CN106761408A - 一种高能气体射流岩石钻进方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能气体射流岩石钻进方法和装置，主要包括孕镶体钻头、燃烧室、燃烧室气道、排屑气道、油料管道、动力装置、油料供应装置、空气加压装置、气溶胶及岩屑收集罩、过滤装置等。空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与油料燃烧反应生成高温高速气体，高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，孕镶体钻头在动力装置提供的扭矩作用下对岩体进行切削；岩体在高温高压气流和钻头的共同作用下被迅速地切削，排出的岩屑和岩屑气溶胶在孔口处被收集罩收集并送入到过滤装置进行处理。相比现有岩石钻进方法和装置，本发明具有对岩石钻进效率高、钻头寿命长、排屑快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩石钻进技术领域，具体而言涉及一种高能气体射流岩石钻进方法和装置。
背景技术
当前在能源开采和隧道、矿井建设开发领域，钻进遇到硬岩和特硬岩，钻进速度会极大地降低，日进度只有几米甚至零点几米。而且硬岩钻进施工中钻头及刀具损耗特别严重，钻头及刀具成本占较大比例，且岩体石质越硬，刀具费用比例就越高，在一些超硬岩地段掘进时，刀具费用占了掘进成本的百分之三十。因此，提高钻进效率，减少刀具消耗，能有效降低硬岩掘进成本。
现有研究表明，人造金刚石，陶瓷涂层等新型刀具材料在一定程度上可以提高刀具的耐磨性及耐久性，但是此类新型刀具对钻进效率提高不显著，且刀具材料成本高昂，使其难以大面积推广。火钻技术虽然有助于扩张岩石裂隙及增加岩石内由于温差引起的应力从而提高钻进速度，但是钻头的使用寿命较低，在深井钻进时，频繁的更换钻头会大大降低整个钻进速率。另外，钻进过程中排屑不畅会造成钻杆内扭矩过大、卡钻和等钻等问题从而影响钻进速度。有鉴于此，为解决传统钻头在钻进时遇到的此类问题，必须从多角度考虑对现有钻头技术进行革新，提出一种高能气体射流岩石钻进方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，本发明提供一种高能气体射流岩石钻进方法和装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高能气体射流岩石钻进方法，包括以下步骤：
S1：空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与燃料燃烧，反应生成高温高速气体；
S2：高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，对钻头附近的岩体进行加热，孕镶体钻头转动，孕镶体中的镶嵌体氮化硅(S i3N4)对被加热后的岩体进行切削；细小岩屑和钻头喷出的高温高速气体形成气溶胶，气溶胶被高速气体带出，其余岩屑在高速气体加速和推动作用下被排出。
优选地，所述被加压的高压气流在进入燃烧室时速度在800～1200m/s之间，从钻杆杆壁的喷嘴喷出的速度在700～1100m/s之间，和燃料燃烧反应后的高温高压气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出的速度在1600～1850m/s之间。
一种高能气体射流岩石钻进装置，其主要包括孕镶体钻头、冲压燃烧室、燃烧室气道、排屑气道、油料管道、钻杆、动力装置、油料供应装置、空气加压装置、气溶胶及岩屑收集罩和过滤装置。
所述孕镶体钻头上布有7-19个高温高压气流喷嘴，所述孕镶体钻头与钻杆末端内的燃烧室相连通，所述燃烧室与燃烧室气道和油料管道相连通，所述钻杆内布有1个燃烧室气道、2～4个排屑气道、1个油料管道，所述油料供应装置的油料管道和钻杆内的油料管道相连通，所述气体压缩装置的气体压缩管道和钻杆内的燃烧室气道和排屑气道相连通，所述的岩屑及岩屑气溶胶收集罩布置在孔口并与所述的过滤装置相连通。
优选地，所述孕镶体钻头是由碳化硅(S iC)粘结而成的胎体与氮化硅(S i3N4)镶嵌体构成的耐高温钻头。
优选地，在孔口处安装有收集罩，收集被排出的岩屑及岩屑气溶胶，收集罩与过滤装置相连通，岩屑和气体被分离，处理后的气体被排放。
优选地，所述排屑气道布置在钻杆内，排屑气道的喷口斜反向布置在钻杆壁上。
优选地，所述钻杆之间的连接采用螺纹连接，端面有凹槽和突出体相扣。
优选地，所述高温高压气流喷嘴直径为3～6mm，排屑气流喷嘴直径为6～10mm，燃烧室气道直径为12～18mm，排屑气道直径为6～12mm。
本发明的有益效果是：
①本发明采用新型结构陶瓷材料的孕镶体钻头进行钻进，其中孕镶体钻头的镶嵌体氮化硅(Si3N4)是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，Si3N4为原子晶体，高温时抗氧化，而且它还能抵抗冷热冲击，能对岩体进行高效的切削但自身只受极少的磨损，其中孕镶体钻头的胎体由碳化硅(SiC)粘结而成，具有耐高温而且经济的特点，更重要的是当胎体被一点点消磨掉后，胎体孕含的新的镶嵌体又得以露出来继续对岩体进行切削，综上，本发明采用硬度大的钻头镶嵌体能很好地提高钻头对岩体的切削效率，采用孕镶结构能极大地提高钻头的耐久性，很有效解决了钻深井时频繁换钻头的问题。
②本发明采用高温高压气流对岩石进行加热，由于岩石导热性差，被加热部位的热量难以传导给其他部位使岩石内部产生由于温差引起的巨大应力，在钻头切削和气流喷射的共同作用下，小岩块被迅速地从岩体上剥落，进一步提高了钻进效率；同时钻头和钻杆壁处喷出的高速气流推动岩屑排出钻孔，部分岩屑和气体形成气溶胶被带出钻孔，整个钻孔内几乎不会滞留岩屑，解决了钻进中卡钻、等钻的问题，也消除了由于岩屑滞留引起的钻杆扭矩过大的问题。
③本发明中钻杆和钻杆间用螺纹配合端面卡槽的设计使螺纹壁上的应力得到分散，限制了钻杆间的相对转角位移，解决了由于相对转角位移引起的气道和油料管道堵塞的问题。除此之外，孔口处岩屑及岩屑气溶胶收集罩收集排出的岩屑气溶胶被导入到过滤装置，用水射流喷射和水雾吸附等方式使岩屑和气体分离，防止岩屑粉尘对空气的污染。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明优选实施例的结构示意图；
图2为孕镶体钻头的示意图；
图3为燃烧室的剖视图；
图4为钻杆之间连接部分示意图。
图中：1是动力装置，2是油料供应装置，3是空气压缩装置，4是过滤装置，5是油料管道，6是收集罩，7是压缩气体管道，8是反向喷嘴，9是孕镶体钻头，10是钻杆，11是排屑气道，13是燃烧室气道，14是钻头喷嘴，15是镶嵌体，16是胎体，17是冲压燃烧腔，18是油料喷嘴，19是端面卡槽凸体，20是端面卡槽凹槽。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合附图1-4和实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明。
一种高能气体射流岩石钻进方法，包括以下步骤：
空气压缩装置(3)将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道(13)流入燃烧室，油料供应装置(2)通过油料管道(5)向燃烧室供应油料，高压气流和油料在冲压燃烧腔(17)燃烧，反应生成高温高速气体，高温高速气体从孕镶体钻头(9)上的13个喷嘴(14)喷出，对钻头附近的岩体进行加热和切削。
优选地，动力装置(1)通过钻杆(10)带动孕镶体钻头(9)转动，孕镶体钻头(9)上的镶嵌体(15)氮化硅(Si3N4)对被加热后的岩体进行切削。
优选地，另一部分加压形成的高压气流流入钻杆内的排屑气道(11)，通过钻杆杆壁上的反向喷嘴(8)喷出推动岩屑加速排出钻孔；同时这些气流可以和部分岩屑形成气溶胶，增强了岩屑的流动性，更有利于岩屑被排出钻孔。
优选地，所述被加压的高压气流在进入燃烧室时速度在800～1200m/s之间，从钻杆(10)杆壁的反向喷嘴(8)喷出的速度在700～1100m/s之间，和燃料燃烧反应后的高温高压气体从孕镶体钻头上的喷嘴(14)喷出的速度在1600～1850m/s之间。
优选地，被排出的岩屑和岩屑气溶胶在孔口处被收集罩(6)收集并送入到过滤装置(4)进行处理，用水射流喷射和水雾吸附等方式使岩屑和气体分离，处理后的无粉尘气体被排放到大气中。
如图1所示，为本发明的优选实施例的结构示意图。一种高能气体射流岩石钻进装置，包括孕镶体钻头(9)、燃烧室、燃烧室气道(13)、排屑气道(11)、油料管道(5)、钻杆(10)、动力装置(1)、油料供应装置(2)、空气加压装置(3)、气溶胶及岩屑收集罩(6)和过滤装置(4)。所述孕镶体钻头上布有13个高温高压气流喷嘴(14)，所述孕镶体钻头(9)与钻杆末端内的燃烧室相连通；所述燃烧室截面如图3所示，燃烧室由燃烧室气道(13)、油料管道(5)、油料喷嘴(18)和冲压燃烧腔(17)组成；所述钻杆内布有1个燃烧室气道(13)、2～4个排屑气道(11)、1个油料管道(5)，所述油料供应装置(2)的油料管道(5)和燃烧室内的油料管道(5)相连通，所述气体压缩装置(3)的压缩气体管道(7)和钻杆内的燃烧室气道(13)和排屑气道(11)相连通，所述的岩屑及岩屑气溶胶收集罩(6)布置在孔口并与所述的过滤装置(4)相连通。在对岩体进行钻进时，钻头上的高温高速气流喷出对钻头附近的岩体进行加热使岩体表面产生细小的裂隙，另外巨大温差让岩石内部产生应力，在镶嵌体(15)的切削下，细小岩块迅速被剥落下来，这些岩屑又立即被高速气流带走，岩体上产生的新的表面又被加热，反复进行这样的过程，岩体被迅速钻出孔洞；所述孕镶体钻头处钻出的岩屑被高温高压气流带到钻杆与孔壁间的位置时，又被钻杆壁上的排屑气流推动和加速，更快地被排出孔洞；所述钻杆连接如图4所示，钻杆与钻杆的连接部分有螺纹连接部分和端面卡槽两部分组成，螺纹旋转使两端面接近时，端面卡槽凸体(19)和端面卡槽凹槽(20)相扣使两端面在巨大扭矩下也不会发生相对转动以保证各种气道和油料管道的通畅。
本高能气体射流岩石钻进方法和装置的具体工作过程如下：空气压缩装置(2)将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道(13)流入燃烧室与油料燃烧反应生成高温高速气体，高温高速气体从孕镶体钻头上的13个喷嘴(14)喷出，对钻头附近的岩体进行加热和切削；孕镶体钻头(9)在动力装置(1)提供的扭矩作用下对岩体进行切削；岩体在高温高压气流和钻头的共同作用下被迅速地切削。
以上所述为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进应包含在本发明的保护之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及同等物界定。同时，尽管本文较多地使用了动力装置(1)，油料供应装置(2)，空气压缩装置(3)，过滤装置(4)，油料管道(5)，收集罩(6)，压缩气体管道(7)，反向喷嘴(8)，孕镶体钻头(9)，钻杆(10)，排屑气道(11)，燃烧室气道(13)，钻头喷嘴(14)，镶嵌体(15)，胎体(16)，冲压燃烧腔(17)，油料喷嘴(18)，端面卡槽凸体(19)，端面卡槽凹槽(20)等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (8)
1.一种高能气体射流岩石钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：空气压缩装置将空气进行加压，加压形成的高压气流通过钻杆内的燃烧室气道流入燃烧室与燃料燃烧，反应生成高温高速气体；
S2：高温高速气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出，对钻头附近的岩体进行加热，孕镶体钻头转动，孕镶体中的镶嵌体氮化硅(Si3N4)对被加热后的岩体进行切削；细小岩屑和钻头喷出的高温高速气体形成气溶胶，气溶胶被高速气体带出，其余岩屑在高速气体加速和推动作用下被排出。
2.根据权利要求1中所述的一种高能气体射流岩石钻进方法，其特征在于，高压气流在进入燃烧室时速度在800～1200m/s之间，从钻杆杆壁的喷嘴喷出的速度在700～1100m/s之间，和燃料燃烧反应后的高温高压气体从孕镶体钻头上的喷嘴喷出的速度在1600～1850m/s之间。
3.一种高能气体射流岩石钻进装置，其特征在于，包括孕镶体钻头、燃烧室、燃烧室气道、排屑气道、油料管道、钻杆、动力装置、油料供应装置、空气加压装置、气溶胶及岩屑收集罩和过滤装置；所述孕镶体钻头上布有7-19个高温高压气流喷嘴，所述孕镶体钻头与钻杆末端内的燃烧室相连通，所述燃烧室由燃烧室气道、油料管道、油料喷嘴和冲压燃烧腔组成，所述钻杆内布有1个燃烧室气道、2～4个排屑气道、1个油料管道，所述油料供应装置的油料管道和燃烧室内的油料管道相连通，所述气体压缩装置的压缩气体管道和钻杆内的燃烧室气道和排屑气道相连通。
4.根据权利要求3中所述一种高能气体射流岩石钻进装置，其特征在于，所述孕镶体由镶嵌体氮化硅和胎体碳化硅构成，镶嵌体镶嵌于胎体内，当镶嵌体被磨损消耗后胎体会被快速磨损露出新的镶嵌体继续切削岩石。
5.根据权利要求3中所述一种高能气体射流岩石钻进装置，其特征在于，在孔口处安装有收集罩，收集被排出的岩屑及岩屑气溶胶，收集罩与过滤装置相连通，岩屑和气体被分离，处理后的气体被排放。
6.根据权利要求3中所述一种高能气体射流岩石钻进装置，其特征在于，所述钻杆内布置有排屑气道，钻杆壁上布有反向喷嘴。
7.根据权利要求3中所述一种高能气体射流岩石钻进装置，其特征在于，所述钻杆与钻杆间连接采用螺纹和端面卡槽共同连接。
8.根据权利要求3中所述一种高能气体射流岩石钻进装置，所述高温高压气流喷嘴直径为3～6mm，排屑气流喷嘴直径为6～10mm，燃烧室气道直径为12～18mm，排屑气道直径为6～12mm。
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- 2017-01-19 CN CN201710043114.8A patent/CN106761408A/zh active Pending
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