一种超临界液氮射流硬岩钻进装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种临界液氮射流硬岩钻进装置及方法，针对在硬岩层钻进时，普通水射流的钻进效率不高，以及刀具磨损程度较大等问题。本发明专利技术基于冷热交替致裂的原理，以超临界液氮和高温水的交汇实现了硬岩的高钻进率；提供的钻进装置具有机械脉冲装置和喷嘴摆动装置，可有效破碎未被刀具切割并易对钻头产生磨损的硬岩凸台部分。本装置与常规钻探装置相比，可以起到提高钻进效率，减小钻头刀具损耗的作用。

A supercritical liquid nitrogen jet hard rock drilling device and method

【技术实现步骤摘要】
一种超临界液氮射流硬岩钻进装置及方法
本专利技术涉及岩石钻进领域，具体而言涉及一种超临界液氮射流硬岩钻进装置及方法。
技术介绍
当前在石油、矿产等开采开发过程中，硬岩地段的钻进十分困难，如何更有效地在硬岩地段钻进是当前困扰技术人员的主要问题之一。硬岩地段钻进的难点在于：(1)硬岩地段的钻进属于高耗材工作，单独采用水射流辅助岩石钻进技术虽然有助于扩张岩石裂隙进而提高钻进速度，但仅使用水作为喷射流体无法避免水储备量不足问题；(2)硬岩地段的钻进属于高耗能工作，能耗过高不仅无法满足经济方面的要求，并且极易在钻进过程中出现设备损耗问题；(3)普通钻头在硬岩地段钻进过程中磨损程度极大，会导致钻进进度缓慢等问题。提高钻进效率，减少刀具消耗，是降低硬岩掘进成本的主要目标，更是能源开发、隧道建设等重大工程的根本任务。因此，提高在硬岩地段的钻进效率和延长钻头使用寿命必须从多角度考虑对现有技术进行革新。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决在硬岩层钻进时，普通水射流的钻进效率不高，以及刀具磨损程度较大的问题，提供了一种超临界液氮射流硬岩钻进装置及方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，主要包括液压钻机卡盘，旋转输水器，三翼钻头，挡板开关锁，保温保压管道，高压喷嘴，钻杆，加热套管，接线盒，导电线等。通过带有电加热片的中压容器的液氮，与通过加热套管的水，形成两种可以在不同规定部位交汇的射流，利用高压喷嘴在硬岩面交汇而对硬岩产生碎岩效果。钻进动力机组包括液压钻机卡盘、电动滑轮及固定桩，液压钻机卡盘提供旋转动力和推进力，固定桩和电动滑轮分别用于用于固定设备提供推进轨道；外接发生装置内包括液氮罐，水箱，水泵，保温保压管道，其中，保温保压管道连接各个设备，组成预备流体输运通路。一种超临界液氮射流硬岩钻进方法，其基于一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，所述方法主要包括以下步骤：步骤1：同时使水与液氮分别通过输液管(6)和保温保压管道(7)，经过水泵(3)、加热套管(15-1)和带有电加热片(4)的中压容器(5)的加工后形成高温水与超临界液氮；步骤2：开启钻进动力机组，实施钻进，同时，分布于钻头翼上的两种流体由高压喷嘴(15-4)喷出并在硬岩面上交汇，钻头侧向喷嘴摆动装置(15-3)喷出的3股高温水分别与钻头中心的3股超临界液氮射流在硬岩凸台侧向交汇，利用冷热交替致裂作用进而提升碎岩效率。本专利技术的有益效果在于：1.本临界液氮射流硬岩钻进装置具有保护钻头的效果。通过在钻头侧向布置的旋转射流与钻头中央垂直射流的交汇，可以对钻进过程中产生的未被刀具切削而是被压碎的的硬岩凸台部分进行水平剪切破坏，并且侧向的喷嘴摆动装置可以增大凸台的水平受力范围。原理即由于大部分的岩矿物料的抗压强度远高于其抗剪强度，所以有效利用其抗剪强度低的力学性质可以提高钻进效率，并防止钻头磨损，提高刀具寿命。2.本临界液氮射流硬岩钻进装置能够提高钻进效率。有效利用超临界氮的岩石致裂性强与岩石穿透性强的特点，增强碎岩能力。3.本临界液氮射流硬岩钻进装置可形成冷热交替致裂的效果。利用超临界氮的低温持续射流与高温水脉冲射流交汇，其中脉冲射流由一种挡板开关装置和与磁性球连接的曲面钢片结合而成的机械脉冲装置控制，能够提升硬岩破裂破碎效率，同时也带动石屑随流体排出。附图说明图1为本专利技术的总体示意图。图2为图1中Ⅰ-Ⅰ截面正视图。图3为钻头剖视图。图4为钻头仰视图。图5为带有机械脉冲装置部分管道轴向截面图。图6为图5中Ⅱ-Ⅱ截面的正视图。图7为图5中Ⅲ-Ⅲ截面的正视图。图8为挡板开关装置示意图。图9为图8中Ⅳ-Ⅳ截面的正视图。图10为挡板开关锁示意图。图11为从动轮示意图。图12为主动轮侧视图。图13为图12中Ⅴ-Ⅴ截面正视图。图14为喷嘴摆动装置示意图。图1中：1为液氮罐、2为水箱、3为水泵、4为电加热片、5为中压容器、6为保温保压管道、7为输液管、8为密封圈、9为旋转输水器、10为液压钻机卡盘、11为电动滑轮、12为固定桩、13为井口密封装置、14为钻杆、15为钻头；图3中：15-1为加热套管、15-2为挡板开关装置、15-3为喷嘴摆动装置、15-4为高压喷嘴；图6中：16为四周连有磁性球(ABCD)的曲面钢片；图8中：15-2-1为磁性球挡板、15-2-2为带直流电的磁性区、15-2-3为压力传感器；图9中：15-2-4为弹簧、15-2-5为内置扭簧的L形挡板、15-2-6为弹簧收纳盒、15-2-7为牵引线、15-2-8为电线、15-2-9为挡板开关锁盒、15-2-10为内置交流电控制磁区的主动轮、15-2-11为从动轮A、15-2-12为从动轮B、15-2-13为轮轴、15-2-14为轴电机；图14中：15-3-1为摇杆电机、15-3-2为摇杆A、15-3-3为连杆、15-3-4为摇杆B。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，其主要包括钻头(15)与外接发生装置和钻进动力组。钻头主要包括加热套管(15-1)、挡板开关装置(15-2)、喷嘴摆动装置(15-3)、高压喷嘴(15-4)、四周连有磁性球的曲面钢片(16)等；外接发生装置主要包括液氮罐(1)、水箱(2)、水泵(3)、电加热片(4)、中压容器(5)、保温保压管道(6)、输液管(7)；钻进动力组包括密封圈(8)、旋转输水器(9)、液压钻机卡盘(10)、电动滑轮(11)、固定桩(12)、井口密封装置(13)、钻杆(14)。所述钻头内超临界液氮射流由机械脉冲装置控制，所述机械脉冲装置设置于钻头中每条保温保压管道内，与喷嘴相邻；机械脉冲装置由设置于管道轴心的四周连有磁性球(ABCD)的曲面钢片(16)和管道壁上的挡板开关装置(15-2)构成，其中带直流电的磁性区(15-2-2)和感应区(15-2-3)被四片磁性球挡板(15-2-1)围绕，磁性球挡板通过穿过弹簧收纳盒(15-2-6)的牵引线与从动轮B(15-2-12)相连，弹簧(15-2-4)一端连于磁性球挡板上，另一端连于弹簧收纳盒，内置扭簧的L形挡板(15-2-5)位于管壁内侧，与从动轮A(15-2-11)上的牵引线(15-2-7)相连；轮轴(15-2-13)两端固定于挡板开关锁盒(15-2-9)内一对对立壁上，内置交流电控制磁区的主动轮(15-2-10)固定在轮轴中央，两边各串连着从动轮A和从动轮B，一端固定有轴电机(15-2-14)，从动轮与轴的接触面涂有润滑剂，电线(15-2-8)连接着轴电机及感应区等各配件。所述钻头内高温水射流一部分由喷嘴摆动装置(15-3)控制后经高压喷嘴喷出，喷嘴摆动装置设置在钻头中输液管内向分叉管上，与横向喷嘴相邻，由双摇杆机构和摇杆电机(15-3-1)组成；双摇杆机构中摇杆A(15-3-2)与摇杆电机输出轴连接，为主动件，摇杆B(15-3-4)为被动件，两摇杆由连杆(15-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，包括钻头(15)、外接发生装置和钻进动力组；钻头主要包括加热套管(15-1)、挡板开关装置(15-2)、喷嘴摆动装置(15-3)、高压喷嘴(15-4)、四周连有磁性球的曲面钢片(16)；外接发生装置主要包括液氮罐(1)、水箱(2)、水泵(3)、电加热片(4)、中压容器(5)、保温保压管道(6)、输液管(7)；钻进动力组包括密封圈(8)、旋转输水器(9)、液压钻机卡盘(10)、电动滑轮(11)、固定桩(12)、井口密封装置(13)、钻杆(14)；所述一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，其特征在于：/na.所述钻头内超临界液氮射流由机械脉冲装置控制，所述机械脉冲装置设置于钻头中每条保温保压管道内，与喷嘴相邻；机械脉冲装置由设置于管道轴心的四周连有磁性球(ABCD)的曲面钢片(16)和管道壁上的挡板开关装置(15-2)构成；其中带直流电的磁性区(15-2-2)和感应区(15-2-3)被四片磁性球挡板(15-2-1)围绕，磁性球挡板通过穿过弹簧收纳盒(15-2-6)的牵引线与从动轮B(15-2-12)相连，弹簧(15-2-4)一端连于磁性球挡板上，另一端连于弹簧收纳盒，内置扭簧的L形挡板(15-2-5)位于管壁内侧，与从动轮A(15-2-11)上的牵引线(15-2-7)相连；轮轴(15-2-13)两端固定于挡板开关锁盒(15-2-9)内一对对立壁上，内置交流电控制磁区的主动轮(15-2-10)固定在轮轴中央，两边各串连着从动轮A和从动轮B，一端固定有轴电机(15-2-14)，从动轮与轴的接触面涂有润滑剂，电线(15-2-8)连接着轴电机及感应区等各配件；/nb.所述钻头内高温水射流一部分由喷嘴摆动装置(15-3)控制后经高压喷嘴喷出，喷嘴摆动装置设置在钻头中输液管内向分叉管上，与横向喷嘴相邻，由双摇杆机构和摇杆电机(15-3-1)组成；双摇杆机构中摇杆A(15-3-2)与摇杆电机输出轴连接，为主动件，摇杆B(15-3-4)为被动件，两摇杆由连杆(15-3-3)连接；另一部分高温水射流由钻头中输液管外向分叉管上的3个高压喷嘴喷出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，包括钻头(15)、外接发生装置和钻进动力组；钻头主要包括加热套管(15-1)、挡板开关装置(15-2)、喷嘴摆动装置(15-3)、高压喷嘴(15-4)、四周连有磁性球的曲面钢片(16)；外接发生装置主要包括液氮罐(1)、水箱(2)、水泵(3)、电加热片(4)、中压容器(5)、保温保压管道(6)、输液管(7)；钻进动力组包括密封圈(8)、旋转输水器(9)、液压钻机卡盘(10)、电动滑轮(11)、固定桩(12)、井口密封装置(13)、钻杆(14)；所述一种超临界液氮射流硬岩钻进装置，其特征在于：
a.所述钻头内超临界液氮射流由机械脉冲装置控制，所述机械脉冲装置设置于钻头中每条保温保压管道内，与喷嘴相邻；机械脉冲装置由设置于管道轴心的四周连有磁性球(ABCD)的曲面钢片(16)和管道壁上的挡板开关装置(15-2)构成；其中带直流电的磁性区(15-2-2)和感应区(15-2-3)被四片磁性球挡板(15-2-1)围绕，磁性球挡板通过穿过弹簧收纳盒(15-2-6)的牵引线与从动轮B(15-2-12)相连，弹簧(15-2-4)一端连于磁性球挡板上，另一端连于弹簧收纳盒，内置扭簧的L形挡板(15-2-5)位于管壁内侧，与从动轮A(15-2-11)上的牵引线(15-2-7)相连；轮轴(15-2-13)两端固定于挡板开关锁盒(15-2-9)内一对对立壁上，内置交流电控制磁区的主动轮(15-2-10)固定在轮轴中央，两边各串连着从动轮A和从动轮B，一端固定有轴电机(15-2-14)，从动轮与轴的接触面涂有润滑剂，电线(15-2-8)连接着轴电机及感应区...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓峰，曲展慧，聂爱国，周家恒，简权，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11