流体钻孔系统

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，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、煤及类似的东 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，通过沿刚性钻孔 绳传导的力送进，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。这种切割仪器在仪器的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，刚性钻孔绳旋转，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，而引导切割头的钻头主杆的其 它部分静止。这种仪器通过用旋转流体切割头推刚性钻孔绳，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 以上的矿层炮眼时特别有效，其带有一个刚性钻孔绳。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 主要的切割元件，

●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，用于控制炮眼的轨道，

●一个回复子元件，用于提供足够的水流从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，以 及回子复元件与钻孔绳组连接。

为了送进该切割仪器，并向喷嘴提供切割流体，使用3m长，内部 设计承受压力达1000bar的钻杆。这些钻杆被用做向钻头喷嘴提供所需 要的高压水的导管。(该杆也被用做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向炮眼内推进或送进喷嘴。为了便于从 炮眼取出切割的碎岩，使用向后冲刷的喷嘴(或回复射流)。在这种工 作中使用高压水泵，最大压力能够达到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：

●将钻架对准所需要炮眼方向，

●将Woma FR47喷嘴连接到高压钻杆上(炮眼的前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)，

●炮眼打眼10米以后，钻孔绳从孔中后退，并且弯曲子元件和回 复装置组元连接到Woma FR47喷嘴的后面，

●将喷嘴装置和钻孑L绳重新插入孔的底部(BOH)并继续钻孔， 喷嘴装置通过杆推动钻孔绳送进。

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壁径向向外水平钻孔。为了能够在拐角处 钻孔，已知的方法是将钻孑L绳包到每一个都为45cm的钢管中，并铰接 到顶部表面。沿绳的长度方向连接一个驱动链。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壁底部的驱动齿轮旋 转。这样钻孔绳以刚性体的形式沿垂直壁送下，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 软管或者在刚性钻孔绳内延伸，或者沿钻孔绳的一侧延伸。

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 钻孔仪器。该流体钻孔仪器以及螺旋管道通过一个斜向器仪器送进，斜 向器仪器通过一个超短半径弯头(0.3m半径)弯曲管道。通过使管道弹 性变形，管道偏转方向沿水平方向经过一系列导向器和辊子离开垂直 壁。螺旋管道用于向流体钻孔仪器供应高压切割流体。借助于一个复杂 的活塞装置将流体钻孔仪器压入要钻孔的岩层，该活塞装置使用切割流 体的高压。

水切割系统的困难是，在仪器被刚性钻孔绳送进时，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，当切割仪器送进 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孔绳引起的， 或者换句话说，在喷嘴装置送进时，主要由钻孔绳引起。

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

已经知道钻孔绳由螺旋管道形成。螺旋管道使钻孔绳有一定程度的 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 管道环绕斜向器，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 一钻孔绳被送入炮眼，并通过肘形弯管使其水平转向。第一钻孔绳有一 个机械球状切割器，该钻孔绳随后移去，第二个可弯曲钻孔绳插进炮眼 并穿过肘形弯管。

第二钻孔绳不旋转，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孔绳的重量或加在钻孔 绳上的常规推力外，没有办法送进钻孔绳。这种切割刀有一个近乎常规 的低压回复喷口装置(大约3000-4000磅/平方英寸)，其起冲走碎屑的 作用。回复喷口的水平夹角(45°)不变，具有冲刷作用，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 钻孔绳的重量引起的。

由于除了钻孔绳的重量之外，没有送进机械，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。

正如钻孔绳似乎影响切割刀向前运动一样，由刚性钻孔绳引起的问 题，切割角下降问题仍然发生。

由于除了可看到的钻孔绳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孔绳形成所谓的“螺旋锁死”，即不能再通过推 钻孔绳送进钻孔绳。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，钻孔绳为螺旋钢管比普通的直径(12.5mm)稍小，为 其提供足够的可弯曲性。对于小直径的管，只有少量的低压水能够流向 流体切割刀。

在从煤中排放甲烷时，保证效率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，其中刚性钻孔绳被可弯曲的钻孔绳 代替，可弯曲的钻孔绳并不用于送进喷嘴装置。我们发现对可弯曲钻孔 绳切割装置可以保持在同一层面。我们的可弯曲钻孔绳能够容纳高压流 体(10000-20000磅/平方英寸)推进或送进切割仪器的能力减少或没有。 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仪器。

用高压可弯曲软管作为钻孔绳的一个主要优点是，其能够从一个滚 筒上连续送进和撤回。这样不需要不断地增加和撤下刚性钻孔绳。因 此，使用该技术能够极大地提高生产率。尽管螺旋钢管为已知技术，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非 常大。

此外，需要复杂的并且昂贵的方法将其送进炮眼。在本发明中，切 割装置和可弯曲钻孔绳能够相对简单地节省费用地被送进。

钻孔绳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 位置，在此用控制的方法改变钻孔的方向是有利的。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，联系前面提到的，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 性限制，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截面不能撤回，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， 可弯曲钻孔绳能够被撤回和再使用，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。

本发明的一个目的是提供一种钻孔系统，其可克服上述缺点或给公 众提供一种有用的商品选择。

在一种形式中，本发明属于一种自送进钻孔系统，其包括一个钻孔 仪器，该钻孔仪器至少有一个引导流体切割喷嘴，在该钻孔仪器上的装 置用于使钻孔仪器向前移动，以及一个由可复原的软管制成的钻孔绳。

因此，通过去除刚性钻孔绳，并且以一个或多个回复喷口的形式， 提供自送进机械结构，形成了有效的钻孔系统。

软管可只起钻孔绳的作用，但软管最好也起一个导管的作用，供驱 动切割喷嘴及回复喷口的流体在其中流动。设想，单独的其它管也可为 流体提供导管，但在该阶段，钻孔绳本身最好也起流体管的作用。该管 应当能够承受10000-20000磅/平方英寸的高压。

钻孔仪器本身可包括许多内部连接的子元件。

钻孔仪器的引导部分包括一个旋转高压喷嘴。合适的喷嘴为可以购 买到的Woma FR47喷嘴。这种喷嘴，包括向前的切割喷口和侧面铰孔 喷口，并且可以在喷嘴压力为10000-20000磅/平方英寸之间时使用，通 常在10000-15000磅/平方英寸的压力下使用。

安装喷嘴使其在保护壳子内旋转。该保护壳包括一个管状尾部部分 和一个向前开口的架子部分。在喷嘴旋转时，该保护架部分能保护喷 嘴，减少它与孔壁碰撞的意外事故。

架子可以做成台阶形，台阶正好位于铰孔喷口后面。该台阶可以帮 助使铰孔喷口指向炮眼壁上的突起物，突起物卡住台阶，并阻止喷嘴送 进。该铰孔喷口随后可以去除突起物，切割仪器得以送进。

该仪器不需要弯曲子元件，因为弯管不适于控制弯曲子元件的取 向。

最好，至少提供一个回复喷口，其可以为回复喷口子元件的一部 分。该回复喷口子元件位置与切割仪器的一个尾部部分相邻。该子元件 可包括四个具有向后指向的喷嘴的回复喷口，回复喷口均匀分布在子元 件的周围。回复喷口提供向前的推力，从而使钻孔仪器自动送进。喷口 通常在10000-20000磅/平方英寸下工作，喷口的数目和大小可以变化， 给该仪器提供一个纯向前的推力。

为了有效的起到“推力”喷口的作用，该喷嘴最好与仪器的纵轴呈 一小角度。最好为0-30度角，约5度的角为最好，因为这个角度能够使 “喷出”水清洁连在一起的可弯曲软管(并且不会将其切破)，同时还 有一个可接受的向后的推角。

切割仪器可以通过一个取向装置取向。取向装置的一种形式包括经 由回复喷口喷嘴的流体，其能够通过一个偏向装置有选择地偏向。偏向 装置帮助控制切割仪器。该偏向装置可包括一个偏向元件，其能够有选 择地移进和移出流体喷口流，以使水流偏向。偏向元件在圆环上有一个 合适的突起部分或类似物，该圆环围绕该回复子元件延伸。圆环转动可 使偏向元件有选择地进出流体喷口流。该圆环可以通过位于切削仪器内 部的驱动器旋转。

该偏向装置可以构成为控制切削仪器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削仪器的位置，使操 作者能够在地面通过计算机控制仪器。导向系统包括如下元件：

(a)一个传感装置，其能够确定切削仪器在三维空间的位置，

(b)一个单芯电线，其在切削仪器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。

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，从而依次使得斜向器变的紧实。

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仪器 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铰孔 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。