量信号；传输单元连接中心通信组件，用于通过中心通信组件为随钻测量系统供电，同时向孔口传输测量信号；测量单元用于测量解卡孔钻孔轨迹参数；
[0010] 所述解卡钻头包括解卡钻头本体和至少两个射流碎岩组件；其中，解卡钻头本体为前大后小的台阶状圆柱体，解卡钻头本体的前端面均匀布置多个前部切削齿，解卡钻头本体的周向侧壁上均匀布置有多排环状耐磨层，每一排环状耐磨层包括多个等间隔的耐磨合金块，解卡钻头本体的台阶处为坡面，该坡面上均匀安装多排后部切削齿；解卡钻头本体的中心通孔为过流通道。
[0011] 进一步的，所述解卡钻头本体的后部侧壁周向上均匀设置至少两个射流组件安装通孔，该安装通孔的高度方向与解卡钻头本体一致且与解卡钻头本体的中心通孔相连通，每个射流组件安装通孔中分别安装一个射流碎岩组件。
[0012] 进一步的，所述射流碎岩组件包括射流喷头、弹簧、密封头和限位块，其中，射流喷头为一端开有第一凹槽的柱状体，密封头为一端开有第二凹槽的柱体，且其另一端侧壁为锥面，射流喷头和密封头相对设置，且弹簧的两端分别安装固定在第一凹槽和第二凹槽内；限位块带有中心通孔，该中心通孔与密封头的锥面的一端形状配合；限位块和射流喷头分别固定在射流组件安装通孔两端的内壁上，密封头的锥面一端位于限位块的中心通孔内且两者之间在弹簧的作用下紧贴；射流喷头的周向上均匀开有多个射流通道。
[0013] 进一步的，所述射流喷头上的射流通道的个数为3个，且形状为弧形。
[0014] 另一方面，本发明还提供了一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，该方法采用上述本发明的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合进行，具体包括以下步骤：
[0015] 步骤1，确定卡钻点位置；
[0016] 步骤2，移机对孔位开孔：将卡钻孔的钻杆在孔口拧开，移钻机对准卡钻孔下方的开孔点，将其作为解卡孔的孔口，应用开孔钻具施工开孔孔段，施工至设计深度后提出开孔钻具；
[0017] 步骤3，解卡孔施工：向步骤2开的孔内下入钻具组合，在卡钻孔下方施工，过程中使用随钻测量系统监测解卡孔轨迹，直至按设计轨迹施工至解卡深度，得到解卡孔；
[0018] 步骤4，卡钻孔解卡：处理待解卡区域，直至解卡孔与卡钻孔贯通，使卡钻孔塌孔卡钻产生的大量钻渣通过解卡孔排出孔外，待解卡孔孔口返水正常后说明卡钻点位置已处理完毕，卡钻孔解卡；
[0019] 步骤5，退出卡钻孔钻具：从解卡孔内退出钻具组合，移钻机对准卡钻孔后连接孔口钻杆，退出卡钻孔钻具。
[0020] 进一步的，所述步骤1中，设钻孔深度为L1，冲洗液流过螺杆钻具和钻头以致泵压明显升高所需时间为t1，冲洗液达到卡钻点位置以致泵压异常快速升高所需时间为t2，冲洗液在钻柱和孔壁环空中流动速度为v0，卡钻点至孔底的距离L2为v0(t2‑t1)，利用下式计算卡钻点深度L3＝L1‑L2＝L1‑v0(t2‑t1)。
[0021] 进一步的，所述步骤4中，所述卡钻孔解卡的过程中，调整泵压为正常钻进时的1.5倍及以上。
[0022] 相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
[0023] (1)采用在卡钻孔下方施工解卡孔的处理卡钻孔卡钻的方式，不会对卡钻孔内钻具产生往复较高的给进力、起拔力和回转扭矩，能有效避免强力打捞处理塌孔卡钻时带来的钻具易发生疲劳破坏和钻进安全性低的问题，钻进安全性显著提升。
[0024] (2)应用卡钻处理钻具施工解卡孔，与套铣打捞钻进相比成孔直径小，钻进速度快，卡钻处理周期相比套铣打捞缩短50％以上，卡钻处理周期大幅缩短。
[0025] (3)通过解卡钻头的前部切削齿回转碎岩实现一级碎岩；一级碎岩形成的钻渣向后行进时由射流碎岩组件形成的高压水射流碎岩实现二级碎岩；二级碎岩得到的钻渣向孔口运移的过程中经解卡钻杆侧壁的切削面形成的棱在旋转过程中实现三级碎岩，且经过解卡钻杆的长度整体进行全过程碎岩，碎岩效果更强，更易排出钻渣。上述三级碎岩方式对钻渣进行分级处理，可以使钻渣顺利从解卡钻孔排出，保证卡钻处理效果，提高卡钻处理效率。
附图说明
[0026] 图1为塌孔卡钻事故处理原理图。
[0027] 图2为解卡钻进钻具组合结构图。
[0028] 图3为解卡钻杆结构图。
[0029] 图4为解卡钻头结构图。
[0030] 图5为射流组件结构图，其中，(a)为射流组件，(b)为(a)的A向视图。
[0031] 上述图中：1‑解卡钻杆、2‑随钻测量系统、3‑螺杆钻具、4‑解卡钻头、101‑解卡钻杆本体、102‑中心通信组件、201‑传输单元、202‑控制单元、203‑测量单元、401‑解卡钻头本体、402‑前部切削齿、403‑耐磨合金块、404‑后部切削齿、405‑射流碎岩组件、406‑射流组件安装槽、407‑过流通道、4051‑射流喷头、4052‑射流通道、4053‑弹簧、4054‑密封头、4055‑限位块。
[0032] 以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
[0033] 本发明公开了一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合，参见图2，包括依次连接的解卡钻杆1、随钻测量系统2、螺杆钻具3和解卡钻头4。
[0034] 参见图3，解卡钻杆1包括解卡钻杆本体101以及安装在解卡钻杆本体101中心通孔内的中心通信组件102；优选的，解卡钻杆本体101外部周向加工有多个切削面(优选三个)，使钻杆本体101具备异型结构，以强化孔内排渣；中心通信组件102具体为中心线缆。实际情况中，解卡钻杆1是由多根相同的钻杆首尾相接组成的，每一根钻杆之间通过螺纹连接构成解卡钻杆1，每根钻杆内部的中心通信组件相互对接导通，构成了有线通道(即中心通信组件102)，为随钻测量系统2提供供电和通信通道。
[0035] 参见图2，随钻测量系统2包括控制单元202以及与其相连接的传输单元201和测量单元203，其中：控制单元202采用控制芯片，其为随钻测量系统2的控制终端，其用于控制测量单元203测量钻孔轨迹参数，以及控制传输单元201传输测量信号；传输单元201连接中心通信组件102，其用于通过中心通信组件102为随钻测量系统2供电，同时向孔口传输测量信号；测量单元203设有加速度传感器和光纤陀螺传感器，采用加速度传感器测量倾角、工具面向角参数，采用光纤陀螺传感器测量钻孔方位参数，不受卡钻孔内钻具组合铁磁的干扰，可保证解卡孔钻孔轨迹的精确测控。
[0036] 参见图4，解卡钻头4包括解卡钻头本体401和至少两个射流碎岩组件405。其中，解卡钻头本体401为前大后小的台阶状圆柱体，解卡钻头本体401的前端面均匀布置多个前部切削齿402，解卡钻头本体401的周向侧壁上均匀布置有多排环状耐磨层，每一排环状耐磨层包括多个等间隔的耐磨合金块403，解卡钻头本体401的台阶处为坡面，该坡面上均匀安装多排后部切削齿404。解卡钻头本体401的中心通孔为过流通道407；优选的，解卡钻头本体401的后部侧壁周向上均匀设置至少两个射流组件安装通孔406，该安装通孔406的高度方向与解卡钻头本体401一致且与解卡钻头本体401的中心通孔相连通，每个射流组件安装通孔406中分别安装一个射流碎岩组件405。
[0037] 其中，参见图5，射流碎岩组件405包括射流喷头4051、弹簧4053、密封头4054和限位块4055，其中，射流喷头4051为一端开有第一凹槽的柱状体，密封头4054为一端开有第二凹槽的柱体，且其另一端侧壁为锥面，射流喷头4051和密封头4054相对设置，且弹簧4053的两端分别安装固定在第一凹槽和第二凹槽内；限位块4055带有中心通孔，该中心通孔与密封头4054的锥面的一端形状配合；限位块4055和射流喷头4051分别固定在射流组件安装通孔406两端的内壁上，密封头4054的锥面一端位于限位块4055的中心通孔内且两者之间在弹簧4053的作用下紧贴；射流喷头4051的周向上均匀开有多个射流通道4052，用于使得进入射流碎岩组件405内的高压射流向外喷出；优选的，射流喷头4051上的射流通道4052的个数为3个，且形状为弧形，使得射流对钻渣的碎岩效果更均匀。
[0038] 上述射流碎岩组件405在解卡孔施工过程中不工作，在进行卡钻孔解卡时才会形成高压水射流，其工作模式转换原理为：卡钻孔施工时，正常钻进的泵压不足以推动密封头4054和弹簧4053移动，冲洗液无法进入射流碎岩组件405，因此射流碎岩组件405不会形成高压水射流；卡钻孔解卡时，可调整泵压为正常钻进时的1.5倍及以上，冲洗液能够推动密封头4054和弹簧4053移动，冲洗液进入射流喷头4051，通过射流通道4052喷出形成高压水射流。
[0039] 由上，采用上述解卡钻头4的设计方案进行卡钻处理过程中，本发明的钻具组合能够形成三级碎岩模式：解卡钻头4的前部切削齿402回转碎岩实现一级碎岩；一级碎岩形成的钻渣向后行进时由解卡钻头4的射流碎岩组件405形成的高压水射流碎岩，实现二级碎岩；二级碎岩得到的钻渣向孔口运移的过程中经解卡钻杆1侧壁的切削面形成的棱在旋转过程中实现三级碎岩，且经过解卡钻杆1的长度整体进行全过程碎岩，碎岩效果更强，更易排出钻渣。通过应用卡钻处理钻具组合三级碎岩模式对钻渣进行分级处理，可以使钻渣顺利从解卡钻孔排出，保证卡钻处理效果。
[0040] 本发明还公开了一种复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理方法，该方法利用上述本发明的复杂破碎地层近水平定向钻进卡钻处理钻具组合实现卡钻处理，参见图1，具体包括以下步骤：
[0041] 步骤1，确定卡钻点位置。近水平定向钻进发生卡钻时，冲洗液达到卡钻位置无法正常通过，泵压会异常快速升高，因此可以通过泵压异常升高所需要的时间计算卡钻点深度。设钻孔深度为L1，冲洗液流过螺杆钻具和钻头以致泵压明显升高所需时间为t1，冲洗液达到卡钻点位置以致泵压异常快速升高所需时间为t2，冲洗液在钻柱和孔壁环空中流动速度为v0，那么卡钻点至孔底的距离L2为v0(t2‑t1)，因此，利用下式计算卡钻点深度L3＝L1‑L2＝L1‑v0(t2‑t1)。
[0042] 步骤2，移机对孔位开孔。将卡钻孔的钻杆在孔口拧开，移钻机对准卡钻孔下方的开孔点，将其作为解卡孔的孔口，应用开孔钻具施工开孔孔段，施工至设计深度后提出开孔钻具。
[0043] 步骤3，解卡孔施工。向步骤2开的孔内下入本发明的钻具组合，应用该钻具组合在卡钻孔下方施工，过程中使用随钻测量系统2监测解卡孔轨迹，直至按设计轨迹施工至解卡深度，得到解卡孔。
[0044] 步骤4，卡钻孔解卡。应用本发明的钻具组合处理待解卡区域，直至解卡孔与卡钻孔贯通，使卡钻孔塌孔卡钻产生的大量钻渣通过解卡孔排出孔外，待解卡孔孔口返水正常后说明卡钻点位置已处理完毕，卡钻孔解卡。
[0045] 优选的，卡钻孔解卡过程中，调整泵压为正常钻进时的1.5倍及以上。这样操作使得冲洗液能够推动密封头4054和弹簧4053移动，冲洗液进入射流喷头4051，通过射流通道4052喷出形成高压水射流。
[0046] 上述过程中，钻具组合形成三级碎岩模式：解卡钻头4的前部切削齿402回转碎岩实现一级碎岩；一级碎岩形成的钻渣向后行进时由解卡钻头4的射流碎岩组件405形成的高压水射流碎岩，实现二级碎岩；二级碎岩得到的钻渣向孔口运移的过程中经解卡钻杆1侧壁的切削面形成的棱在旋转过程中实现三级碎岩，且经过解卡钻杆1的长度整体进行全过程碎岩，碎岩效果更强，更易排出钻渣。通过应用卡钻处理钻具组合三级碎岩模式对钻渣进行分级处理，可使钻渣顺利从解卡钻孔排出，保证卡钻处理效果。
[0047] 步骤5，退出卡钻孔钻具。从解卡孔内退出本发明的卡钻处理钻具组合，移钻机对准卡钻孔后连接孔口钻杆，退出卡钻孔内钻具组合。
