一种超临界液氮射流硬岩钻进装置及方法与流程

本发明涉及岩石钻进领域，具体而言涉及一种超临界液氮射流硬岩钻进装置及方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明的有益效果在于：

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为本发明的总体示意图。

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，对本发明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(15-3-3)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。保温保压管道(6)连接液氮罐(1)和旋转输水器(9)，中间接有中压容器(5)，输液管连接水泵(3)和旋转输水器；旋转输水器与保温保压管道(6)和输液管的初始交接处由密封圈(8)密封，钻头(15)连接钻杆(14)底部，使用管螺纹连接；液压钻机卡盘(10)安装在固定桩(12)上，由电动滑轮(11)和液压钻机卡盘(10)带动旋转和推进钻杆与钻头。

所述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，所述一种超临界液氮射流硬岩钻进方法主要包括如下工作过程：

钻头(15)和钻杆(14)在液压钻机卡盘(10)的控制下开始钻进的同时，液氮罐(1)中的液氮通过带有电加热片(4)的中压容器(5)加温加压形成超临界液氮后，在保温保压管道(6)中通过旋转输水器(9)运输至钻头(15)处，分成6股超临界液氮射流(钻头中心3股，钻头最外圈3股)，开始受到机械脉冲装置的控制；首先，曲面钢片上四个方向的磁性球都被包裹在磁性球挡板(15-2-1)中，先控制a、c两方向的磁性球从闭合挡板中脱离，具体程序为：控制挡板开关装置(15-2)中从动轮a(15-2-11)沿轮轴(15-2-13)向内置交流电控制磁区的主动轮(15-2-10)的磁区滑动吸附，同时轴电机(15-2-14)控制轮轴连带主动轮逆时针转动，可使从动轮a上凸起点与内置交流电控制磁区的主动轮的凹陷区卡住，牵引线(15-2-7)收回到从动轮a上，从而带动着内置弹簧的l形挡板(15-2-5)向外侧打开，至水平方向后，主动轮停止运转，牵引线停止收回；控制从动轮b(15-2-12)沿轮轴滑动吸附磁区，然后控制主动轮逆时针转动，可使从动轮b上凸起点与内置交流电控制磁区的主动轮的凹陷区卡住，牵引线收回到从动轮b上，从而带动收回弹簧直至磁性球挡板旋转与管壁平行方向，主动轮停止运转；然后交流电变换电流方向，将从动轮a推出主动轮卡槽，内置弹簧的l形挡板将向挡板方向闭合，从而扣住挡板，形成b、d两球被扣住，a、c球自由的情况；通过控制频率，使接下来形成a、c两球被扣住，b、d球自由的情况，即需使b、d球被挡板释放，同时控制a、c两球被扣住。b、d两球的释放过程同上面所讲a、c两球的释放过程相同，而a、c两球被扣住的程序如下：感应区同样有一定频率控制，当处于感应区感应阶段时，且感应到压力产生变化(即有小球经过感应区)，则立即控制挡板开关锁中从动轮a向主动轮的磁区吸附，同时内置交流电控制磁区的主动轮逆时针转动，可使从动轮a上凸起点与内置交流电控制磁区的主动轮的凹陷区卡住，牵引线收回到从动轮a上，从而带动着内置弹簧的l形挡板向外侧打开，即可释放弹簧，使a、c两球被扣住。带直流电的磁性区(15-2-2)全程工作，可保证当处于感应区感应阶段时，磁性球旋转到磁区受到引力作用使得转动受阻，便于磁性球挡板的工作；而当磁性球处于非感应区感应阶段时，在旋转通过磁区时被短暂吸引，而又由于射流冲力大于吸引力而脱离引力范围，产生延时性，使得流量变化更为明显；从而综合利用以上循环，使得四周连有磁性球(abcd)的曲面钢片(16)在管内形成两方向的旋转从而控制流量，可在高压喷嘴(15-4)处喷出后可形成脉冲式且流量变化的射流。

同时水箱(2)中的水通过水泵(3)运输至钻头高压喷嘴处，于喷嘴前段的加热套管(15-1)加热成高温水后，一部分由钻头中输液管内向分叉管上的3个喷嘴摆动装置控制，即由摇杆电机(15-3-1)控制双摇杆机构带动其上连接的横向高压喷嘴水平摆动，可使水流呈扇形页面状喷射出；另一部分由钻头中输液管外向分叉管上的3个高压喷嘴喷出，分别皆与超临界液氮射流交汇碎岩。