CN101283158A - 用于钻孔的方法和钻岩设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在岩石中钻孔的方法和钻岩设备。在该方法中，用所谓的顶锤式钻岩设备来钻孔，所述岩石钻探设备包括钻杆和在该钻杆端部的锥形牙轮钻头。在用撞击装置钻凿的过程中，在至少200Hz的高频率下产生低幅度应力脉冲。在所述岩石钻探设备中，在钻杆端部的所述锥形牙轮钻头(3)和撞击装置设置成将在至少200Hz的频率下的低幅度应力脉冲经由钻杆和锥形牙轮钻头传给岩石。

Description

用于钻孔的方法和钻岩设备

技术领域

本发明涉及一种利用顶锤式钻岩设备在岩石中钻孔的方法，这种顶锤式钻岩设备包括钻岩机，钻杆连接到所述钻岩机，在钻杆一端连接有钻头，且所述钻岩机包括撞击装置和旋转马达，在该方法中，钻杆和钻头与旋转马达一起旋转，而应力脉冲通过撞击装置经由钻杆和钻头而被引导至岩石，用于破碎岩石。本发明还涉及用于在岩石中钻孔的钻岩设备，所述钻岩设备包括顶锤式钻岩机、连接至钻岩机的钻杆和连接到钻杆端部的钻头，且所述钻岩机包括撞击装置和旋转马达，所述撞击装置用于经由钻杆和钻头给岩石提供应力脉冲，所述旋转马达用于使钻杆和钻头旋转。

背景技术

当涉及硬岩石类型时，用所谓的顶锤式钻岩设备来实现岩石钻凿，该顶锤式钻岩设备包括钻岩机、钻杆和在钻杆端部的工具(即钻头)，钻杆由连接至钻岩机的一个或更多互相连接起来的部件组成。在已知的解决方案中，钻头具有固定主体，在面向钻凿方向的固定主体的表面中，被嵌入有若干硬金属块，这些硬金属块通过来自于撞击装置的应力脉冲作用而进行有效的岩石破碎。已知解决方案具有缺陷，即岩石破碎需要较大的力，且因此硬金属块必须设计得更多考虑到加载的持续时间，而不是有效破碎岩石。随着孔的直径的增加，使孔的底部破碎的金属块的数量也将增加。金属块数量的增加也使钻头的设计更加困难，这是因为金属块应以均匀方式被加载。实践中，事实是金属块以相对不均匀的方式被加载，从而降低了钻凿速率。

此外，利用顶锤式钻凿设备也很难钻凿大孔，最大的孔尺寸是5.5英寸至6英寸，这是因为在钻凿5英寸直径的孔时已经出现了大量问题。在已知的顶锤式钻岩设备中，岩石破碎所需要的能量也是非常高的，通常约600J至800J。在目前的设备中，钻头的硬金属块受到极高的应变力。当用较大的力顶着岩石推动钻头且金属块在岩石表面上滑移时，结果是强烈的磨损，在金属块的形状设计中，这也必须被考虑进去。

具有8英寸至10英寸直径的大孔通常利用旋转钻机来钻凿，该旋转钻机在没有撞击的作用下工作并使用配备有旋转锥形牙轮钻头的钻头。这些存在问题，即岩石破碎需要极大的静态作用力，且因此这些所谓的旋转钻凿设备是笨重的且需要坚固的基座。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钻岩的方法和设备，其允许比以前更有效的钻探，且与目前可行的尺寸相比较，其允许顶锤式钻岩设备增加能够经济地并有效地钻凿的孔的尺寸。

本发明方法的特征在于：所用钻头是锥形牙轮钻头，且撞击装置提供在高频率下的低幅度应力脉冲，使得钻头的负载因子是至少0.075。

本发明的钻岩设备的特征在于：钻头是锥形牙轮钻头，且撞击装置设置成经由钻杆和钻头给岩石提供在高频率下的低幅度应力脉冲，使得钻头的负载因子是至少0.075。

本发明的基本思想是顶锤式钻岩设备使用锥形牙轮钻头作为工具。本发明的另一基本思想是钻凿采用了在高频率下产生的低幅度应力脉冲，使得钻头的负载因子是较高的，至少为0.075。

与目前用于顶锤式钻凿中的解决方案相比较，本发明具有金属块上的负载降低的优势。同样，进给力大大低于目前旋转钻凿中所需要的进给力。由于应力脉冲幅度较低，因此用于钻凿的钻杆设备可以考虑对钻凿至关重要的参数(如刚性、冲洗等)而得到更好地设计，这是因为钻杆中的张力并不会限制设计。进一步的优点是锥形牙轮钻头提供了对称负载，在通常钻头中，这不是常有的情形，在通常钻头中，前沿表面上的金属块必须不对称地放置，以便能够有效地钻凿。又一优点是：由于锥形牙轮钻头的旋转运动，钻凿摩擦和工具磨损显著低于目前可行的解决方案中的钻凿摩擦和工具磨损。

附图说明

将结合附图对本发明进行更详细地描述，其中：

图1是本发明的钻岩设备的示意图；

图2示意性地显示了在常规顶锤式钻岩设备、所谓的旋转钻机和本发明的钻岩设备中作用在钻头上的力；以及

图3示意性地显示了类似于图2的在不同数值情况下的同样的力。

具体实施方式

附图显示了顶锤式钻岩设备，其包括钻岩机1、连接到钻岩机的钻杆2和连接在钻杆端部处的锥形牙轮钻头3。钻岩机1包括撞击装置1a和旋转马达1b。撞击装置1a经钻杆2将冲击传递到锥形牙轮钻头3，且相应地，旋转马达1b使钻杆和锥形牙轮钻头3与其一起旋转。它们的结构和操作本身上是已知的，因此不需要对它们进行更详细地描述。

通常地，撞击装置按本身上已知的方式并借助于本身上已知的进给机构而沿进给梁4移动，在进给梁4端部处，通常具有钻凿导引器5，其用于在钻凿过程中引导钻杆且因此引导钻头。进给梁4通常又与吊杆6等连接一起连接到钻岩设备的基座(未显示)。这些结构及其操作对于本领域的技术人员来说通常是已知的且是显而易见的，因此不需要对它们在这方面进行更详细地描述。在钻凿过程中，孔7通常形成在岩石8中。

在本发明的钻岩设备中，钻岩机1的撞击装置1a对钻杆2产生频率为200Hz至1000Hz的应力脉冲，并通过钻杆到达钻头，进一步到达待钻凿的岩石。当钻头随旋转马达1b一起相应地旋转，例如最少250rpm至300rpm，而且钻凿直径100mm的孔时，锥形牙轮钻头3设法转动，使得在每个应力脉冲到达时，与岩石接触的金属块总是在与前一个应力脉冲到达时不同的一个位置上。所要传到锥形牙轮钻头的应力脉冲幅度是较低的，通常为100MPa，至多为150MPa。当通常包括配备有硬金属块的三个旋转锥体的锥形牙轮钻头中的仅几个金属块与岩石接触时，可以经由金属块将足够的力引导向岩石，从而使岩石碎碎。在钻凿一致尺寸的孔时，每一应力脉冲所需要的能量值是常规钻岩设备所需要的能量的通常约1/5或1/10。另一方面，因为在锥形牙轮钻头3中，硬金属块并不与岩石摩擦，而是同时旋转钻头，使得锥形牙轮旋转，且由于旋转的原因，顶靠着岩石的硬金属块连续性地改变，所以硬金属块不需要被设计成抵抗较大的力，且因此从岩石破碎的观点来说，它们可成形为高效率的。由于锥形牙轮钻头的原因，需要的转动力矩是较低的，这是因为没有必要克服类似于已知解决方案中的滑动摩擦。所需要的进给力相对较低，而且尽管如此，结果是岩石破碎还是非常有效。

图2示意性地显示了在常规顶锤式钻岩机、所谓的旋转钻机和使用根据本发明方法的本发明的钻岩设备中作用在钻头上的力。由常规顶锤式钻岩机所产生的应力脉冲幅度是较高的，且应力脉冲的持续时间非常短。在图2的例子中，常规钻岩机的典型应力脉冲(例如频率50Hz，脉冲长度0.2ms)产生约250kN的瞬时负载力，由此钻头的总负载因子(α)约0.01。这些脉冲用字母A表示。

用于在岩石破碎中决定岩石如何破碎的规定负载因子(α)将被临时加载。这可用以下公式(1)来表达：

$\mathrm{\α}=\frac{t_p}{T}=t_{p}f=\frac{L_{p}f}{C}---\left(1\right)$

这里，t_p是应力脉冲的长度，f是频率，L_p是波长，以及C是工具中应力脉冲的速度。在目前撞击装置中，典型的负载因子α＝0.01-0.025。

例如，在活塞长度是0.5m和频率是60Hz的撞击装置中，负载因子α是0.012。

本发明的方法提供高得多的负载因子，由此

α＝＞0.075，优选至少为0.1。

理论上，最大负载因子是1，但实际上那是不可能的。产生应力波的装置消耗部分时间用于应力波产生和部分时间用于恢复，即返回到应力波产生位置。实际上，这意味着，由于事实上恢复速度不可能高于应力波产生速度，所以最大负载因子实际上约为0.5。

当所谓的旋转钻机用于钻凿时，钻头持续地经受静态负载(α～1)，其由水平线B描绘出来。例如，负载约为70kN的量级。

在常规顶锤式钻岩机中，常规固定钻头必须主要设计成对于抵抗负载力是最理想的。这就是为什么实际上必须仅考虑到这个目的来设计金属块的形状和结构以及钻头的结构的原因，这是因为对于钻凿来说，钻头至少维持一段合理的时间是至关重要的。在通过锥形牙轮钻头进行的正常旋转钻凿中，高负载阻力不是主要因素，这是因为负载力是具有固定钻头的顶锤式钻岩机的负载力的约1/3。取而代之的是，用于提供静态负载的重型设备是必不可少的。

字母C表示借助于根据本发明的钻岩设备(即配备有锥形牙轮钻头的顶锤式钻岩机)创建的情形(例如频率500Hz，脉冲持续时间0.4ms)。这里，负载力约高于旋转钻机中的负载力70％，但少于由常规顶锤式钻岩机提供的负载力的一半。锥形牙轮钻头耐得住这种瞬间加载，由此，高应力脉冲频率的使用产生0.1的负载因子α。当比较常规顶锤式钻岩机和本发明的钻岩设备之间的应力脉冲频率时，从图中很明显看到，在本发明的钻岩设备和方法中，应力脉冲频率可达到高出十倍。低幅度和高频率的使用产生了高负载因子α，这种低幅度高于通常通过旋转钻机获得的静态值，与配备有固定钻头的常规顶锤式钻岩机所产生的负载因子相比较，这个负载因子高出10至200倍。

类似于图2，图3示意性地显示了常规顶锤式钻岩机、所谓的旋转钻凿装置以及使用了根据本发明方法的本发明的钻岩设备中作用在钻头上的力。然而，在这个例子下，本发明方法所使用的脉冲值是不同的，即频率是400Hz，脉冲持续时间是0.25ms，但是脉冲幅度相同。于是，负载因子α是0.1。

在研究本发明方法和设备的操作的实验测试中发现，当使用200Hz至1000Hz的脉冲频率时，使用0.075-0.5的负载比是有利的。随着负载比的增加，所需的进给力也明显地增加，这是不理想的。

附图和相关说明书仅是用来展示本发明的思想。本发明的细节可在权利要求书的范围内进行改变。

Claims (6)

1.一种利用顶锤式钻岩设备在岩石中钻孔的方法，所述顶锤式钻岩设备包括钻岩机(1)，钻杆(2)连接到所述钻岩机(1)，在所述钻杆(2)端部连接有钻头，且所述钻岩机(1)包括撞击装置(1a)和旋转马达(1b)，在所述方法中，所述钻杆(2)和所述钻头与所述旋转马达一起旋转，且通过所述撞击装置(1a)，有应力脉冲经由所述钻杆(2)和所述钻头被引导至岩石，用于破碎岩石，其特征在于：所用的所述钻头是锥形牙轮钻头(3)，且所述撞击装置(1a)产生在高频率下的低幅度应力脉冲，使得所述钻头的负载因子(α)是至少0.075。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述应力脉冲频率是至少200Hz。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述应力脉冲的幅度至多为150MPa，优选为100MPa。

4.一种用于在岩石中钻孔的钻岩设备，所述钻岩设备包括顶锤式钻岩机(1)、连接至所述顶锤式钻岩机(1)的钻杆(2)和连接到所述钻杆(2)端部的钻头，且所述钻岩机(1)包括撞击装置(1a)和旋转马达(1b)，所述撞击装置(1a)用于经由所述钻杆(2)和所述钻头给岩石提供应力脉冲，所述旋转马达(1b)用于使所述钻杆(2)和所述钻头旋转，其特征在于：所述钻头是锥形牙轮钻头(3)，且所述撞击装置(1a)设置成经由所述钻杆(2)和所述钻头以高频率给岩石提供低幅度应力脉冲，使得所述钻头的负载因子(α)是至少0.075。

5.如权利要求4所述的钻岩设备，其特征在于：所述撞击装置(1a)设置成产生在至少200Hz的频率下的应力脉冲。

6.如权利要求4或5所述的钻岩设备，其特征在于：所述撞击装置(1a)设置成产生具有至多为150MPa、优选为100MPa幅度的应力脉冲。

Images