CN102345441A - 自进式钻孔方法及脉冲空化旋转射流喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种自进式钻孔方法及喷嘴。所述自进式钻孔方法由脉冲射流法、空化射流法和旋转射流法耦合形成；其中，在喷嘴内设置的叶轮体在流体的冲击下能够旋转，所述叶轮体旋转时能封闭一部分设置在喷嘴头部正向喷射口和设置在喷嘴上与正向喷射口方向相反的反向喷射口，流体从另一部分正、反向喷射口喷出形成射流，在所述叶轮体的旋转过程中所述正向喷射口交替被封闭而产生所述脉冲射流；通过所述叶轮体的旋转带动进入所述喷嘴内的流体旋转，当产生旋转的所述流体从所述喷射口射时则产生旋转射流；且所述叶轮体的旋转能使喷嘴内中心压力降低而形成空化射流。本发明结合了上述三种射流的优点，可以大大提高钻孔效率，且适合于在地层中进行钻孔。

Description

自进式钻孔方法及脉冲空化旋转射流喷嘴

技术领域

本发明涉及到一种钻孔方法及喷嘴，尤其是一种可以产生振动作用和自进力的，脉冲射流、空化射流和旋转射流耦合形成混合型组合射流进行钻孔的方法，以及能够实现该方法的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴。

背景技术

在现实生活中，我们在很多情况下都需要在地层中进行钻孔。比如铺设光纤电缆、运输管线和钻煤矿中的通风孔道及钻油井或气井的泄油气孔道。应用高压水射流在油井的储层进行侧向钻进，进而增加油气泄流面积的方法已经得到了广泛的研究。

目前普遍应用的射流方法主要包括：连续直射流、脉冲射流、旋转射流和空化射流。而这些射流方法均存在有个自的缺陷。具体是：

连续直射流以冲击破坏方式对岩石进行破碎，即当射流的冲击力大于岩石的抗压强度时，岩石发生破碎，连续射流易产生水垫。脉冲射流以不连续能量的方式作用于岩石，不易产生水垫效应，在某一时刻射流打击力可达到最大值，此时岩石受力最大，造成瞬间破坏，另一时刻射流打击力变为最小值，在岩石没有破坏前，打击力由大到小，后由小到大，周期性变化，一直到岩石破坏为止。

旋转射流以剪切破坏方式对岩石进行破碎，即当剪切应力大于岩石的抗剪强度时，岩石发生破碎。而同一种岩石的抗剪强度常为其抗压强度的1/8-1/15。所以应用旋转射流比直射流更容易破碎岩石，且可以产生较大的破碎面积，扩大并圆滑所钻孔道壁面。

空化射流是利用水射流流束内空泡破裂所产生的强大冲击力来增强射流冲蚀能力的方式对岩石进行破碎。空泡破碎产生的冲击力一般为非空化射流冲击压力的8.6～124倍；并且空泡破裂时产生的能量高度集中，并局限在许多非常小的面积上，从而在物体表面许多局部区域产生极高的冲击压力和应力集中，使岩石表面迅速破坏，所以更容易破碎岩石。

目前广泛应用于地层中钻孔的喷嘴有多孔式喷嘴，机械旋转式喷头。多孔喷嘴即改变单孔喷嘴为多孔喷嘴，通过其产生的多股射流来增加冲蚀面积，但是该方法需要较高射流流量，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。并且其反向射流形成的孔道不够规则。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，射流能量利用效率也比较低。

有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事岩石破碎方面的实践和研发的经验，针对上述存在问题，提出本发明的自进式钻孔方法及脉冲空化旋转射流喷嘴。

发明内容

本发明要的目的是提供一种钻孔方法及喷嘴，尤其是一种能克服公知技术存在的缺陷，高效利用射流能量破碎岩石，并通过喷嘴带动软管在地层中前进，最后形成孔深较深且所钻孔道壁面圆滑的自进式钻孔方法及脉冲空化旋转射流喷嘴。

为此，本发明提供一种自进式钻孔方法，该自进式钻孔方法由脉冲射流法、空化射流法和旋转射流法耦合形成；其中，在喷嘴内设置的叶轮体在流体的冲击下能够旋转，所述叶轮体旋转时能封闭一部分设置在喷嘴头部的正向喷射口和设置在喷嘴上与所述正向喷射口方向相反的反向喷射口，流体从另一部分正向喷射口和反向喷射口喷出形成射流，在所述叶轮体的旋转过程中交替封闭一部分所述正向喷射口和反向喷射口而产生所述脉冲射流；通过所述叶轮体的旋转带动进入所述喷嘴内的流体旋转，当产生旋转的所述流体从所述正向喷射口射出时则产生旋转射流；且所述叶轮体的旋转能使喷嘴内中心压力降低而形成空化射流；利用自反向喷射口喷出的反向射流产生的牵引力形成喷嘴的自进力，并且扩孔、修整孔道壁面。

本发明还提供一种脉冲空化旋转射流喷嘴，该喷嘴包括：喷嘴本体，呈一端为开口端的有底筒状，在所述喷嘴本体的底部设有多个正向喷射口，从所述正向喷射口喷出的流体能破碎岩石，提供喷嘴前进的通道；在所述喷嘴本体的侧壁上设有多个流体出口方向与所述正向喷射口的流体出口方向相反的反向喷射口，所述反向喷射口能使所述喷嘴产生向前的牵引力，并能扩大孔道和圆滑孔道壁面；叶轮体，能转动地设置在所述喷嘴本体内，所述叶轮体靠近所述开口端一侧的外周设有多个倾斜的叶轮槽；在转动过程中，所述叶轮体能封闭设置在所述喷嘴本体上的一部分正向喷射口和一部分反向喷射口，而另一部分正向喷射口和反向喷射口能与所述叶轮槽相导通；导流体，能拆卸地与所述喷嘴本体的开口端固定连接，将所述叶轮体封闭在所述喷嘴本体内；所述导流体的一端为与供液管相连接的进液口，另一端设有一个以上与所述进液口连通的导流孔，所述导流孔能与所述叶轮槽相连通。

本发明的自进式钻孔方法及其脉冲空化旋转射流喷嘴与现有技术相比具备的优点和特点是：

本发明提出的自进式钻孔方法是一种把脉冲射流、空化射流和旋转射流耦合在一起而形成的混合射流钻孔方法。采用偏心结构的叶轮体，通过偏心设置的实心封闭部可以封堵上喷嘴本体上的一部分正向喷射口，而与封闭部对应的空缺部分则不会封堵另一部分正向喷射口，因此当叶轮高速旋转时，喷嘴本体上的正向(反向)喷射口交替被封闭部封堵进而产生脉冲射流。叶轮体在高压流体的作用下旋转时可以带动喷嘴本体内流体旋转，当流体从喷嘴本体射出时即产生旋转射流。叶轮体的高速旋转能导致喷嘴内局部压力降低，产生空化效应。而旋转射流方法在目标区形成大的能量传递面积区，脉冲射流和空化射流方法在目标区可以提高能量传递效率。本发明结合了这三种射流的优点，可以大大提高钻孔效率。

本发明通过将叶轮槽从流体入口到流体出口设置为渐缩式，则当流体流经叶轮槽时因过流面积减小而流体流速加快，射流中心压力降低也会产生空化，进而形成空化射流。

本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴装设有正向喷射口和反向喷射口。正向喷射口主要用于高效破碎岩石，反向喷射口可以产生自进力并且具有扩孔及圆滑孔道壁面的作用。

此外，由于叶轮体的封闭部是偏心结构，其旋转时会对喷嘴产生径向振动，具有振动减摩的作用，进而增加在水平地层中的钻进长度。

本发明提出的自进式钻孔方法，在流体中添加表面减阻剂可以减少流体在管路和喷嘴的能量损失，提高水射流的能量传递效率，进而增加破岩效率。当遇到非常坚硬的岩石，单纯用水射流难以进行钻进时，可以在流体中添加磨料，提高所喷射流体的冲蚀性能，进而达到破岩的目的。

本发明的喷嘴及钻孔方法适合于在地层中进行钻孔。特别适合于在油井或气井的径向方向进行水平钻进从而增加油气泄流面积。

附图说明

图1为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴装置整体装配示意图；

图2为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中导流体的剖视示意图；

图3为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中导流体的右视示意图；

图4为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中叶轮体结构示意图；

图5为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中叶轮体的剖视示意图；

图6为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中叶轮体的侧视示意图；

图7为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中喷嘴本体一个实施例的结构示意图；

附图标号说明：

1、导流体       11、进液口      12、导流孔      13、33、34、43、凹槽

2、第一转轴     3、叶轮体       31、封闭部      321、叶轮槽

3211、流体入口  3212、流体出口  311、中空部     4、喷嘴本体

41、正向喷射口  42、开口端      44、反向喷射口  5、第二转轴

具体实施方式

本发明提出的自进式钻孔方法，是将脉冲射流法、空化射流法和旋转射流法耦合形成的混合射流钻孔方法。其中，通过在喷嘴内设置的叶轮体在流体的冲击下进行旋转，且叶轮体旋转时能封闭一部分设置在喷嘴头部的正向喷射口和设置在喷嘴上与所述正向喷射口方向相反的反向喷射口，流体从喷嘴头部设置的另一部分正向喷射口和反向喷射口喷出形成射流，在所述叶轮体的旋转过程中交替封闭一部分所述正向喷射口和反向喷射口而产生脉冲射流；另外，通过所述叶轮体的旋转带动进入所述喷嘴内的流体旋转，当产生旋转的所述流体从所述正向喷射口射出时则产生旋转射流；并且所述叶轮体的旋转能使喷嘴内中心压力降低而形成空化射流。

本发明还提出了一种能实现上述脉冲空化旋转射流方法的喷嘴，该喷嘴包括：喷嘴本体，呈一端为开口端的有底筒状，在所述喷嘴本体的底部设有多个正向喷射口，从所述正向喷射口喷出的流体能破碎岩石，提供喷嘴前进的通道；在所述喷嘴本体的侧壁上设有多个流体出口方向与所述正向喷射口的流体出口方向相反的反向喷射口，所述反向喷射口能使所述喷嘴产生向前的牵引力，并能扩大孔道和圆滑孔道壁面；叶轮体，能转动地设置在所述喷嘴本体内，所述叶轮体靠近所述开口端一侧的外周设有多个倾斜的叶轮槽；在转动过程中，所述叶轮体能封闭设置在所述喷嘴本体上的一部分正向喷射口和一部分反向喷射口，而另一部分正向喷射口和反向喷射口能与所述叶轮槽相导通；导流体，能拆卸地与所述喷嘴本体的开口端固定连接，将所述叶轮体封闭在所述喷嘴本体内；所述导流体的一端为与供液管相连接的进液口，另一端设有一个以上与所述进液口连通的导流孔，所述导流孔与所述叶轮槽相连通。

所述叶轮体靠近所述导流体的一端形成柱状叶轮本体，在所述叶轮本体外周面上均布有多个所述叶轮槽；所述叶轮本体向远离所述导流体的一端延伸形成与所述喷嘴本体内周壁及底部相配合、且能封闭一部分正向喷射口的封闭部。

本发明为了加强所述空化射流的强度，可以在所述叶轮体上设置自流体入口至流体出口渐缩的槽道，从而使流体流经所述槽道时，随着过流面积的逐渐减小，而使所述流体的流速加快，使射流中心的压力进一步降低产生空化。

优选在叶轮体旋转过程中能交替封闭部分正向喷射口的效果可以通过将所述叶轮体的封闭部形成为偏心结构来实现，并且由于叶轮体具有偏心设置的封闭部，因此，在所述叶轮体旋转时会对喷嘴产生径向振动，从而能够起到振动减摩的作用，以减小喷嘴前进的阻力，进而增加喷嘴在地层中的钻进长度。

通过在所述喷嘴上设置的与所述正向喷射口方向相反的反向喷射口，利用自反向喷射口喷出的反向射流产生的牵引力形成喷嘴的自进力，并且扩孔、修整孔道壁面；并利用偏心结构的所述叶轮体的振动带来的振动减摩，增加所述喷嘴在水平地层的钻进长度。

在应用由脉冲射流法、空化射流法和旋转射流法耦合形成的所述自进式钻孔方法时，当遇到非常坚硬的岩石，单纯用水射流难以进行钻进时，在所述流体中加入表面活性剂，能有效提高所喷射流体的冲蚀性能，进而达到破岩的目的。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的自进式钻孔方法及脉冲空化旋转射流喷嘴的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴装置整体装配示意图；图2为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中导流体的剖视示意图；图3为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中导流体的右视示意图；图4为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中叶轮体结构示意图；图5为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中叶轮体的剖视示意图；图6为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中叶轮体的侧视示意图；图7为本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴中喷嘴本体一个实施例的结构示意图。

如图所示，本发明提出的脉冲空化旋转射流喷嘴包括：喷嘴本体4，呈一端为开口端42的有底筒状，在所述喷嘴本体4的底部设有多个正向喷射口41，从所述正向喷射口41喷出的流体能破碎岩石，提供喷嘴前进的通道；在所述喷嘴本体4的侧壁上还设有多个流体出口方向与所述正向喷射口41的流体出口方向相反的反向喷射口44，所述反向喷射口44能使所述喷嘴产生向前的牵引力，并能扩大孔道和圆滑孔道壁面。在所述喷嘴本体4内设有能转动的叶轮体3，所述叶轮体3靠近喷嘴本体4的开口端42一侧的外周设有多个倾斜的叶轮槽321，在转动过程中，所述叶轮体3能封闭设置在所述喷嘴本体4上的一部分正向喷射口41和一部分反向喷射口44，而另一部分正向喷射口41和反向喷射口能与所述叶轮槽321相导通；一导流体1能拆卸地与所述喷嘴本体4的开口端42固定连接，将所述叶轮体3封闭在所述喷嘴本体4内。所述导流体1的一端为与供液管相连接的进液口11，另一端设有一个以上与所述进液口连通的导流孔12，所述导流孔12能与所述叶轮槽321相连通。

如图1、2所示，优选所述导流体的外周及进液口11内分别设有内、外螺纹，其外周上设置的外螺纹用于与喷嘴本体4的开口端42固定连接，通过进液口11上设置的内螺纹能使本发明的喷嘴方便地与供液软管相连接。

进一步，所述叶轮体3靠近所述导流体1的一端形成柱状叶轮本体32，在所述叶轮本体32外周面上均布有多个所述叶轮槽321，叶轮本体32向远离所述导流体1的一端延伸形成与所述喷嘴本体4内周壁及底部相配合、且能封闭一部分正向喷射口41和反向喷射口44的封闭部31。

所述叶轮体3的封闭部31呈一侧开放的偏心柱状体，在叶轮体3旋转时，通过所述封闭部31能封堵所述喷嘴本体上设置的部分正向喷射口41而产生脉冲射流，并带动周围的流体旋转产生旋转射流，而所述叶轮体3的旋转能使局部压力降低产生空化射流，借助于封闭部31的偏心结构在转动过程中产生的喷嘴的径向振动，能减小喷嘴前进的阻力。

请配合参见图4、5，在一个具体的实施例中，所述封闭部31的中部呈半圆柱体，其头部形成与所述喷嘴本体4的底部相配合的半圆台体。图4、5中所示的例子是，封闭部31的中部是自中心分割的半圆柱体，而其头部是中心凸出所述半圆柱体的圆台状，以便于后述的转轴能设置在封闭部31的中心。当然，所述封闭部31的中部形状不限于此，只要在叶轮体3的转动过程中能够封闭喷嘴本体上设置的一部正向喷射口41和反向喷射口44，并能使另一部分正向喷射口和反向喷射口44中不被封闭，能使流体喷射出就可以。

为了减轻叶轮体3的重量，提高转速，可以将所述封闭部31的中部半圆柱体设置成具有内凹的中空部311。

请配合参见图1，本发明的喷嘴，其中，叶轮体3与相对应的所述喷嘴本体4的底部、导流体1之间通过转轴构成枢轴连接，从而在由导流体1的导流孔12进入喷嘴本体4内的流体对叶轮本体32上形成的倾斜的叶轮槽321的冲击下，所述叶轮体3能够进行转动，在转动的过程中，叶轮体3的封闭部能交替封闭喷嘴本体4上设置的正向喷射口41，形成脉冲射流。

进一步地，如图1、5、7所示，所述叶轮体3与所述导流体1上分别对应设有内凹的凹槽13、33，该两相对的凹槽13、33构成第一容置部，所述叶轮体3与所述喷嘴本体4的底部分别对应设有内凹的凹槽34、43，该两相对的凹槽34、43构成第二容置部，所述第一、第二容置部内分别同轴设有第一转轴2和第二转轴5。

具体是，在所述叶轮本体32和所述导流体上分别对应设有内凹的凹槽13、33，该两相对的凹槽13、33构成第一容置部，在封闭部31的顶端和所述喷嘴本体4的底部分别对应设有内凹的凹槽34、43，该两相对的凹槽34、43构成第二容置部。

在如图1所示的一个具体实施例中，第一转轴2为球形转轴，第二转轴5为一圆柱体。两个转轴的结构并不限于此，可以均为球体，或圆柱体，也可以分别是其中之一，只要能起到支撑叶轮体3，并使其能够转动就可以。

在另一个可行的实施例中，可以通过一转轴贯穿所述叶轮本体及封闭部，两端与所述喷嘴本体4的底部、导流体1能转动地相连接(未图示)。即，可以通过一个转轴贯穿所述叶轮体3，该转轴的两端能转动地支撑在喷嘴本体4的底部和导流体1上。

一个可选择的方案是，所述叶轮槽321形成靠近导流体1一侧的流体入口3211大于朝向喷嘴本体底部的流体出口3212的渐缩结构，当流体流经叶轮槽321时因过流面积减小而使流体流速加快，进一步降低射流中心压力，产生空化作用，加强空化射流的强度。

优选的方案是，所述叶轮槽321与所述喷嘴本体轴线之间形成15～45度的夹角。

另一个可选择的方案是，如图2、3所示，优选在所述导流体1上设置两个倾斜的导流孔12，两个导流孔12的中心设置在同一圆周上，且沿切向向相反方向倾斜，即两个倾斜的导流孔12的轴线相互平行，且距导流体1的中心线距离相等。

进一步地，所述导流孔12与所述喷嘴本体4的轴线之间具有45～75度的夹角。

优选的方案是，所述导流孔12与所述喷嘴本体4的轴线之间形成45～75度的夹角，所述叶轮槽321与所述喷嘴本体轴线之间形成15～45度的夹角。

为了使流体经所述导流孔12后能垂直冲击所述叶轮槽321，以获得最大的冲击力，优选叶轮槽321与所述喷嘴本体轴线之间形成15度夹角，而导流孔12与所述喷嘴本体轴线之间形成75度夹角；或者还可以将叶轮槽321设置成与所述喷嘴本体轴线之间具有30度夹角，而导流孔12与所述喷嘴本体轴线之间形成60度；另外，还可使叶轮槽321、导流孔12与所述喷嘴本体轴线之间均形成45度夹角。

在一个具体的实施例中，所述喷嘴本体4的底部均布3-9个所述正向喷射口41；所述喷嘴本体的侧壁上均布有3-12个反向喷射口44。

进一步，所述正向喷射口41设置在所述喷嘴本体4的底部外周，且各正向喷射口41的轴线朝外部倾斜设置。

可选择的方案是，可以在所述流体中加入减阻剂，以减少流体在管路和喷嘴的能量损失。

本发明提出的自进式钻孔方法是由脉冲射流法、空化射流法和旋转射流法耦合形成；其中，在喷嘴(喷嘴本体4)内设置的叶轮体3在流体的冲击下能够旋转，所述叶轮体3旋转时能封闭一部分设置在喷嘴头部(喷嘴本体底部)的正向喷射口41和设置在喷嘴上与所述正向喷射口44方向相反的反向喷射口，流体从另一部分正向喷射口41和反向喷射口44喷出形成射流，在所述叶轮体3的旋转过程中所述正向喷射口41和反向喷射口44均被交替被封闭而产生所述脉冲射流；通过所述叶轮体3的旋转带动进入所述喷嘴本体4内的流体旋转，当产生旋转的所述流体从所述正向喷射口41射时则产生旋转射流；且所述叶轮体3的旋转能使喷嘴本体内中心压力降低而形成空化射流；利用自反向喷射口44喷出的反向射流产生的牵引力形成喷嘴的自进力，并且扩孔、修整孔道壁面。

本发明的钻孔方法中，脉冲射流、旋转射流和空化射流同时应用，旋转射流法在目标区形成大的能量传递面积区，脉冲射流和空化射流方法在目标区可以提高能量传递效率。本发明结合了这三种射流的优点，通过一次作业就可能实现上述三种射流，从而大大提高了钻孔效率。

下面结合上述结构对本发明喷嘴的组装及工作状态进行具体说明：

所述自进式脉冲空化旋转射流喷嘴包括导流体1、第一转轴2、叶轮体3、喷嘴本体4和第二转轴5。其中第一转轴2、叶轮体3和转轴5位于喷嘴本体4内部，通过导流体1上设置的外螺纹与喷嘴本体4的开口端42螺纹连接将上述部件旋转压实。

所述导流体1的进液口11处设置的内螺纹用于与供液管连接。且供流体进入的进液口11处为圆柱体空腔，流体经进液口11后流入导流孔12，导流孔12设置为两个对称倾斜圆孔，用于控制流体冲击叶轮体3的方向和速度。在图示的一个实施例中，在导流体1右端中心处、以及叶轮体3与导流体相对应的左侧中心处分别设有半球形空腔，即图中所示的构成第一容置部的凹槽13、33，其内用于放置圆珠结构的第一转轴2。第一转轴2采用普通钢珠，结构简单，是连接导流体1和叶轮体3的中间部件，叶轮体3在流体的冲击作用下可以绕第一转轴2和第二转轴5旋转。

通常叶轮槽321的数量范围为3～12个。叶轮槽321设计为倾斜式，其倾斜角度与导流体导流孔的倾斜角度是相对应的。如，导流孔12与喷嘴本体4的轴线夹角可以为15～75度，叶轮槽321与喷嘴本体轴线的夹角可以为15～45度，当流体流出导流孔12后垂直或近似垂直方向冲击叶轮槽321时效率最高，为叶轮体3旋转提供最大扭距，使叶轮高速旋转。叶轮体3可以带动其周围流体旋转，流体从正向喷射口41喷出时产生旋转射流。本发明中，叶轮体3采用偏心结构，偏心设置的实体封闭部31可以堵上喷嘴本体4上的正向、反向喷射口41、44，而空缺部分不会，因此当叶轮体3高速旋转时，喷嘴本体4上的正、反向喷射口中41、44交替被封堵而产生脉冲射流。叶轮体3的高速旋转能导致喷嘴本体4内局部压力降低，产生空化效应时因过流面积减小而流体流速加快，射流中心压力降低也会产生空化，进而形成空化射流。又因为叶轮体3是偏心结构，当其旋转时，会产生喷嘴的径向振动，具有振动减阻的作用，可以增大水平钻进长度。

喷嘴本体4上例如可以设置3～9个正向喷射口41，其作用是破碎岩石，从而提供喷嘴前进的通道。此外设置在喷嘴本体4的侧壁上的反向喷射口44数量例如可以是3～12个，其作用是产生向前的牵引力，同时还可以扩大孔道和圆滑孔道壁面。流体进入叶轮体3混合后一部分流体从反向喷射口44射出，另一部分流体从正向喷射口41射出。其中，正、反向喷射口41、44为均布设置，在叶轮体3的转动过程中其中一部分被封闭部31封堵，而另一部分则与叶轮槽321、导流孔12连通，则可以产生脉冲射流。通常封闭部31能够封闭至少一个正向、反向喷射口，但不超过正向、反向喷射口总数量的一半(如，当共设有6个正向喷射口6时，最多可封闭其中3个)。

现结合图1说明本发明的自进式脉冲空化旋转射流喷嘴的工作原理及其钻孔方法，当高压流体从喷嘴导流体1的进液口11进入并经导流孔12流出，流出的流体垂直冲击在叶轮体3上的叶轮槽321后推动叶轮体3连续旋转。叶轮体3可以带动其周围流体旋转，流体从水眼喷出时产生旋转射流。叶轮体3采用偏心结构，由封闭部31构成的实心部分会堵上喷嘴本体4上的一部分正向、反向喷射口41中、44，而另一部分正向、反向喷射口则能够与叶轮槽321、导流孔12相连通，因此当叶轮高速旋转时，喷嘴本体4上的正、反向喷射口41、44交替被堵进而产生脉冲射流。叶轮体3的高速旋转还能够导致喷嘴内局部压力降低，产生空化效应；同时叶轮槽321从流体入口3211到流体出口3212构成为渐缩形式，则当流体流经叶轮槽321时因过流面积减小而流体流速加快，射流中心压力降低也会产生空化，进而形成空化射流。旋转射流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；空化射流的冲击压力一般为非空化射流冲击压力的8.6～124倍；脉冲射流不易产生水垫作用，压力周期性作用于岩石，更容易使其破碎。

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，前人的大量研究已证实了这一点。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；脉冲射流不易产生水垫作用，冲击力周期性作用于岩石，改变了岩石原有应力场，更易于岩石破碎；空化射流冲击产生的破碎力，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，可以充分的发挥脉冲射流、空化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。

本发明提出的自进式钻孔方法可以在流体中添加减阻剂，如聚环氧乙烷，以减少流体在管路和喷嘴的能量损失，提高水射流的能量传递效率；也可以在流体中添加磨料，如石英砂，陶粒等，以提高所喷射流体的冲蚀性能，进而提高破岩效率。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改或局部替换，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种自进式钻孔方法，其特征在于，所述自进式钻孔方法由脉冲射流法、空化射流法和旋转射流法耦合形成；其中，在喷嘴内设置的叶轮体在流体的冲击下能够旋转，所述叶轮体旋转时能封闭一部分设置在喷嘴头部的正向喷射口和设置在喷嘴上与所述正向喷射口方向相反的反向喷射口，流体从另一部分正向喷射口和反向喷射口喷出形成射流，在所述叶轮体的旋转过程中交替封闭一部分所述正向喷射口和反向喷射口而产生所述脉冲射流；通过所述叶轮体的旋转带动进入所述喷嘴内的流体旋转，当产生旋转的所述流体从所述正向喷射口射出时则产生旋转射流；且所述叶轮体的旋转能使喷嘴内中心压力降低而形成空化射流；利用自反向喷射口喷出的反向射流产生的牵引力形成喷嘴的自进力，并且扩孔、修整孔道壁面。

2.如权利要求1所述的自进式钻孔方法，其特征在于，在所述叶轮体上设置自流体入口至流体出口渐缩的槽道，所述流体流经所述槽道时，过流面积的逐渐减小使所述流体的流速加快，使射流中心的压力进一步降低产生空化，以加强所述空化射流的强度。

3.如权利要求1或2所述的自进式钻孔方法，其特征在于，所述叶轮体为偏心结构，在所述叶轮体旋转时会对喷嘴产生径向振动，该偏心结构的所述叶轮体的振动所产生的振动减摩，能增加所述喷嘴在水平地层的钻进长度。

4.一种脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括：

喷嘴本体，呈一端为开口端的有底筒状，在所述喷嘴本体的底部设有多个正向喷射口，从所述正向喷射口喷出的流体能破碎岩石，提供喷嘴前进的通道；在所述喷嘴本体的侧壁上设有多个流体出口方向与所述正向喷射口的流体出口方向相反的反向喷射口，所述反向喷射口能使所述喷嘴产生向前的牵引力，并能扩大孔道和圆滑孔道壁面；

叶轮体，能转动地设置在所述喷嘴本体内，所述叶轮体靠近所述开口端一侧的外周设有多个倾斜的叶轮槽；在转动过程中，所述叶轮体能封闭设置在所述喷嘴本体上的一部分正向喷射口和一部分反向喷射口，而另一部分正向喷射口和反向喷射口能与所述叶轮槽相导通；

导流体，能拆卸地与所述喷嘴本体的开口端固定连接，将所述叶轮体封闭在所述喷嘴本体内；所述导流体的一端为与供液管相连接的进液口，另一端设有一个以上与所述进液口连通的导流孔，所述导流孔能与所述叶轮槽相连通。

5.如权利要求4所述的脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮体靠近所述导流体的一端形成柱状叶轮本体，在所述叶轮本体外周面上均布有多个所述叶轮槽；所述叶轮本体向远离所述导流体的一端延伸形成与所述喷嘴本体内周壁及底部相配合、且能封闭一部分正向喷射口的封闭部；且所述叶轮体的封闭部呈一侧开放的偏心柱状体，在叶轮体旋转时，通过所述封闭部能封堵所述喷嘴本体上设置的部分正向喷射口而产生脉冲射流，并带动周围的流体旋转产生旋转射流，而所述叶轮体的旋转能使局部压力降低产生空化射流，借助于封闭部的偏心结构在转动过程中产生的喷嘴的径向振动，能减小喷嘴前进的阻力。

6.如权利要求4所述的脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮槽与所述喷嘴本体轴线之间形成15～45度的夹角；所述导流体上设有两个倾斜的导流孔，两所述导流孔的中心设置在同一圆周上，且沿切向向相反方向倾斜。

7.如权利要求6所述的脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述导流孔与所述喷嘴本体轴线之间形成45～75度的夹角。

8.如权利要求7所述的脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮槽和导流孔分别与所述喷嘴本体轴线之间形成15度、75度或30度、60度或45度、45度的夹角，以使流体经所述导流孔后能垂直冲击所述叶轮槽。

9.如权利要求4所述的脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体的底部均布3-9个所述正向喷射口；所述喷嘴本体的侧壁上均布有3-12个反向喷射口。

10.如权利要求4所述的脉冲空化旋转射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮体与相对应的所述喷嘴本体底部、导流体之间通过转轴构成枢轴连接；且所述叶轮体与所述导流体上分别对应设有内凹的第一容置部，所述叶轮体与所述喷嘴本体底部分别对应设有内凹的第二容置部，所述第一、第二容置部内分别同轴设有第一转轴和第二转轴。

Images