CN103429838A - 流体钻头喷嘴设计 - Google Patents
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Abstract
一种流体切割头(8),该流体切割头的类型是在用于在岩石中切割钻孔的可旋转喷嘴组件(9)中具有多个喷嘴,该流体切割头具有被布置成被供以高压钻孔流体的喷嘴,该喷嘴形成被布置成切割邻近的岩石的射流。喷嘴包括总体上面向轴向的一个或更多个导向喷嘴(1和2)以及总体上面向径向的一个或更多个扩孔喷嘴(3、4、5和6),至少所述导向喷嘴的特征在于:所述导向喷嘴具有非渐缩式出口部,从而从导向喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。导向喷嘴位于可旋转喷嘴组件(9)的直径被最小化的前部(26)中,而扩孔喷嘴位于可旋转喷嘴组件(9)的后部(27)中,该后部以阶梯形式形成,以使扩孔喷嘴保持靠近岩石面。
Description
本发明涉及用于流体钻头的喷嘴和可旋转喷嘴组件的设计,该流体钻头具有在我们较早的国际专利申请PCT/AU02/01550(第WO 03/042491A1号国际公布)中总体上所描述的类型,该国际专利申请的内容以交叉引用的方式被包含于此。
背景技术
在先前公知的流体钻头的形式中,已经普遍地使用被称为“喇叭喷嘴”类型的喷嘴,该“喇叭喷嘴”具有被设计成在钻孔操作中产生用于切割或破碎岩石的强烈的空泡云的渐阔的(diverging)出口部。在本说明书的附图2中示出了这样的装置。
申请人进一步的研究已经表明:虽然由这种类型的喇叭喷嘴产生的空泡云确实很强烈,但是这种空泡云是在远离喷嘴出口的位置产生的。空泡云和喷嘴出口之间的区域是不能有效地切割与喷嘴出口邻近的岩石的“盲区”。因此,由于盲区直接位于流体切割头的前缘处的导向射流(pilot jet)之前,导致布置这种喷嘴以产生平滑和自进式的几何形状是非常困难的,并且由于喇叭喷嘴的物理尺寸,导致流体切割头的有效设计也很困难。在图2中示出的现有技术中那种类型的装置需要被缓慢地送进到钻孔中,以确保被切割的岩石保持远离切割头的前部。如果工具与岩石过于接近,则岩石可能会处于盲区中并且可能会导致“停车”(stall)。
发明内容
因此,本发明提供了一种流体切割头,该流体切割头的类型是在用于在岩石中切割钻孔的可旋转喷嘴组件中具有多个喷嘴,所述喷嘴被布置成被供以高压钻孔流体,以形成被布置成切割邻近的岩石的射流,所述喷嘴包括总体上面向轴向的一个或更多个导向喷嘴以及总体上面向径向的一个或更多个扩孔喷嘴,至少导向喷嘴是以非渐缩式出口部为特征,从而从导向喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。
优选地,扩孔喷嘴也以非渐缩式出口部为特征,从而从扩孔喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。
优选地,可旋转喷嘴组件的包含导向喷嘴的前部的直径明显小于可旋转喷嘴组件的包含扩孔喷嘴的后部的直径。
优选地,可旋转喷嘴组件的后部以台阶的直径逐渐增大的阶梯形式形成,在每个台阶中具有位于其中的一个扩孔喷嘴,从而从每个扩孔喷嘴产生的射流被定位成靠近邻近的钻孔表面。
附图说明
尽管存在可落在本发明的范围内的任何其他的形式,但现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的一个优选形式,在附图中:
图1是根据本发明的流体钻头的侧视图;
图2是示出了远离喷嘴出口的空泡云的形成的现有技术中的流体钻头的图示;
图3是根据本发明的流体钻头的可旋转喷嘴组件的右手透视图;
图4是根据本发明的流体钻头的可旋转喷嘴组件的左手透视图;
图5是图3和图4中所示的可旋转喷嘴组件的端视图;
图6是图3和图4中所示的可旋转喷嘴组件的侧视图;
图7是穿过根据本发明的流体钻头中所使用的类型的喷嘴的剖视图。
具体实施方式
在本发明的优选形式中,流体钻头8通常具有可旋转喷嘴组件9,并可包含安装在钻头主体11的前端的诸如调整环(gauging ring)10的其他特征。
下面将参照图3至图7描述可旋转喷嘴组件9的更详细的构造,图3至图7展示了如何能够优化喷嘴的设计和布置,以克服在图2中的12处所示出的现有技术中典型类型的流体钻头的问题。
在现有技术中的典型的流体钻头中,可旋转喷嘴组件13设置有导向喷嘴14和扩孔喷嘴15,导向喷嘴14和扩孔喷嘴15通常是具有渐阔的出口部的“喇叭喷嘴”式设计。这种类型的喷嘴产生在16处图解地示出的强烈的空泡云,该空泡云能有效地切割并破碎岩石。通过仔细的实验室测试已经发现:虽然由喷嘴14和15产生的空泡云16确实很强烈,但是这些空泡云远离喷嘴出口(如图2中清楚地示出的),导致在空泡云16和喷嘴出口之间产生“盲区”17。因为该盲区,使得现有技术中具有这种特性的工具需要被缓慢地送进到孔中,以确保被切割的岩石保持远离钻头的前表面18。一旦前表面18过快地前进到岩石面中,那么空泡云16便不再有效,并且射流逆着处于盲区17中的岩石面的方向产生。
本发明通过提供图7中示出的那种类型的喷嘴来克服这种缺陷,在图7中,喷嘴18通常插入到形成在可旋转喷嘴组件20中的孔19中,并通过螺纹啮合21而被固定在适当的位置。
喷嘴通常被形成为位于沉头孔22中,从而喷嘴螺纹23的顶部与沉头孔的底部齐平。
虽然每个喷嘴的入口部24通常向内渐缩,以增大通过喷嘴泵送的高压水的速度,但出口部25由非渐缩部形成(如在图7中清楚地看到的),从而从出口部25产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。
已经发现:使用被形成为这种构造的喷嘴使得在切割或破碎岩石上有效的射流紧邻喷嘴的出口,所以避免了通常在现有技术中的喷嘴构造中出现的盲区17。
为了使这种类型的喷嘴的岩石切割效果最大化,还发现:以台阶形式来形成可旋转喷嘴组件最有效,从而可旋转喷嘴组件的包含形成射流1和射流2的导向喷嘴的前部26的直径明显小于可旋转喷嘴组件的包含扩孔喷嘴的后部(following part)27的直径。
扩孔喷嘴3、4、5和6通常被定位成提供扩孔射流,如图3和图4中所示,并且扩孔喷嘴3、4、5和6分别位于29、30、31和32处,如在图6中可清楚地看到的。
以这种方式,可旋转喷嘴组件9的后部27以直径逐渐增大的阶梯形式形成,在每个台阶中均具有位于其中的一个扩孔喷嘴,从而从每个扩孔喷嘴产生的射流被定位成靠近邻近的钻孔表面。
已经发现:这在使每个扩孔射流的操作最大化上将是最有效的,这允许从它们的喷嘴靠近钻孔表面产生的扩孔射流扩展并扩大,直到达到最终的钻孔直径为止。最后,由调整环10控制钻孔直径。
通过在物理上尽可能减小前部26的直径来优化这种效果,从而与钻孔直径通过阶梯式的后部27中的扩孔射流而逐渐扩大相比,导向射流的岩石切割功能降低。
与上述类型的喷嘴的使用相结合,这允许扩孔射流靠近岩石面进行操作,并以阶梯方式增大钻孔直径。扩孔射流的这种后向定位(rearward facingorientation)还允许这样近距离地进行更有效的岩石破碎。
实验室测试已经表明:在出口的距离每个扩孔射流大约5mm以内的区域非常具有破坏性,该破坏性更甚于在现有技术中的装置中所使用的喇叭喷嘴的远距离空泡云的破坏性。
喷嘴出口的实际直径根据将被切割的岩石的特性进行选择,同样地,通过流体钻头向喷嘴供应的水压也根据将被切割的岩石的特性进行选择。测试表明:在48MPa至73MPa的压力下钻孔是有效的。对于光亮煤来说,48MPa较好,对于粘土岩带和砂岩来说,73MPa较好。
喷嘴直径根据材料和喷嘴的位置而变化。前导向喷嘴的直径必须要不大于0.7mm至1.0mm。最好使这些尺寸最小化,以提高刀具向前的净推力,且尺寸小的改变产生大的差异,这是因为它们的向前的指向几乎是笔直的。扩孔喷嘴在0.5mm和1.3mm之间的范围内工作良好,这还是取决于煤的条件。利用在该钻头中的三个扩孔喷嘴中的具有0.8的向前的直度(straightahead)、0.9的向前的倾斜度(forward angled)以及1.1钻出310m的孔。然而,这产生大约1m/min的钻入速率。
以这种方式,可提供一种用于流体钻头的可旋转喷嘴组件,该可旋转喷嘴组件允许钻孔速率比之前利用现有技术中的钻头所实现的钻孔速率更快,并且还允许更精确地控制钻孔尺寸以及扩孔喷嘴的有效位置。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种流体切割头,所述流体切割头的类型是在用于在岩石中利用液压切割钻孔的可旋转喷嘴组件中具有多个喷嘴,所述喷嘴被布置成被供以高压钻孔流体,以形成被布置成切割邻近的岩石的射流,所述喷嘴包括总体上面向轴向的一个或更多个导向喷嘴以及总体上面向径向的一个或更多个扩孔喷嘴,至少所述导向喷嘴的特征在于:所述导向喷嘴具有非渐缩式出口部,从而从导向喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变,其中,可旋转喷嘴组件的包含导向喷嘴的前部的直径明显小于可旋转喷嘴组件的包含扩孔喷嘴的后部的直径。
2.根据权利要求1所述的流体切割头,其中,所述扩孔喷嘴的特征也在于:所述扩孔喷嘴具有非渐缩式出口部扩孔,从而从扩孔喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。
3.根据权利要求2所述的流体切割头,其中,扩孔喷嘴被定位成使得从扩孔喷嘴产生的射流相对于切割头的行进方向向后倾斜。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的流体切割头,其中,可旋转喷嘴组件的后部以台阶的直径逐渐增大的阶梯形式形成,在每个台阶中具有位于其中的至少一个扩孔喷嘴,从而从每个扩孔喷嘴产生的射流被定位成靠近邻近的钻孔表面。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的流体切割头,其中,所述喷嘴中的一个或更多个喷嘴具有位于非渐缩式出口部的上游的呈向内渐缩部的入口部。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的流体切割头,其中,导向喷嘴的内径小于1.0mm。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的流体切割头,其中,扩孔喷嘴的内径小于1.3mm。
8.根据权利要求7所述的流体切割头,其中,扩孔喷嘴的内径在0.5mm和1.3mm之间。
9.一种流体切割头,如在此参照附图充分描述地那样构造、布置以及操作。
Claims (10)
1.一种流体切割头,所述流体切割头的类型是在用于在岩石中切割钻孔的可旋转喷嘴组件中具有多个喷嘴,所述喷嘴被布置成被供以高压钻孔流体,以形成被布置成切割邻近的岩石的射流,所述喷嘴包括总体上面向轴向的一个或更多个导向喷嘴以及总体上面向径向的一个或更多个扩孔喷嘴,至少所述导向喷嘴的特征在于:所述导向喷嘴具有非渐缩式出口部,从而从导向喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。
2.根据权利要求1所述的流体切割头,其中,所述扩孔喷嘴的特征也在于:所述扩孔喷嘴具有非渐缩式出口部扩孔,从而从扩孔喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。
3.根据权利要求2所述的流体切割头,其中,扩孔喷嘴被定位成使得从扩孔喷嘴产生的射流相对于切割头的行进方向向后倾斜。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的流体切割头,其中,可旋转喷嘴组件的包含导向喷嘴的前部的直径明显小于可旋转喷嘴组件的包含扩孔喷嘴的后部的直径。
5.根据权利要求4所述的流体切割头,其中,可旋转喷嘴组件的后部以台阶的直径逐渐增大的阶梯形式形成,在每个台阶中具有位于其中的至少一个扩孔喷嘴,从而从每个扩孔喷嘴产生的射流被定位成靠近邻近的钻孔表面。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的流体切割头,其中,所述喷嘴中的一个或更多个喷嘴具有位于非渐缩式出口部的上游的呈向内渐缩部的入口部。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的流体切割头,其中,导向喷嘴的内径小于1.0mm。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的流体切割头,其中,扩孔喷嘴的内径小于1.3mm。
9.根据权利要求8所述的流体切割头,其中,扩孔喷嘴的内径在0.5mm和1.3mm之间。
10.一种流体切割头,如在此参照附图充分描述地那样构造、布置以及操作。
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