专利名称：高压旋转双射流钻孔方法及其高压旋转双射流喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种钻孔方法及其钻头，特别是用直射流和旋转射流形成的高压旋转双射流钻孔方法及其高压旋转双射流喷嘴。本发明的方法及喷嘴特别适用于岩石的破碎。
背景技术：
在生产实际中，高压射流破岩技术作为一种新型高效破岩手段，已经得到广泛应用和研究，但是寻求一种既能钻大深度又能钻大直径孔眼的射流方法和设备一直是人们研究而未彻底解决的目标。目前应用较广泛的射流形式主要包括直射流和旋转射流两种，其中直射流具有较大的能量传递距离，主要破碎岩石方式为冲击破碎，可以形成深度较大但孔径较小的破碎孔道；旋转射流则具有较大的能量传递距离，而且破坏形式为剪切破坏，可以大大降低破岩门限压力并形成较大面积的岩石破碎，但是其破岩深度较小，而且在旋转射流轴心处的岩石因为缺少射流冲击而不能清除，会在岩石破碎孔道底部形成凸起，而影响破岩效果。
针对上述两类方式，常用的解决办法是采用多孔喷嘴射流或机械旋转喷头射流。多孔喷嘴射流即改变单孔喷嘴为多孔喷嘴，利用多个喷嘴来扩大射流能量的冲击面积，但是该方法需要大大的提高射流流量而且由于破碎方式仍然为冲击破碎，所以射流能量利用效率较低。机械旋转喷头射流是利用水力或机械能量驱动整个喷头旋转，从而带动喷头上分布的多喷嘴旋转，这种旋转驱动方法存在旋转密封阻力和寿命问题，需要消耗一部分射流能量和功率，射流能量利用效率也较低。
有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事管道环空清理方面的实践和研发的经验，针对上述存在问题，提出本发明的高压旋转双射流钻孔方法及其钻头喷嘴。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高压旋转双射流钻孔方法及其钻头喷嘴，可以克服现有技术中的缺陷，高效利用射流能量破碎岩石，而形成孔深较深和孔径较大的岩石破碎方法及其高压旋转双射流喷嘴。
为此，本发明提供一种高压旋转双射流钻孔方法，同时应用旋转射流法和直射流法，旋转射流法在目标区形成大的能量传递面积区，直射流在目标区中心部分形成能量传递面积区，旋转射流法和直射流法的两种射流为相互剪切关系，旋转射流法和直射流法的两种射流相互剪切产生空化作用。
本发明还提供一种可实现上述方法的高压旋转双射流喷嘴，其包括外喷嘴和内喷嘴，内喷嘴设置于外喷嘴内部，并设有加旋叶片，内外喷嘴间的组合方式为内喷嘴和外喷嘴同轴设置。
本发明的高压旋转双射流钻孔方法及其高压旋转双射流喷嘴与现有技术相比具备的优点和特点是本发明提出的高压旋转双射流钻孔方法是一种把直射流和旋转射流合理组合在一起而形成的高压旋转双射流钻孔方法，其钻头喷嘴结构是中间为直射流，外层为环状、同轴旋转射流。即，具有利用喷嘴内部的固定加旋叶片来产生旋转速度而形成旋转射流，而另一部分流体则通过独立的中间流道流出而形成直射流的优点和特点。从而，一方面利用旋转射流来高效破碎岩石并形成较大的岩石破碎面积，另一方面则利用直射流能量传递距离较长的优点，利用冲击破碎岩石提高破碎深度，而且由于直射流和旋转射流间的强剪切作用，易于在射流中产生大结构的涡旋，会产生局部负压区，可以形成较强的空化现象，从而大大提高射流能量的利用效率。
本发明的高压旋转双射流钻孔方法，在流体中加入磨料后，可提高所喷射出的流体的冲击性能，可实现在金属或高强度的非金属上的钻孔。
本发明采用的旋转射流结合直射流的高压旋转双射流喷嘴结构，可使其产生的旋转双射流比普通的锥形射流和旋转射流的破岩钻孔效果有较大的提高，试验表明在相同的压力、排量条件下与直射流相比较，双射流的破岩门限压力仅为直射流的1/2，其冲蚀面积扩大2-4倍，破岩体积比能可降低85％以上，并对破碎岩屑的清洗效果有明显的改善；与单股旋转射流相比较，其破岩深度增加了而且避免了旋转射流破岩时形成的孔底凸起，具有广阔的应用前景和发展潜力。因此，本发明既可用于各种切削型钻头(如PDC钻头)，也可用于普通的牙轮钻头或刮刀钻头，亦可用作水力破岩钻头或液力清洗、除锈等设备的冲头。
图1为本发明的高压旋转双射流喷嘴轴向剖面示意图；图2a为本发明的高压旋转双射流喷嘴中内喷嘴的轴向结构示意图；图2b为沿图2a中A-A线的剖面示意图；图3a为本发明的高压旋转双射流喷嘴中外喷嘴的轴向结构示意图；图3b为沿图3a中D-D线的剖面示意图。
具体实施例方式
下面结合附图来详细说明本发明的实施例，从而使本发明要解决的技术问题、特征和所达到的技术效果更加清楚明了。
本发明的高压旋转双射流钻孔方法包括旋转射流法和直射流法，旋转射流法和直射流法为同时应用，旋转射流法在目标区形成大的能量传递面积区，直射流在目标区中心部分形成能量传递面积区，旋转射流法和直射流法的两种射流间的剪切关系，达到充分利用旋转射流能量传递面积大和直射流能量传递距离长的优点，并利用旋转射流剪切破岩的技术效果，两种射流的相互剪切还可以产生较强的空化作用而高效破碎岩石。
本发明的高压旋转双射流钻孔方法可以在流体中加入磨料，从而提高所喷射出的流体的冲击性能，加入磨料的方式可以采用现有技术中常规方式，本发明的高压旋转双射流钻孔方法还可在金属或高强度的非金属上钻孔。
请参见图1到图3，说明本发明的高压旋转双射流喷嘴的具体实施方式
。由图1可见，本发明的高压旋转双射流喷嘴包括外喷嘴1和内喷嘴2，内喷嘴2设置于外喷嘴内部，并具有加旋叶片3，内外喷嘴间的组合方式为内喷嘴2和外喷嘴1同轴套设。
请参见图2a、2b，其为本发明的高压旋转双射流喷嘴中内喷嘴的轴向结构示意图和剖面示意图。所述内喷嘴2的外形大概呈一漏斗形，其前端为呈柱状的内喷嘴出口段21，其内部构成内出口24，所述内喷嘴2的后部为柱状体23，该柱状体23的外部设有至少两个加旋叶片3，见图2a，在本实施例中为3个加旋叶片，所述柱状体23与内喷嘴出口段21之间由锥形连接段22相连接。所述内喷嘴2的内部，即柱状体23、锥形连接段22的内部均为中空腔，该中空腔构成与上述内出口24相连通的流体通道25。
请参见图3a、3b，其为本发明的高压旋转双射流喷嘴中外喷嘴轴向结构示意图和剖面示意图。外喷嘴1为喷嘴的主体，包括一个中空的进口流道11和锥形的出口流道10，在出口流道10的前端为喷射口12。请同时参见图1，内喷嘴2嵌入在外喷嘴1内，中空的进口流道11含设内喷嘴2的形成流体通道25的柱状体23，圆锥形的出口流道10含设内喷嘴的锥形连接段22，喷射口12含设内喷嘴的柱状出口段21，且外喷嘴1的各部分内径均大于内喷嘴2与之相配合的各部分外径，即，所述外喷嘴1的喷射口12的内径大于内喷嘴2的柱状出口段21的外径，外喷嘴1的出口流道10的内径大于内喷嘴2的锥形连接段22的外径，以及外喷嘴1的进口流道11的内径大于内喷嘴2的柱状体23的外径，从而在外喷嘴1与内喷嘴2之间形成旋转射流流出的环空流道4。
所述设置在内喷嘴2的柱状体23外部的加旋叶片3的外径尺寸为小于等于外喷嘴1进口流道11的内径尺寸，从而使该内喷嘴2在高压流体的冲击下在外喷嘴1内可进行旋转。所述加旋叶片3的空间形态可以是螺旋曲线或者其他形式的空间曲线，在本实施例中为螺旋曲线。
现结合图1说明本发明的高压旋转双射流钻孔方法及其高压旋转双射流喷嘴的工作原理。图1中，当一股高压流体进入外喷嘴1的进口流道11后，一部分流体继续流动通过内喷嘴2的流体通道25和内出口24流出，形成直射流；另一部分流体则通过内喷嘴2与外喷嘴1之间的环空流道4，然后通过外喷嘴1的喷射口12流出。因为加旋叶片3的存在，在轴向流动的同时该部分流体获得了旋转速度，形成旋转射流。由于该旋转射流形成以后没有喷嘴的固壁限制，而射流的每一质点又具有三维速度，在离心力的作用下必然要向外扩散，从而形成喇叭状外扩散的旋转射流。这种射流不仅破碎岩石所需压力低、效率高，而且可以钻出一个比喷嘴本身直径大几倍到几十倍的规则孔眼。
众所周知，岩石是一种典型的各向异性材料，在不同的受力条件下，表现出不同的力学性质，其抗压强度最大，靠使射流产生的正向冲击应力超过其抗压强度而使其破碎往往是非常困难的，前人的大量研究己证实了这一点。但是相对而言，岩石的抗拉强度和抗剪强度都很低，一般岩石的抗剪强度仅为其抗压强度的1/8-1/15，而抗拉强度只有其抗压强度的1/10-1/50。因此旋转射流对岩石施加的径向“拉”力和周向“剪”力，加上正向冲击产生的破碎力，便可较容易地达到或超过岩石的相应强度，从而使岩石产生拉伸和剪切为主的破坏，大幅度提高了破碎效率，降低了破岩的门限压力。利用这种组合方式，可以充分的发挥直射流和旋转射流各自的优点，并相互补充，能够在岩石中形成深度和直径都较大的破碎孔道。
唯上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以之限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。
权利要求
1.一种高压旋转双射流钻孔方法，其特征在于同时应用旋转射流法和直射流法，旋转射流法在目标区形成大的能量传递面积区，直射流在目标区中心部分形成能量传递面积区，旋转射流法和直射流法的两种射流为相互剪切关系，旋转射流法和直射流法的两种射流相互剪切产生空化作用。
2.如权利要求1所述的高压旋转双射流钻孔方法，其特征在于在同时应用旋转射流法和直射流法时，在流体内加入磨料。
3.如权利要求1或2所述高压旋转双射流钻孔方法，其特征在于通过将外喷嘴与内喷嘴相互套设，使内喷嘴的外径小于外喷嘴的内径，在所述内喷嘴的外部设置至少两个加旋叶片，且在外喷嘴设置进口流道，在内喷嘴的内部构成流体通道，在外喷嘴与内喷嘴之间形成环空流道，从而流体进入外喷嘴的进口流道后，一部分通过内喷嘴流出形成直射流，另一部分则通过上述环空流道流出，并在加旋叶片的作用下形成旋转射流。
4.一种用于如权利要求1所述方法的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于包括外喷嘴和内喷嘴，内喷嘴设置于外喷嘴内部，并设有加旋叶片，内外喷嘴间的组合方式为内喷嘴和外喷嘴同轴设置。
5.如权利要求4所述的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于所述内喷嘴的外形呈一漏斗形，其外部设有至少两个加旋叶片；所述内喷嘴的前端为呈柱状的内喷嘴出口段，内部构成内出口，其后部为柱状体，所述柱状体与内喷嘴出口段之间由锥形连接段相连接，所述内喷嘴的内部构成与上述内出口相连通的流体通道。
6.如权利要求5所述的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于所述内喷嘴的柱状体外部设有3个加旋叶片。
7.如权利要求4至6任一项所述的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于所述加旋叶片的空间形态可以是螺旋曲线或者其他形式的空间曲线。
8.如权利要求7所述的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于所述外喷嘴为喷嘴的主体，包括一个中空的进口流道和锥形的出口流道，在出口流道的前端为喷射口。
9.如权利要求7所述的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于所述内喷嘴嵌套在外喷嘴内，中空的进口流道含设内喷嘴的形成流体通道的柱状体，锥形的出口流道含设内喷嘴的锥形连接段，喷射口含设内喷嘴的柱状出口段，且外喷嘴的各部分内径均大于内喷嘴与之相配合的各部分外径，在外喷嘴与内喷嘴之间形成旋转射流流出的环空流道。
10.如权利要求4所述的高压旋转双射流喷嘴，其特征在于所述内喷嘴的外形呈一漏斗形，其外部设有至少两个加旋叶片；所述内喷嘴的前端为呈柱状的内喷嘴出口段，内部构成内出口，其后部为柱状体，所述柱状体与内喷嘴出口段之间由锥形连接段相连接，所述内喷嘴的内部构成与上述内出口相连通的流体通道；所述加旋叶片的空间形态为螺旋曲线；所述外喷嘴为喷嘴的主体，包括一个中空的进口流道和锥形的出口流道，在出口流道的前端为喷射口；所述内喷嘴嵌套在外喷嘴内，中空的进口流道含设内喷嘴的形成流体通道的柱状体，锥形的出口流道含设内喷嘴的锥形连接段，喷射口含设内喷嘴的柱状出口段，且外喷嘴的各部分内径均大于内喷嘴与之相配合的各部分外径，在外喷嘴与内喷嘴之间形成旋转射流流出的环空流道。
全文摘要
一种高压旋转双射流钻孔方法，其同时应用旋转射流法和直射流法，旋转射流法在目标区形成大的能量传递面积区，直射流在目标区中心部分形成能量传递面积区，旋转射流法和直射流法的两种射流为相互剪切关系，旋转射流法和直射流法的两种射流相互剪切产生空化作用。用于该方法的高压旋转双射流喷嘴，包括外喷嘴和内喷嘴，内喷嘴设置于外喷嘴内部，并设有加旋叶片，内外喷嘴间的组合方式为内喷嘴和外喷嘴同轴设置。本发明把直射流和旋转射流合理组合在一起，提高了射流能量的利用效率，实现了在金属或高强度的非金属上的钻孔；本发明既可用于各种切削型钻头，也可用于普通的牙轮钻头或刮刀钻头，亦可用作水力破岩钻头或液力清洗、除锈等设备的冲头。
文档编号E21B7/18GK1959058SQ20051011735
公开日2007年5月9日 申请日期2005年11月2日 优先权日2005年11月2日
发明者李根生, 宋剑, 牛继磊, 黄中伟 申请人:中国石油大学(北京)