CN114934747B - 一种相变预裂组合掘进钻头及方法 - Google Patents

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Abstract

一种相变预裂组合掘进钻头及方法，包括钻头本体和二氧化碳致裂器，所述钻头本体为牙轮钻头，所述二氧化碳致裂器设置在钻头本体内，所述钻头本体在牙轮的掘进面上设置有二氧化碳致裂器的泄爆头。本发明通过利用二氧化碳液气相态变化，释放高压气体作用在岩体上，通过二氧化碳致裂器与旋转钻头轮换工作，二氧化碳致裂器可以预先破坏钻进岩面的应力，使得岩面产生裂缝，从而提高后续钻头旋转的掘进的效率，保护了钻头，有效提高了深部采矿中钻井效率，并降低了钻头的磨损，提高经济效益，能很好地适用于深部高应力岩体。

Description

一种相变预裂组合掘进钻头及方法
技术领域
本发明涉及一种相变预裂组合掘进钻头及方法。
背景技术
随着开采深度的不断增加，地质条件逐渐复杂，岩石硬度增加，塑性增强以及钻头每次与岩石的作用所破碎岩石的体积减小，引起钻进速度下降。因此，目前的钻头在深井受到较大的阻力，深部高应力岩体难凿，切削刀具磨损量大，持续的钻井使钻头严重受损，严重制约着钻井速度的提高，同时还需要定期更换钻头，钻孔成本高，影响经济效益。因此，传统钻头已经不适用深部高应力岩体，研制新型组合掘进钻头工作，势在必行。
二氧化碳致裂器是利用液态二氧化碳受热气化膨胀，快速释放高压气体破断岩石或落煤，克服了以往用炸药爆破开采和预裂中破坏性大、危险性高及矿体粉碎等缺点，为矿山安全开采和预裂提供可靠保证，经改进后，可用于矿山灾害防治，效果显著。
在专利申请方面，专利申请号CN201510458498.0，名称为“喷水钻头”，其主要达到在钻头加减速过程中自动喷水，且能够防止喷水孔堵塞；专利申请号202110493523.4，名称为“双动力掘进钻头”，其主要解决现有钻头掘进效率低的技术问题。以上专利均只对钻头掘进过程中的温度及钻头本体进行考虑，未涉及到先对岩石进行预裂处理的过程，给深部资源高效开采带来不便以及经济效益并未提高。
发明内容
本发明解决现有技术的不足而提供一种提高掘进效率、降低钻头磨损延长钻头使用时间、降低钻进成本的相变预裂组合掘进钻头及方法。
为实现上述目的，本发明首先提出了一种相变预裂组合掘进钻头，包括钻头本体和二氧化碳致裂器，所述钻头本体为牙轮钻头，所述二氧化碳致裂器设置在钻头本体内，所述钻头本体在牙轮的掘进面上设置有二氧化碳致裂器的泄爆头。通过二氧化碳致裂器与旋转钻头轮换工作，二氧化碳致裂器可以预先破坏钻进岩面的应力，使得岩面产生裂缝，从而提高后续钻头旋转的掘进的效率，保护了钻头。
本实施方式中，所述钻头本体在每个牙轮上均设置有一个泄爆头。由于泄爆头均匀分散在每个牙轮之上，有助于均衡钻头各牙轮的工作载荷，避免了牙轮其中之一无法受到预裂的帮助，导致其它牙轮损耗增大，影响工作效率，而且所述泄爆头的爆破量可根据实际情况调整。
本实施方式中，所述泄爆头位于牙轮上第二排布齿与第三排布齿之间，所述泄爆头在牙轮上安装的高度低于牙轮上同一水平高度布齿的高度。由于牙轮上第一排布齿与第二排布齿破岩负荷高于其他布齿，将泄爆头布置于第二排布齿与第三排布齿之间，一方面，减少了泄爆头的磨损，进而保证预裂过程的进行，更好地辅助钻头破岩，同时也避免了位于第一排布齿与第二排布齿之间的高负荷破坏；另一方面，因泄爆头在垂直方向的与岩面之间的间距也利于各泄爆头的泄爆，增强致裂能力，能够在泄爆中形成更宽的径向覆盖区域，进而提高钻头可持续的、高效的钻进能力。
本实施方式中，所述二氧化碳致裂器包括充装阀、发热药管、主管、密封片、剪切片及泄爆头；所述主管内设有发热药管、密封片和剪切片，所述主管安装在钻头本体内，所述主管的一端安装有充装阀，另一端安装有泄爆头。
本实施方式中，还包括液态二氧化碳储存罐，所述液态二氧化碳储存罐上装有泄压阀，所述液态二氧化碳储存罐安装在钻杆内与钻头联动，所述液态二氧化碳储存罐的出液口上安装有出液阀，所述液态二氧化碳储存罐的出液阀通过绝热输送管与充装阀相连，所述绝热输送管上还设有压注阀，所述绝热输送管内设有温度流量压力传感器。泄压阀用于监测储存罐内的液态二氧化碳的压力，当储罐内压力过高时，泄压阀打开泄压，使储存罐内始终保持安全压力范围；所述液态二氧化碳储存罐与绝热输送管道沿同轴线布置，便于液态二氧化碳的输送，温度流量压力传感器用于监测绝热输送管道内液态二氧化碳温度、流量及压力等信息，通过出液阀和压注阀控制绝热输送管道内液态二氧化碳的流动状况；
本实施方式中，所述钻头本体上还设有压力传感器，压力传感器设置在钻头的每个牙轮上。
本实施方式中，所述压力传感器位于牙轮的第一排布齿与第二排布齿之间，压力传感器在牙轮上安装的高度低于同一水平高度布齿的高度。从而减少了压力传感器的磨损。
本实施方式中，所述控制中心包括控制系统以及与控制系统连接的压力数据显示端；所述温度流量压力传感器和压力传感器的信号端与控制系统连接，所述压力数据显示端用于显示压力传感器的压力，所述出液阀、泄压阀和压注阀的控制端与控制系统连接，通过控制系统控制出液阀、泄压阀和压注阀的启闭。
本发明还包括一种相变预裂组合掘进方法，利用上述相变预裂组合掘进钻头，具体包括如下步骤：
a、当钻头本体接触到岩体时进行预钻孔工作，压力传感器检测钻头本体受力情况，若压力值在10kN～150kN，控制出液阀保持关闭状态，控制中心控制钻头本体转动，进行凿岩；
b、若压力传感器检测到的压力大于150kN时，此时控制中心控制钻头本体停止工作，控制中心控制出液阀打开，液态二氧化碳进入绝热输送管，经过压注阀作用进入二氧化碳致裂器，进行二氧化碳致裂过程；
c、经过二氧化碳致裂后，钻头本体压力传感器检测到的压力值恢复到10kN～150kN范围内，此时控制中心控制出液阀关闭，二氧化碳相变过程停止；同时控制中心控制钻头本体继续掘进，即完成一次掘进循环；
d、若压力传感器显示压力值小于10kN时，控制中心控制往前推进钻头本体接触岩体，直到压力传感器检测压力值大于10kN时，控制钻头本体继续旋转掘进。
由于采用上述结构，本装置具有如下优点：
1、操作简单，设备耗能较小；
2、二氧化碳致裂器工作时不会产生任何明火或火花；
3、二氧化碳致裂器的致裂能力可控，通过选择不同剪切片、二氧化碳充装重量及发热装置等调节控制致裂的工作压力；
4、优化传统钻头，提高了破岩效率，降低了钻头的磨损。
综上所述，本发明通过通过利用二氧化碳液气相态变化，释放高压气体作用在岩体上，通过二氧化碳致裂器与旋转钻头轮换工作，二氧化碳致裂器可以预先破坏钻进岩面的应力，使得岩面产生裂缝，从而提高后续钻头旋转的掘进的效率，保护了钻头，有效提高了深部采矿中钻井效率，并降低了钻头的磨损，提高经济效益，能很好地适用于深部高应力岩体。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的剖面图。
图4为本发明二氧化碳致裂器的爆炸图。
图5为本发明控制系统流程图。
图中，1、钻头本体；2、二氧化碳致裂器；2-1、充装阀；2-2、发热药管；2-3、主管；2-4、密封片；2-5、剪切片；2-6、泄爆头；3、控制中心；3-1、第一传感线；3-2、第二传感线；3-3、压力数据显示端；4、液态二氧化碳储存罐；4-1、泄压阀；4-2、出液阀；4-3、绝热输送管；4-4、压注阀；4-5、温度流量压力传感器；5、钻头牙轮；5-1、第一排布齿；5-2、第二排布齿；5-3、第三排布齿；5-4、压力传感器；6、钻头钻柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1至5所示，本发明提供一种相变预裂组合掘进钻头，包括钻头本体1、二氧化碳致裂器2、液态二氧化碳储存罐4和控制中心3；
本实施例中，所述钻头本体1为牙轮钻头，所述钻头本体1包括三个牙轮，所述二氧化碳致裂器2包括充装阀2-1、发热药管2-2、主管2-3、密封片2-4、剪切片2-5及泄爆头2-6；所述主管2-3内设有发热药管2-2，所述主管2-3的一端安装有充装阀2-1，另一端安装有泄爆头2-6，
所述主管2-3设置在钻头本体1内，所述钻头本体1的三个牙轮的掘进面上设置有泄爆头2-6，具体而言，泄爆头2-6位于牙轮上第二排布齿5-2与第三排布齿5-3之间，由于牙轮上第一排布齿5-1与第二排布齿5-2破岩负荷高于其他布齿，所以将泄爆头2-6布置于第二排布齿与第三排布齿5-3之间。同时泄爆头2-6在牙轮上安装的高度低于牙轮上同一水平高度布齿的高度，减少了泄爆头2-6的磨损，进而保证预裂过程的进行。有利于更好地辅助钻头破岩，减少钻头磨损，同时也避免了位于第一排布齿与第二排布齿5-2之间的高负荷破坏；也能提高钻头结构空间利用率，减少甚至避免因泄爆头2-6的设置而导致牙轮布齿空间减少的现象，同时能够在钻井过程中形成更宽的径向覆盖区域，利于各泄爆头2-6的泄爆，增强致裂能力，进而提高钻头可持续的、高效的钻进能力。所述泄爆头2-6的个数为三个，均匀分散在每个牙轮之上，有助于均衡钻头各牙轮的工作载荷，避免了三个牙轮其中之一无法受到预裂的帮助，导致其它牙轮损耗增大，影响工作效率，所述泄爆头2-6可根据实际，利用最大钻头功率法算出最优当量泄爆头2-6直径；
所述液态二氧化碳储存罐4安装在钻杆内与钻头联动，所述液态二氧化碳储存罐4的出液口上安装有出液阀4-2，控制中心3用于控制出液阀4-2的开闭，进而控制液态二氧化碳储存罐4内液态二氧化碳的流出；所述液态二氧化碳储存罐4的出液阀4-2通过绝热输送管4-3与充装阀2-1相连，所述绝热输送管4-3上还设有压注阀4-4，所述绝热输送管4-3内设有温度流量压力传感器4-5，温度流量压力传感器4-5用于监测绝热输送管4-3道内液态二氧化碳温度、流量及压力等信息，当绝热输送管道4-3内温度、流量及压力不正常时，可以通过控制中心3控制出液阀4-2和压注阀4-4，从而调控绝热输送管4-3道内液态二氧化碳的流动状况；所述液态二氧化碳储存罐4装有泄压阀4-1，用于监测储存罐内的液态二氧化碳的压力，当储罐内压力过高时，控制中心3控制泄压阀4-1打开泄压，使储存罐内始终保持安全压力范围；所述液态二氧化碳储存罐4与绝热输送管4-3道沿同轴线布置，便于液态二氧化碳的输送；
所述液态二氧化碳储存罐4主要由钢制外层、不锈钢内层和气凝胶复合保温材料中间层组成，有效防止热交换；
所述钻头本体1上还设有压力传感器5-4，压力传感器5-4设置在钻头的每个牙轮5上，具体而言，压力传感器5-4位于第一排布齿5-1与相邻的第二排布齿5-2之间，便于检测钻头所受到的压力，通过压力传感器5-4的压力从而判断钻头本体1的状况；同时压力传感器5-4在牙轮上安装的高度低于同一水平高度布齿的高度，减少了压力传感器5-4的磨损；
如图1所示，所述控制中心3包括控制系统以及与控制系统连接的第一传感线3-1、第二传感线3-2、温度流量压力传感器和压力数据显示端3-3；所述压力数据显示端3-3用于显示压力传感器5-4的压力，第二传感线3-2与压力传感器5-4连接，所述牙轮5通过钻头钻柱6带动旋转，所述钻头钻柱6的控制端与控制系统连接，所述第一传感线3-1与液态二氧化碳储存罐出液阀4-2的控制端连接，从而通过控制系统控制出液阀4-2的开闭，进而调控液态二氧化碳储存罐4出液量，同时控制系统与泄压阀4-1和压注阀4-4的控制端连接，从而通过泄压阀4-1和压注阀4-4的启闭调控绝热输送管道4-3和液态二氧化碳储存罐4内的二氧化碳的输送。
本装置工作时：
二氧化碳致裂器2中无液态二氧化碳，不发生液气相变。首先控制中心3控制钻头本体1旋转钻进，在岩石上凿孔，然后控制中心3控制液态二氧化碳储存罐4的出液阀4-2开启，使得液态二氧化碳通过绝热输送管4-3经压注阀4-4进入二氧化碳致裂器2内，控制二氧化碳致裂器2在预先凿孔位置进行一次致裂工作。(二氧化碳致裂器的工作原理：二氧化碳在31℃或者压力大于7.35MPa时以液态存在，而超过31℃时开始气化，且随着温度的变化压力也不断变化。利用这一特点，在致裂器主管2-3内充装液态二氧化碳，使用发爆器快速激发加热装置，液态二氧化碳瞬间气化膨胀并产生高压，体积膨胀600倍以上，当压力达到剪切片2-5极限强度(可设定压力)时，定压剪切片2-5破断，高压气体从泄能器释放，作用在岩(煤)体上，从而达到致裂的目的)；然后控制中心3关闭出液阀4-2，然后控制中心3控制钻头本体1系统继续旋转工作，如此循环。绝热输送管4-3上布置有温度流量压力传感器4-5，从而监测绝热输送管道内液态二氧化碳温度、流量及压力等信息，保证二氧化碳致裂器2平稳泄爆，达到安全凿岩的目标及提高凿岩效率。
参见图1及图5，控制中心3控制液态二氧化碳储存罐出液阀4-2与钻头本体1工作，主要步骤如下：
a、当钻头本体1接触到岩体时进行预钻孔工作，压力传感器5-4检测钻头本体1受力情况，若压力值大于10kN且小于150kN，则控制出液阀4-2保持关闭状态，控制中心3控制钻柱6运动，进而带动牙轮5的转动，进行凿岩；
b、若压力传感器5-4检测到的压力大于150kN时，表明钻头本体1受到较大阻力，此时控制中心3控制钻头本体1停止工作，控制中心控制出液阀4-2打开，液态二氧化碳进入绝热输送管4-3，经过压注阀4-4作用进入二氧化碳致裂器2，进行二氧化碳致裂过程；
为了能够控制液态二氧化碳的输送，在绝热管道4-3上设置了出液阀4-2和压注阀4-4，通过绝热输送管道4-3上的温度流量压力传感器4-5，得到绝热输送管道4-3内液态二氧化碳温度、流量及压力等信息，在致裂效果不好时，调控所述压注阀4-4，向二氧化碳致裂器2中压注液态二氧化碳量，从而提高致裂效果，同时液态二氧化碳储存罐4装有泄压阀4-1，当储罐内压力不正常时，控制中心3控制泄压阀4-1使液态二氧化碳储存罐4内始终保持安全压力范围；
c、经过二氧化碳致裂后，钻头本体1压力传感器5-4检测到的压力值恢复到10kN～150kN范围内，此时控制中心控制出液阀4-2关闭，二氧化碳相变过程停止；同时控制中心3控制钻头本体1继续掘进，即完成一次掘进循环；
d、若压力传感器5-4显示压力值小于10kN时，控制中心3控制往前推进钻头本体1接触岩体，直到压力传感器5-4检测压力值大于10kN时，钻头继续掘进。
参见图1及图5，二氧化碳致裂器2进行相变预裂的步骤如下：
a、通过第一传感线3-1控制出液阀4-2开始工作，二氧化碳致裂器2中进入液态二氧化碳，二氧化碳在31℃或者压力大于7.35MPa时以液态存在，而超过31℃时开始气化，且随着温度的变化压力也不断变化；
b、在致裂器主管2-3内充装液态二氧化碳，使用发爆器快速激发加热装置，液态二氧化碳瞬间气化膨胀并产生高压，体积膨胀600倍以上；
c、当压力达到剪切片2-5极限强度(可通过调整剪切片种类与数目设定压力)时，剪切片2-5破断，高压气体从泄能器释放，作用在岩体上，从而达到致裂的目的；
d、预裂完成后，出液阀4-2在第一传感线3-1的控制下停止工作，二氧化碳致裂器中停止相态变化。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种相变预裂组合掘进方法，包括一种相变预裂组合掘进钻头，相变预裂组合掘进钻头包括钻头本体(1)和二氧化碳致裂器(2)，所述钻头本体(1)为牙轮钻头，所述二氧化碳致裂器(2)设置在钻头本体(1)内，所述钻头本体(1)在牙轮的掘进面上设置有二氧化碳致裂器(2)的泄爆头(2-6)；其特征在于：具体包括如下步骤：
a、当钻头本体(1)接触到岩体时进行预钻孔工作，压力传感器(5-4)检测钻头本体(1)受力情况，若压力值在10kN～150kN，控制出液阀(4-2)保持关闭状态，控制中心(3)控制钻头本体(1)转动，进行凿岩；
b、若压力传感器(5-4)检测到的压力大于150kN时，此时控制中心(3)控制钻头本体(1)停止工作，控制中心(3)控制出液阀(4-2)打开，液态二氧化碳进入绝热输送管(4-3)，经过压注阀(4-4)作用进入二氧化碳致裂器(2)，进行二氧化碳致裂过程；
c、经过二氧化碳致裂后，钻头本体(1)压力传感器(5-4)检测到的压力值恢复到10kN～150kN范围内，此时控制中心(3)控制出液阀(4-2)关闭，二氧化碳相变过程停止；同时控制中心(3)控制钻头本体(1)继续掘进，即完成一次掘进循环；
d、若压力传感器(5-4)显示压力值小于10kN时，控制中心(3)控制往前推进钻头本体(1)接触岩体，直到压力传感器(5-4)检测压力值大于10kN时，控制钻头本体(1)继续旋转掘进。
2.如权利要求1所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：所述钻头本体(1)在每个牙轮上均设置有一个泄爆头(2-6)。
3.如权利要求2所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：所述泄爆头(2-6)位于牙轮上第二排布齿(5-2)与第三排布齿(5-3)之间，所述泄爆头(2-6)在牙轮上安装的高度低于牙轮上同一水平高度布齿的高度。
4.如权利要求1至3任意一项所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：所述二氧化碳致裂器(2)包括充装阀(2-1)、发热药管(2-2)、主管(2-3)、密封片(2-4)、剪切片(2-5)及泄爆头(2-6)；所述主管(2-3)内设有发热药管(2-2)、密封片(2-4)和剪切片(2-5)，所述主管(2-3)安装在钻头本体(1)内，所述主管(2-3)的一端安装有充装阀(2-1)，另一端安装有泄爆头(2-6)。
5.如权利要求4所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：还包括液态二氧化碳储存罐(4)，所述液态二氧化碳储存罐(4)上装有泄压阀(4-1)，所述液态二氧化碳储存罐(4)安装在钻杆内与钻头联动，所述液态二氧化碳储存罐(4)的出液口上安装有出液阀(4-2)，所述液态二氧化碳储存罐(4)的出液阀(4-2)通过绝热输送管(4-3)与充装阀(2-1)相连，所述绝热输送管(4-3)上还设有压注阀(4-4)，所述绝热输送管(4-3)内设有温度流量压力传感器(4-5)。
6.如权利要求5所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：所述钻头本体(1)上还设有压力传感器(5-4)，压力传感器(5-4)设置在钻头的每个牙轮上。
7.如权利要求6所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：所述压力传感器(5-4)位于牙轮的第一排布齿(5-1)与第二排布齿(5-2)之间，压力传感器(5-4)在牙轮上安装的高度低于同一水平高度布齿的高度。
8.如权利要求6所述的一种相变预裂组合掘进方法，其特征在于：还包括控制中心(3)，所述控制中心(3)包括控制系统以及与控制系统连接的压力数据显示端(3-3)；所述温度流量压力传感器(4-5)和压力传感器(5-4)的信号端与控制系统连接，所述压力数据显示端(3-3)用于显示压力传感器(5-4)的压力，所述出液阀(4-2)、泄压阀(4-1)和压注阀(4-4)的控制端与控制系统连接，通过控制系统控制出液阀(4-2)、泄压阀(4-1)和压注阀(4-4)的启闭。
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