CN111042735A - 一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，属于油田采油工程技术领域。包括混流体，混流体上形成混流腔、与混流腔相通的中心孔、至少两个与混流腔相通的切入槽；中心孔用于在混流腔中形成液体直流，切入槽用于在混流腔中形成液体旋流，两股射流在混流腔内形成直旋混合射流。本发明的目的在于提出一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，能够以可靠的结构、直旋混合的射流方式破岩，在延长喷嘴工作寿命的同时，提高破岩效率。

Description

一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴

技术领域

本发明属于油田采油工程技术领域，具体涉及一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴。

背景技术

在实际生产过程中，高压射流技术作为一种新型破岩技术，得到了广泛应用。通常情况下，产生高压射流需借助射流喷嘴。目前，在水力钻孔作业中常用的射流喷嘴包括多孔射流喷嘴和旋转射流喷嘴。

多孔射流喷嘴与圆孔直射流喷嘴相似，结构简单，易于加工。但，多孔射流喷嘴具有较大的能量传递距离，以冲击的方式破碎岩石，能量利用率较低，且多孔射流在孔底的冲击区域不均匀，形成的孔眼不规则，不利于排除岩屑，钻孔效率较低。旋转射流喷嘴提高了射流对岩石的剪切和拉伸破坏作用，提高了射流的破岩效果。由于射流中心区域存在低速区，在井底中心容易形成凸台阻碍系统向前推进。

近年来，本领域工作者，将上述直射流结构和旋转射流结构直接复合，推出了现在应用市场上的自旋混合喷嘴。现有直旋混合喷嘴的加旋结构为叶片式，叶片对液体进行加旋，其加旋的液体在一个独立的腔室，且从独立的喷口喷出，而中心喷嘴的所形成直射流也从独立的喷口喷出，两则相对独立。这种结构产生的射流，在射流中心区域和外围区域的破岩效果好，而在两个区间之间会存在明显的低速区域，在低速区域会存在明显的环形凸台，从而造成孔底不平整，喷嘴无法向前推进的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，能够以可靠的结构、直旋混合的射流方式破岩，在延长喷嘴工作寿命的同时，提高破岩效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

本发明提出一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，包括混流体，混流体上设置有混流腔、与混流腔相连通的中心孔、至少两个与混流腔相通的切入槽。中心孔用于在混流腔中形成直射流，切入槽在混流腔中形成旋转射流。

作为优选，喷嘴还包括混流体座，混流体座设置有用于混流腔中液体喷出的流体通道；混流体固定连接于混流体座中，或混流体与混流体座一体成型。

上述结构中所述的固定连接，对本领域研究人员来讲，主要为其所熟知的连接方式，如螺纹连接、过盈配合、焊接、机夹等。喷嘴壳体的材料可以为钢、硬质合金。混流体和混流体座的材料可以为钢、硬质合金、以及作金刚石表面加强的复合材料。

进一步优选，混流体座上设有容置槽，混流体通过容置槽与混流体座固定相连。

作为优选，喷嘴还包括喷嘴壳体，喷嘴壳体内部与混流腔通过中心孔和切入槽连通；喷嘴壳体上设有前喷口，混流体座固定连接于喷嘴壳体中。

作为优选，喷嘴壳体上还设有后喷口，后喷口设于喷嘴壳体侧壁，后喷口用于连通喷嘴壳体内部空间与喷嘴壳体外部空间。

作为优选，切入槽的切入口与切出口之间的相位夹角ε的取值范围为0°＜|ε|≤90°。

上述结构中，切入槽与混流腔相连接的一端为切出口，切入槽远离混流腔的一段为切入口。切入槽的切入口与切出口之间的相位夹角是指切入口的形状的形心与切出口形心在垂直于混流体轴线的平面内的夹角，如图3所示。一般而言，形心是在横截面上来表述的，而切入口所在混流体的外轮廓，与切出口所在混流体的混流腔一般为回转面，因此这里所述的形心是将回转面近似为平面或横截面来描述。当混流体的外表面为平面时，切入口形心就为精确形心。这里约定相位夹角ε的正负号为：由切入口形心点向切出口形心点画线，若其趋势为逆时针则为正，反之，为负；如图3为正相位夹角，图5为负角。

作为优选，切入槽的切入口与切出口之间的高差角δ的取值范围为0°≤|δ|≤75°。

上述结构中，切入槽的切入口与切出口之间的高差角是指切入口的形状的形心与切出口形心在平行于混流体轴线的平面内的夹角，如图4所示(图中切入槽的切入口和切出口均为圆形)。

作为优选，切入槽的个数为3个、4个或5个。

作为优选，切入槽空间形态包括直线型、圆弧线型、椭圆线型、螺旋线型或它们之间的组合。

作为优选，切入槽的切入口和/或切出口形状可以为圆形、半圆形、椭圆形、矩形、菱形或它们之间的组合。

进一步优选，切入槽的切入口和切出口形状大小不相同。

作为优选，混流体的混流腔、切入槽在所述喷嘴轴线方向上延伸至第一端面，且在所述混流体上端(第一端面上)设置有分流体。

进一步优选，混流体与混流体座成为一体。

在本发明结构方案中，成为一体为固定连接的方式的一种特殊连接形式，是指将同一毛坯件通过机械加工的方式将具有不同功能的零部件整合在一起。

作为优选，混流体座上设置有延伸自混流体座第一端面的凸台。

本发明的有益效果：

(1)本发明喷嘴的切入槽流道较短，流体与流道的接触时间变短，能量损失减小。

(2)可形成射流外围旋转速度较大，中心轴向速度较大的直旋混合射流。这种射流形式保证的射流的扩散性，增强了外围射流对岩石的剪切和拉伸破坏效果，同时克服了旋转射流中心存在低速区的问题。

(3)混流体固定式结构克服了现有喷嘴叶轮加旋结构在喷嘴壳体中的旋转运动，从而减小了能量损失。

(4)混流体与喷嘴壳体的锥形接触方式，在工作压力的作用下旋转芯体与喷嘴主体之间产生很大的摩擦力，可防止旋转芯体在喷嘴内部旋转而造成能量损失。

(5)本发明喷嘴结构，结构简单，尺寸缩放范围较大，可适用于多种作业工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施方式提供的第一种喷嘴结构示意图。

图2为混流体的结构示意图。

图3为切入槽相位夹角定义示意图。

图4为切入槽高差角定义示意图。

图5为具有三个切入槽的混流体结构剖视图，且切入槽的相位夹角为负。

图6为具有五个切入槽的混流体结构剖视图。

图7为混流体上的中心孔为圆锥形孔方案。

图8为喷嘴前喷口为椭圆形方案。

图9为本发明实施方式提供的第二种喷嘴结构示意图。

图10为分流体结构示意图。

图11为本发明实施方式提供的第二种喷嘴的混流体结构示意图。

图12为本发明实施方式提供的第三种喷嘴的混流体结构示意图。

图中标记相应名称：1-喷嘴壳体、2-混流体、3-混流体座、4-分流体、11-前喷口、12-后喷口、21-中心孔、22-切入槽、23-混流腔、31-流体通道、32-容置槽、301-流体座第一端面、221-切入槽切入口、222-切入槽切出口、201-混流体第一端面。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例

本发明实施例提供了一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴。请参阅图1-4，该喷嘴由混流体2、混流体座3、喷嘴壳体1组成。混流体2设置有中心孔21、混流腔23以及四个切入槽22。中心孔21用于在混流腔23中形成直射流，切入槽22在混流腔23中形成旋转射流。喷嘴还包括混流体座3，混流体座3上设置有容置槽32和流体通道31。喷嘴还包括喷嘴壳体1，喷嘴壳体1上设置有后喷口11和前喷口12。混流体2、混流体座3、喷嘴壳体1之间通过过盈配合的方式固定连接。

在本例中切入槽22的切入口221和切出口222形状均为矩形，且切出口222的形状大小要小于切入口221，能够对通过切入槽22的液体进行加速，切入槽22的切入口221形心与切出口222形心的高差角δ为零。如本领域研究人员所熟知的，切入口221和切出口222的形状还可以圆形(参阅图4)、半圆形、椭圆形、矩形、菱形或它们之间的组合。

本发明喷嘴的工作原理：

进入喷嘴内液体具有两个作用，一部分液体通过壳体1上的后喷口11产生的射流为喷嘴提供向前的推进力，另一部分液体则进入混流体2的混流腔23，经喷嘴前喷口12产生的射流主要用于破碎岩石。参阅图2，进入混流腔23的液体有两种通道，一部分通过混流体2第一端面201上方的中心孔21进入混流腔，另一部分则通过切入槽22进入混流腔23。由于切入口221和切出口222的相位夹角差，流体通过切入槽22转变成高速的旋转射流，而通过中心孔21的流体则形成高速直射流，在通过混流体座3流体通道31的收缩段的束窄作用下，两股射流形成加强后的直旋混合射流，并通过前喷口12喷出。本发明喷嘴所形成的直旋混合高速射流束，具有外围旋转速度高，中心轴线速度高的特点。这种射流形式保证的射流的扩散性，增强了外围射流对岩石的剪切和拉伸破坏效果，同时克服了旋转射流中心存在低速区的问题。本发明喷嘴结构和形成直旋混合射流的原理与现有直旋混流喷嘴有较大不同。现有直旋混合喷嘴的加旋结构为叶片式，叶片对液体进行加旋，其加旋的液体在一个独立的腔室，且从独立的喷口喷出，而中心喷嘴的所形成直射流也从独立的喷口喷出，两则相对独立。这种结构产生的射流，在射流中心区域和外围区域的破岩效果好，而在两个区间之间会存在明显的低速区域，在低速区域会存在明显的环形凸台，从而造成孔底不平整，喷嘴无法向前推进的问题。而采用本发明的内混流腔结构，很好的解决了射流局部低速区域。

值得一提是，混流体2与混流体座3固定连接的方式还有一种特殊的形式，即一体成型(如前所述，)参阅图9、11所示。该方案中，混流体2上切入槽22沿喷嘴中心线方向延伸至第一端面201。在混流体2上端设置有分流体4(请参阅图10)，其功能是将要进入混流腔23的液体分为两中形式进入，一部分经由分流体的凹槽42从切入槽22的切入口处221进入，一部分从分流体4上的中心孔41进入。这样的结构方案，便于螺旋型切入槽22的加工，结构牢靠，使工作寿命更长。

需要特殊说明的是：

本例中，切入槽22个数为4个，较优的还包括切入槽22的个数为3(请参阅图5)个或5(请参阅图6)个；本例中混流体2的中心孔21为圆柱型，也可以圆锥型孔，由于圆锥型孔的束窄作用，能够对通过中心孔21的液体进一步加速，提高直射流的喷射速度，请参阅图7；混流体2中心孔21和喷嘴的前后喷口的截面形状除了圆形外，还可以为可以半圆形、椭圆形、矩形、菱形或它们之间的组合，图8为前喷口12为椭圆形的方案；对于混流体座3的改进，本领域研究人员很容易想到，混流体座3上设置有延伸自混流体座3第一端面301的凸台，凸台的外轮廓与喷嘴壳体上的前喷口12相配合，前喷口12不在担任射流喷口功能，请参阅图12；喷嘴壳体1的材料可以为钢、硬质合金。混流体2和混流体座3的材料可以为钢、硬质合金、以及作金刚石表面加强的复合材料。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：包括混流体，所述混流体上形成混流腔、与所述混流腔相通的中心孔、至少两个与所述混流腔相通的切入槽；

所述中心孔用于在所述混流腔中形成液体直流，所述切入槽用于在所述混流腔中形成液体旋流。

2.根据权利要求1所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：还包括混流体座，所述混流体座设置有用于混流腔中液体喷出的流体通道；

所述混流体固定连接于所述混流体座中，或所述混流体与所述混流体座一体成型。

3.根据权利要求2所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：所述混流体座上设有容置槽，所述混流体通过所述容置槽与所述混流体座固定相连。

4.根据权利要求2所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：还包括喷嘴壳体，所述喷嘴壳体内部与所述混流腔通过中心孔和切入槽连通；

所述喷嘴壳体上设有后喷口，所述混流体座固定连接于所述喷嘴壳体中。

5.根据权利要求4所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：所述喷嘴壳体上还设有前喷口，所述前喷口设于所述喷嘴壳体侧壁，所述前喷口用于连通所述喷嘴壳体内部空间与所述喷嘴壳体外部空间。

6.根据权利要求2-5中任意一项所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：所述切入槽的切入口与切出口之间的相位夹角ε的取值范围为0°＜|ε|≤90°。

7.根据权利要求2-5中任意一项所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：切入槽的切入口与切出口之间的高差角δ的取值范围为0°≤|δ|≤75°。

8.根据权利要求1所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：所述切入槽的个数为3个、4个或5个。

9.根据权利要求1所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：所述切入槽的空间形态包括直线型、圆弧线型、椭圆线型、螺旋线型或它们之间的组合。

10.根据权利要求1所述的一种切入式直旋混合射流自进式喷嘴，其特征在于：所述混流体的混流腔、切入槽在所述喷嘴轴线方向上延伸至混流体第一端面，且在所述混流体第一端面上设置有分流体。

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