[发明专利]用于煤矿井下树状钻孔的自进式水力喷射钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种射流钻头，具体涉及用于煤层树状钻孔的自进式钻头，适用于煤层气井下开采领域，尤其是用于低透气性煤层瓦斯卸压孔的钻进和对已坍塌钻孔进行洗孔。

背景技术

在煤矿井下，为了安全生产和充分利用能源，需要对煤层气进行抽采。尤其是对透气性较差的高瓦斯煤层和无保护层可采的首采煤层，通常采用低位巷穿层钻孔法预抽瓦斯，该方法由于煤孔短，卸压范围小，瓦斯抽采效果差，导致瓦斯达标时间长，必须增大钻孔数量，工程量大，难以取得预期的抽采效果。故有学者提出自进式水力喷射树状钻孔增加煤层透气性技术，即在原瓦斯抽采母孔基础上，利用高压水射流破岩原理，实现完全射流钻进多个子孔的新技术(完全射流是指只依靠水射流作为动力，既能破碎岩石形成钻孔，也能为钻进提供自进力；子孔是指在一个母孔基础上，钻出多个分枝孔，就像树枝一样，故称为树状钻孔技术)。在上述煤矿井下自进式水力喷射树状钻孔技术中，其关键部件为配套极小转弯半径自进式钻头，极小转弯半径是指：树状钻孔技术的子孔是自进式钻头在母孔内通过转向器偏转一定角度钻进而形成，由于母孔尺寸不大，自进式钻头还要通过转向器导向，所以偏转空间极为有限，转弯半径极小，所以称为极小转弯半径自进式钻头。目前，广大学者已对石油领域径向钻井自进式钻头进行了大量研究，主要有三种结构形式：多孔射流钻头、单孔旋转射流钻头和直旋混合射流钻头。多孔射流钻头是指产生的射流全为直射流；单孔旋转射流钻头是指产生的射流为一股旋转射流；直旋混合射流钻头是指产生的射流既有直射流也有旋转射流，一般钻头轴线方向设置一中心孔产生直射流，周围在产生旋转射流，从而形成直旋混合射流。多孔射流钻头的破岩方式以冲击破碎为主，射流能量利用率低；单孔旋转射流钻头的破岩深度较小，并且易在钻孔底部形成凸台，影响破岩效果；直旋混合射流钻头虽然结合了直射流和旋转射流的优点，能形成较大的孔眼和深度，但是其射流能量衰减快，压力损失较大，内部结构复杂。如中国专利CN103806836A公布的《自进式旋转射流多孔喷嘴》和专利CN104033106A公布的《径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头》，利用具有高切向速度的射流破岩，破岩效果较好且成孔规则，但是钻头尺寸大，结构较复杂，钻进不稳定；专利CN103835653A公布的《自进式岩屑磨料自旋混合射流钻头》，利用钻进过程中产生的岩屑作为补充磨料，产生直旋混合磨料射流，破岩效果高，但结构复杂，尺寸大，钻头寿命较短。近年来有学者提出脉冲空化多孔射流喷嘴，如专利CN102434102A公布的《一种脉冲空化多孔射流喷嘴》，利用空化射流与脉冲射流相耦合形成的脉冲空化射流进行破岩，效果较好，但是射流能量衰减较快，形成孔眼较小，且产生的自进力小。

总体上，目前石油领域径向钻井中所采用的自进式钻头应用于煤矿井下树状钻孔技术仍存在以下问题：1)钻头或喷嘴结构复杂，尺寸大，转向能力差，寿命短；2)长距离钻孔时水射流破岩钻进效率低；3)所钻孔眼尺寸小，易卡钻头，且排渣困难；4)旋转射流钻头由于旋转射流中心能量低，破岩效果差，容易在钻孔中心形成凸台，阻碍钻头推进；5)钻头产生的自进力小，孔眼轨迹不易控制，容易钻偏孔。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有自进式钻头的不足，提供一种用于煤矿井下树状钻孔的自进式水力喷射钻头，实现结构设计相对简单，钻头尺寸小，但钻头寿命长，破岩效果好，钻孔尺寸大，不形成凸台，钻头不易钻偏，达到提高煤矿井下煤层气抽采率的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明钻头为一种用于煤矿井下树状钻孔的自进式水力喷射钻头，包括钻头体和钻头体上的中心自激振荡喷嘴、边喷嘴、中部喷嘴、后部喷嘴。