用于煤矿井下树状钻孔的自进式水力喷射钻头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种射流钻头，具体设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巧塌钻孔进行洗 孔。
【背景技术】
[0002] 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W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W偏转空间极为有限，转弯半径极小，所W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Ξ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屯、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W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禪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。
[0003]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W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 由于旋转射流中屯、能量低，破岩效果差，容易在钻孔中屯、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】
[0004] 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。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0006] 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 钻头体上的中屯、自激振荡喷嘴、边喷嘴、中部喷嘴、后部喷嘴。
[0007] 所述钻头体前部为球形，端面为一平台，所述钻头体前端平台的半径R2为 2. 5mm- 4. 0mm。平台中屯、（即自进式钻头中屯、）为中屯、自激振荡喷嘴，其四周均匀布置具 有一定张角和偏角的边喷嘴，对张角和偏角的定义为：在内部空腔圆锥形段的前端面上距 钻头轴线1.Omm-10. 0mm距离确定一点为边喷嘴起点，将过边喷嘴起点且与钻头轴线平行 的直线定义为直线一，直线一和钻头轴线所确定的平面定义为平面一；W直线一为基线，先 在平面一内向远离钻头轴线的方向偏转一定角度，此角度设定为张角，此时将喷嘴轴线定 义为直线二；再将直线二W边喷嘴起点为原点，W直线一为旋转轴，旋转一定锥角，所得的 喷嘴轴线定义为直线Ξ，即为边喷嘴的实际轴线，此时将直线二和直线Ξ在自进式钻头横 截面上投影的夹角设定为偏角。所有边喷嘴都按此方法均匀布置，且偏转的角度和方向均 一致。所述边喷嘴的数目为3-6个，喷嘴直径为0. 5mm- 1. 2mm，分布半径为1.Omm-2. 0mm， 张角在15° -30°之间，偏角在60° -90°之间，通过实验测定表明：钻头的钻进能力随 着张角的增大呈先增大后减小的趋势，存在一个最优张角，大约为25°左右；钻进能力随 着偏角的增大而增大，且与喷嘴个数η有关，最大可取360° /η。
[0008]所述钻头体中部均匀分布有在横截面中具有一定偏向角的中部喷嘴，横截面是指 过中喷嘴的轴线且与钻头轴线垂直的平面，偏向角是指中喷嘴的轴线与径向半径的夹角。 中部喷嘴的数目为3-6个，喷嘴直径为0.5mm- 1.2mm，偏向角在30° -45°之间，其射流 径向分速度和切向分速度分别具有扶正和扩孔、修孔的作用，所W能量不能都很小，要保证 能量分配均匀，所W通过实验测定后取30° -45°。
[0009] 所述钻头体为中空结构，具有内部空腔，后端为开口端，内部设有内螺纹用于连接 高压软管，其上面均匀布置有与轴线呈一定锥角的后部喷嘴。后部喷嘴的数目为6-8个， 喷嘴直径为0. 5mm- 1. 5mm，锥角在10。一30。之间；
[0010] 所述钻头体内部空腔为圆锥体和圆柱体的组合空腔，组合空腔圆锥段的锥角在 20° -45。之间。
[0011] 所述的中屯、自激振荡喷嘴依次由上游喷嘴、自激振荡腔和下游喷嘴组成。自激振 荡腔长度L一般为上游喷嘴直径di的2. 3~3. 3倍，下游喷嘴直径d2-般为上游喷嘴直径 di的1. 2~1. 3倍。自激振荡腔的主体为圆柱形腔，其直径为上游喷嘴直径dl的18倍；腔 体的纵剖面为上下对称的平行四边形，腔体上下游喷嘴碰撞壁为锥形面，且上游喷嘴碰撞 壁凸向上游，下游喷嘴碰撞壁凹向下游。常规的自激振荡腔为圆柱形腔，其纵剖面为矩形， 上下游喷嘴碰撞壁为平面，其射流的脉动幅值较低。因此，本发明根据自激振荡射流产生的 原理：射流的边界层在腔体内会发散从而形成縱满，縱满会对射流产生扰动而形成自激振 荡射流。所w根据边界层在腔体内产生縱满的流态，将腔体上下游喷嘴碰撞壁分别设计为 凸向上游和凹向下游的锥形面，有效提高了自激振荡射流脉动幅值。
[001引所述钻头的整体长度范围为14mm-18mm，外径范围为10mm-14mm。
[0013]本发明的工作原理是：
[0014]累产生的高压流体经过高压软管进入自进式钻头，将分为四股射流，使本钻头具 有分级破岩的功能：
[0015] 首先，一部分流体通过中屯、自激振荡喷嘴，依靠喷嘴的自激振荡腔室，将连续射流 转变为脉冲射流，提高了中屯、射流的瞬时打击力，率先产生中屯、破碎坑。在其原理为：上游 喷嘴完成腔内射流束的形成，其几何参数、加工精度等将影响射流束的流动特性和剪切层 初始分离的位置、扰动大小等。自激振荡腔能形成反馈路径，能根据不同的长度和直径对频 率进行选择。当由剪切层放大的扰动尖峰到达下游碰撞壁时，与之发生碰撞，由于该处射流 的局部横截面积大于下游出口的截面积，受速度的影响，在