CN102434102B - 一种脉冲空化多孔射流喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉空化多孔射流喷嘴，包括：喷嘴本体，其形成一端为开口端、另一端为喷射端的中空柱状体，所述开口端用于连接流体管道，所述喷射端上设有多个喷射口；在所述喷射端的中心位置设有中心喷射口，环绕所述中心喷射口设有多个侧向喷射口；在喷嘴本体内设置一能转动的叶轮，进入所述喷嘴的一部分流体穿过所述叶轮中心、所述中心喷射口形成连续直射流，另一部分流体冲击所述叶轮的叶片，使所述叶轮旋转，对位于所述中心喷射口外周的所述侧向喷射口入口的流场产生有规律的扰动，形成脉冲射流并产生空泡，形成空化射流，该空化射流与脉冲射流相耦合形成脉冲空化射流由所述侧向喷射口喷出。本发明结构简单，且能大大提高钻孔效率。

Description

一种脉冲空化多孔射流喷嘴

技术领域

本发明涉及到一种喷嘴，尤其是一种能够形成脉冲射流和空化射流耦合而成的脉冲空化多孔射流喷嘴。本发明的喷嘴特别适用于进行岩石的破碎。

背景技术

在我们的生产、生活中，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应用和研究。目前应用比较普遍的射流形式主要包括连续直射流、脉冲射流、旋转射流和空化射流。

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，采用连续射流进行钻孔易产生水垫。

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。

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。

此外，目前常见的应用于地层中钻孔的喷嘴装置有多孔喷嘴，旋转射流喷嘴和直旋混合射流（旋转双射流）喷嘴。

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，但是该方法破岩方式为冲击破碎，所以射流能量利用效率较低。

旋转射流喷嘴，其喷射出的旋转射流可以降低破岩门限压力形成较大直径的孔眼，但是其破岩深度较小，并且会在岩石底部形成锥形凸起，影响破岩效果。

直旋混合射流（旋转双射流）喷嘴，其喷射出的旋转双射流可以形成较大的孔眼直径和深度，但是在存在围压的条件下，直旋混合射流能量衰减迅速，破岩效果较差；同时由于其喷嘴内部结构复杂，压力损失较大。且旋转双射流喷嘴内部叶轮固定不转动，依靠叶轮流道强制流体旋转，产生旋流效应。

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喷嘴研发的经验，研制出本发明的脉冲空化多股射流喷嘴，以克服上述公知技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲空化多孔射流喷嘴，尤其是一种可以克服现有技术存在的缺陷，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脉冲空化多孔射流破碎岩石的喷嘴。

为此，本发明提出一种脉冲空化多孔射流喷嘴，其包括：喷嘴本体，其形成一端为开口端、另一端为喷射端的中空柱状体，所述开口端用于连接流体管道，所述喷射端上设有多个喷射口；在所述喷射端的中心位置设有中心喷射口，环绕所述中心喷射口设有多个侧向喷射口；在喷嘴本体内设置一能转动的叶轮，进入所述喷嘴的一部分流体穿过所述叶轮中心、所述中心喷射口形成连续直射流，另一部分流体冲击所述叶轮的叶片，使所述叶轮旋转，对位于所述中心喷射口外周的所述侧向喷射口入口的流场产生有规律的扰动，形成脉冲射流并产生空泡，形成空化射流，该空化射流与脉冲射流相耦合形成脉冲空化射流由所述侧向喷射口喷出。

本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴与现有技术相比具备的优点和特点是：

本发明提出的喷嘴能把脉冲射流、空化射流和多股射流、以及直射流耦合在一起而形成混合射流进行钻孔。脉冲空化多孔喷嘴的叶轮安装于叶轮轴右端，与喷嘴本体喷射端内壁接触。叶轮上均匀布置3～6个叶片，叶片与中心线之间具有45～80度的夹角，当流体冲击叶片时叶轮可以高速旋转。本设计中叶轮可以自由旋转，并贴近在侧向喷射口内出口处，当叶片正好阻挡在侧向喷射口内出口时，此时侧向喷射口流量最小，当两个叶片之间的空隙正对侧向喷射口时，此时侧向喷射口不受阻挡，流量最大。如此，随着叶轮高速旋转，每个侧向喷射口有规律性的由大变小，再由小变大，进而形生了脉冲射流。同时，高速旋转的叶轮会降低叶轮附近流体的局部压力，产生微小空泡，空泡夹杂在流体中从侧向喷射口射出即形成空化射流。同时形成的两种射流进而可以耦合成脉冲空化射流。本发明通过喷嘴本体的中心喷射口喷射出的连续直射流能击碎中心处的岩石，由侧向喷射口喷射出的多股脉冲空化射流破碎周边的岩石，大大提高的破岩效率。此外，由于侧向喷射口为向外倾斜设置，因此所钻孔眼的直径大于喷嘴本体的直径，使喷嘴能够实现连续钻进。本发明的喷嘴结构简单、易于制造，且适合于在地层中进行钻孔，且特别适用于在煤井、油井或气井的径向方向进行水平钻进，以增加油(煤)气泄流面积。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的结构示意图；

图2A为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴本体的主视结构示意图；

图2B为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴本体的侧视示意图；

图3A为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮轴的主视结构示意图；

图3B为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮轴的侧视示意图；

图4A为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮的主视结构示意图；

图4B为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮侧视示意图。

附图标号说明：

10、喷嘴          1、喷嘴本体       11、开口端      12、喷射端

13、侧向喷射口    14、中心喷射口    15、凹陷部      2、叶轮轴

21、中心流道      22、外部流道      23、轴本体部    24、支撑固定部

240、十字支撑部   3、叶轮           31、叶片        32、轮体

具体实施方式

本发明提出的脉冲空化多孔射流喷嘴，该喷嘴包括：喷嘴本体，其形成一端为开口端、另一端为喷射端的中空柱状体，所述开口端用于连接流体管道，所述喷射端上设有多个喷射口；在所述喷射端的中心位置设有中心喷射口，环绕所述中心喷射口设有多个侧向喷射口；在喷嘴本体内设置一能转动的叶轮，进入所述喷嘴的一部分流体穿过所述叶轮中心、所述中心喷射口形成连续直射流，另一部分流体冲击所述叶轮的叶片，使所述叶轮旋转，对位于所述中心喷射口外周的所述侧向喷射口入口的流场产生有规律的扰动，形成脉冲射流并产生空泡，形成空化射流，该空化射流与脉冲射流相耦合形成脉冲空化射流由所述侧向喷射口喷出。

在一个可行的实施例中，所述喷嘴本体内设有一中空的叶轮轴，所述叶轮轴的中空部构成分别与喷嘴本体的开口端和中心喷射口相连通的中心流道，所述叶轮轴与所述喷嘴本体之间构成外部流道，所述外部流道能与所述侧向喷射口相连通；所述叶轮能转动地套设在所述叶轮轴上。

具体的是，所述叶轮靠近所述喷嘴本体的喷射端设置，所述叶轮的叶片与所述喷射端之间形成间隙配合，以使旋转的叶轮能降低所述侧向喷射口附近的局部压力，产生空泡，形成所述空化射流。

进一步，所述叶轮轴包括轴本体部和支撑固定部，所述轴本体部的一端抵顶于所述喷嘴本体的喷射端，另一端与所述支撑固定部相连接，且所述轴本体部与所述喷嘴本体的内壁之间构成所述外部流道。

一个可行的技术方案是，所述支撑固定部的外径大于所述叶轮轴的轴本体部外径，并与所述喷嘴内壁构成紧配合，且所述支撑固定部上沿轴向设有一个以上分别与所述喷嘴本体的开口端和所述外部流道相连通的贯通孔。

优选所述叶轮上均匀布置3～6个叶片，每个所述叶片与中心线之间具有45～80度的夹角，在叶轮旋转过程中，所述叶片能封闭或打开所述侧向喷射口。

为了使所述喷嘴能进行连续钻进，优选每个所述侧向喷射口与中心线之间形成5～20度的倾斜角，从而保证所钻孔径大于喷嘴本体外径，使喷嘴能实现连续钻进。

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，对本发明的脉冲空化多孔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为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的结构示意图；图2A为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴本体的主视结构示意图；图2B为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴本体的侧视示意图；图3A为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮轴的主视结构示意图；图3B为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮轴的侧视示意图；图4A为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮的主视结构示意图；图4B为本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴的叶轮侧视示意图。

本发明通过在喷嘴10内设置一能转动的叶轮3，进入所述喷嘴10的流体，一部分流体穿过所述叶轮3的中心、设置在喷嘴中部的中心喷射口14形成连续直射流，另一部分流体冲击所述叶轮3的叶片31，使所述叶轮3旋转，对位于所述中心喷射口14外周的侧向喷射口13入口的流场产生有规律的扰动，形成脉冲射流，同时，旋转的叶轮能降低所述侧向喷射口附近的局部压力，产生空泡，形成空化射流，该空化射流与脉冲射流相耦合形成脉冲空化射流由所述侧向喷射口13喷出。

进一步，所述叶轮3靠近所述喷嘴本体1的喷射端12设置，所述叶轮3的叶片31与所述喷射端12之间形成间隙配合，例如该间隙大约为1mm，以使旋转的叶轮3能降低所述侧向喷射口附近的局部压力，产生空泡，形成所述空化射流。在一个具体实施例中，如图1所示，本发明提出的脉冲空化多孔射流喷嘴10包括：喷嘴本体1，其形成一端为开口端11、另一端为喷射端12的中空柱状体，所述开口端11用于连接流体管道，所述喷射端12上设有多个喷射口。在所述喷射端12的中心位置设有中心喷射口14，环绕所述中心喷射口14设有多个均布的侧向喷射口13。一叶轮轴2固定在所述喷嘴本体1内，所述叶轮轴2为一中空的圆柱体，其中空部构成分别与喷嘴本体的开口端11和中心喷射口14相连通的中心流道21，所述叶轮轴2与所述喷嘴本体1之间构成外部流道22，所述外部流道22能与所述侧向喷射口13相连通；所述叶轮3能转动地套设在所述叶轮轴2上。

具体的是，所述叶轮3具有能套设置在所述叶轮轴2上的轮体32，以及设置在所述轮体32外部的叶片31(请配合参见图4A、图4B)，所述轮体32顶抵于所述喷射端12时，所述叶片31与所述喷射端12之间形成间隙配合，即，所述叶轮3靠近所述喷嘴本体的喷射端12设置，以使旋转的叶轮3能降低所述侧向喷射口附近的局部压力，产生空泡，形成所述空化射流。

在一个具体实施例中，所述叶轮轴2包括轴本体部23和支撑固定部24，所述轴本体部23的一端抵顶于所述喷嘴本体的喷射端12，另一端与所述支撑固定部24相连接，且所述轴本体部23与所述喷嘴本体1的内壁之间构成所述外部流道22。

进一步地，所述支撑固定部24的外径大于所述叶轮轴2的轴本体部23外径，并与所述喷嘴内壁构成紧配合。

在一个可行的方案中，所述支撑固定部24形成为与所述喷嘴本体1的内壁相配合的圆柱体，其上沿轴向设有一个以上分别与所述喷嘴本体1的开口端11和所述外部流道22相连通的贯通孔（该结构未图示）。

在另一个可行的方案中，如图3A、图3B所示，所述支撑固定部24为外径大于所述叶轮轴的轴本体部23外径的十字形支架，所述十字形支架的外周面与所述喷嘴本体内壁构成紧配合，流体自两个相邻的十字支撑部240与喷嘴本体1的内壁之间进入所述外部流道22。

根据以上的描述可以理解到，上面只是为了便于理解，以两个具体的例子进行说明，本发明中不限定固定支撑部24的端面形状，只要该固定支撑部24能对叶轮轴2起到支撑、且该叶轮轴2不易转动即可。

如图2A、图2B所示，为了使叶轮轴2更好的定位，在所述喷射端12内表面的中部设有一凹陷部15，所述轴本体部23的一端抵顶固定在该凹陷部15内。

所述凹陷部15可以形成为与轴本体部23形状相同、尺寸大致相等的圆柱形。

在另一个可行的方案中，所述轴本体部23与凹陷部15相配合的端部也可以形成为一多边柱状体，同样的，凹陷部15也形成为与轴本体端部相配合的多边柱状体，从而在使叶轮轴2能很好的定位同时，还能与所述支撑固定部24一起起到防止叶轮轴2转动的定位作用。

此外，优选每个所述侧向喷射口13与中心线之间形成向外倾斜的倾斜角α，以保证所钻孔径大于喷嘴本体1的外径，使所述喷嘴10能连续钻进。

其中，所述倾斜角α在5～20度的范围内。

进一步地，所述倾斜角α设置成10度、12度或15度为最佳。

如图4A、图4B所示，优选在所述叶轮3上均匀布置3～6个叶片31，每个所述叶片31与中心线之间具有45～80度的夹角β，在叶轮3的旋转过程中，通过倾斜设置的所述叶片31能封闭或打开所述侧向喷射口13。

其中，所述夹角β设置成45度、60度或75度为最佳。

下面结合本发明的结构进一步说明本发明的工作原理：由图1可见，本发明的脉冲空化多孔射流喷嘴10的喷嘴本体1内部从左到右依次放置叶轮轴2，叶轮3。所述喷嘴本体1左侧开口端11形成为能与流体管道相连接的母接头，喷嘴本体1右侧端的喷射端12形成为能使流体喷出的中心喷射口14和多个侧向喷射口13。其中侧向喷射口13设置成与中心线之间有5～20度的向外倾斜的倾斜角度，以保证所钻孔眼直径大于喷嘴本体1的外径，使喷嘴可以进入所钻孔眼内，连续向前钻进。侧向喷射口13的直径可为1mm左右，其孔眼不易过大，使转动的叶片31可以封堵住侧向喷射口13。而叶轮3上均匀布置的3～6个叶片31与中心线之间具有45～80度的夹角，同时为保证当流体冲击叶片31时叶轮3可以高速旋转，在保证强度的情况下应使叶片31的厚度尽可能薄些，以进而产生脉冲空化射流。叶轮3紧贴在侧向喷射口13内出口处，具体是，如图1、图4B所示，叶轮3具有叶片31和轮体32，所述叶片31设置在轮体32上，在图示的一个具体实施例中，叶片31的轴向长度略小于所述轮体32的长度，以使叶轮的轮体32顶抵于所述喷射端12时，叶片31与该喷射端12之间存在一微小的间隙，从而在叶轮的转动过程中，叶片31不会与喷嘴本体1之间产生摩擦。

工作时，高压流体从喷嘴本体1的开口端11进入喷嘴，流体经过叶轮轴2时一部分流入其中心流道21，从中心喷射口14射出；另一部分流体绕过十字支撑部240后沿平行于叶轮轴2方向流动，冲击叶轮的叶片31，进而推动叶轮3高速旋转，然后从侧向喷射口13射出。由于叶轮3在流体的冲击下紧贴在侧向喷射口13处，而当叶片31转动中正好阻挡在侧向喷射口13时，此时侧向喷射口13的流量最小，当两个叶片31之间的空隙正对侧向喷射口13时，此时侧向喷射口13不受阻挡，流量最大。如此，随着叶轮3的高速旋转，每个侧向喷射口13都有规律性的由大变小，再由小变大，进而形生了脉冲射流。同时，高速旋转的叶轮会降低叶轮附近流体的局部压力，产生微小空泡，空泡夹杂在流体中从侧向喷射口13射出即形成空化射流。同时形成的两种射流进而可以耦合成脉冲空化射流，因此从侧向喷射口13射的流体即为脉冲空化射流。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。同时，脉冲射流能够在能级相同的情况下增大射流的瞬时冲击力，可以提高射流的破岩和清岩效果。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，从而在岩石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。因此将脉冲射流和空化射流二者结合产生的脉冲空化射流能有效的提高喷嘴的钻孔能力。

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，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 (12)

1.一种脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述脉冲空化多孔射流喷嘴包括：喷嘴本体，其形成一端为开口端、另一端为喷射端的中空柱状体，所述开口端用于连接流体管道，所述喷射端上设有多个喷射口；在所述喷射端的中心位置设有中心喷射口，环绕所述中心喷射口设有多个侧向喷射口；在喷嘴本体内设置一能转动的叶轮，进入所述喷嘴的一部分流体穿过所述叶轮中心、所述中心喷射口形成连续直射流，另一部分流体冲击所述叶轮的叶片，使所述叶轮旋转，对位于所述中心喷射口外周的所述侧向喷射口入口的流场产生有规律的扰动，形成脉冲射流并产生空泡，形成空化射流，该空化射流与脉冲射流相耦合形成脉冲空化射流由所述侧向喷射口喷出。 

2.如权利要求1所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体内设有一中空的叶轮轴，所述叶轮轴的中空部构成分别与喷嘴本体的开口端和中心喷射口相连通的中心流道，所述叶轮轴与所述喷嘴本体之间构成外部流道，所述外部流道能与所述侧向喷射口相连通；所述叶轮能转动地套设在所述叶轮轴上。 

3.如权利要求1所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮靠近所述喷嘴本体的喷射端设置，所述叶轮的叶片与所述喷射端之间形成间隙配合，以使旋转的叶轮能降低所述侧向喷射口附近的局部压力，产生空泡，形成所述空化射流。 

4.如权利要求2所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮靠近所述喷嘴本体的喷射端设置，其中，所述叶轮具有能套设置在所述叶轮轴上的轮体，以及设置在所述轮体外部的叶片，所述轮体顶抵于所述喷射端时，所述叶片与所述喷射端之间形成间隙配合，以使旋转的叶轮能降低所述侧向喷射口附近的局部压力，产生空泡，形成所述空化射流。 

5.如权利要求2所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮轴包括轴本体部和支撑固定部，所述轴本体部的一端抵顶于所述喷嘴本体的喷射端，另一端与所述支撑固定部相连接，且所述轴本体部与所述喷嘴本体的内壁之间构成所述外部流道。 

6.如权利要求5所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述支撑固定部的外径大于所述叶轮轴的轴本体部外径，并与所述喷嘴内壁构成紧配合，且所述支撑固定部上沿轴向设有一个以上分别与所述喷嘴本体的开口端和所述外部流道相连通的贯通孔。 

7.如权利要求5所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述支撑固定部为外径大于所述叶轮轴的轴本体部外径的十字形支架，所述十字形支架的外周面与所述喷嘴本体内壁构成紧配合。 

8.如权利要求5至7任一项所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述喷射端内表面的中部设有一凹陷部，所述轴本体部的一端抵顶固定在该凹陷部内。 

9.如权利要求1至7任一项所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述叶轮上均匀布置3～6个叶片，每个所述叶片与中心线之间具有45～80度的夹角，在叶轮旋转过程中，所述叶片能封闭或打开所述侧向喷射口。 

10.如权利要求9所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述夹角为45度、60度或75度。 

11.如权利要求1至7任一项所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，每个所述侧向喷射口与中心线之间形成5～20度的倾斜角，以保证所钻孔径大于喷嘴本体外径，使所述喷嘴能连续钻进。 

12.如权利要求11所述的脉冲空化多孔射流喷嘴，其特征在于，所述倾斜角为10度、12度或15度。 

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