CN104110220A - 一种具有破岩与自进双模式的多孔喷嘴装置 - Google Patents

Abstract

一种具有破岩与自进双模式的多孔喷嘴装置，即在对前向孔眼与后向孔眼有相位与距离要求的多孔喷嘴中加入一个由叶轮轴与开关器组合成的旋转芯子。当高压流体进入喷嘴本体，将驱动叶轮轴带动与其相连的开关器旋转，由于前向孔眼与后向孔眼相位一致，而开关器的前端面镂空部分与侧面遮挡部分相位一致，从而实现射流破岩与喷嘴自进的交替进行。本发明特别适用于不扩孔径向水平井技术，将井下有限的水力能量分时单独用于射流破岩与喷嘴自进，极大提高破岩效率与喷嘴自进能力。而且，可以通过调整开关器的结构参数，使得喷嘴射流破岩时间比喷嘴自进时间更多，高效利用水力能量。同时，由于前向与后向孔眼均较多，所以形成孔眼较为规则。

Description

一种具有破岩与自进双模式的多孔喷嘴装置

技术领域

本发明涉及到适用于石油开采领域超短半径径向水平井技术的一种喷嘴装置，尤其是一种能够将射流破岩与喷嘴自进两个过程分开，同时产生脉冲空化效果的破岩与自进双模式多孔喷嘴装置。本发明的喷嘴特别适用于不扩孔条件下的超短半径径向水平井的应用。 

背景技术

超短半径侧钻水平井钻井技术(又称径向水平井钻井技术)是指在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼。该技术是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。利用该技术可使死井复活，大幅度提高油井产量和原油采收率，且能降低钻井成本，是油田老井改造、油藏挖潜和稳产增产的有效手段，尤其适合于薄油层，垂直裂缝、稠油、低渗透等油藏的开发。但是该技术发展缓慢，主要有以下四项问题亟待解决：1)形成一定直径的孔眼；2)具有一定的射流钻进速度；3)能够实现一定的延伸长度；4)钻出形状较为规则的孔眼。 

超短半径径向水平井钻井技术的根本特征是它能够以超短半径(＜300mm)从垂直井段转向水平水平井段；它抛弃了传统的靠钻头机械破岩的方法，采用了高压水射流破岩形成水平井眼的技术。因此，斜向器与水力破岩钻头成为该技术的核心部件，尤其是水力破岩钻头。 

目前主要有三种不同设计和工作原理的结构形式，即多孔射流喷嘴、单孔旋转射流喷嘴与直旋混合射流喷嘴。三种结构均可通过合理设计实现自进。 

第一种钻头为多孔喷嘴，即改变单孔喷嘴为多孔喷嘴，在前端面中心和离开中心一定距离的圆环上分布有多个喷嘴，各喷嘴都以适当的角度引导射流冲击到钻头前的某一区域的岩石上，岩石受到冲蚀破碎而形成一个较大的水平孔眼。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；且前向喷嘴反冲作用力较大，不利于向前钻进。 

第二种为单孔旋转射流钻头，即在普通喷嘴的内部加入导流元件组成。当高压流体进入喷嘴腔体流经导流元件后，在导流元件的引导下，流体沿一定的轨迹旋转前进，实现在喷嘴不转的条件下，产生具有三维速度的旋转射流。旋转射流因为具有三维速度，所以可以降低破岩门限压力。在离开喷嘴任一射流截面上，都存在着射流密度和能量最大的一个圆环面积，而且在一定范围内离开的距离越大，圆环半径也越大，射流破碎的岩石面积也越大，因而只要压力足够，就可以很快形成一个足够大的井眼。但是，该方法破岩深度较小，并且会在岩石的底部形成锥形凸起，影响破岩效果。 

第三种为直旋混合射流喷嘴，即在普通射流喷嘴的内部加入一个带直孔的加旋叶轮，是通过合理设计将普通直射流与旋转射流有机结合的喷嘴。高压流体经过带直孔的加旋叶轮后进入混合腔，形成低速直旋混合流，再通过喷嘴出口增压作用，形成轴心速度高外围旋转强度大的直旋混合射流。直旋混合射流喷嘴兼具了直射流与旋转射流的优点，可形成较大的孔眼直径和深度。但是，在围压存在的条件下，直旋混合射流射流能量衰减迅速，破岩效果较差；同时由于内部结构复杂，压力损失较大，且存在旋流效应。 

此外，近几年有学者研发了脉冲空化多孔射流喷嘴，即通过改变多孔喷嘴的内部结构，形成一种能够形成脉冲射流和空化射流耦合而形成的脉冲空化多孔射流喷嘴。该种喷嘴可高效的利用射流能量，有效的提高破岩效率，形成较大孔深的水平井眼。但是，在围压存在条件，其射流衰减较快；其形成的孔眼直径较小，且形状不规则；前向射流反冲力较大，不利于向前钻进。 

综合考虑以上射流喷嘴存在的优点与缺点，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，以充分利用有限的水力能量为目的，研制出了本发明的一种具有破岩与自进双模式多孔喷嘴装置。 

发明内容

为了克服现有径向水平钻井中所有喷嘴存在水力能量不足的缺陷，尤其是不扩孔条件下的径向水平井技术中，受管线的限制，水力能量严重不足。本发明专利提供一种具有破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，该喷嘴能够实现射流破岩与喷嘴自进交替进行，可以利用有限的水力能量实现高效破岩与强力自进。 

本发明专利提出了一种射流破岩与喷嘴自进交替进行的多孔喷嘴装置，其包括：喷嘴本体、叶轮轴、开关器。喷嘴本体，即多孔喷嘴，一端开口用于连接流体管道；另一端在端面中心有一个中心孔，起到冲击破岩形成较深孔眼，以及过渡缓冲，防止出现意外的作用；环绕中心均布着多个前向孔眼，用于射流破岩，形成较大井眼；其侧面均布着多个后向孔眼，用于为喷嘴提供自进力，同时可以扩大已成形孔眼；其中心为流体通道；根据本发明的设计原理，要求多孔喷嘴前端面环绕中心前向孔眼与侧面后向孔眼中心线必须在同一平面内，即前向孔眼与后向孔眼相位一致；且后向孔眼在喷嘴本体内壁距离前端面的距离小于开关器侧面遮挡墙的高度。在喷嘴本体的内部设置一个由叶轮轴与开关器组成的旋转芯子，能够控制前向孔眼与后向孔眼开关，是前向孔眼与后向孔眼不能同时完全打开。旋转芯子主要由两部分组成：动力端，动力端为一个带有中心孔的叶轮轴，叶轮轴的叶轮数目以及其长度可根据实际的动力需求进行相应的调整，以控制转速；开关器，开关器的前端面有一个中心孔，该中心孔与叶轮轴的中心一致，环绕中心孔存在与前向孔眼相对应的多个扇形镂空部分，在镂空部分之间存在前向遮挡墙，而在其侧面存在侧向遮挡墙；另外，在开关器的侧面设计了一个安装O型圈的U型槽，根据需要决定是否安装O型圈，以增加或减小转动阻力，控制转速。喷嘴工作原理，当高压流体进入喷嘴本体，流经叶轮轴时，将驱动叶轮轴旋转，并带动与叶轮轴相连的开关器旋转，由于除中心孔眼外其余前向孔眼与后向孔眼相位一致，而开关器的前端面镂空部分(或前端面遮挡部分)分别与侧面遮挡部分(或镂空部分)相位一致，故当开关器旋转时，即可实现前向孔眼与后向孔眼交替打开，即射流破岩与喷嘴自进的交替进行。这里要求严格控制转速，以防将射流打成水雾。 

本发明破岩与自进交替式喷嘴装置与现有技术相比的优点与特点： 

本发明的最主要的优点与特点是将射流破岩与喷嘴自进的两个过程交替进行，即在开关器的控制下，当多孔喷嘴的前向孔眼全开时，其后向孔眼全部被遮挡住；而当其后向孔眼全部打开时，其前向孔眼除中心孔眼外，其余前向孔眼全部被遮挡住，从而实现射流破岩与喷嘴自进两个过程分开进行，这样就解决了现有径向水平井技术要求喷嘴在有限水力能量条件既要实现连续破岩与喷嘴自进的难题。喷嘴工作时，在射流破岩模式下，能够保证将全部水力能量用于形成较为规则大孔眼，同时，前向孔眼的周期性开关，形成一种脉冲射流，并伴随空化现象，有利于破岩钻孔；在喷嘴自进模式下，除前向中心孔眼外，所有前向孔眼均关闭，从而使得前后流量比达到N∶1(比如6∶1)的效果，同时，消除了大部分前向孔眼的反冲力作用，为喷嘴自进提供足够的推进力，另外，后向孔眼周期性的开关，引起自进力周期的增大减小，形成一种脉动，有利于减少摩擦阻力，形成较深孔眼，增大径向水平井的延伸极限。由于喷嘴工作在一定程度不再受流体流量的限制，可以通过在喷嘴前端面以及侧面分别设计多个喷嘴，以确保破岩钻孔的形状更加规则，更加利于喷嘴自进。另外，即使在喷嘴前端面以及侧面分别设计多个喷嘴，在一种工作模式下时，其孔眼当量直径仍可能比常规多孔喷嘴小，有利于减少破岩所需的流量，从而减少循环压耗，提高水利能量利用效率。同时，该喷嘴具有普通多孔喷嘴的所有优点，即各喷嘴都以适当的角度引导射流冲击到钻头 前的某一区域的岩石上，岩石受到冲蚀破碎而形成一个较大的水平孔眼。另外，考虑到自进力并不需要实时存在，可以适当改变前后孔眼的遮挡比例，使喷嘴更多的时间在射流破岩，提高水力能量利用效率。本发明的喷嘴结构简单，能够保证其性能的可靠性；同时易于制造，能够降低应用成本；其尺寸完全满足不扩孔条件下钻径向水平井的要求，其破岩与自进能力足够满足应用需求，将极大地推进径向水平井技术发展，为难开采的油气资源提供经济高效的开发技术。 

附图说明

以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明工具的范围。 

图1为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置装配体正视图及A-A剖面图； 

图2为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置喷嘴本体俯视图及A-A剖面图； 

图3A为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置叶轮轴三维示意图； 

图3B为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置叶轮轴俯视图及C-C剖面图； 

图4A为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置开关器三维示意图； 

图4B为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置开关器俯视图C-C剖面图； 

图4C为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置改变遮挡比例后开关器三维示意图； 

图5为本发明专利的破岩与自进交替式多孔喷嘴装置由叶轮轴与开关器组成的旋转芯子三维示意图。 

附图标号说明： 

1、喷嘴本体 11、连接螺纹 12、后向孔眼 13、前向孔眼 14、中心孔 15、中心流道 

2、叶轮轴 21、中心孔 22、叶轮 23、中空圆柱体 24、叶轮外径控制圆 

3、开关器 31、前向遮挡墙 32、中心孔 33、U型槽 34、侧向遮挡墙 

具体实施方式

本发明的一种具有破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，主要包括：喷嘴本体、叶轮轴、开关器等。其特征在于，在对前向孔眼与后向孔眼有相位要求的喷嘴本体中加入一个由叶轮轴驱动的开关器，由于除前向中心孔眼外其余前向孔眼与后向孔眼相位一致，而开关器的前端面镂空部分(或前端面遮挡墙)分别与侧面遮挡墙(或镂空部分)相位一致，故环绕中心的前向孔眼与后向孔眼不能同时完全打开，当高速流体流经叶轮轴，将驱动叶轮轴旋转，从而实现前向孔眼与后向孔眼周期交替打开，从而实现射流破岩与喷嘴自进交替进行，前向中心孔眼起到起到冲击破岩形成较深孔眼，以及过度缓冲防止出现意外的作用。 

图1为本发明专利的破岩与自进双模式多孔喷嘴装置正视图及A-A剖面图。结构较为简单，仅包括：喷嘴本体1与叶轮轴2以及开关器3三个元件，其长度可控制在35mm以下，特别适用于不扩孔条件下的径向水平井技术。喷嘴通过喷嘴本体1后端的螺纹实现喷嘴与流体管道的连接，并实现前端旋转芯子的限位。高压流体经管道进入喷嘴内部，在叶轮轴2的引导下，一部分流体通过叶轮轴中心孔21以及开关器中心孔32，由喷嘴前向中心孔14形成高压水射流，用于冲击破碎岩石，形成较深孔眼；另一部分流体通过叶轮22驱动叶轮轴2，由此带动与其相连接的开关器3，由于除前向中心孔14外其余前向孔眼13与后向孔眼12相位一致，而开关器3的前端面镂空部分(或前端面遮挡墙31)分别与侧面遮挡墙34(或镂空部分)相位一致，从而可以实现前向孔眼13与后向孔眼12周期交替打开，从而实现射流破岩与喷嘴自进交替进行。另外，可根据实际情况在开关器3的U型槽33上增加O型，以增加阻力，实现旋转速度的控制，防止将水射流打成水雾。在图示状态下，喷嘴前向环绕中心的孔眼13全部被开关器3的前向遮挡墙31所关闭，全部后向孔眼12处于完全打开状态，即开关器3的侧向遮挡墙34完全处于后向孔眼之间，此 时为完全的喷嘴自进模式，当叶轮轴2慢慢转过一定角度，喷嘴工作模式将由完全的喷嘴自进模式转化为完全的射流破岩模式，此时前向中心孔眼14起到一种过渡保护的作用。 

图2为本发明专利的破岩与自进双模式多孔喷嘴装置喷嘴本体俯视图及A-A剖面图。喷嘴本体1，其结构与普通多孔喷嘴类似。从图2中的俯视图可以看出除前向中心孔眼14外其余前向孔眼13与后向孔眼12其中心线在同一平面内，即相位一致；且后向孔眼12在喷嘴本体1内壁距离前端面的距离小于开关器3侧面遮挡墙34的高度。由于在一种工作模式下，喷嘴仅有前向或者后向孔眼工作，在一定程度使得喷嘴设计不再受流量的限制。根据实验经验当前向孔眼组合为8+1时，所钻孔眼形状接近圆，以往由于流量与反冲力的影响无法实现，但在本发明中完全可以实现，使得所钻井眼更加规则。建议设计前向环绕中心孔的前向孔眼6～8个，为了减少喷嘴流量系数系数，在前向孔眼13与后向孔眼12当量直径相当的情况下，建议设计后向孔眼3～6个。 

图3A与图3B为本发明专利的破岩与自进双模式多孔喷嘴装置叶轮轴示意图。由图3A可以非常形象的看到叶轮轴2的形状。由图3B可见，叶轮轴2的结构较为简单，主要由一个中空圆柱体23与叶轮22组成，圆柱23中心为叶轮中心孔21为液流通道；在其侧面均布着多个叶轮22，叶轮22的数量及长度可根据动力需求进行相应的调整；中空圆柱23比叶轮22长出部分用于与开关器3配合；图中标注24为叶轮外径控制圆，其尺寸与喷嘴本体1内径相当。叶轮轴2为旋转芯子的动力端，依靠水力能量驱动前部的开关器3工作，同时中心孔21可以保证破岩深度与提供保护。 

图4A、图4B与图4C为本发明专利的破岩与自进双模式多孔喷嘴装置开关器的示意图。由图4A可以非常形象的看到开关器3的形状。由图4B可见，其主要的功能单元为前向遮挡墙31与侧向遮挡墙34，前向遮挡墙31恰好与侧向镂空部分相对应，而侧向遮挡墙34恰好与前端面镂空部分相对应，这样就能实现相位相同的前向孔眼与后向孔眼的分时工作，即实现射流破岩与喷嘴自进的交替进行；中心孔32为流体通道，形成直射流；侧面的U型槽33为O型圈安装槽，根据实际情况判断是否需要安装O型圈以控制转速。另外，考虑到自进力并不需要实时存在，可以适当改变前后孔眼的遮挡比例，使喷嘴更多的时间在射流破岩，提高水利能量利用效率。如图4C所示，前向遮挡墙31的宽度明显比侧向遮挡墙34的宽度小的多，实现后向孔眼12被遮挡时间比未被遮挡时间长的多。 

图5为本发明专利的破岩与自进双模式多孔喷嘴装置由叶轮轴与开关器组成的旋转芯子三维示意图。从图中可以清楚的看到叶轮轴2与开关器3的组合关系。叶轮轴2通过焊接与开关器3组合到一起，从而使叶轮轴2能够带动开关器3旋转，达到设计目的。 

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，本发明的个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使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。 

Claims (6)

1.一种具有破岩与自进双模式的多孔喷嘴装置，在喷嘴本体中装入由叶轮轴与开关器组合成的旋转芯子，其特征在于，喷嘴本体在其前端面有一个中心孔以及多个环绕中心孔均布的前向孔眼，而在其侧面存在多个侧向孔眼；叶轮轴具有中心孔与叶轮；开关器具有前向遮挡墙与侧向遮挡墙；在高压流体的驱动下，叶轮轴带动开关器旋转，从而实现多孔喷嘴在射流破岩与喷嘴自进两个模式之间不停的转换，以及一种脉冲空化的作用，更加高效的完成破岩与自进。

2.如权利要求1所述破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，其特征在于，喷嘴本体的前向孔眼与其相应的后向孔眼的中心线在同一平面内，即前向孔眼与后向孔眼相位相同，且后向孔眼在喷嘴本体内壁距离前端面的距离小于开关器侧面遮挡墙的高度，这样设计恰好能够让开关器控制前向孔眼与后向孔眼的开关转换。

3.如权利要求1所述破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，其特征在于，喷嘴本体内设有叶轮轴，所述叶轮轴中空圆柱与叶轮组成，其中叶轮有3～4个，且其长度比中空圆柱稍短。

4.如权利要求1所述破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，其特征在于，喷嘴本体内设有开关器，所述开关器前向遮挡墙与侧向遮挡墙有一定相位差，即前向遮挡墙恰好与侧向镂空部分相对应，而前向镂空部分恰好与侧向遮挡墙相对应，实现在前向孔眼关上的同时，后向孔眼慢慢打开，反之亦然。

5.如权利要求1至权利要求2所述破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，其特征在于，喷嘴本体前端面环绕中心均布6～8个前向孔眼，而侧面均布3～6个后向孔眼。

6.如权利要求1至权利要求4所述破岩与自进双模式多孔喷嘴装置，其特征在于，喷嘴本体内的开关器前向遮挡墙与后向遮挡墙的遮挡比例可调整，实现更多时间射流破岩，短时间喷嘴自进。