CN101864899B - 自控靶距式水射流钻头 - Google Patents

Abstract

自控靶距式水射流钻头，涉及高压水射流钻头。本发明解决现有水射流钻头不能控制靶距，钻孔成孔率低，且会造成卡钻的问题。本发明的特征在于：所述喷头为圆柱形腔体，上端设有水射流孔；所述中空钻芯与所述壳体的内腔滑动配合，所述中空钻芯上端设有限位螺母，下端设有进液管接头，所述中空钻芯沿轴线设有主导流通道及上横向导流孔和下横向导流孔，所述上横向导流孔和下横向导流孔的位置沿轴线上下对称；所述壳体的上部设有与喷头相连通的上导流槽，所述壳体的下部设有与钻头底端相连通的下导流槽。本发明由于射流靶距可控制，使水射流技术能在钻进领域中得到进一步推广。

Description

自控靶距式水射流钻头

技术领域

本发明属于采矿钻进领域，特别涉及一种通过高压水射流对岩石实施破碎与切割的水射流钻头。

背景技术

高压水射流是一门迅速崛起的新技术、新工艺，其特点是通过高压水射流的能量高度集中，对岩石实施高效率的破碎与切割等。目前，连续水射流技术是钻孔破岩的主要形式，在钻头推进过程中，水流连续不间断地冲击岩石表面，高压流束不仅对喷头附近的岩石进行破碎切割，而且随时间延长，射流靶距明显偏大，能造成使远处及孔壁四周的岩石发生破碎剥落，同时破坏了孔壁的完整性，造成钻孔产渣量急剧增加。

根据水射流理论，水射流破岩时，射流喷头与岩石之间总是有一定的距离，这个距离称之为射流靶距。在相同压力和流量的条件下，靶距越小，水射流的能量越大，切割缝越平整；靶距越大，由于水流散射，射流能量降低，造成切割缝凹凸不平。特别对于均质性差的软岩，如果靶距过大，散射的射流容易将孔壁的坚硬岩石颗粒整体从孔壁冲刷下来，破坏钻孔的形状。并且使得钻屑颗粒增大，极易引起排渣不畅而造成卡钻。

CN200989162Y公开了一种“水力脉冲空化射流钻井装置及钻头”，该钻头内部安装有脉冲发生器，虽然可以使连续流体产生脉冲式的波动压力，对岩石进行破碎切割，但其流体为连续射流的工作状态，不具有间歇式的喷射功能，所以不能有效控制射流靶距。CN1451839A公开了一种“可远程控制钻孔、割缝和纠偏的水力钻头”，虽然可以利用压力油进行水射流钻孔和水射流割缝两种作业，但其在钻进过程中，流体仍为连续射流的工作状态，不具有自动控制射流靶距的功能。由于上述水射流钻头不能有效控制流体的射流靶距，因此，使水射流技术难以在钻进领域中得到进一步推广。

发明内容

本发明旨在于克服现有技术的缺点，提供一种可自控靶距式水射流钻头，解决现有水射流钻头由于不能控制靶距，在钻孔破岩时会破坏孔壁的完整性，钻孔的成孔率低；会造成钻孔产渣量急剧增加，使得钻屑颗粒增大而卡钻等问题。

本发明设计思路是：在射流钻孔作业时，钻杆连接钻头向前移动，当钻头紧靠岩石壁时，水流通过喷头对前方的岩石壁进行冲击破碎，当岩石破碎脱落后，在喷头前方形成了一个可以继续钻进的空间，此时，喷头脱离岩石壁，水流在内部高压力的作用下，推动钻头上的喷头发生相对向前移动，促使钻头内部的流通通道发生变换，封闭了向前流通的导流通道，水流停止向前喷射，同时打开了向后流通的导流通道，水流经由钻头尾部向后流出，此时钻头处于向后冲孔状态，并对先前在钻孔中脱落的岩石碎屑进行冲刷；随后，钻杆连接钻头继续向前移动，当钻头再次紧靠岩石壁时，在钻杆推动力的作用下，推动钻头内的中空钻芯发生相对向前移动，钻头内部的流通通道再次发生变换，此时，封闭了向后流通的导流通道，水流停止向后流出，同时打开了向前流通的导流通道，水流经喷头向前喷射，继续冲击破碎岩石，从而实现了从“射流钻孔-冲孔排渣-射流钻孔”的一个循环过程，如此循环往复，使该钻头具有了反复切换工作状态的功能，并向前不断推进。在每个循环过程中，由于缩短了水射流破碎岩石的时间，因而减少了射流靶距，有效降低了钻孔的钻屑粒度和数量，保证了孔壁的完整性，防止了因排渣不畅而造成卡钻现象，因此大幅提高了水射流的钻进效率。

本发明是通过以下钻头设计方案来实现其发明目的的：

一种自控靶距式水射流钻头，包括；壳体4，与壳体4通过螺纹连接的喷头2，安装在壳体4内腔的中空钻芯5，其特征在于：所述喷头2为圆柱形腔体，上端设有水射流孔1；所述中空钻芯5与所述壳体4的内腔滑动配合，所述中空钻芯5上端设有限位螺母3，下端设有进液管接头7，所述中空钻芯5沿轴线设有主导流通道6及上横向导流孔10和下横向导流孔12，所述上横向导流孔10和下横向导流孔12的位置沿轴线上下对称；所述壳体4的上部设有与喷头2相连通的上导流槽9，所述壳体4的下部设有与钻头底端相连通的下导流槽13。

所述上导流槽9进水口上端和下导流槽13进水口下端之间的距离(2h)是上横向导流孔10出水口上端和下横向导流孔12出水口下端之间距离(h)的2倍。

所述中空钻芯5下端的进液管接头7底部与上端的限位螺母3顶部之间的距离应大于壳体4内腔的长度，其差值应与上横向导流孔10出水口上端和下横向导流孔12出水口下端之间的距离相等。

上导流槽9、下导流槽13进水口宽度应是上横向导流孔10、下横向导流孔12出水口宽度的L倍(L＝2.5～3.5)。

所述壳体4与所述中空钻芯5之间设有上O型密封圈8和下O型密封圈11。

通过控制水射流钻头的靶距，以高能量切割喷嘴附近的岩石，减小煤岩钻屑的颗粒粒度，提高钻孔的成孔率。

附图说明

图1是一种自控靶距式水射流钻头处于射流钻孔状态时的结构示意图；

图2是一种自控靶距式水射流钻头处于冲孔排渣状态时的结构示意图。

下面结合附图通过实施例，对本发明技术方案的运作过程做进一步的详细描述。

具体实施方式

如图1、2所示，一种自控靶距式水射流钻头，包括；壳体4，与壳体4通过螺纹连接的喷头2，安装在壳体4内腔的中空钻芯5，其特征在于：所述喷头2为圆柱形腔体，上端设有水射流孔1；所述中空钻芯5与所述壳体4的内腔滑动配合，所述中空钻芯5上端设有限位螺母3，下端设有进液管接头7，所述中空钻芯5沿轴线设有主导流通道6及上横向导流孔10和下横向导流孔12，所述上横向导流孔10和下横向导流孔12的位置沿轴线上下对称；所述壳体4的上部设有与喷头2相连通的上导流槽9，所述壳体4的下部设有与钻头底端相连通的下导流槽13。

所述上导流槽9进水口上端和下导流槽13进水口下端之间的距离(2h)是上横向导流孔10出水口上端和下横向导流孔12出水口下端之间距离(h)的2倍。

所述中空钻芯5下端的进液管接头7底部与上端的限位螺母3顶部之间的距离应大于壳体4内腔的长度，其差值应与上横向导流孔10出水口上端和下横向导流孔12出水口下端之间的距离相等。

上导流槽9、下导流槽13进水口宽度应是上横向导流孔10、下横向导流孔12出水口宽度的L倍(L＝2.5～3.5)。

所述壳体4与所述中空钻芯5之间设有上O型密封圈8和下O型密封圈11。

本发明的工作过程：

通过进液管接头7将钻头安装在高压水管的末端，射流作业时，高压水管连接钻头一起向前移动，当钻头紧靠岩石壁时，在高压水管推动力的作用下，推动中空钻芯5在壳体4的内腔中发生相对向前滑动，使中空钻芯5上的上横向导流孔10与壳体4上的上导流槽9相连通，随后，上横向导流孔10一直继续向前滑动L倍(L＝2.5～3.5)距离，最终使上横向导流孔10的上端与上导流槽9的上端相对齐，在此时间段内，已封闭了中空钻芯5上的下横向导流孔12，高压水由进液管接头7进入，通过中空钻芯5中的主导流通道6，由上横向导流孔10与上导流槽9组成的流体通道进入喷头2的圆柱形腔体内，并从水射流孔1中喷出，对岩石进行冲击破碎，此时，钻头处于射流钻进状态(如图1)。

当岩石破碎脱落后，会在钻头的前方形成了一个可以继续钻进的空间，此时，喷头2脱离岩石壁，水流在喷头2的圆柱形腔体中形成较高的推动压力，可推动喷头2与壳体4一起发生相对向前滑动，使中空钻芯5上的下横向导流孔12与壳体4上的下导流槽13相连通，随后，下导流槽13一直继续向前滑动L倍(L＝2.5～3.5)距离，最终使下横向导流孔12的下端与下导流槽13的下端相对齐，在此时间段内，已封闭了中空钻芯4的上横向导流孔10，此时，高压水由进液管接头7进入，通过中空钻芯5中的主导流通道6，由下横向导流孔12与下导流槽13组成的流体通道向钻头底端排出，对先钻孔中前破碎的岩石碎屑进行冲刷，此时，钻头处于冲孔排渣状态(如图2)。

Claims (3)

1.一种自控靶距式水射流钻头，包括；壳体(4)，与壳体(4)通过螺纹连接的喷头(2)，安装在壳体(4)内腔的中空钻芯(5)，其特征在于：所述喷头(2)为圆柱形腔体，上端设有水射流孔(1)；所述中空钻芯(5)与所述壳体(4)的内腔滑动配合，所述中空钻芯(5)上端设有限位螺母(3)，下端设有进液管接头(7)，所述中空钻芯(5)沿轴线设有主导流通道(6)及上横向导流孔(10)和下横向导流孔(12)，所述上横向导流孔(10)和下横向导流孔(12)的位置沿轴线上下对称；所述壳体(4)的上部设有与喷头(2)相连通的上导流槽(9)，所述壳体(4)的下部设有与钻头底端相连通的下导流槽(13)；所述上导流槽(9)进水口上端和下导流槽(13)进水口下端之间的距离是上横向导流孔(10)出水口上端和下横向导流孔(12)出水口下端之间距离的2倍；所述中空钻芯(5)下端的进液管接头(7)底部与上端的限位螺母(3)顶部之间的距离应大于壳体(4)内腔的长度，其差值与上横向导流孔(10)出水口上端和下横向导流孔(12)出水口下端之间的距离相等。

2.根据权利要求1所述的一种自控靶距式水射流钻头，其特征在于：上导流槽(9)、下导流槽(13)进水口宽度是上横向导流孔(10)、下横向导流孔(12)出水口宽度的L倍，L＝2.5～3.5。

3.根据权利要求1所述的一种自控靶距式水射流钻头，其特征在于：所述壳体(4)与所述中空钻芯(5)之间设有上O型密封圈(8)和下O型密封圈(11)。

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