煤层水力化方向可调钻进装置的制作方法

本发明涉及一种煤矿施工设备，尤其涉及一种煤层水力化方向可调钻进装置。

背景技术

煤层气(煤矿瓦斯)是与煤伴生且主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气，在我国储量丰富，其开发和利用对于调整能源结构、改善煤矿安全和保护生态环境具有举足重轻的作用。

然而，我国多数煤层具有非均质性、低压力、低渗透率和低含气饱和度等特点，煤层的低渗透率和非均质性造成用常规方法难以有效抽采瓦斯，而多分支束状孔是提高煤层瓦斯抽采效率的有效途径。

传统的定向钻机束状孔成孔技术复杂，设备昂贵，束状孔曲率半径大，且成孔过程中需要频繁的导斜和造斜，限制了这一技术在煤矿井下的利用。

因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的设备。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种煤层水力化方向可调钻进装置，能够在钻进过程中避免导斜和造斜操作，能够根据实际施工状况自动调节钻进斜度，从而大大减少了束状孔的成孔工序，提高束状孔的成孔效率，并且整个装置结构简单，制造成本和使用成本低廉。

本发明的包括喷嘴、中间接头、进水接头以及转动连接组件；所述中间接头的出水端与喷嘴固定连接，所述中间接头的进水端端面下沉形成球面凹槽，所述进水接头的出水端为球面结构并嵌入于球面凹槽内且中间接头与进水接头可相对转动；

所述进水接头同轴设置有设置有主进水通道，所述进水接头设置有四个方向调节通道，所述方向调节通道沿主进水通道的圆周方向均匀布置；

所述进水接头的出水端的球面上设置有四个限位凹槽，所述方向调节通道与限位凹槽连通，所述中间接头的球面凹槽的侧壁设置有四个方向调节出水孔，所述方向调节出水孔与限位凹槽一一对应，所述转动连接组件设置于限位凹槽和方向调节出水孔内。

进一步，所述转动连接组件包括弹簧和滚动球，所述弹簧的一端固定设置于方向调节出水孔，另一端抵住滚动球并向滚动球施加预紧力使滚动球部分嵌入于限位凹槽中；所述滚动球沿直径方向设置有通孔。

进一步，所述限位凹槽的中间底部设置有锁止槽。

进一步，所述喷嘴设置有喷水孔，所述喷水孔沿水流方向分别设置有锥形孔和直孔，所述锥形孔的小口端与直孔连接，所述锥形的孔壁与锥形孔的轴线之间的夹角为20°，所述锥形孔与直孔的长度之比为2:1。

进一步，所述进水接头设置有四个结构相同的自进射流孔道，所述自进射流孔道将进水接头的外侧和主进水通道连通，所述自进射流孔道由进水方向到出水方向倾斜设置，所述自进射流孔道的轴线与主进水通道的轴线之间的夹角大于45°且小于90°。

本发明的有益效果：通过本发明，通过水力化驱动方向可调式喷头进行转动，无需钻杆和导斜装置，从而调节束状孔的成孔斜度，实现小曲率转弯拐弯半径的径向束状孔施工，能够在钻进过程中避免导斜和造斜操作，能够根据实际施工状况自动调节钻进斜度，从而大大减少了束状孔的成孔工序，提高束状孔的成孔效率，并且整个装置结构简单，制造成本和使用成本低廉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的另一种实施例结构示意图。

图3为本发明的施工工况结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：

本发明的包括喷嘴108、中间接头107、进水接头103以及转动连接组件；所述中间接头的出水端与喷嘴固定连接，所述中间接头的进水端端面下沉形成球面凹槽，所述进水接头的出水端为球面结构并嵌入于球面凹槽内且中间接头与进水接头可相对转动；其中，中间接头与喷嘴之间采用螺纹固定连接的方式；

所述进水接头103同轴设置有设置有主进水通道100，所述进水接头设置有四个方向调节通道101，所述方向调节通道103沿主进水通道100的圆周方向均匀布置；当然，中间接头还设置有水流通道；

所述进水接头103的出水端的球面上设置有四个限位凹槽106，四个限位凹槽同样沿进水接头的截面的圆周方向均匀布置，所述方向调节通道101与限位凹槽106连通，所述中间接头的球面凹槽的侧壁设置有四个方向调节出水孔111，所述方向调节出水孔111与限位凹槽106一一对应，所述转动连接组件设置于限位凹槽和方向调节出水孔内，其中，主进水通道和方向调节通道均输入高压水，如图3所示，高压水通过高压泵9提供，在实际工况中，为了向钻进装置提供高压水，还设置有如下设备，用于将高压泵与主进水通道连通的主管路2，用于将方向调节通道与高压泵连通的支管路3，送管器6、支架7以及盘管器8等设备，这些设备均属于现有技术，在图3中，4为钻进主孔，5即为束状孔，通过上述结构，高压水进入到主进水通道、通过中间接头然后由喷嘴喷射而出实现钻孔，为了进行小曲率钻进，通过向方向调节通道输入高压水，然后进过限位凹槽、方向调节出水孔喷出，由于高压水喷出后，会向产生一个与出水方向相反的一个作用力，该作用力使得中间接头与进水接头之间产生相对运动，使中间接头带动喷嘴旋转一定的角度，从而实现小曲率转弯钻进；喷嘴转动方向调节完成后，则停止向方向调节通道供水，需要再调节时再次向方向调节通道供水，不同的方向，则向不同的方向调节通道供水；在上述结构中，通过水力化驱动方向可调式喷头进行转动，无需钻杆和导斜装置，从而调节束状孔的成孔斜度，实现小曲率转弯拐弯半径的径向束状孔施工，能够在钻进过程中避免导斜和造斜操作，能够根据实际施工状况自动调节钻进斜度，从而大大减少了束状孔的成孔工序，提高束状孔的成孔效率，并且整个装置结构简单，制造成本和使用成本低廉。

本实施例中，所述转动连接组件包括弹簧112和滚动球113，所述弹簧112的一端固定设置于方向调节出水孔，另一端抵住滚动球并向滚动球施加预紧力使滚动球部分嵌入于限位凹槽中；所述滚动球113沿直径方向设置有通孔115，为了对弹簧进行固定，所述方向调节出水孔为台阶孔结构，且台阶孔的出水端的口径小于进水端的口径，且滚动球的直径与方向调节出水孔的进水口的直径相等，且滚动球部分嵌入于方向调节出水口的进水端，从而保证滚动球的滚动规则性，进而保证整个结构的稳定性，通过上述结构，一方面能够实现进水接头和中间接头之间的连接，另一方面，能够确保中间接头相对于进水接头发生转动，钢球的通孔能够保证水流正常流动。

本实施例中，所述限位凹槽106的中间底部设置有锁止槽114，在这种限位凹槽的结构中，限位凹槽的底部为凸弧面结构，限位凹槽的尺寸大于滚动球的直径，凸弧面与进水接头的球面平行，通过上述结构，一方面保证滚动球能够在限位凹槽内转动，限位凹槽对整个中间接头的最大转动曲率实现限定，而锁止槽的作用用于保持中间接头、进水接头以及喷嘴的通道的轴线在一条直线上，从而实现直线钻进，在实际施工中，中间接头的转动曲率通过水压的大小来实现控制；为了保证方向调节的水流只通过方向调节出水口，在进水接头的出水端端面与球面凹槽之间设置有多个密封圈105，将限位凹槽所在位置的进水接头与中间接头之间的间隙密封，从而确保转动方向调节的灵敏度以及转动曲率调节的灵敏度与精确度。

本实施例中，所述喷嘴设置有喷水孔，所述喷水孔沿水流方向分别设置有锥形孔109和直孔110，所述锥形孔的小口端与直孔连接，所述锥形的孔壁与锥形孔的轴线之间的夹角为20°，所述锥形孔与直孔的长度之比为2:1，在水力钻进时，需要高水压才能够实现钻进，否则水流不能冲破煤层，通过上述结构，当高压水流流道喷嘴的喷水孔时，由于锥形孔进行水流汇集在加速，从而进一步提升水压以及水流速度，保证整个装置能够顺利冲破煤层，而且在上述中的锥形孔和直孔的参数下，钻进效果更佳。

本实施例中，所述进水接头设置有四个结构相同的自进射流孔道104(由于图示方向原因，该自进射流孔道104采用虚线表示)，所述自进射流孔道将进水接头的外侧和主进水通道连通，所述自进射流孔道由进水方向到出水方向倾斜设置，所述自进射流孔道的轴线与主进水通道的轴线之间的夹角大于45°且小于90°，最佳倾斜角度为60°，虽然在钻进过程中，由喷嘴喷出的水流冲破煤层，但是，整个装置的行进则通过上述结构完成，由于高压水流通过自进射流孔道喷出，该喷水水流的反作用力下，对同整个钻进装置向钻进方向运动，自进射流孔道的倾角过小，则会起不到推进作用，如果过大则会使得喷出的水流处在扩孔工作状态，而起不到推进作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。