CN104453715A - 自动控制流量分配的喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动控制流量分配的喷嘴，包括探头、前向喷嘴、后向喷嘴和换向控制杆；后向喷嘴包括沿其贯通孔的轴向依次相接的容纳部和连接部，容纳部的前部与前向喷嘴连接；换向控制杆包括在容纳部的内腔中滑移的滑移部，以及与前向喷嘴的贯通孔滑动配合的杆部；杆部延伸出前向喷嘴，其延伸端连接探头；前向喷嘴和后向喷嘴上分别设置与容纳部的内腔连通的前向喷孔和后向喷孔，滑移部上设置贯通的过流孔；滑移部滑移至与前向喷嘴贴紧时，过流孔的截面至少一部分与前向喷孔相连通；滑移部滑移至与连接部贴紧时，滑移部遮挡后向喷孔，从而对前后流量进行调配，保证了正常钻进时有足够的牵引力，同时遇阻时有足够的破岩钻孔能力。

Description

自动控制流量分配的喷嘴

技术领域

本发明涉及水射流钻孔技术领域，适用于石油、煤炭、天然气等行业的径向水平井、水力深穿透等工程作业，特别涉及一种喷嘴。

背景技术

水射流钻径向水平井技术是在井下导向器的引导下利用螺杆马达和万向节柔性轴组合钻具钻穿套管，利用喷嘴形成的高压水射流的破岩钻进，在油气层沿井筒径向钻出深达数十米清洁的泄流孔道，新增和拓展泄油区域，改善油气流入井筒的流阻特性，实现增产、增注和提高采收率。

目前，常见的径向水平井喷射地层的喷嘴有多孔、旋流、脉冲等多种类型，进入地层的输液管道一般是高压软管，钻进驱动的方式主要是喷管后端推进或喷嘴自牵引两种。

采用喷管后端推进的方式，由于喷射反力、摩擦阻力的存在，会造成喷管在射流孔道内发生失稳屈曲，限制了喷管在地层中的送进距离。

自牵引喷嘴采用前后两级或多级喷射组合，具备自牵引力。虽然可以延缓失稳屈曲，增加钻进距离，避免喷管后端推进的方式产生的缺陷；但由于自牵引喷嘴组合需要对流量进行前后向分配，牵引力大小与后、前向流量的差值成正比，牵引力的提高致使前向喷嘴的钻孔能力降低。

由于地层的非均质性，在遇到可钻性差的局部岩层时，前向射流不能有效成孔，造成钻进遇阻。基于流体输送管道流量—压降特性，系统流量受到限制，如果自牵引喷嘴组合的前向射流破岩钻孔能力不足，则无法实现长距离钻进，极大地削弱了对密实地层的适应能力。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提出一种自动控制流量分配的喷嘴，依据喷射钻进时是否遇阻，对前后流量进行自行调配，保证了正常钻进时有足够的牵引力，同时在遇阻时有足够的破岩钻孔能力，从而延缓失稳屈曲，增加钻进距离。

本发明的一种自动控制流量分配的喷嘴，包括探头、具有贯通孔的前向喷嘴、具有贯通孔的后向喷嘴和换向控制杆；

所述后向喷嘴包括沿其贯通孔的轴向依次相接的容纳部和连接部，所述容纳部的前部与所述前向喷嘴连接；所述换向控制杆包括在所述容纳部的内腔中滑移的滑移部，以及与所述前向喷嘴的贯通孔滑动配合的杆部；所述杆部延伸出所述前向喷嘴，所述杆部的延伸端连接所述探头；

所述前向喷嘴和所述后向喷嘴上分别设置与所述容纳部的内腔连通的前向喷孔和后向喷孔，所述滑移部上设置贯通的过流孔；所述滑移部滑移至与所述前向喷嘴贴紧时，所述过流孔的截面至少一部分与所述前向喷孔相连通；所述滑移部滑移至与所述连接部贴紧时，所述滑移部遮挡所述后向喷孔。

作为一种可实施的方式，所述滑移部滑移至与所述连接部贴紧时，所述滑移部抵靠在所述连接部的端部。

作为一种可实施的方式，所述连接部的端部设置过渡斜面，所述连接部的外壁通过所述过渡斜面与所述容纳部连接。

作为一种可实施的方式，所述后向喷孔设置于所述过渡斜面上。

作为一种可实施的方式，所述前向喷孔的轴线与所述前向喷嘴的贯通孔的轴线之间具有第一夹角；所述后向喷孔的轴线与所述前向喷嘴的贯通孔的轴线之间具有第二夹角。

作为一种可实施的方式，所述前向喷孔与所述容纳部的内腔连通的一端、所述后向喷孔与所述容纳部的内腔连通的一端和所述过流孔远离所述前向喷嘴的一端分别设置导流锥孔。

作为一种可实施的方式，所述滑移部靠近所述前向喷嘴的端面上和\或所述前向喷嘴的内端面上设置凹槽；

所述滑移部远离所述前向喷嘴的端面上和\或所述连接部与所述滑移部抵靠的端面上设置凹槽。

作为一种可实施的方式，所述前向喷嘴设置于所述容纳部中。

作为一种可实施的方式，所述前向喷嘴的外端面中心设置中空凸台，所述中空凸台伸出所述后向喷嘴上放置所述前向喷嘴所在端的端面。

作为一种可实施的方式，所述容纳部的外径大于所述连接部的外径。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：自动控制流量分配的喷嘴采用换向控制杆在容纳部中的位置移动，同时在换向控制杆的滑移部上设置过流孔，从而使自动控制流量分配的喷嘴根据钻进时是否遇到阻力，使前向喷嘴的前向喷孔或者后向喷嘴的后向喷孔与容纳部的内腔之间的连通关系发生变化，继而使前、后向流量发生变化，以适应非均质地层的喷射钻进。自行调节前、后射流流量的自动控制流量分配的喷嘴同时保证了足够的钻进能力与足够的牵引力。

同时，采用自牵引方式，后向喷嘴能提供足够的牵引力，抵消前向喷嘴的喷射反力，有利于自动控制流量分配的喷嘴在地层中钻进更远的距离，延缓失稳屈曲。

后向喷嘴射流对前向射流钻成孔的孔壁进行修圆并扩大直径，利于水流携钻屑从长孔道中排出。采用组合式喷嘴结构，前、后喷嘴分开加工，减少了喷嘴由于水力学结构优化带来的加工难度，降低了加工成本。可根据需要，通过前、后向喷嘴上的孔眼直径的匹配，来调整前向喷嘴的破岩成孔的钻进能力和自牵引力。

附图说明

图1为本发明的滑移部与前向喷嘴贴紧时的剖视示意图；

图2为本发明的滑移部与连接部贴紧时的剖视示意图；

图3为本发明的后向喷嘴的剖面主视示意图；

图4为本发明的前向喷嘴的剖面主视示意图；

图5为本发明的前向喷嘴的左视示意图；

图6为本发明的换向控制杆的剖面主视示意图；

图7为本发明的换向控制杆的左视示意图。

1-探头；

2-换向控制杆；

21-杆部；22-滑移部；

23-过流孔；232-换向控制杆的导流锥孔；

24-滑移部靠近前向喷嘴的端面上的凹槽；

25-滑移部远离前向喷嘴的端面上的凹槽；

3-前向喷嘴；

31-前向喷嘴的贯通孔；

32-前向喷孔；322-前向喷嘴的导流锥孔；324-扩径孔；

33-中空凸台；

4-后向喷嘴；

41-后向喷嘴的贯通孔；

42-后向喷孔；422-后向喷嘴的导流锥孔；

43-容纳部；44-连接部；45-过渡斜面。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图1和图2所示，本发明的一种自动控制流量分配的喷嘴包括探头1、换向控制杆2、具有贯通孔的前向喷嘴3和具有贯通孔的后向喷嘴4。请参阅图3所示，后向喷嘴4包括沿其贯通孔的轴向依次相接的容纳部43和连接部44，容纳部43的前部与前向喷嘴3连接。

再结合图1和图2所示，换向控制杆2包括在容纳部43的内腔中滑移的滑移部22，以及与前向喷嘴的贯通孔31滑动配合的杆部21，杆部21延伸出前向喷嘴3，杆部21的延伸端连接探头1。

前向喷嘴3和后向喷嘴4上分别设置与容纳部43的内腔连通的前向喷孔32和后向喷孔42，滑移部22上设置贯通的过流孔23；滑移部22滑移至与前向喷嘴3贴紧时，过流孔23的截面至少一部分与前向喷孔32相连通，如图1所示；滑移部22滑移至与连接部44贴紧时，滑移部22遮挡后向喷孔42，如图2所示。

当换向控制杆2的滑移部22贴紧前向喷嘴3时，前向喷孔32的入口与过流孔23的出口的一部分或全部连通，形成合适的局部节流；当换向控制杆2贴紧连接部44时，滑移部22的端面部分或全部遮盖后向喷孔42的入口，使后向流量相对减小，前向流量相对增加即可。

连接部44与容纳部43连接的另一端连接压力源喷管，通常通过NPT内螺纹与喷管连接。地面高压泵组通过连续管、高压软管输送50～60MPa的高压水，经自动控制流量分配的喷嘴形成射流破岩钻进。

组装时，先将杆部21穿过前向喷嘴的贯通孔31，然后将探头1安装到杆部21的延伸端，最后将前向喷嘴3与后向喷嘴4连接，所有零部件组合成自动控制流量分配的喷嘴；探头1也可以在最后安装。

采用组合式喷嘴结构，前、后喷嘴分开加工，减少了喷嘴由于水力学结构优化带来的加工难度，降低了加工成本。可根据需要，通过前、后向喷嘴上的孔眼直径的匹配，来调整前向喷嘴3的破岩成孔的钻进能力和自牵引力。

当自动控制流量分配的喷嘴工作时，如果喷射钻进正常，滑移部22在水压作用下，一直贴紧前向喷嘴3，过流孔23的截面至少一部分与前向喷孔32相连通，过流孔23的截面可以全部与前向喷孔32相连通，本实施例中采用部分连通的方式，后向流量大于前向流量，前向喷嘴3的射流能有效地破岩钻孔，同时后向喷嘴4的射流提供喷管牵引力。

如果喷射钻进遇阻，前向喷嘴3的射流破岩能力不足，无法有效破岩成孔，而喷管后端施加的牵引力使自动控制流量分配的喷嘴继续前进，位于前方的探头1与所钻孔的孔底面产生挤压，当探头1感知的挤压力达到一定阈值后，推动换向控制杆2的滑移部22后移，滑移部22部分或全部遮挡后向喷孔42，减小或截止后向流量，本实施例中采用全部遮挡的方式，相应的流量转移到前向喷孔32，增加前向流量，提高前向射流的破岩成孔能力。

当前向流量钻透局部密实坚硬地层，清除前进障碍后，探头1受到的过大的挤压力消失，由于滑移部22的前后端的承压面积不同，在水压作用下换向控制杆2的滑移部22向前向喷嘴3滑移，后向喷嘴4的流量恢复，增加牵引力，恢复正常喷射钻进，完成一个功能循环。

作为一种可实施的方式，前向喷嘴3设置于容纳部43中。如图1所示，前向喷嘴3置于后向喷嘴的贯通孔41中容纳部43所在的一端，前向喷嘴的贯通孔31与后向喷嘴的贯通孔41同轴，后向喷嘴4的外形为筒形，自动控制流量分配的喷嘴的整体形状规则，有利于破岩成孔。

作为一种可实施的方式，如图2所示，滑移部22滑移至与连接部44贴紧时，滑移部22抵靠在连接部44的端部。本实施例中，容纳部43的内径大于连接部44的内径，后向喷嘴的贯通孔41形成台阶孔。

作为一种可实施的方式，如图3所示，连接部44的端部设置过渡斜面45，连接部44的外壁通过过渡斜面45与容纳部43连接。过渡斜面45可以减小后向喷嘴4的外表面在钻进中的阻力。

作为一种可实施的方式，后向喷孔42设置于过渡斜面45上，滑移部22抵靠在连接部44的端部，正好可以遮挡后向喷孔42。

当钻进遇阻时，滑移部22后移，坚硬的地层导致挤压力很大，此时必须保证有效的抵靠，容纳部43和连接部44的连接位置可以局部加强处理，例如增加壁厚。本实施例中，后向喷嘴4为一体成型制作，具有较高的强度，在地层中钻进时受到钻进力、推进力和挤压力时不容易损坏。

本实施例中，前向喷嘴的贯通孔31与杆部21之间为间隙配合，有利于减小阻力，同时防止水流从前向喷嘴的贯通孔31返入容纳部43的内腔。

作为一种可实施的方式，容纳部43的外径大于连接部44的外径。后向喷嘴4射流对前向射流钻成孔的孔壁进行修圆并扩大直径，同时也有利于水流携钻屑从长孔道中排出。

作为一种可实施的方式，请参阅图4所示，前向喷孔32的轴线与前向喷嘴的贯通孔31的轴线之间具有第一夹角C；如图3所示，后向喷孔42的轴线与前向喷嘴的贯通孔31的轴线之间具有第二夹角A。较优地，第一夹角C为10度；第二夹角A为15度。

作为一种可实施的方式，如图4所示，前向喷孔32与容纳部43的内腔连通的一端(即前向喷孔32的入口端)设置前向喷嘴的导流锥孔322。如图3所示，后向喷孔42与容纳部43的内腔连通的一端(即后向喷嘴42的入口端)设置后向喷嘴的导流锥孔422。如图6所示，过流孔23远离前向喷嘴3的一端(即过流孔23的入口端)设置换向控制杆的导流锥孔232。较优地，上述三个导流锥孔的锥角B为30度。

自动控制流量分配的喷嘴采用换向控制杆2在容纳部43中的位置移动，同时在换向控制杆2的滑移部22上设置过流孔23，从而使自动控制流量分配的喷嘴根据钻进时是否遇到阻力，使前向喷孔32或后向喷孔42与容纳部43的内腔之间的连通关系发生变化，继而使前、后向流量发生变化，以适应非均质地层的喷射钻进。自行调节前、后射流流量的自动控制流量分配的喷嘴同时保证了足够的钻进能力与足够的牵引力。

同时，采用自牵引方式，后向喷嘴4能提供足够的牵引力，抵消前向喷嘴3的喷射反力，有利于自动控制流量分配的喷嘴在地层中钻进更远的距离，延缓失稳屈曲。

作为一种可实施的方式，请参阅图4和图5所示，前向喷嘴3的外端面中心设置用于拆装时套装扳手的中空凸台33，中空凸台33的中心设置用于杆部21穿过的贯通孔，中空凸台33伸出后向喷嘴4上放置前向喷嘴3所在端的端面。如图5所示，中空凸台33的外表面上设置平行的两个平面，拆装时扳手施力于两个平面，旋转前向喷嘴3，前向喷嘴3与后向喷嘴4分离。

较优地，本实施例中，前向喷嘴3的外表面设置外螺纹，与后向喷嘴的贯通孔41中的内螺纹相连接。拆装时使用扳手旋转中空凸台33，前向喷嘴3从后向喷嘴的贯通孔41的内螺纹中旋转分离。

较优地，前向喷孔32远离滑移部22的一端(即前向喷孔32的出口端)设置用于整流的扩径孔324；扩径孔324的横截面积大于前向喷孔32的横截面积。

作为一种可实施的方式，请参阅图6和图7所示，在滑移部22靠近前向喷嘴3的端面上设置凹槽24，同时还可以在前向喷嘴3的内端面上设置凹槽；还可以仅在前向喷嘴3的内端面上设置凹槽。在滑移部22远离前向喷嘴3的端面上设置凹槽25，同时还可以在连接部44与滑移部22抵靠的端面上设置凹槽；还可以仅在连接部44与滑移部22抵靠的端面上设置凹槽。

基于力平衡要求，滑移部22上、前向喷嘴3的内端面上、连接部44上设置的凹槽可以减小滑移部22与前向喷嘴3、后向喷嘴4的连接部44的贴合面积，降低换向控制杆2由静止状态开始滑移的启动力。

较优地，探头1的外形为球形，有利于前向射流破岩钻孔。探头1的内螺纹与杆部21的外螺纹连接。探头1的球形前端至前向喷孔32出口端的最大距离在前向射流的有效破岩靶距内。

较优地，前向喷孔32、后向喷孔42和过流孔23的数量为多个，分别沿前向喷嘴3、后向喷嘴4和滑移部22的圆周均匀分布。理想情况下前向喷嘴3可在地层中钻成20mm～25mm的孔眼。后向喷嘴4的射流产生足够大的牵引力，能抵消前向喷嘴3的射流产生的喷射力，使自动控制流量分配的喷嘴和喷管在地层中自牵引钻进，辅助喷管后端推进，实现长距离钻进。钻进距离越深，对地层改造作用越明显，径向水平井作业增产效果更显著。

较优地，滑移部22的端部边缘均倒角，减小滑移部22在容纳部43中滑移的阻力。

本发明的自动控制流量分配的喷嘴用于径向水平井深、水力深穿透作业过程中，对于不同强度的地层，喷嘴喷射送进时要选用合适的送进速度。地层岩石偏硬，送进速度要慢，地层岩石偏软，送进速度要快。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动控制流量分配的喷嘴，包括探头，其特征在于，所述自动控制流量分配的喷嘴还包括具有贯通孔的前向喷嘴、具有贯通孔的后向喷嘴和换向控制杆；

所述后向喷嘴包括沿其贯通孔的轴向依次相接的容纳部和连接部，所述容纳部的前部与所述前向喷嘴连接；所述换向控制杆包括在所述容纳部的内腔中滑移的滑移部，以及与所述前向喷嘴的贯通孔滑动配合的杆部；所述杆部延伸出所述前向喷嘴，所述杆部的延伸端连接所述探头；

所述前向喷嘴和所述后向喷嘴上分别设置与所述容纳部的内腔连通的前向喷孔和后向喷孔，所述滑移部上设置贯通的过流孔；所述滑移部滑移至与所述前向喷嘴贴紧时，所述过流孔的截面至少一部分与所述前向喷孔相连通；所述滑移部滑移至与所述连接部贴紧时，所述滑移部遮挡所述后向喷孔。

2.根据权利要求1所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述滑移部滑移至与所述连接部贴紧时，所述滑移部抵靠在所述连接部的端部。

3.根据权利要求1所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述连接部的端部设置过渡斜面，所述连接部的外壁通过所述过渡斜面与所述容纳部连接。

4.根据权利要求3所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述后向喷孔设置于所述过渡斜面上。

5.根据权利要求1所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述前向喷孔的轴线与所述前向喷嘴的贯通孔的轴线之间具有第一夹角；所述后向喷孔的轴线与所述前向喷嘴的贯通孔的轴线之间具有第二夹角。

6.根据权利要求1所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述前向喷孔与所述容纳部的内腔连通的一端、所述后向喷孔与所述容纳部的内腔连通的一端和所述过流孔远离所述前向喷嘴的一端分别设置导流锥孔。

7.根据权利要求2所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述滑移部靠近所述前向喷嘴的端面上和\或所述前向喷嘴的内端面上设置凹槽；

所述滑移部远离所述前向喷嘴的端面上和\或所述连接部与所述滑移部抵靠的端面上设置凹槽。

8.根据权利要求1至7任一项所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述前向喷嘴设置于所述容纳部中。

9.根据权利要求8所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述前向喷嘴的外端面中心设置中空凸台，所述中空凸台伸出所述后向喷嘴上放置所述前向喷嘴所在端的端面。

10.根据权利要求1至7任一项所述的自动控制流量分配的喷嘴，其特征在于，所述容纳部的外径大于所述连接部的外径。