[發明專利]自進式鉆孔方法及脈沖空化旋轉射流噴嘴

有效

• 申請號: 201110167983.4
• 申請日: 2011-06-21
• 公開（公告）號: CN102345441A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 李根生;黃中偉;牛繼磊;馬東軍;田守嶒;史懷忠;宋先知
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: E21B7/18
• 分類號: E21B7/18
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 董惠石

技術領域

本發明涉及到一種鉆孔方法及噴嘴，尤其是一種可以產生振動作用和自進力的，脈沖射流、空化射流和旋轉射流耦合形成混合型組合射流進行鉆孔的方法，以及能夠實現該方法的自進式脈沖空化旋轉射流噴嘴。

背景技術

在現實生活中，我們在很多情況下都需要在地層中進行鉆孔。比如鋪設光纖電纜、運輸管線和鉆煤礦中的通風孔道及鉆油井或氣井的泄油氣孔道。應用高壓水射流在油井的儲層進行側向鉆進，進而增加油氣泄流面積的方法已經得到了廣泛的研究。

目前普遍應用的射流方法主要包括：連續直射流、脈沖射流、旋轉射流和空化射流。而這些射流方法均存在有個自的缺陷。具體是：

連續直射流以沖擊破壞方式對巖石進行破碎，即當射流的沖擊力大于巖石的抗壓強度時，巖石發生破碎，連續射流易產生水墊。脈沖射流以不連續能量的方式作用于巖石，不易產生水墊效應，在某一時刻射流打擊力可達到最大值，此時巖石受力最大，造成瞬間破壞，另一時刻射流打擊力變為最小值，在巖石沒有破壞前，打擊力由大到小，后由小到大，周期性變化，一直到巖石破壞為止。

旋轉射流以剪切破壞方式對巖石進行破碎，即當剪切應力大于巖石的抗剪強度時，巖石發生破碎。而同一種巖石的抗剪強度常為其抗壓強度的1/8-1/15。所以應用旋轉射流比直射流更容易破碎巖石，且可以產生較大的破碎面積，擴大并圓滑所鉆孔道壁面。

空化射流是利用水射流流束內空泡破裂所產生的強大沖擊力來增強射流沖蝕能力的方式對巖石進行破碎。空泡破碎產生的沖擊力一般為非空化射流沖擊壓力的8.6～124倍；并且空泡破裂時產生的能量高度集中，并局限在許多非常小的面積上，從而在物體表面許多局部區域產生極高的沖擊壓力和應力集中，使巖石表面迅速破壞，所以更容易破碎巖石。

目前廣泛應用于地層中鉆孔的噴嘴有多孔式噴嘴，機械旋轉式噴頭。多孔噴嘴即改變單孔噴嘴為多孔噴嘴，通過其產生的多股射流來增加沖蝕面積，但是該方法需要較高射流流量，而且由于破碎方式仍然為沖擊破碎，所以射流能量利用效率較低。并且其反向射流形成的孔道不夠規則。機械旋轉噴頭射流是利用水力或機械能量驅動整個噴頭旋轉，從而帶動噴頭上分布的多噴嘴旋轉，這種旋轉驅動方法存在旋轉密封阻力和壽命問題，射流能量利用效率也比較低。

有鑒于上述公知技術存在的缺陷，本發明人根據多年從事巖石破碎方面的實踐和研發的經驗，針對上述存在問題，提出本發明的自進式鉆孔方法及脈沖空化旋轉射流噴嘴。

發明內容

本發明要的目的是提供一種鉆孔方法及噴嘴，尤其是一種能克服公知技術存在的缺陷，高效利用射流能量破碎巖石，并通過噴嘴帶動軟管在地層中前進，最后形成孔深較深且所鉆孔道壁面圓滑的自進式鉆孔方法及脈沖空化旋轉射流噴嘴。

為此，本發明提供一種自進式鉆孔方法，該自進式鉆孔方法由脈沖射流法、空化射流法和旋轉射流法耦合形成；其中，在噴嘴內設置的葉輪體在流體的沖擊下能夠旋轉，所述葉輪體旋轉時能封閉一部分設置在噴嘴頭部的正向噴射口和設置在噴嘴上與所述正向噴射口方向相反的反向噴射口，流體從另一部分正向噴射口和反向噴射口噴出形成射流，在所述葉輪體的旋轉過程中交替封閉一部分所述正向噴射口和反向噴射口而產生所述脈沖射流；通過所述葉輪體的旋轉帶動進入所述噴嘴內的流體旋轉，當產生旋轉的所述流體從所述正向噴射口射出時則產生旋轉射流；且所述葉輪體的旋轉能使噴嘴內中心壓力降低而形成空化射流；利用自反向噴射口噴出的反向射流產生的牽引力形成噴嘴的自進力，并且擴孔、修整孔道壁面。

本發明還提供一種脈沖空化旋轉射流噴嘴，該噴嘴包括：噴嘴本體，呈一端為開口端的有底筒狀，在所述噴嘴本體的底部設有多個正向噴射口，從所述正向噴射口噴出的流體能破碎巖石，提供噴嘴前進的通道；在所述噴嘴本體的側壁上設有多個流體出口方向與所述正向噴射口的流體出口方向相反的反向噴射口，所述反向噴射口能使所述噴嘴產生向前的牽引力，并能擴大孔道和圓滑孔道壁面；葉輪體，能轉動地設置在所述噴嘴本體內，所述葉輪體靠近所述開口端一側的外周設有多個傾斜的葉輪槽；在轉動過程中，所述葉輪體能封閉設置在所述噴嘴本體上的一部分正向噴射口和一部分反向噴射口，而另一部分正向噴射口和反向噴射口能與所述葉輪槽相導通；導流體，能拆卸地與所述噴嘴本體的開口端固定連接，將所述葉輪體封閉在所述噴嘴本體內；所述導流體的一端為與供液管相連接的進液口，另一端設有一個以上與所述進液口連通的導流孔，所述導流孔能與所述葉輪槽相連通。

本發明的自進式鉆孔方法及其脈沖空化旋轉射流噴嘴與現有技術相比具備的優點和特點是：