專利名稱：高壓旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆孔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖石破碎鉆孔方法，特別是用高壓旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆孔。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者對(duì)巖石破碎鉆孔技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，結(jié)果表明，高壓水射流破巖技術(shù)最具潛力。通過對(duì)高壓水射流破巖鉆孔方法的研究和分析，不難發(fā)現(xiàn)制約其實(shí)際應(yīng)用的問題主要有二一是破巖效率較低，能量消耗過大。這一方面主要是垂直射流靠沖擊壓力破碎巖石的方式所決定的。另一方面，能耗過大的原因除了破巖方式的影響外，主要是由于射流返回流的“阻擋”，使得射流達(dá)到巖石之前就消耗掉了大量的能量。其二即是鉆孔直徑太小，難以形成連續(xù)規(guī)則的孔眼。普通的水射流以水力能量集中作用在一個(gè)很小的面積上，以較高的動(dòng)壓力沖擊破碎巖石，如果沖擊面積增大，則單位面積上的動(dòng)壓力和沖擊力勢(shì)必減少，以致于使破巖效率降低，甚至不能破巖，否則就需要增大總水力功率，這往往又受到實(shí)際機(jī)泵條件的限制。
為了鉆出大直徑的連續(xù)孔眼，以便使后續(xù)的噴嘴及高壓管能夠順利地進(jìn)入其中，前人研制出了兩種射流噴嘴。一種是多孔噴嘴，即在噴嘴冠部不同半徑的圓周上以不同的角度布置許多小噴孔，依靠這些小噴孔噴射出的射流來覆蓋進(jìn)而破碎整個(gè)噴嘴前的巖石而鉆出大孔眼。這種方法對(duì)于強(qiáng)度比較低、質(zhì)地比較疏松的巖石，而且要求鉆出的孔眼較小時(shí)還可使用，但對(duì)于比較致密、強(qiáng)度又較大的巖石，靠這種方法很難鉆出符合要求的孔眼，而且破巖鉆孔的效率較低。另一種方法就是采用偏置多噴嘴旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來完成破巖鉆孔的任務(wù)，但由于偏置多噴嘴旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在高壓液體作用下的密封壽命短，同時(shí)旋轉(zhuǎn)速度難以控制，因此并沒有很高的實(shí)用價(jià)值。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種用高壓旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，用特殊設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴，在噴嘴體本身不旋轉(zhuǎn)的情況下產(chǎn)生高壓旋轉(zhuǎn)射流，從而高效破碎巖石并鉆出大的孔眼。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴可用內(nèi)加導(dǎo)向葉片的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴，也可用內(nèi)壁加工有螺旋槽的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴。
由于旋轉(zhuǎn)射流具有三維速度、有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，可以利用較小直徑的噴嘴、較低的泵排量破碎出大于其噴嘴直徑數(shù)倍到數(shù)十倍的孔眼，尤其是旋轉(zhuǎn)射流主要依靠剪切作用來進(jìn)行破巖，因此高壓旋轉(zhuǎn)射流的每一磨料顆粒以及流體質(zhì)點(diǎn)都具有三維速度，它們沖擊到巖石上時(shí)，對(duì)巖石顆粒不僅作用一個(gè)正向沖擊壓力，還施加了一個(gè)徑向“拉”力和一個(gè)周向“剪”力。這比普通射流單純對(duì)巖石作用正向沖擊壓力的情況對(duì)破巖有利得多。


圖1是內(nèi)加導(dǎo)向葉片的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是內(nèi)壁加工有螺旋槽的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。
實(shí)施例1是用內(nèi)加導(dǎo)向葉片的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴由導(dǎo)向葉片1、錐形加速段2、噴孔3所組成。當(dāng)高壓流體流經(jīng)導(dǎo)向葉片1時(shí)，在導(dǎo)向葉片的強(qiáng)制作用下，順葉片流道產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，經(jīng)過錐形加速段加速，從噴孔高速噴射而出形成射流。
實(shí)施例2是用內(nèi)壁加工有螺旋槽的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴由螺旋槽4、噴孔3所組成。當(dāng)高壓流體流經(jīng)螺旋槽時(shí)，順螺旋槽產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，邊旋轉(zhuǎn)邊加速，直接從噴孔高速噴射而出形成旋轉(zhuǎn)射流。
由于射流形成以后沒有噴嘴的固壁限制，而射流的每一質(zhì)點(diǎn)又具有三維速度，在離心力的作用下必然要向外擴(kuò)散，從而形成喇叭狀外擴(kuò)散的旋轉(zhuǎn)射流。這種射流不僅破碎巖石所需壓力低、效率高，而且可以鉆出一個(gè)比噴嘴本身直徑大幾倍到幾十倍的規(guī)則孔眼，如果加入磨料，還可在金屬或高強(qiáng)度的非金屬上鉆孔。
眾所周知，巖石是一種典型的各向異性材料，在不同的受力條件下，表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)，其抗壓強(qiáng)度最大，靠使射流產(chǎn)生的正向沖擊應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)度而使其破碎往往是非常困難的，前人的大量研究已證實(shí)了這一點(diǎn)。但是相對(duì)而言，巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都很低，一般巖石的抗剪強(qiáng)度僅為其抗壓強(qiáng)度的1/8～1/15，而抗拉強(qiáng)度只有其抗壓強(qiáng)度的1/10～1/50。因此旋轉(zhuǎn)射流對(duì)巖石施加的徑向“拉”力和周向“剪”力，加上正向沖擊產(chǎn)生的破碎力，便可較容易地達(dá)到或超過巖石的相應(yīng)強(qiáng)度，從而使巖石產(chǎn)生拉伸和剪切為主的破壞，大幅度提高了破碎效率，降低了破巖的門限壓力。
由于旋轉(zhuǎn)射流具有三維速度，其結(jié)構(gòu)形狀為中空的喇叭狀，因此就決定了旋轉(zhuǎn)射流破巖形成的井底形狀為內(nèi)凸錐狀。內(nèi)凸錐狀的破碎坑同時(shí)形成了內(nèi)錐面和孔壁兩個(gè)很大的自由表面，由于自由表面上的巖石破碎比能要下降50％～75％，所以使后續(xù)的破巖更容易。旋轉(zhuǎn)射流的旋流和擴(kuò)散特性不僅使射流沿形成的凸錐體旋切而下，而且會(huì)使沖擊到孔底的射流沿一定的外傾方向旋轉(zhuǎn)返回，避開了與后繼射流的混摻，基本上不會(huì)形成對(duì)射流的阻擋，這一方面節(jié)省了射流能量的消耗，提高了射流能量的有效利用率；另一方面，向外旋轉(zhuǎn)返回的返回流動(dòng)，尤其是攜帶有巖屑顆粒的返回流，對(duì)已形成的破碎坑的孔底和孔壁進(jìn)行旋削、沖蝕和整形，整個(gè)孔底內(nèi)的流動(dòng)就像一個(gè)圓形盤刀沿孔底滾動(dòng)碾磨一樣發(fā)揮破巖作用，本發(fā)明定義其為“水碾”作用。這種“水碾”作用一方面使井底得以加深，另一方面使內(nèi)錐體表面和孔眼壁面的自由表面上的巖石顆粒很容易被沖蝕掉，進(jìn)而擴(kuò)大了孔眼尺寸，規(guī)則了孔眼形狀，增加了孔眼深度。尤其隨著射流壓力的升高，射流的流速和流量及水力功率的大幅度提高，不僅直接增加了射流本身對(duì)巖石的沖擊、沖蝕和拉伸、剪切破壞能力，而且增大了射流的卷吸能力，使參與射流和返回流的流量大大增加，更進(jìn)一步強(qiáng)化了“水碾”作用的效果，這也正是旋轉(zhuǎn)射流隨壓力的升高，其破巖效率更高的本質(zhì)。
旋轉(zhuǎn)射流在中心和邊沿上形成的“藍(lán)金渦”將會(huì)導(dǎo)致空化氣泡的產(chǎn)生。這種由于液體質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致壓力降低所形成的以渦旋型為主的空化，其強(qiáng)度較高，生命周期較長(zhǎng)，空泡的爆破壓力較高。當(dāng)這些氣泡沖擊到巖石上爆炸時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，可高于射流壓力1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)巖石進(jìn)行破壞，從而又強(qiáng)化了破巖效果。
通過對(duì)旋轉(zhuǎn)射流結(jié)構(gòu)特性的研究和對(duì)破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，可以看出旋轉(zhuǎn)射流破巖的機(jī)理和過程，是多因素有機(jī)配合的復(fù)雜過程。既有射流沖擊引起的彈性拉伸破壞的成份，又有對(duì)巖石顆粒沖蝕的作用，以及“水楔”作用對(duì)巖石中裂紋的擴(kuò)展等一般水射流破巖的特點(diǎn)，更有其獨(dú)特的以剪切破壞為主的強(qiáng)度破壞特點(diǎn)，即先產(chǎn)生外圍環(huán)狀破碎帶，形成內(nèi)、外兩個(gè)較大的自由表面，繼而使自由面上的巖石顆粒受到剪切和沖蝕而很容易脫離巖石母體，并加之有空化射流破巖等特點(diǎn)。另一方面旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)外向返回的流動(dòng)特性，不僅減少了返回流對(duì)射流的阻力損失，還強(qiáng)化了對(duì)自由表面上巖石顆粒的剪切和沖蝕作用，進(jìn)一步揭示了破巖效率，并使鉆出的孔眼更圓、更規(guī)則，形成了其破巖鉆孔的特色。
根據(jù)破巖鉆孔的目的和巖性不同，這種旋轉(zhuǎn)射流的介質(zhì)可以不同。若巖石強(qiáng)度不高，不易坍塌時(shí)，可用清水或泥漿，若易坍塌或易水化時(shí)可用油等有機(jī)溶劑；若巖石強(qiáng)度很高時(shí)，可在這些液體介質(zhì)中加入固相顆粒，即“磨料”，形成磨料旋轉(zhuǎn)射流，從而具有更強(qiáng)的破巖鉆孔能力和更高的破巖效率。
這種高壓旋轉(zhuǎn)射流不僅可用于煤炭及石油行業(yè)的巖石破碎鉆孔中，而且可以應(yīng)用于交通、航天、建筑、冶金以及核工業(yè)等其他部門的清洗、切割、鉆孔等方面，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?br> 權(quán)利要求
1.一種用高壓旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔的方法，其特征是采用旋轉(zhuǎn)射流噴嘴來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔，而噴嘴體本身不旋轉(zhuǎn)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的用高壓旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔的方法，其特征是所說的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴是內(nèi)加導(dǎo)向葉輪的噴嘴或內(nèi)壁加工有螺旋槽的噴嘴。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的用高壓旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔的方法，其特征是當(dāng)巖石強(qiáng)度很高時(shí)，可在液體介質(zhì)中加入固相顆粒，即“磨料”，形成磨料旋轉(zhuǎn)射流。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用高壓旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行破巖鉆孔的方法，它是用特殊設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)射流來進(jìn)行破巖鉆孔。高壓旋轉(zhuǎn)射流噴嘴是內(nèi)加導(dǎo)向葉輪的噴嘴或內(nèi)壁加工有螺旋槽的噴嘴。旋轉(zhuǎn)射流具有三維速度，有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，其結(jié)構(gòu)形狀為中空的喇叭狀，可以利用較小直徑的噴嘴、較低的泵排量來破碎出大于其噴嘴直徑數(shù)倍到數(shù)十倍的孔眼。這種高壓旋轉(zhuǎn)射流不僅可用于煤炭及石油行業(yè)的巖石破碎鉆孔中，而且可以應(yīng)用于交通、航天、建筑、冶金以及核工業(yè)等其他部門的清洗、切割、鉆孔等方面，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?br> 文檔編號(hào)E21B7/18GK1405429SQ02135750
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月30日
發(fā)明者王瑞和, 沈忠厚, 周衛(wèi)東, 步玉環(huán) 申請(qǐng)人:石油大學(xué)(華東)