[发明专利]一种高能气体射流岩石钻进方法和装置

说明书

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。