CN100545412C - 流体喷射钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明以一种用于在地质构造中挖掘孔(2)的挖掘装置(1)为特征，所述挖掘装置(1)包括：主体，其在孔(2)中沿旋转轴线可转动；喷嘴(7)，其布置在所述主体上以喷射磨料流体流(9)到地质构造中的表面(4)上以便产生孔(2)，其中，磨料流体流具有至少径向速度分量和平行于旋转轴线的分量。所述挖掘装置还包括：定距支座(8，38)，其布置在所述主体上以确保喷嘴(7)出口和表面(4)之间的预定距离；其中，所述定距支座(8，38)具有面向地质构造的喇叭形内表面部分(12)，所述喇叭形内表面部分(12)具有使流体流(9)穿过的开口(16)。喇叭形内表面部分(12)中的开口(16)由形成于定距支座(8，38)的壁部内表面(12)中的凹槽(15)所限定，喷嘴由此布置成在凹槽中排放。本发明还以如上所述的定距支座(8，38)为特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种用作挖掘装置一部分的定距支座，所述挖掘装置布置为产生喷射到地质构造上的磨料流体流，从而在地质构造中挖掘孔。
本发明还涉及一种用于在地质构造中挖掘孔的挖掘装置，该挖掘装置包括这种定距支座。
背景技术
WO-A-02/34653显示了这种挖掘装置。所述挖掘装置使用压力作用下的流体射流，磨料颗粒混合在所述流体中以侵蚀一个表面的材料以便在所述表面中产生孔。射流相对于挖掘装置在孔中的进给方向以某一角度定位，并且其在孔内部可旋转地操作以便产生孔。这显示为由于磨料射流的旋转，产生了在所述孔的底部具有堆积形中心部分的孔。
根据现有技术的挖掘装置包括L形托架形式的定距支座，以便确保喷嘴到孔底部的预定距离。所述托架与孔底面的下述部分相接触，该孔底面部分与磨料射流当时冲击孔的位置径向相对。当磨料射流离开喷嘴出口时，它进入自由空间。
这样可导致磨料射流的错位，由此在钻孔壁中产生不希望的侵蚀，并且使磨料射流及其中所含能量的有效使用较差。
发明内容
本发明提供了一种用作挖掘装置一部分的定距支座，所述挖掘装置布置为产生喷射到地质构造上的磨料流体流从而在地质构造中挖掘孔，所述定距支座包括具有面向待挖掘地质构造的喇叭形内表面部分的壁部，在壁部的喇叭形内表面部分中形成有凹槽，从而限定了喇叭形内表面部分的开口，以允许磨料流体流从凹槽内部穿过喇叭形内表面部分以冲击地质构造。
本发明还提供了一种用于在地质构造中挖掘孔的挖掘装置，所述挖掘装置包括：
-主体，该主体在孔中沿旋转轴线可转动；
-喷嘴，该喷嘴布置在所述主体上以将磨料流体流喷射到地质构造中的表面上以便产生孔，其中，磨料流体流具有至少径向速度分量和平行于旋转轴线的分量；和
-定距支座，该定距支座布置在所述主体上以确保喷嘴出口和所述表面之间的预定距离；其中，
-所述定距支座具有面向地质构造的喇叭形内表面部分，所述喇叭形内表面部分具有允许射流穿过的开口。
喇叭形内表面部分适于大体上与孔的堆积形底面轮廓相匹配。挖掘工具在孔内的旋转导致磨料射流在孔中旋转，使得射流可以沿孔掠射。当将定距支座放置在堆积形底部轮廓之上时，定距支座因此提供了孔底部轮廓在旋转磨料射流前面的改进的对准程度。
喇叭形内表面部分中的开口优选由形成于定距支座壁部的喇叭形内表面中的凹槽所限定，喷嘴因此布置为在凹槽中排放。
当被放入地质构造中的孔内并且位于堆积形底部轮廓上方时，凹槽限定了用于使磨料流体流穿过的通道。凹槽因此使对磨料流体流的限制变得更容易从而保持了较高的密度。因此，存在于磨料流体流中的能量的效力在挖掘中得到增加。
由于限制了定距支座的喇叭形内表面和孔底面之间的空间，当射流在开放空间中排放时，磨料射流现在比原来更好地沿着底面流动。这样就增大了磨料射流的效率。
应该注意美国专利2,779,571公开了一种丸式(pellet)冲击钻头，其具有喇叭形支脚部分。喷嘴位于孔上并且在喇叭形支脚部分之上以用于在开放空间中释放冲击丸。所述支脚部分具有使冲击丸可以穿过的完全移出段，所述移出段不能引导或汇聚冲击丸流。
与此相比，本发明以形成于定距支座壁部内表面中的腔室形式的凹槽为特征，使得用于使磨料射流穿过的暗道形成在孔底部和壁中凹槽之间。所述磨料射流因此可以在掠射的方向上冲击孔的堆积形底部，从而在保持其堆积形底部轮廓的同时研磨该表面。
本发明的定距支座中的喇叭形状可以通过任意一种圆锥形形状实现，优选地为直锥体或具有凹面侧轮廓的锥体，或者具有向外增加的开度角的向外渐缩轮廓式锥体。
优选地，喇叭形内表面在中心区域收敛，从而，开口延伸以包括中心区域。所述中心区域最好被旋转轴线贯穿，使得挖掘装置可以围绕中心区域旋转并且确保位于孔中心处的构造受到磨料射流的冲击。
优选地，所述开口为细长形状的开口，其延伸方向与喷嘴的排放方向对准。这样使得在磨料流体流和孔堆积形底部之间存在小的冲击角。
典型地，定距支座的圆周外表面部分通过边缘区域连接到喇叭形内表面部分，因此优选地，喇叭形内表面中的开口延伸至边缘区域。因此实现了即使设置在喇叭形内表面部分中的开口被孔中的堆积形底部轮廓完全覆盖，存在于凹槽中的磨料流体也可以从凹槽中排出。这样就降低了磨料射流从喷嘴的流出受阻的风险。
此外，因为开口设置在喇叭形内表面部分中，所述内表面可以接触孔底部最小的挖掘部分，从而防止了挖掘装置沿旋转轴线的纵向进给。因此，开口在喇叭形内表面部分中的设置确保了只有全部的孔底区域被冲刷掉，才可进行孔的进一步挖掘。这样就避免了由于在孔内不对称分布的挖掘所引起的挖掘工具的机械阻塞。
通过在边缘区域中可选择地提供的一个或多个槽进一步方便了磨料流体从凹槽中排出，优选地，所述槽通向设置在外表面部分内的槽申，用于磨料流体的排放。由此则避免了凹槽的背离喷嘴的端部被处于挖掘中的孔的侧壁封闭。
优选地，定距支座具有下部大致成圆周形并且向上朝向主体汇聚的外表面轮廓。由此则在孔壁和挖掘装置之间提供了大空间。由于所述大空间的原因，流体流的速度在其与地质构造撞击后降低，从而减小了对孔壁的不希望的冲刷。
附图说明
本发明的这些及其他优点将以举例的方式并结合附图进行进一步的说明，其中
图1示意性显示了根据本发明的定距支座和挖掘装置的截面图；
图2A、2B和2C显示了根据本发明的挖掘装置的定距支座的示意性透视图；
图3显示了用于解释喷嘴排出方向和定距支座的内表面之间的角度的示意性剖视图；
图4显示了根据本发明的带定距支座的挖掘装置的第二实施例的示意性侧视图；
图5显示了图4中的挖掘装置和定距支座的示意性截面图。
具体实施方式
在附图中，相同的参考数字指示相同的部分。
图1显示了设置有本发明定距支座8的根据本发明的挖掘装置1。该挖掘装置1插入到地质构造中的孔2内，所述孔2具有壁3和大致堆积状的孔底面4。
挖掘装置1可沿旋转轴线A在孔内旋转。挖掘装置1的近端可连接到伸到孔2中的标准钻柱的远端上。挖掘装置1具有第一流体通道5，该第一流体通道通常与钻柱内的内部纵向通道流体连通。第一流体通道5用来输送钻孔流体到混合室6，磨料颗粒在混合室6中与钻孔流体混合以形成磨料流体，所述磨料流体随后通过喷嘴7以磨料射流9的形式喷射。
喷嘴7在挖掘装置1中定向以使磨料流体的射流9具有至少径向速度分量和平行于旋转轴线A的分量。挖掘装置1的有效规格(effective gauge)由磨料射流的径向作用范围所决定。
磨料射流9冲击地质构造，所述地质构造因此被研磨而挖掘孔2。
挖掘装置1的远端由定距支座8形成，在图2A至2C的不同视图中详细显示了该定距支座。定距支座通过连接件17可牢固连接到产生磨料射流的钻具部分上，在这里连接件以锁销的形式提供。如果需要的话，可以使用诸如图5中举例说明的螺纹连接件来代替。尤其是，该定距支座8确保了喷嘴7的排出口和底面4之间的预定距离。
定距支座8具有壁部，该壁部具有喇叭形内表面部分12，该部分面向地质构造中的孔2的底面4。所述喇叭形在中间区域汇聚形成中心顶点19。定距支座8可连接到产生磨料射流的钻具部分上使得旋转轴线通过中心顶点19转动。
喇叭形内表面部分12设置有凹槽15，该凹槽15限定了用于使磨料射流9从喷嘴7排出后穿过的长开口16。所述凹槽在喇叭形内表面部分12的壁内形成腔室，所述凹槽的开口16形成通向由喇叭形内表面部分12所限定空间的排出开口。(形成腔室的凹槽15及开口16最佳显示于图2B中)
长开口16延伸成包括含顶点19的中心区域。可选地，中心区域可以设置有机械岩石切削元件。
还是参见图1，喷嘴7被布置成排放到凹槽15中。凹槽15因此起到排放通道的作用。从喷嘴7排放而穿过排放通道15的磨料射流9穿过开口16流经喇叭形内表面部分12。
优选地，将喷嘴7的出口孔布置成使顶点19位于喷嘴7的内部。
喇叭形内表面部分12中的开口16为细长形状，适当地为卵形、抛物面形、或椭圆形。开口的延伸方向与喷嘴7的排放方向对齐。磨料射流9随着其穿过开口16而沿着孔的堆积形底面4掠射性地冲击，从而研磨所述表面4。同时，挖掘工具在所述孔内旋转，使得孔被对称地挖掘。
总外表面10的圆周外表面部分18具有某一半径，该半径设置成使一部分磨料射流9可以径向向外地到达比圆周外表面18更远一点的地方。圆周外表面部分18通过边缘区域13与喇叭形内表面部分12相连，并且围绕定距支座的中心区域和旋转轴线延伸。所述边缘区域13大体上形成支撑环，其起到接触端面的作用以支撑所有的钻压。然而，由于至少一部分磨料射流9到达远于圆周外表面部分18的地方，所以与边缘区域13所在地方相应的距离处的地质构造也被研磨，从而使得挖掘装置1可以进给而不受到未研磨地质构造的阻挡。
例如在挖掘中断之后，定距支座的内表面12可与孔底面4几乎完全接触。为了避免喇叭形内表面部分12中的开口完全封闭以及因此堵塞磨料射流9的通道，开口16延伸至圆周外表面18。在这样的情况下，开口16的优选细长的形状为截断的细长形状，适当地为截卵形、截抛物面形、或截椭圆形。即使在堆积形底部4完全盖住开口16时，凹槽15也始终形成通往挖掘装置1外围的通道，磨料流体可穿过该通道排放。
在接触端面13中可设置有三个槽14，其也被称为排屑槽。设置不同数目的排屑槽也是可能的。所述槽与设置在圆周外表面18中的槽或凹槽对准，用于磨料流体的排放。定距支座的喇叭形内表面12中的凹槽15终止于槽14中。在挖掘操作过程中，由与磨料射流9一起挖掘所产生的切屑通过槽14被排放。
在图3中显示了具有根据本发明的定距支座的挖掘装置1的下端部的示意图。图中显示了定距支座8的喇叭形内表面12和典型的喇叭形底面4。另外还显示了喷嘴出口7。磨料射流9沿基本平行于定距支座8的喇叭形内表面12的方向被排放。
在喇叭形内表面12的剖面轮廓和旋转轴线A之间被限定为顶角的角α通常选定在25°和55°之间。在参考图5而将在下文中详细描述的一个实施例中，α等于34.5°。喷嘴7与轴线A的角度β通常在α和α-15°之间。在图5所示的实施例中，β＝21.8°，其相当于α-12.7°。所得到的等于堆积形底面轮廓的顶角一半的角γ通常在β+18°和β+25°之间，这取决于喷嘴开口位于轴线A上游侧的多少。
此外，排放通道15和/或开口16与堆积形底部4相结合可形成扩张管，其充当了使磨料射流9扩散的扩散器。允许磨料射流9具有一些扩散的优点是可以使定距支座具有沿旋转轴线方向测得的更短的长度。这可以从下述内容来理解。在很少或没有扩散的情况下，射流的研磨性能在与喷嘴出口相距较大距离的范围内保持高水平。为了确保孔不被挖掘超过挖掘工具的圆周外表面过多，喷嘴排出方向和挖掘装置在孔内进给方向之间的角度必须选定为较小，这样导致了定距支座的长度相对于其直径增大。
因此，最低4°的扩散是优选的，更为优选地，最小的扩散为6°。凹槽壁和喷嘴7的排放方向之间的对应角δ为扩散角的一半，并因此应该优选地不小于2°，更优选不小于3°。扩散角优选不超过30°以确保磨料射流9中的磨料流体的流动沿着凹槽轮廓进行以免例如磨料射流9阻塞的发生。因此，角δ应当优选地不超过15°以免穿过凹槽15的磨料射流9的流动发生阻塞或其他不必要的干扰。
喷嘴7优选地由耐磨硬质材料制成，诸如优选地为碳化钨。定距支座优选地由诸如耐冲击钢的耐冲击材料制成，或者优选由不可磁化和/或高强度和/或耐高温和/或耐腐蚀材料制成，诸如高强度、耐高温、耐腐蚀的镍铬合金。在下列组成范围之内的镍铬合金(以、wt.％计)证明是尤为合适的：
铝 0.2-0.8
硼 最大0.006
碳 最大0.08
铬 17-21
钴 最大1.0
铜 最大0.3
铁 其余部分
锰 最大0.35
钼 2.8-3.3
镍+钴 50-55
铌+钽 4.75-5.5
磷 最大0.015
硅 最大0.35
硫 最大0.015
钛 0.65-1.15
根据美国金属协会规范，这种合金为市售的，其名称为铬镍铁合金718(Inconel 718)。该合金可以被时效硬化。
利用上面提出的一个或多个特征，喷嘴排放方向可以保持几乎平行于定距支座的喇叭形内表面，使得磨料射流的冲击区域覆盖所述喇叭形表面的至少全部径向长度。因此，定距支座8的喇叭形内表面壁中的磨料射流排放通道15从喇叭形内表面12的轴线A的至少中心处向定距支座的至少整个半径延伸。穿过内部轮廓的排放通道15与定距支座的内部轮廓的喇叭形状的直线对准确保了在磨料射流旋转一圈期间，所有的孔底区域均暴露给磨料水射流。
有利地，挖掘装置1可以设置有分离系统，其用于将磨料从向下游流动冲击地质构造的混合物中分离出来。典型地，这种分离系统设置有用于吸引流体中的磁性磨料颗粒的磁体11，这样使得磁性磨料颗粒可以再循环返回到混合室6中。
还具有的特别优点是：在圆周外表面部分18上方，定距支座8的外表面10朝向挖掘装置1的主体收敛。这样则在挖掘装置1和孔壁3之间形成较大空间。因此流体的速度降低，使得磁性磨料颗粒从流体中的分离变得容易。
通过收敛的外表面10所实现的降低的流体速度在不具有分离系统的实施例中同样有利，这是因为由仍然存在于流体中的磨料颗粒对孔壁3的不希望的冲刷减少。
在如上所述定距支座8设置有一个或多个槽14的实施例中，所述槽中的至少一个优选地布置成使从挖掘装置流出的射流沿分离系统被引导。
如果分离系统没有被同心定位的话，在钻孔中，通过所述槽的流体优选地被如此引导即使得流体流和分离系统之间的距离最小。
在国际公开文献WO-A-02/34653中提供了一种适当的分离系统的实例。在国际申请PCT/EP2004/051407中给出了改进的分离和再循环系统的细节，本申请要求享有上述国际申请的优先权并且其内容在此被参考结合。
可选择地，在任何一个公开的实施例中，机械切削元件被布置在定距支座上，用于保证挖掘工具的钻孔能力。特别地，由喇叭形内表面部分12、外表面10和接触端面13、或边缘区域构成的一个或多个组可以设置有切削元件。
在特定实施例中，切削元件可选择地相对于旋转方向布置在排屑槽14的前向壁上。挖掘装置旋转并且当排屑槽14布置在接触表面13中时，从挖掘孔的壁中掉出的切屑或颗粒卡在排屑槽14和钻孔壁3之间是可能的。这可能阻碍挖掘装置1的旋转或可能损坏定距支座8。通过在排屑槽中提供切削元件，则可将所述颗粒在它们阻塞于排屑槽中时切削掉。
外表面上的切削元件可以提供对钻孔壁的精加工。对于在钻孔之后进入孔中的一些传感器来说，如果在钻孔壁和所述装置之间需要良好接触的话，可优选采用这些传感器。
图4和5中显示了定距支座38和挖掘装置的可选实施例，图4显示了侧视图，图5显示了剖视图。在上文中已经介绍过的带参考数字的部分将不再进行详细描述。
可选的定距支座38通过螺纹连接27形式的连接件可牢固地连接到产生磨料射流的钻具部分上。该可选的定距支座是多个部分的组件，每个部分都由特别适当的材料制成。
该实施例提供了用于与地质构造直接接触并且承受机械冲击的外部部件25和相对耐磨的内部部件26，穿过所述内部部件26主要设置有凹槽15。
所述外部部件可以适当地由如上所述的与图2A至2C的定距支座相关的耐冲击材料制成。内部部件26被制成插入件，其可以固定在外部部件25和产生磨料射流的钻具部分之间的适当位置。
内部部件26可以由耐磨硬质材料制成以尽可能避免由沿内部部件26掠射穿过的磨料射流9所导致的磨损，所述耐磨硬质材料优选为碳化钨。该内部部件26可以由与喷嘴7相同的材料制成。由于外部部件25的存在，内部部件26可以为相对易碎的，并且外部部件25可以不如定距支座由整体部分形成的实施例那样耐磨。
该实施例提供定距环28以保持内部部件26和产生磨料射流的钻具部分之间沿轴向方向的距离。由此实现了任何负载只在外部部件25和产生磨料射流的刀具部分之间传递，使得内部部件26不对喷嘴7施加负载。定距环28还用来容纳喷嘴17稍微向前的移动，所述移动由与第一和第二喷嘴施加的钻孔流体中的压降相关的作用力引起。
分离系统在此相对于轴线A偏心设置，所述分离系统包括参考图1如上所述的磁铁11。
顺磁性吸引体30(para-magnetic attractor body)与混合室6相邻布置且位于与磁铁11所在侧相反的混合室的侧面上。所述顺磁性吸引体30在磁铁11产生的磁场下可磁化，并且更易于使顺磁性磨料颗粒释放到混合室6中。该实施例提供了环形盖环29以包围磁性吸引体30。所述盖环29通过定距支座38固定在抵靠产生磨料射流的刀具部分的适当位置上。在图1和2的实施例中可布置类似的结构。
Claims (18)
1.一种用作挖掘装置一部分的定距支座，所述挖掘装置布置为产生喷射到地质构造上的磨料流体流从而在地质构造中挖掘孔，所述定距支座具有壁部，该壁部具有面向待挖掘地质构造的喇叭形内表面部分，在壁部的喇叭形内表面部分中形成有凹槽，该凹槽限定了喇叭形内表面部分的开口，从而使磨料流体流从凹槽内穿过喇叭形内表面部分以冲击地质构造，其中，所述凹槽形成用于在基本平行于喇叭形内表面部分的方向在壁中引导磨料流体流的通道。
2.如权利要求1所述的定距支座，其特征在于，所述喇叭形内表面在中心区域汇聚，所述开口延伸以包括中心区域。
3.如权利要求1或2所述的定距支座，其特征在于，所述开口具有细长轮廓。
4.如权利要求3所述的定距支座，其特征在于，所述细长轮廓在从中心区域径向向外的方向上为细长的。
5.如权利要求1或2所述的定距支座，其特征在于，所述凹槽在所述喇叭形内表面部分中形成使磨料射流穿过的腔室。
6.如权利要求1或2所述的定距支座，还包括圆周外表面部分，该圆周外表面部分通过边缘区域连接到喇叭形内表面部分，其中，喇叭形内表面中的所述开口延伸至该边缘区域。
7.如权利要求6所述的定距支座，其特征在于，所述边缘区域设置有用于排放磨料流体的一个或多个槽。
8.如权利要求7所述的定距支座，其特征在于，所述一个或多个槽延伸至设置于圆周外表面部分中的凹槽。
9.如权利要求7所述的定距支座，其特征在于，喇叭形内表面中的所述开口延伸到所述一个或多个槽之一中。
10.如权利要求1或2所述的定距支座，还设置有用于机械地切入地质构造的一个或多个切削元件。
11.一种用于在地质构造中挖掘孔的挖掘装置，所述挖掘装置具有近端和由权利要求1至5和7至10中任意一项所述的定距支座形成的远端，挖掘装置还包括：
-主体，该主体在孔中沿旋转轴线可转动；
-喷嘴，该喷嘴布置在所述主体上以将磨料流体流喷射到地质构造中的表面上以便产生所述孔，其中，磨料流体流具有至少径向速度分量和平行于旋转轴线的分量；定距支座布置在主体上以确保喷嘴出口和地质构造中的表面之间的预定距离，并且喷嘴布置成在形成于定距支座壁部内表面中的凹槽内排放。
12.如权利要求11所述的挖掘装置，其特征在于，所述定距支座的喇叭形内表面在旋转轴线中的中心区域内汇聚，所述开口延伸以包括该中心区域。
13.如权利要求11或12所述的挖掘装置，其特征在于，所述喷嘴排放方向基本平行于定距支座的喇叭形内表面。
14.如权利要求11所述的挖掘装置，其特征在于，所述开口为细长形状的开口，并且其延伸方向对准喷嘴的排放方向。
15.一种用于在地质构造中挖掘孔的挖掘装置，所述挖掘装置具有近端和由权利要求6所述的定距支座形成的远端，挖掘装置还包括：
-主体，该主体在孔中沿旋转轴线可转动；
-喷嘴，该喷嘴布置在所述主体上以将磨料流体流喷射到地质构造中的表面上以便产生所述孔，其中，磨料流体流具有至少径向速度分量和平行于旋转轴线的分量；定距支座布置在主体上以确保喷嘴出口和地质构造中的表面之间的预定距离，并且喷嘴布置成在形成于定距支座壁部内表面中的凹槽内排放。
16.如权利要求15所述的挖掘装置，其特征在于，定距支座的圆周外表面部分设置有用于排放磨料流体的一个或多个槽，至少一个所述槽相对于挖掘装置定位在与磨料流体流被引导方向相同的方位上。
17.如权利要求16所述的挖掘装置，其特征在于，切削元件布置在所述槽中并且位于相对于旋转方向的前向侧面上。
18.如权利要求16所述的挖掘装置，包括用于将磨料从流出挖掘装置的流体流中分离出来并且使磨料再循环返回喷嘴中的磨料流体中的分离系统，其中，所述槽布置成沿分离系统引导流出挖掘装置的流体流。
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- 2006-05-26 NO NO20062414A patent/NO20062414L/no not_active Application Discontinuation
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