CN102268966B - 一种破碎硬岩钻头及对硬岩进行破碎的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种破碎硬岩钻头，包括一级磨料射流先导柔性破碎齿Ⅰ、二级两翼先导破碎齿Ⅱ和三级三翼主导破碎齿Ⅲ。所述一级磨料射流先导柔性破碎齿Ⅰ为一沿二级两翼先导破碎齿Ⅱ轴线方向布置磨料喷嘴6，由其喷射的磨料射流对岩石进行一级先导破碎，所述二级两翼先导破碎齿Ⅱ由两枚切割片和两翼钻头体组成，实现对岩石的二级先导破碎，所述三级三翼主导破碎齿Ⅲ由三枚切割片和三翼钻头体组成，在其作用下形成终孔。另一方面，本发明还涉及利用所述钻头对硬岩进行破碎的方法。本发明所述钻头钻进速度快、磨损小，可广泛用于硬岩钻进。

Description

一种破碎硬岩钻头及对硬岩进行破碎的方法

技术领域

本发明涉及对硬质岩石进行钻进的钻孔装置及方法，具体涉及一种破碎硬岩钻头和利用所述钻头对硬岩进行破碎的方法，特别适用于硬质岩石条件下，煤矿开采中石门揭煤穿层钻孔作业和采用钻孔抽放瓦斯作业中在顶底板钻取瓦斯抽采孔。

背景技术

我国煤矿灾害事故十分严重，其中煤与瓦斯突出是最主要事故。瓦斯抽放是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，而煤矿井下瓦斯抽采主要依靠钻孔来实现，即煤矿在石门揭煤、井巷掘进时都需要钻孔预先抽放瓦斯。但遇到硬质岩石时，常用的硬质合金三翼钻头由于强度不够而磨损较快，无法满足钻进需要。同时，在其他工程领域（如石油钻井）内均存在硬质岩石钻进难的难题。为了开发高效、低廉、长寿命的坚硬岩石钻进设备，广大研究者对钻进系统中完成岩石破碎的关键部件——钻头进行了大量研究。中国专利文献CN 2033850U公告的《多翼刮刀聚晶孕镶钻头》、CN 1617973A公告的《旋转式钻头、旋转式钻头组件和用于钻孔的方法》、CN 1763349A公告的《石油天然气钻井PDC钻头》、CN 101605962A公告的《旋转式刮刀钻头》、CN 1065316A公告的《一种新型刮刀钻头及其制造方法》、CN 1155314A公告的《组装式旋转钻头》、CN 87202363U公告的《三轮镶齿刮刀钻头》、CN 1401044A公告的《钻头、硬质合金部件和钻头体》都是国内外研究者对岩石旋转钻孔作业用钻头进行的有益改进，但亦存在以下缺点：

（1）为了实现对硬质岩石钻削，以上公开文献大都用PDC（Polycrystalline Diamond Composite：聚晶金刚石复合片）替换单一硬质合金制造钻头的切削齿，如CN 2033850U、CN 1617973A、CN 1763349A、CN 1155314A。如此便对钻头的加工工艺提出了更高的要求，大幅增加钻头制造成本。此外，工程实际表明：在软到中硬的均质岩层中钻进时，PDC钻头具有工作寿命长、进尺高等优点，但在坚硬岩层中钻进时，仍然存在磨损快、进尺慢等问题，甚至发生打滑现象。

（2）以上公开专利中钻头对岩石的破碎均为硬切削，即刚性接触切削，由机械切削原理可知，旋转钻头钻削过程中，始终会在加工表面的中央区域形成空白带（此区域内钻头线速度近似为零，对岩石切削作用微弱），如此大大降低钻头的钻进效率与工作寿命。以上公开专利CN 1401044A尽管考虑了该空白带的影响，并给出了相应减弱其影响的措施，但并未从根本上解决该问题。

因此，现有技术未能达到广大工作者对研制高效、低廉、长寿命钻头的追求目标，尤其在硬质岩石钻进作业中，研制一种高效、低廉、长寿命的钻头更是当务之急。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺点，提供一种能满足钻孔速度要求、使用寿命长、价格合理的在煤层顶底板等硬岩中钻进瓦斯抽采孔的钻头。本发明是通过以下技术方案来实现其发明目的的：

磨料射流是磨料与高速流动的水混合而形成的液固两相介质射流，由于磨料微粒的质量比水大且具有锋利的棱角，所以磨料射流对岩石的冲击力和磨削力要比相同条件下的高压水射流大的多。此外，由于磨料在水射流中是不连续的，由磨料组成的高速粒子束对岩石产生高频冲击作用，可以有效破碎硬岩。磨料射流切割最突出的优点便是其柔性、冷加工特性，即刀具与靶体无需直接刚性接触便能实现对靶体的破碎。如此，将磨料射流引入旋转钻削切割加工中，将其沿钻头轴心方向布置，对加工区域中央位置岩石进行破碎形成先导孔，便能消除加工区域中央的空白带，为钻头后续机械钻削切割提供自由面，降低刀具受力，使普通切割片能胜任对硬质岩石的钻削切割，同时保证钻头高效钻进与长寿命工作。

本发明所述的破碎硬岩钻头用于破碎硬质岩石，其包括：

一级磨料射流先导柔性破碎齿，为一沿二级两翼先导破碎齿轴线方向布置的磨料喷嘴，该磨料喷嘴为一出口带圆柱段（见附图2中的L段）的锥形喷嘴，通过铜焊固定，喷嘴的出口低于所述二级两翼先导破碎齿的切割片的顶点，两者的距离由设计制造钻头时通过冲蚀岩石实验得出。

二级两翼先导破碎齿，由两枚切割片和两翼钻头体组成，两枚切割片沿两翼钻头体圆周方向成180度角布置，通过铜焊固定在两翼钻头体前端的两个翼块上；两翼钻头体底部有一圆柱外螺纹段，通过其与三翼钻头体上部的圆柱内螺纹段相配合装配。

三级三翼主导破碎齿，由三枚切割片和三翼钻头体组成，三枚切割片沿三翼钻头体圆周方向成120度角布置，通过铜焊固定在三翼钻头体前端的三个翼块上；三翼钻头体上部有一圆柱内螺纹段，与两翼钻头体底部圆柱外螺纹段配合，下部有一圆锥内螺纹段，与高压密封钻杆配合。

所述二级两翼先导破碎齿和三级三翼主导破碎齿均沿轴向上下贯通，上通磨料喷嘴，下通高压密封钻杆的中空流道。

所述钻头的磨料喷嘴、切割片采用硬质合金（如YG8）或PDC材料制作，两翼钻头体和三翼钻头体采用普通钢材料（如45钢）制作。

进一步，本发明还提出一种利用所述的破碎硬岩钻头对硬岩进行破碎的方法，该方法的实现步骤为：

第一步、在所述破碎硬岩钻头的二级两翼先导破碎齿开始钻进硬质岩石以前，由磨料射流发生系统（系统组成见图5）产生的磨料射流经磨料喷嘴喷出对正对钻头中央位置的岩石进行破碎，形成一级先导孔。

第二步、煤矿用液压钻进系统（系统组成见图5）驱动钻头钻进，由所述破碎硬岩钻头的二级两翼先导破碎齿对一级先导孔四周二级两翼先导破碎齿半径长度范围内的岩石进行破碎，形成二级先导孔。

第三步、钻进系统进一步驱动钻头钻进，由所述破碎硬岩钻头的三级三翼主导破碎齿对二级先导孔四周三级三翼主导破碎齿半径长度范围内的岩石进行破碎，形成终孔。

本方法在破碎岩石过程中，磨料射流破碎岩石的速度大于钻机驱动钻头对岩石的破碎速度。

另外，针对不同钻进条件（岩石材质、磨料射流发生系统参数：射流压力、磨料喷嘴直径、磨料种类、磨料粒径），欲实现某一预定钻进速度，磨料喷嘴沿钻头轴线在所述二级两翼先导破碎齿上的安装位置由设计制造钻头时通过冲蚀岩石实验得出。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明设计了一种结构简单、加工容易、价格合理，能实现高效钻进的破碎硬岩钻头：引入磨料射流辅助钻进，形成一级先导孔，同时增加一个二级两翼先导破碎齿，形成二级先导孔，最终在三级三翼主导破碎齿的作用下形成终孔，构成三级钻削，实现高效钻进。同时，所述钻头的主体结构为旋转刮刀结构，磨料喷嘴与所有切割片均采用铜焊焊接，结构与制造工艺均较简单，能达到经济性目的。

2、本发明提出的破碎硬质岩石的方法引入磨料射流对钻头钻削区域中央的空白带岩石进行破碎，为钻头后续机械钻削切割提供自由面，降低刀具受力，彻底解决了机械钻进过程中央区域存在空白带的问题，使得常用硬质合金切割片便能胜任对硬质岩石的钻削切割，同时保证钻头高效钻进与长寿命工作。

3、本发明的钻头钻进速度快、工作高效、磨损小，使用寿命长，可广泛用于硬岩钻进。

附图说明

图1.是本发明的钻头的总装爆炸立体图；

图2.是磨料喷嘴的结构示意图；

图2A是图2的A-A剖面图；

图3.是二级两翼先导破碎齿的结构示意图；

图3A是二级两翼先导破碎齿俯视图；

图3B是图3A的B-B剖面图；

图4是三级三翼主导破碎齿的结构示意图；

图4A是三级三翼主导破碎齿俯视图；

图4B是图4A的C-C剖面图；

图5.是利用所述破碎硬岩钻头破碎硬质岩石的一个具体实施例的装置连接图；

图6.是利用所述破碎硬岩钻头破碎硬质岩石的一个具体实施例钻进区域局部放大图。

图1至图6中：Ⅰ—一级磨料射流先导柔性破碎齿；Ⅱ—二级两翼先导破碎齿；Ⅲ—三级三翼主导破碎齿；1、2、4、5、7—切割片；3—两翼钻头体；6—磨料喷嘴；8—三翼钻头体；9—圆柱外螺纹段；10—圆柱内螺纹段；11—圆锥内螺纹段；12—乳化液箱；13—溢流阀；14—三柱塞泵；15、17—气动球阀；16—高压磨料罐；18—高压胶管；19—高压旋转密封输水器；20—煤矿用液压钻机；21—高压密封钻杆；22—破碎硬岩钻头；23—硬质岩石；24—三相异步电动机；25—抗震压力表；26—节流阀；27—混合腔；28—终孔；29—二级先导孔；30—一级先导孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和图6，所示的破碎硬岩钻头包括：

一级磨料射流先导柔性破碎齿Ⅰ，其为一沿二级两翼先导破碎齿Ⅱ轴线方向布置的磨料喷嘴6，由其喷射的磨料射流实现一级先导孔30的成孔。

二级两翼先导破碎齿Ⅱ，由两枚切割片4、5和两翼钻头体3组成，实现二级先导孔29的成孔。

三级三翼主导破碎齿Ⅲ，由三枚切割片1、2、7和三翼钻头体8组成，实现终孔28的成孔。

参见图1、图2和图2A，磨料喷嘴6为一出口带圆柱段L的锥形喷嘴，沿二级两翼先导破碎齿Ⅱ轴线方向布置在两翼块中间，通过铜焊固定。

参见图3、图3A和图3B，两片切割片4、5沿两翼钻头体3圆周方向成180度角布置，通过铜焊固定在两翼钻头体3前端的两个翼块上。两翼钻头体3底部有一圆柱外螺纹段9，通过其与三翼钻头体8上部的圆柱内螺纹段10相配合装配，实现二级两翼先导破碎齿Ⅱ在三级三翼主导破碎齿Ⅲ上的安装。

参见图4、图4A 和图4B，三枚切割片1、2、7沿三翼钻头体8圆周方向成120度角布置，通过铜焊固定在三翼钻头体8前端的三个翼块上。三翼钻头体8上部有一圆柱内螺纹段10，与两翼钻头体3底部圆柱外螺纹段9配合，下部有一圆锥内螺纹段11，与高压密封钻杆21配合，实现本发明所述破碎硬岩钻头在高压密封钻杆21上的安装。

以上的磨料喷嘴6、切割片1、2、4、5、7采用硬质合金（如YG8）或PDC材料制作，两翼钻头体3和三翼钻头体8采用普通钢材料（如45钢）制作，降低本发明的加工要求与制造成本，当达到使用寿命后还可对其进行更换。

下面结合附图给出一个利用本发明所述破碎硬岩钻头破碎硬质岩石的详细工作原理与实施过程。

如图5中所示，利用本发明所述破碎硬岩钻头破碎硬质岩石系统由磨料射流发生系统、煤矿用液压钻进系统两个子系统组成，各子系统的组成及工作原理如下：

磨料射流发生系统主要由三柱塞泵14、三相异步电动机24、乳化液箱12、高压磨料罐16、高压胶管18以及各类控制阀等组成，乳化液箱12内的水经三柱塞泵14加压后形成高压水输出且被分成两部分，一部分经气动球阀15通到高压磨料罐16的顶端，对磨料产生一个向下压注的正压力，另一部分经节流阀26至混合腔27，高压磨料罐16的底端出液口经气动球阀17与混合腔27相连，高压水从混合腔喷出时，导致混合腔的压力降低而形成负压，同时，高压磨料罐16内的磨料在上面正压力的作用下注入混合腔，并被卷入到高速水流中，与水均匀混合，形成磨料射流。此过程中磨料的通、断由气动球阀15、17的开、停控制，磨料浓度由节流阀26控制。

煤矿用液压钻进系统主要高压旋转密封输水器19、煤矿用液压钻机20、高压密封钻杆21、破碎硬岩钻头22等组成，系统工作时，加压后的磨料射流经高压旋转密封输水器19和高压密封钻杆21，从新型破碎硬岩钻头22前端的磨料喷嘴6喷出，对岩石进行破碎，同时由煤矿用液压钻机20实现钻杆的进退、旋转功能，驱动钻头对岩石进行机械破碎。

参见图6，利用所述的破碎硬岩钻头对硬岩进行破碎的方法实现步骤为：

第一步、在所述破碎硬岩钻头的二级两翼先导破碎齿Ⅱ开始钻进硬质岩石以前，开启磨料射流发生系统，由其生成的磨料射流经高压胶管18、高压旋转密封输水器19与高压密封钻杆21后，从磨料喷嘴6喷出对正对钻头中央位置的岩石进行破碎，形成一级先导孔30。

第二步、开启煤矿用液压钻机20，由其驱动钻头钻进，由所述新型破碎硬岩钻头的二级两翼先导破碎齿Ⅱ对一级先导孔30四周二级两翼先导破碎齿Ⅱ半径长度范围内的岩石进行破碎，形成二级先导孔29。

第三步、煤矿用液压钻机20进一步驱动钻头钻进，由所述破碎硬岩钻头的三级三翼主导破碎齿Ⅲ对二级先导孔29四周三级三翼主导破碎齿Ⅲ半径长度范围内的岩石进行破碎，形成终孔28。

Claims (5)

1.一种破碎硬岩钻头，其特征在于所述钻头包括：

一级磨料射流先导柔性破碎齿I，其为一个磨料喷嘴(6)；

二级两翼先导破碎齿II，其由两枚切割片(4、5)和两翼钻头体(3)组成，两枚切割片通过铜焊固定在两翼钻头体(3)前端的两个翼块上；

三级三翼主导破碎齿III，其由三枚切割片(1、2、7)和三翼钻头体(8)组成，三枚切割片通过铜焊固定在三翼钻头体(8)前端的三个翼块上；

所述磨料喷嘴(6)沿钻头轴线方向固定在二级两翼先导破碎齿II的两翼块中间，所述磨料喷嘴(6)出口低于所述二级两翼先导破碎齿II的切割片的顶点；所述两翼钻头体(3)底部有一圆柱外螺纹段(9)，通过其与三翼钻头体(8)上部中央的圆柱内螺纹段(10)相配合装配；所述三翼钻头体(8)下部有一圆锥内螺纹段(11)，与高压密封钻杆(21)配合；所述二级两翼先导破碎齿II和三级三翼主导破碎齿III的中心均沿轴向上下贯通，上通磨料喷嘴(6)，下通高压密封钻杆(21)的中空流道。

2.根据权利要求l所述的破碎硬岩钻头，其特征在于：所述磨料喷嘴(6)为一出口带圆柱段的锥形喷嘴。

3.根据权利要求l所述的破碎硬岩钻头，其特征在于：所述磨料喷嘴(6)、二级两翼先导破碎齿II上的切割片(4、5)和三级三翼主导破碎齿III上的切割片(1、2、7)采用硬质合金或PDC材料制作，两翼钻头体(3)和三翼钻头体(8)采用普通钢材料制作。

4.利用权利要求l、2或3所述的破碎硬岩钻头对硬岩进行破碎的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：在所述破碎硬岩钻头的二级两翼先导破碎齿II开始钻进硬质岩石以前，先用磨料射流发生系统产生的磨料射流经磨料喷嘴(6)喷出对钻头中央位置的岩石进行破碎，在岩石上形成一级先导孔(30)；

第二步：再用液压钻进系统驱动钻头钻进，由所述破碎硬岩钻头的二级两翼先导破碎齿II对一级先导孔(30)四周二级两翼先导破碎齿II半径长度范围内的岩石进行破碎，形成二级先导孔(29)；

第三步：钻进系统进一步驱动钻头钻进，由所述破碎硬岩钻头的三级三翼主导破碎齿III对二级先导孔(29)四周三级三翼主导破碎齿III半径长度范围内的岩石进行破碎，形成终孔(28)。

5.根据权利要求4所述的破碎硬岩钻头对硬岩进行破碎的方法，其特征在于：所述破碎岩石过程中，控制磨料射流破碎岩石的速度大于钻机驱动钻头对岩石的破碎速度。

Images