钻孔装置、钻孔系统及钻孔方法

发明领域

本发明涉及一个流体钻孔系统，具体地说涉及一种自送进流体钻孔 系统，其能够用于各种各样的采矿操作，包括但不限于钻入煤层以排出 甲烷气体。

技术背景

众所周知，流体钻孔系统使用高压水切割诸如软石、煤及类似东西 的固体。这种水射流钻孔系统在采矿工业上具有较大的用途，并且能够 用于取代传统的机械切割头。

在已知的水射流钻孔系统上，都有一个切割装置，其通过沿刚性钻 柱传导的力送进，或在某些情况下通过施加在活塞型装置上的流体压力 送进。这种切割装置在其引导部分有一个或多个水射流切割喷嘴。

通常，为了切割圆孔，刚性钻柱旋转，从而使前面的割射喷口通过 圆形路径。

最近已经研制出了一种更有效的装置，其中，只有切割喷口通过一 个由切割喷口的推力驱动的旋转头转动，而通向切割头的钻头主杆的其 它部分静止。这种装置通过用旋转流体切割头推刚性钻柱，在固体上切 割孔。

最近，研制出了一种水射流钻孔系统，其在钻长度在300m或300m 以上的矿层井眼时特别有效，其带有一个刚性钻柱。这种钻孔喷嘴的主 要特征是：

·一个可以购买到的Woma FR47高速自旋转水射流喷嘴，为其主 要切割元件，

·一个没有台阶的外壳，以防止Woma FR47失速(停止旋转)

·一个弯曲子元件，用于控制钻孔的轨道，

·一个回复子元件，用于提供足够的水流从钻孔内冲刷出相对较大 的切屑，

·一个喷嘴覆盖子元件，使Woma FR47喷嘴与回复子元件相连， 以及使回复子元件与钻柱连接。

为了送进该切割装置，并向喷嘴提供切割流体，使用3m长、设计 得可承受内部压力达1×108Pa(1000 bar)的钻杆。这些钻杆被用作向 钻头喷嘴提供所需要的高压水的导管。(该杆也被用作向钻头喷嘴提供 所需要的高压水的导管)。该杆也用来与钻架连接以向钻孔内推进或送 进喷嘴。为了便于从钻孔中取出切割的碎岩，使用向后冲刷的喷嘴(或 回复喷嘴)。在这种工作中使用高压水泵，最大压力能够达到6.5×107Pa (650bar)，流速为每分钟160升。

在这种最新的装置中，钻孔技术包括如下步骤：

·将钻架对准所需要钻孔方向，

·将Woma FR47喷嘴连接到高压钻杆上(钻孔的前10米钻探时没 有弯曲子元件和回复装置组元。这样做是为了避免回复子元件上的流体 喷口不必要的回喷)，

·钻孔打眼10米以后，钻柱从孔中撤出，并且弯曲子元件和回复装 置组元连接到Woma FR47喷嘴的后面，

·将喷嘴装置和钻柱重新插入孔的底部(BOH)并继续钻孔，喷嘴 装置通过钻架推动钻柱送进。

流体钻孔系统的认可的优点是能够在转角处钻孔或超短半径钻 孔。这些方法通常包括从垂直井径向向外水平钻孔。为了能够在拐角处 钻孔，已知的方法是将钻柱包到每一个都为45cm的钢管中，并在顶部 表面进行铰接。沿钻柱的长度方向焊接一个驱动链。随着钢段沿垂直壁 向下，它们的底部部分分开，并且能够围绕在垂直井底部的驱动齿轮旋 转。这样钻柱以刚性体的形式沿垂直井送下，并且也能够以刚性体的形 式送入水平孔。

水切割喷嘴通过高压水驱动，高压水通过一个高压软管输送。高压 软管或者在刚性钻柱内延伸，或者沿钻柱的一侧延伸。

一种超短半径钻孔的方法，包括一个连接到一节螺旋管道上的流体 钻孔装置。该流体钻孔装置以及螺旋管道通过一个造斜器装置送进，造 斜器装置使管道弯曲通过一个超短半径弯头(0.3m半径)。通过一系列 导向器和辊子使管道弹性变形，从而管道被水平偏转而离开垂直井。螺 旋管道用于向流体钻孔装置供应高压切割流体。借助于一个复杂的活塞 装置将流体钻孔装置压入要钻孔的岩层，该活塞装置使用切割流体的高 压。

水切割系统的困难是，在装置被刚性钻柱送进时，要确保喷嘴装置 能够保持在所需要的层面。众所周知对常规系统来说，当切割装置送进 时，其相对于层面有下降的趋势。

尽管不想受理论的的限制，下降似乎是由刚性化的钻柱引起的，或 者换句话说，在喷嘴装置送进时，主要由钻柱引起。

为了使这些装置转向，使用一个弯曲子元件，旋转刚性钻柱以转动 弯曲子元件的方向，这样为系统提供了一个转向量。

已经知道钻柱由螺旋管道形成。螺旋管道使钻柱有一定程度的弯曲 性。然而螺旋管道只允许一定程度的弯曲，已经知道，如果使螺旋管道 环绕造斜器，管道超过其弹性极限，这意味着其难以回复。管道能够用 电化学方法或一些其他方法切除，从而不再起可弯曲软管的作用。

国际专利申请WO 95/09963描述了一个钻孔系统。在该系统中，第 一钻柱被送入钻孔，并通过肘形弯管使其水平转向。第一钻柱有一个机 械球状切割器，钻柱被旋转以转动球状切割器。该钻柱随后移去，第二 个可弯曲钻柱插进钻孔并穿过肘形弯管。

第二钻柱不旋转，并且端部连接一个压力相对较低的流体切割刀， 在大约143640.9 Pa-191521.2 Pa(3000-4000磅/平方英寸)进行切割。流体 切割刀在周围岩层缓慢地喷一个孔。显然，此处除了可以通过垂直钻柱 的重量或加在钻柱上的常规推力外，没有办法将钻柱送入水平孔。这种 切割刀有一个近乎常规的低压回复喷口装置(143640.9 Pa-191521.2 Pa)，其起冲走碎屑的作用。回复喷口的水平夹角(45°)与冲刷动作一 致，但是这种夹角下喷口不能提供有用的向前的推力。事实上，即使有 的话，该喷口似乎有另一种平衡由前面不旋转喷嘴引起的反冲的作用， 因此，送进是由钻柱的重量引起的。

由于除了钻柱的重量之外，没有送进机构，流体切割刀送进很慢， 即使在软石上，水平切割速度也只能为6-10小时内切割60m。

正如钻柱似乎影响切割刀向前运动一样，切割角下降问题仍然发 生，这是一个由刚性钻柱引起的问题。

由于除了可看到的钻柱的重量外没有送进装置，水平延伸的钻孔很 可能使得可弯曲的钻柱形成所谓的“螺旋锁死”，即不能再通过推钻柱 送进钻柱。这种结果可能就是为什么在该例子中水平孔的长度被限制在 60m左右的原因。

在该例子中，钻柱为螺旋钢管，比普通直径(12.5mm)稍小，以具 有足够的可弯曲性。对于小直径的管，只有少量的低压水能够流向流体 切割刀。

在从煤层中排放甲烷时，为保证效率起见而不改变煤的透气性是必 须的。透气性的任何减少，都将对甲烷从周围的煤进入切割孔产生不利 影响。众所周知，表面活性剂减少煤的透气性，因此，在煤层上钻排放 孔时，由于需要表面活性剂，上面描述的钻孔系统不宜使用。

本发明的目的

在本发明中，研制了一个系统，其中刚性钻柱被可弯曲的钻柱代 替，可弯曲的钻柱并不用于送进喷嘴装置。我们发现应用可弯曲钻柱， 切割装置可以保持在同一层面。我们的可弯曲钻柱能够容纳高压流体 (478,803 Pa-957,606 Pa)，推进或送进切割装置的能力减少或没有。因 此本发明还包括一个自送进系统，其一种形式是，回复喷口具有一定形 状以及足够的推力以送进切割装置。

用高压可弯曲软管作为钻柱的一个主要优点是，其能够从一个滚筒 上连续送进和撤回。这样就不需要不断地增加和撤下刚性钻柱。因此， 使用该技术能够极大地提高生产率。尽管为已知技术的螺旋钢管能够以 类似的方法使用，但管道和绞车的资金花费相对于本发明的费用要高很 多。

此外，需要复杂的并且昂贵的方法将其送进钻孔。在本发明中，切 割装置和可弯曲钻柱能够相对简单且节省费用地被送进。

钻柱的可弯曲性也使得本发明可用于定向钻孔。定向钻孔涉及到以 控制的方式改变钻孔的方向是有利的情况。特别是，高压软管能够相对 容易地转动穿过一个超短半径，其为0.6m或更少。能够达到这样的唯 一其他已知技术又是螺旋管道，如前面提到的，其需要巨大的资金花费。 此外，螺旋管道只能制成，通过迫使钢管道超过材料的弹性极限而穿过 超短半径。这种变形严重减少了管道的工作寿命，这通常意味着通过超 短半径的管道部分不能撤回，不得不用复杂的方法切断它，包括机械和 电化学分断装置。这极大地增加了费用。在本发明中，可弯曲钻柱能够 被撤回和再使用，而不使高压软管的工作寿命过度损害。用于在煤中定 向钻孔的螺旋管道的另一个缺点是，如果不撤回，管道对随后的地下采 煤形成安全危害。用于切断管道的化学品同样也对煤层的透气性有不良 影响。

本发明的目的是提供一种钻孔装置、钻孔系统和钻孔方法，其可克 服上述缺点或给公众提供一种有用的或商业上的选择。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于在地下岩层中形成钻孔的 可伸缩的钻孔装置，它包括：一自送进钻头，其被构造以便主要通过流 体压力进行切割，并具有至少一个高压自旋转流体切割喷嘴，该切割喷 嘴被构造以增加钻孔的长度；一推进装置，其位于钻头上并包括至少一 个回复喷口，该回复喷口被设置得用于给钻头提供一个向前的推力，从 而导致钻头从钻孔中的第一位置前进至钻孔中的第二位置；以及一个可 伸缩的柔性导管，其与钻头相连并可与高压流体源相连，当钻头从第一 位置移到第二位置时，上述导管可以在钻孔中轴向移动。

钻头包括若干相互连通的子元件。

流体切割喷嘴，包括至少一个向前切割喷口和至少一个侧面扩孔喷 口，被构造得在压力478,803 Pa和957,606 Pa之间作用，并通常在478,803 Pa和718,204.5 Pa之间作用。

回复喷口被构造得在压力478,803 Pa和957,606 Pa之间作用。

钻头具有一个大致与向前运动方向对齐的纵轴，为了有效的起到 “推力”喷口的作用，回复喷口被构造得相对于该纵轴以0°到30°的方 向排出水，约5°的角最好，因为这个角度能够使“喷出”的水清洁连在 一起的可弯曲软管(并且不会将其切破)，同时还有一个可接收的向后 的推角。

钻孔装置进一步包括一个转向装置，其可操作地与钻头相连并被构 造以朝向前方向引导钻头。该转向装置包括至少一个喷嘴，其被构造以 将喷射流导向所选取的方向。并且所述转向装置进一步包括一个偏向元 件，它能够移进和移出通过喷嘴的喷射流，以使水流偏向，偏向元件包 括一个相对于喷嘴可在第一位置和第二位置之间旋转的圆环，其中在第 一位置，圆环上的一部分与喷射流接合，而在第二位置，该部分与喷射 流分开。

流体切割喷嘴可相对于导管旋转，并且钻孔装置进一步包括一个围 绕着流体切割喷嘴安置的保护架，以便在流体切割喷嘴旋转时至少限制 流体切割喷嘴与钻孔壁之间的接触。保护架包括一个向外突出的台阶， 其设置在从所述至少一个侧面扩孔喷口流出的流体路径的后端。

上述偏向元件可以构成为控制切割装置穿过固体例如煤层的导向 系统的一部分。导向系统设计成能够连续实时提供切割装置的状态，使 操作者能够在地面通过计算机控制装置。导向系统包括如下元件：

(a)一个传感仪器，其能够确定切割装置在三维空间的位置，

(b)一个单芯电线，其在切割装置与地面之间传导信息，

(c)一台计算机，其计算和显示与切割装置轨道相关的信息，以 及

(d)一个转向装置，其可包括如上所述的偏向元件。

为实现上述目的，本发明还提供了一种自送进钻孔系统，它包括： 一钻孔装置，其具有至少一个可旋转的流体切割喷嘴；一推进装置，其 被设置得用于提供钻孔装置的向前的运动并包括至少一个回复喷嘴，该 回复喷嘴被设置得用于为钻头提供一个向前的推力，推进装置进一步还 包括至少一个侧面扩孔喷嘴；一保护架，其围绕着可旋转的流体切割喷 嘴安置，以便在喷嘴旋转时至少限制流体切割喷嘴与钻孔壁之间的接 触，保护架具有一台阶，所述台阶位于从侧面扩孔喷嘴流出的喷射流碰 撞钻孔壁之处的后面；一个可伸缩的柔性导管，其与钻孔装置相连；以 及一进给及缩回装置，其与柔性导管相连，以便进给并缩回所述钻孔装 置。

为实现上述目的，本发明还提供了一种在地下岩层中钻孔的方法， 包括：通过与钻头相连的可伸缩的柔性导管向钻孔里的钻头供应高压流 体；将高压流体从钻头中喷出以切割进入地下岩层中并增加钻孔的长 度；通过引导来自钻头的推进力而将钻头在钻孔中从第一位置推进至第 二位置；以及当钻头从第一位置前进至第二位置时，使导管在钻孔里移 动。

上述方法进一步包括将钻头从钻孔中撤回以及将甲烷从钻孔中取 出。

附图简述

本发明的实施例将通过参考附图进行描述，其中

图1为根据本发明实施例的切割装置的总体侧视图；

图2为一个大的引导保护壳的视图；

图3A和图3B为小的带台阶的引导保护壳的侧视图和端视图；

图4描述了向前的流体切割喷嘴；

图5描述了该切割装置的后部回复射流部件；

图6描述了图1的装置，其具有偏向装置以偏转回复水射流；

图7描述了向前的流体切割喷嘴的一部分；

图8描述了根据本发明的第二实施例的一个切割装置。

图9大概地描述了使用中的流体钻孔系统。

最佳方式

参考附图，并首先参考图9，在此图示了一个系统，其用于在煤层 100上切割一个大体水平的通道。图9示出了一个穿过煤层的垂直孔 101。造斜器装置104放在该孔内，并且放在预先形成的空腔105内。该 造斜器装置可以象本申请人未授权的国际专利申请所描述的一样，其内 容通过合适的交叉参考包含在此。造斜器装置104有一个主体106，其 大小能够允许造斜器插入孔内。一个可延伸的臂107与主体部分连接， 该臂能够液压竖起成水平方向(也能够成其它的夹角)。

作为本申请的主题的流体钻孔装置108，能够放在臂107内，以便 当臂107竖起后，该装置能够在煤层上切割一个孔。可弯曲软管109通 过该装置推进，随着软管通过造斜器到达孔，并且其能够通过在地面上 的卷筒110松开。软管109的可弯曲性使得其能够通过一个非常陡的半 径，从而反过来允许造斜器更为小巧。

一旦流体钻孔装置切割了一个所需要深度的孔，其能够缠回到臂 107内，臂能够收起，从而包含钻孔装置的造斜器能够上升到地面。这 种系统用于在煤中形成深的甲烷排放孔时，特别有用。

应当明白，该流体钻孔系统并不限于与造斜器一起使用，也能够单 独或与其它装置一起使用。

参考图1，在此描述了一个流体切割装置10。装置10由许多分开 的但相互连通的子元件形成。引导子元件11有一个保护壳。该保护壳有 一个尾部大体空的管状部分12和一个前部的架子部分13。在壳11的内 部安装着一个Woma FR47或类似型号的自旋转高压喷嘴装置40，其能 够从市场上购买到(见图4和7)。喷嘴装置安装在一个夹持器40A上， 并且具有一个芯轴40B，旋转喷嘴40C安装在芯轴上面。喷嘴40C有向 前伸的切割喷口41和侧面的扩孔喷口42。喷口41，42在478,803 Pa- 957,606 Pa(10000——15000磅/平方英寸)之间的压力下运转。喷嘴40C 通过销子40D与芯轴连接，销子卡在芯轴的环状槽40E内。

架子部分13允许切割喷口和扩孔喷口在固体材料(比如煤层)上 切割一个通路，其中架子部分保护喷嘴免遭损害和失速。

在图3中，架子部分13有一个台阶14，其位置紧挨在Woma装置 的扩孔喷嘴后面。台阶14将扩孔喷口对着钻孔壁上突出物，它们会卡住 台阶阻止喷嘴送进。扩孔喷口然后能够除去突出物从而使得钻孔装置10 能够送进。

图2描述了一个不同类型的没有台阶的架子部分13A。

紧挨着壳子11的后面，为一个中间子元件16，其基本上是中空的， 能够容纳传感器、导向系统及类似的东西。此外，该子元件的形状为圆 柱形，从而为喷嘴提供对称性，这样有助于钻较直的孔。圆柱形还能够 有效地减少喷嘴与钻孔壁之间的空隙，水和碎煤从此处通过。高压水通 过内部管43并流向Woma FR47喷嘴。如果钻孔直径太小，水和碎煤就 不能从喷嘴快速通过。这样会导致喷嘴前面的压力增加，达到一定程度 时，喷嘴抵抗着回复喷口的作用力而缩回。这样能够有效地给切割及扩 孔喷口提供另一个机会切割钻孔并增加其直径。用这种方法可以得到更 加一致的钻孔直径。

与元件16相连接的是尾部回复喷口子元件19，其在图5中进行了 更清楚的描述。回复喷口子元件19有四个回复喷口20-23，围绕该元件 的尾端均匀间隔开。每个回复喷口包括一个在子元件19内加工或形成的 通道。喷嘴(没有示出)放置在回复喷口子元件19内的相应插孔24内 并与通道相邻。插孔以及喷嘴与回复喷口子元件19的内部通过通道25 流体连通。喷嘴最好与水平方向成5度夹角，以清洗相连的尾随的软管， 并对该装置提供一个很好的向前的推力。水以478,803 Pa-957,606 Pa (1 0000-20000磅/平方英寸)通过喷嘴。一部分高压流体进入回复喷口 子元件19，从喷嘴24通过从而对钻孔装置10提供一个向前的推力。一 个可弯曲钻柱(没有示出)连接在回复喷口子元件19的尾部部分26。 高压流体能够通过可弯曲钻柱进入并通过切割装置10。钻柱对高压流体 起导管的作用，但太软而不能对流体切刀提供任何有用的向前推力。可 弯曲性使得钻柱适宜通过较陡的曲线，例如通过造斜器，并且不需要表 面活性剂。

在使用时，高压流体比如水，通过可弯曲钻柱进入并通过装置10。 高压流体驱动Woma自旋转喷嘴以及回复喷口。

在另一种形式中，用于操纵喷嘴通过煤层的导向系统安装在该装置 中。导向系统能够提供喷嘴连续的以及实时的状态和位置显示，使操作 者能够在地面通过计算机控制喷嘴。导向系统包括如下元件：

·一个测量仪器，其能够确定喷嘴在三维空间的位置，

·一个单芯电线，其在喷嘴与地面之间传导信息

·一台计算机和显示器，其计算和显示与喷嘴轨道相关的信息，以 及

·一个转向装置，其安装在喷嘴上以控制送进方向，从而保持所需 要的轨道。

测量仪器包括一个三轴排列的饱和式磁力仪和加速仪。磁力仪用于 测定该喷嘴相对于磁北极指向的方位。加速仪用于测定该喷嘴沿其纵轴 的倾斜度，以及喷嘴钟形度盘的方向。

磁力仪和加速仪的输出信号通过位于喷嘴本体内的一个运算芯片 收集和处理。这些信息随后以二进制沿单芯电线传到地面。该电线或者 放在高压软管的分枝内并附着在软管的外面，或者通过软管的中心。

在地面上，电线与计算机相连，计算机取出来自喷嘴的信号，处理 这些信息，并实时计算喷嘴的方位、倾斜度和钟形度盘的方向。随后该 信息显示在计算机显示器上，使操作人员能够看到喷嘴的轨道并与所需 要的轨道比较。

如果喷嘴偏离所需要的轨道的量很大，操作人员能够通过计算机键 盘启动喷嘴转向装置。操作人员输入所需要的方向改变。计算机决定如 何有效地实施方向的变化，随后信号沿电线输送到喷嘴上的运算芯片。 芯片启动转向装置从而改变钻孔的轨道。

转向装置包括一个滑动环30(见图6)，其安装在一个位于回复喷 口后面的圆周槽内。用于使一个回复喷口偏向钻孔壁的一个突起部分， 以板31的形式，安装在滑动环上。该装置内的一个致动步进马达用于旋 转滑动环，以便使偏向板位于合适的喷口后面，实现所需要的方向变化。 通过偏转合适的回复喷口产生的力，使喷嘴指向所需要的方向。

参考图8，在此示出了一个切割装置的变例。该切割装置50也包括 一个向前的支架部分51，一个中间本体52以及回复喷口装置53，回复 喷口装置53和向前的支架51与上面描述的大体相同。

中间本体52包括四个内部螺杆54-57，它们在中间本体52内纵向 延伸。螺杆为其它的元件，比如电子测量仪器，形成了支撑。该测量仪 器被放在环氧树脂模子里，并密封在金属盒子里进行保护。装置包以这 种形式安装，即其滑动在四个螺杆上。钻头罩59是金属盒子的盖，并允 许FR47喷嘴或类似的东西与该装置连接。该组合用螺母拉紧，螺母拧 到螺杆上，并且这样的拉紧也可以用尼龙或类似的套一起来密封装置。 随后台阶支架51能够安装在FR47喷嘴上。在这种组合中，内部水管60 沿本体52内部安置在一侧，为装置包提供空间。

与切割装置相连的可弯曲软管为高压可弯曲软管，其可以充分地弯 曲以允许自身从钻孔中缩回。该软管也可充分地弯曲以允许自身通过造 斜器而偏向。可弯曲软管不是用来作为切割装置的推进器，切割装置通 过回复喷口而进行自送进。因此，可弯曲软管不同于螺旋管，螺旋管能 够弯曲超过其弹性极限(例如通过造斜器)，但不能很轻易地回复，并 且通常用电化学方法断开。

在该实施例中，软管从聚甲醛和聚酰胺制成的内芯开始形成。四个 高张力钢线螺旋层缠绕在内芯上以提高耐压性。外部芯为聚酰胺。该软 管能够以Polyflex高压软管的形式，从市场上得到。

在另一种形式中，转向器使用侧“推进器”喷口以改变钻孔的方向。 这些喷口通过螺线管控制的高压阀启动。

在例子中，用根据本发明的高压水流钻孔喷嘴钻了五十四个无偏向 孔和七个钻柱偏离的半径为0.3m的孔。对各种泵的压力，支架的型号 和喷嘴孔的大小进行了实验以测定喷嘴的最佳操作参数。

在实验结果的基础上，钻孔的最佳组合是，泵的压力为115兆帕， 流体流动速度为每分钟234升，Woma FR47自转喷嘴上的切割和扩孔喷 口的直径为1.0mm和1.2mm，以及1.2mm直径的回复喷口孔口直径。 保护FR47喷嘴的台阶架子产生一个较光滑的钻孔以及较稳定的钻孔直 径。

该喷嘴组合的一个例子是，当钻一个无偏离钻孔时，在总时间42 分钟内钻了一百九十四米。另一个例子是，一个钻孔钻了一百九十二米， 钻柱通过了一个0.3m超短半径，用时97分钟。注意在此并不需要停止 钻孔去将钻柱与该系统连接。在上述两种情况下，钻孔停止是由于受当 时可购到的钻柱的限制。孔的直径大约110mm。显然钻孔速度是已知的 使用钻柱重量送进流体切割刀速度的10倍。

应该知道，只要不偏离本发明的精神和范围，可以对所描述的实施 例进行各种其它的变化和改进。