用于煤礦井下樹狀鉆孔的自進式水力噴射鉆頭的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種射流鉆頭，具體設及用于煤層樹狀鉆孔的自進式鉆頭，適用于煤 層氣井下開采領域，尤其是用于低透氣性煤層瓦斯卸壓孔的鉆進和對已巧塌鉆孔進行洗 孔。
【背景技術】
[0002] 在煤礦井下，為了安全生產(chǎn)和充分利用能源，需要對煤層氣進行抽采。尤其是對 透氣性較差的高瓦斯煤層和無保護層可采的首采煤層，通常采用低位巷穿層鉆孔法預抽瓦 斯，該方法由于煤孔短，卸壓范圍小，瓦斯抽采效果差，導致瓦斯達標時間長，必須增大鉆孔 數(shù)量，工程量大，難W取得預期的抽采效果。故有學者提出自進式水力噴射樹狀鉆孔增加煤 層透氣性技術，即在原瓦斯抽采母孔基礎上，利用高壓水射流破巖原理，實現(xiàn)完全射流鉆進 多個子孔的新技術（完全射流是指只依靠水射流作為動力，既能破碎巖石形成鉆孔，也能 為鉆進提供自進力；子孔是指在一個母孔基礎上，鉆出多個分枝孔，就像樹枝一樣，故稱為 樹狀鉆孔技術）。在上述煤礦井下自進式水力噴射樹狀鉆孔技術中，其關鍵部件為配套極小 轉彎半徑自進式鉆頭，極小轉彎半徑是指：樹狀鉆孔技術的子孔是自進式鉆頭在母孔內通 過轉向器偏轉一定角度鉆進而形成，由于母孔尺寸不大，自進式鉆頭還要通過轉向器導向， 所W偏轉空間極為有限，轉彎半徑極小，所W稱為極小轉彎半徑自進式鉆頭。目前，廣大學 者已對石油領域徑向鉆井自進式鉆頭進行了大量研究，主要有Ξ種結構形式：多孔射流鉆 頭、單孔旋轉射流鉆頭和直旋混合射流鉆頭。多孔射流鉆頭是指產(chǎn)生的射流全為直射流；單 孔旋轉射流鉆頭是指產(chǎn)生的射流為一股旋轉射流；直旋混合射流鉆頭是指產(chǎn)生的射流既有 直射流也有旋轉射流，一般鉆頭軸線方向設置一中屯、孔產(chǎn)生直射流，周圍在產(chǎn)生旋轉射流， 從而形成直旋混合射流。多孔射流鉆頭的破巖方式W沖擊破碎為主，射流能量利用率低；單 孔旋轉射流鉆頭的破巖深度較小，并且易在鉆孔底部形成凸臺，影響破巖效果；直旋混合射 流鉆頭雖然結合了直射流和旋轉射流的優(yōu)點，能形成較大的孔眼和深度，但是其射流能量 衰減快，壓力損失較大，內部結構復雜。如中國專利CN103806836A公布的《自進式旋轉射流 多孔噴嘴》和專利CN104033106A公布的《徑向側鉆旋轉自進式多孔射流鉆頭》，利用具有高 切向速度的射流破巖，破巖效果較好且成孔規(guī)則，但是鉆頭尺寸大，結構較復雜，鉆進不穩(wěn) 定；專利CN103835653A公布的《自進式巖屑磨料自旋混合射流鉆頭》，利用鉆進過程中產(chǎn)生 的巖屑作為補充磨料，產(chǎn)生直旋混合磨料射流，破巖效果高，但結構復雜，尺寸大，鉆頭壽命 較短。近年來有學者提出脈沖空化多孔射流噴嘴，如專利CN102434102A公布的《一種脈沖 空化多孔射流噴嘴》，利用空化射流與脈沖射流相禪合形成的脈沖空化射流進行破巖，效果 較好，但是射流能量衰減較快，形成孔眼較小，且產(chǎn)生的自進力小。
[0003]總體上，目前石油領域徑向鉆井中所采用的自進式鉆頭應用于煤礦井下樹狀鉆孔 技術仍存在W下問題：1)鉆頭或噴嘴結構復雜，尺寸大，轉向能力差，壽命短；2)長距離鉆 孔時水射流破巖鉆進效率低；3)所鉆孔眼尺寸小，易卡鉆頭，且排渣困難；4)旋轉射流鉆頭 由于旋轉射流中屯、能量低，破巖效果差，容易在鉆孔中屯、形成凸臺，阻礙鉆頭推進；5)鉆頭 產(chǎn)生的自進力小，孔眼軌跡不易控制，容易鉆偏孔。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有自進式鉆頭的不足，提供一種用于煤礦井下樹狀 鉆孔的自進式水力噴射鉆頭，實現(xiàn)結構設計相對簡單，鉆頭尺寸小，但鉆頭壽命長，破巖效 果好，鉆孔尺寸大，不形成凸臺，鉆頭不易鉆偏，達到提高煤礦井下煤層氣抽采率的目的。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用W下技術方案：
[0006] 本發(fā)明鉆頭為一種用于煤礦井下樹狀鉆孔的自進式水力噴射鉆頭，包括鉆頭體和 鉆頭體上的中屯、自激振蕩噴嘴、邊噴嘴、中部噴嘴、后部噴嘴。
[0007] 所述鉆頭體前部為球形，端面為一平臺，所述鉆頭體前端平臺的半徑R2為 2. 5mm- 4. 0mm。平臺中屯、（即自進式鉆頭中屯、）為中屯、自激振蕩噴嘴，其四周均勻布置具 有一定張角和偏角的邊噴嘴，對張角和偏角的定義為：在內部空腔圓錐形段的前端面上距 鉆頭軸線1.Omm-10. 0mm距離確定一點為邊噴嘴起點，將過邊噴嘴起點且與鉆頭軸線平行 的直線定義為直線一，直線一和鉆頭軸線所確定的平面定義為平面一；W直線一為基線，先 在平面一內向遠離鉆頭軸線的方向偏轉一定角度，此角度設定為張角，此時將噴嘴軸線定 義為直線二；再將直線二W邊噴嘴起點為原點，W直線一為旋轉軸，旋轉一定錐角，所得的 噴嘴軸線定義為直線Ξ，即為邊噴嘴的實際軸線，此時將直線二和直線Ξ在自進式鉆頭橫 截面上投影的夾角設定為偏角。所有邊噴嘴都按此方法均勻布置，且偏轉的角度和方向均 一致。所述邊噴嘴的數(shù)目為3-6個，噴嘴直徑為0. 5mm- 1. 2mm，分布半徑為1.Omm-2. 0mm， 張角在15° -30°之間，偏角在60° -90°之間，通過實驗測定表明：鉆頭的鉆進能力隨 著張角的增大呈先增大后減小的趨勢，存在一個最優(yōu)張角，大約為25°左右；鉆進能力隨 著偏角的增大而增大，且與噴嘴個數(shù)η有關，最大可取360° /η。
[0008]所述鉆頭體中部均勻分布有在橫截面中具有一定偏向角的中部噴嘴，橫截面是指 過中噴嘴的軸線且與鉆頭軸線垂直的平面，偏向角是指中噴嘴的軸線與徑向半徑的夾角。 中部噴嘴的數(shù)目為3-6個，噴嘴直徑為0.5mm- 1.2mm，偏向角在30° -45°之間，其射流 徑向分速度和切向分速度分別具有扶正和擴孔、修孔的作用，所W能量不能都很小，要保證 能量分配均勻，所W通過實驗測定后取30° -45°。
[0009] 所述鉆頭體為中空結構，具有內部空腔，后端為開口端，內部設有內螺紋用于連接 高壓軟管，其上面均勻布置有與軸線呈一定錐角的后部噴嘴。后部噴嘴的數(shù)目為6-8個， 噴嘴直徑為0. 5mm- 1. 5mm，錐角在10。一30。之間；
[0010] 所述鉆頭體內部空腔為圓錐體和圓柱體的組合空腔，組合空腔圓錐段的錐角在 20° -45。之間。
[0011] 所述的中屯、自激振蕩噴嘴依次由上游噴嘴、自激振蕩腔和下游噴嘴組成。自激振 蕩腔長度L一般為上游噴嘴直徑di的2. 3~3. 3倍，下游噴嘴直徑d2-般為上游噴嘴直徑 di的1. 2~1. 3倍。自激振蕩腔的主體為圓柱形腔，其直徑為上游噴嘴直徑dl的18倍；腔 體的縱剖面為上下對稱的平行四邊形，腔體上下游噴嘴碰撞壁為錐形面，且上游噴嘴碰撞 壁凸向上游，下游噴嘴碰撞壁凹向下游。常規(guī)的自激振蕩腔為圓柱形腔，其縱剖面為矩形， 上下游噴嘴碰撞壁為平面，其射流的脈動幅值較低。因此，本發(fā)明根據(jù)自激振蕩射流產(chǎn)生的 原理：射流的邊界層在腔體內會發(fā)散從而形成縱滿，縱滿會對射流產(chǎn)生擾動而形成自激振 蕩射流。所w根據(jù)邊界層在腔體內產(chǎn)生縱滿的流態(tài)，將腔體上下游噴嘴碰撞壁分別設計為 凸向上游和凹向下游的錐形面，有效提高了自激振蕩射流脈動幅值。
[001引所述鉆頭的整體長度范圍為14mm-18mm，外徑范圍為10mm-14mm。
[0013]本發(fā)明的工作原理是：
[0014]累產(chǎn)生的高壓流體經(jīng)過高壓軟管進入自進式鉆頭，將分為四股射流，使本鉆頭具 有分級破巖的功能：
[0015] 首先，一部分流體通過中屯、自激振蕩噴嘴，依靠噴嘴的自激振蕩腔室，將連續(xù)射流 轉變?yōu)槊}沖射流，提高了中屯、射流的瞬時打擊力，率先產(chǎn)生中屯、破碎坑。在其原理為：上游 噴嘴完成腔內射流束的形成，其幾何參數(shù)、加工精度等將影響射流束的流動特性和剪切層 初始分離的位置、擾動大小等。自激振蕩腔能形成反饋路徑，能根據(jù)不同的長度和直徑對頻 率進行選擇。當由剪切層放大的擾動尖峰到達下游碰撞壁時，與之發(fā)生碰撞，由于該處射流 的局部橫截面積大于下游出口的截面積，受速度的影響，在