CZ90294A3 - Pulzační tryska pro samovolnou oscilaci vrtného kapalinového tryskajícího proudu - Google Patents

Abstract

Pulzační tryska je uzpůsobena pro zabudování do vrtného zařízení, jcdco jsou jednotčlesovč nebo trikonické vrtáky, aby dodávala pulzující tenký proud tixotropní vrtné kapaliny v průběhu vrtací činnosti. Tryska má vstupní otvor (33) propojený s vnitřní dutinou (32) a výstupním otvorem (31), jejichž rozměry byly zvoleny tak, aby vyvolaly cyklické šíření poruch na střižném rozhraní mezi kapalinou procházející přímo tryskou a kapalinou, která je v daném okamžiku zachycena v dutině, a tím vyvolávaly samobuzený oscilující tok zmíněné kapaliny v trysce a rychle pulzující tok vycházející z trysky.

Description

oscilaci tixotropních kapalin, např. vrtného kapalinového tryskajícího proudu, zejména u rotačních jednotělesových nebo trikónických vrtáků na horniny používaných při vrtání hlubokých ropných a plynových průzkumných vrtů.

Dosavadní stav techniky

Zubovítý průběh výplachového proudu podporující mechanické působení vrtáku je dobře pochopen. Vrtný kal rovněž maže a chladí vrták a cirkuluje takovým způsobem, že unáší pryč kamennou drť a úlomky hornin. Normálně se vede vrtný kal nepřetržitým proudem řadou kónických nebo do hrotu vybíhajících trysek umístěných ve štěrbinách, jež jsou nad válcovými kužely nebo na stranách vrtáků.

Je také známo, že pulzující proudy mají ze zubovitého průběhu podstatné výhody oproti nepřetržité tryskajícím proudům. Působením střídavých zátěží na horninový útvar pulzující proudy nejenom působí vysokým okamžitým účinkem vodního kladiva, ale mohou také vytvořit vysoká napětí v tahu ovlivňující pevnost v tlaku útvaru. Toto může vlivem odrazu napěťových vln zapříčinit oslabení horninového útvaru vedoucí k rychlejšímu odstranění úlomků hornin a k vyšší rychlosti průniku a to je významnější než působení různých mechanických střižných sil, než pohyby dislokačních jílů nebo stírací působení vrtáku.

Nástroj k zhotovení díry do země vytvářející pulzující proud pomocí mechanického přerušování nebo mechanického vybuzení normálního nebo stabilního toku způsobit velké energetické ztráty, nepostradatelných pohyblivých dílů a těsnění. Zařízení oscilačních ventilů vyvolávájící pulzování toku jsou popsána např. v European Patent Specification č. 0,333,484A a 0,370,709A. Tryska popsaná v British Patent Specification č. 2,104,924A omezuje tok a vyvolává kavitaci tj. tvorbu bublinek v tekutině, vrtné tekutiny by však mohl jakož i mechanické opotřebení

9328 jež po doteku se skalním útvarem implodují, což oslabuje a eroduje vrtaný povrch. Aby se však zlepšilo odstranění úlomků hornin, přivádí se tekutina při vyšším tlaku nekavitační tryskou a tak se vytváří příčný tok. Bude uznáno, že tohoto se dosáhne účinněji pomocí jedné trysky, která vytváří rychle oscilující pulzačni proud. '

Akusticky rezonující tryska s vlastním buzením strukturující vysílaný proud do velkých nespojitých vírových prstenců je\ popsána V.E.Johnsonem a kol. (Transactions of ASME, Sv.106, červen 1984, 282). Tryska se zmenšeným průměrem varhannová píšťala vytvářející akusticky rezonanční stojaté vlny uvnitř trysky vyvolává excitaci a strukturování proudu vně trysky, což může také být doprovázeno kavitací. Tento návrh však netvrdí, že samobuzené kmity proudu mohou být vyvolány uvnitř trysky, aby pak vytvořily rychle pulzující proud při výstupu z trysky. Dalším problémem spojeným s akusticky rezonující tryskou je omezení délky trysky prostorem, jenž je k dispozici v prostoru vrtáku. Protažení trysek jsou často také zdrojem poruch a selhání vrtů do země.

Tryska se samobuzenými kmity newtonských kapalin, jako je např. voda, vytvářející pulzující proud k řezání křehkého materiálu byla studována Z.F.Liaoem a D.S.Huangem (Příspěvek 19,

8.Mezinárodní symposium o technologii řezání proudem, 1986, Durham, Anglie). Tryska má jednoduchou osově symetrickou dutinu se vstupním a výstupním otvorem o menším průměru než je průměr dutiny. V střihové vrstvě mezi proudem v dutině a obklopující tekutinou jsou generovány periodické tlakové pulzy a při výstupu z trysky do atmosféry proud osciluje. Podobný jev však není znám u nenewtonských nebo tixotropních kapalin, jako je vrtný kal, vycházejících z trysky do okolí, v němž je tlak vysoký, na rozdíl od okolního vzduchu.

Podstata vynálezu

Je nyní zjištěno, že jev pulzujícího proudu s vlastním buzením, podobný jevu, který pops*ali Liao a Huang, může existovat i u vrtné tekutiny o vysokém tlaku v trysce vymezené osově symetrickou dutinou. Tento jev je nezávislý na velmi vysokém tlaku neboli zpětném tlaku na spodku díry daným váhou vrtného

9328 kalu a úlomků hornin v mezikruží, jež obklopuje vrtnou tyč, a hydrostatickým tlakem vrtného kalu. Je překvapivé, že pulzující proud s vlastním buzením může vzniknout s vysokou oscilační frekvencí, která je modulována v jasně pravidelném vzorku o nižší frekvenci. Tento jev je výhodný v tom, že zvyšuje průhyb tlakem a rozrušení útvaru horniny.

Tento vynález překonáváproto nevýhodypředchozích technických zařízení a předkládá trysku pro samobuzenou oscilaci proudu vrtného kalu tím, že vytváří pulzující tok, jenž se může stát bez specielního uzpůsobení součástí např. současných tryskových štěrbin v standartních trikónických vrtácích s potenciálem velkého zvýšení rychlostí vrtání.

Podle tohoto vynálezu předkládá se pulzační tryska pro oscilaci tekutiny s vlastním buzením, přičemž tato tryska má dutinu (3) s osově symetrickým vstupním otvorem (2) as výstupním otvorem (4), kde vstupní otvor je uzpůsoben k omezení a urychlení vstupního toku vrtné tekutiny, průměr (D₃) výstupního otvoru je větší než průměr (Dj) vstupního otvoru, průměr dutiny (D) je větší než průměr (D₃) výstupního otvoru, vyznačující se tím, že osová délka (L) dutiny ja dána tak, aby vyvolala cyklické šíření poruch na střižné hranici mezi tixotropní kapalinou procházející přímo tryskou a tixotropní kapalinou, jež je v tomto okamžiku zachycena v dutině a tím vyvolala oscilující tok s vlastním buzením v trysce a rychle pulzující tok vycházející z trysky.

Vstupní otvor je přednostně vymezen kónickými nebo dovnitř zužujícími se postranními stěnami (33). Osová délka vstupního otvoru je nejvýhodněji větší než osová délka (L) dutiny. Výstupní otvor je přednostně vymezen válcovými postranními stěnami, ale může být také vymezen kónickými nebo ven zužujícími se postranními stěnami. Dutina je přednostně válcová. Průsečík zakřivené válcové stěny a rovného základového a rovného zastřešujícího povrchu dutiny je přednostně zakřivený, tj. není. vymezen pravým úhlem.

Průsečík základu dutiny a postranních stěn výstupního otvoru je výhodné tvořen ostrou hranou. Průsečík postranních stěn výstupního otvoru a vnějšku ma přednostně také ostrou hranu. Ostrá hrana je s výhodou zpevněna, nejlépe povrchovým povlakem nebo vložením diamantu nebo CBN.

Poměr Dg je přednostně 1,01 až 1,30, nejlépe 1,10 až

9328

1,23.

Tryska může mít dvě vzájemně propojené dutiny oddělené dělící stěnou se středním osově symetrickým otvorem, jehož průměr (D₂) je větší nebo rovný průměru (D_x) vstupního otvoru trysky.

Délka (L) dutiny je přednostně zvolena následovně: L > D₃ nebo L < 3D! + 3D₂. '

Tento vynález také předkládá vrtací zařízení nebo vrták obsahující trysku pro samobuzenou oscilaci vrtné tekutiny, jak je\ zde popsáno.

Tento vynález dále předkládá způsob vrtání vývrtu za použití vrtacího nástroje obsahujícího pulzačni trysku, jak je zde popsána, kde vrtná tekutina je přiváděna do trysky pod tlakem větším než 830 kPa (120 psi).

Přehled obrázků na výkrese

Obr.l perspektivně svrchu znázorňuje podélný řez pulzační tryskou ve shodě s prvním provedením předloženého vynálezu.

Obr.2a až 2d schematicky znázorňují teoreticky předpokládaný způsob šíření samobuzeného oscilačního toku tryskou z obr.l.

Obr.3 perspektivně svrchu znázorňuje podélný řez pul2ační tryskou ve shodě s druhým provedením předloženého vynálezu.

Obr.4 znázorňuje podélný řez pulzační tryskou ve shodě s třetím provedením předloženého vynálezu.

Obr.5 představuje závislost tlaku na čase, vynesený tlak je tlak uvnitř trysky během zkoušky neboli stagnační tlak.

Obr.6 představuje závislost tlaku na čase, (a) je tlak tekutiny v potrubí před vstupem do trysky, (b) tlak tekutiny po výstupu z trysky.

Příklady provedeni vynálezu

Obr.l znázorňuje pulzační trysku ve shodě s prvním a nejjednodušším provedením tohotó vynálezu. Tryska má válcové pouzdro 1 vymezující vstupní otvor 2 o průměru D_1# propojený s dutinou 2 válcového tvaru o průměrů D a osové délce L, jež je zase propojená s výstupním otvorem 4 o průměru D₃. Rohy 5 dutiny jsou přednostně zaobleny a toto zaoblení má poloměr např. 2 mm. Průsečík mezi základem dutiny 6 a postranními stěnami 7

9328 výstupního otvoru nejlépe tvoří tvrdou, ostrou hranu a může být vytvořen umělým diamantem nebo krychlovým nitridem boritým (CBN) formou vloženého prstence nebo povrchového povlaku hrany. Průsečík mezi zastřešením 8. dutiny a postranními stěnami 9 vstupního otvoru 2 může být také ostrá tvrdá hrana. Jak je níže popsáno, tyto oblasti hran jsou vitálně důležité při šíření vířivých poruch, když tryskou proudí vrtná tekutina pod tlakem.

Přednostní poměry mezi D_x, D₃, D a L jsou uvedeny výše, ale je podstatné, aby D₃ bylo větší než D-^ a aby D bylo podstatně větší než D·^ nebo D₃. Délka L dutiny musí být pečlivě zvolena je-li délka příliš krátká, tekutina projde přímo tryskou v tenkém proudu, aniž by šířila požadované proudové poruchy na rozhraní mezi proudem tekutiny o vysokém tlaku postupujícím od otvoru £ k otvoru 4 a tekutinou o nižším tlaku, jež zůstává v dutině delší dobu. Jestliže L je příliš dlouhé, mohou se šířit poruchy necyklické nebo nepravidelné a ty nevyvolají v dutině na rozhraní proudu rychlou cyklickou oscilaci tekutiny s vlastním buzením, která je požadována a která způsobuje pravidelný pulzující tok tekutiny vystupující z otvoru 4.. Čistá délka dutiny může být účinně zvýšena, když se použijí dvě přilehlé dutiny, jak je níže popsáno s odkazem na obr.3. Na příklad, když D-jCD^^ je 1,10 až 1,23, za předpokladu, že D·^ je přibližně 10 mm, L je potom přednostně mezi 17 a 29 mm.

Obr.2a až 2d schematicky znázorňují teoreticky předpokládaný způsob šíření průtokových poruch tlakové tekutiny tryskou z obr.l. Bude uznáno, že je obtížné zjistit skutečný způsob šíření v laboratoři, neboř vzniklá oscilační frekvence je extrémně rychlá. Nejprve, jak je znázorněno na obr.2a, tenký proud 10 tekutiny o vysokém tlaku projde otvorem 2 a kvůli omezení průtoku a zmenšení průměru zvyšuje rychle svou rychlost ve srovnání s tekutinou, při vstupu do trysky a s tekutinou 11 ve zbytku dutiny. Tekutina 11 vlivem relativně vysoké hustoty a viskozity vrtných kalů je vystavena velkým střižným silám na svém rozhraní s tenkým proudem 10. Toto střižné působení způsobuje vznik vírových prstenců kolem tenkého proudu. Toto víření se šíří nejdříve na hraně otvoru 2 a pak se šíří pravidelným způsobem dolů podél rozhraní, jak je znázorněno na obr.2b, dokud nenarazí na hranu otvoru 4. V této fázi, rozšíření proudu způsobí, že vírové prstence se pohybují směrem od rozhraní a šíří se zpětně

9328 proti proudu k citlivé oblasti střižné separace 12, jež přiléhá k hraně otvoru 2, jak je znázorněno na obr.2c. Toto vyvolává fluktuace ve víření. Zákonitě nutná nestabilita střižné separace na vrstvě rozhraní proudu zesiluje malé poruchy vyvolané v původní oblasti střižné separace.

Zesílené poruchy potom se přemísťují směrem dolů, až opět narazí na hranu, jak je znázorněno na obr.2d. Vše se potom opakuje a smyčka sestávající se z vysílání (obr.2b), zpětnéhck působení (obr.2c) a zesílení (obr.2d) se uzavře.

Následkem čehož se vyvine silná oscilace ve střižné vrstvě a potenciálním jádru proudu. V dutině jako celku vznikne fluktující tlakové pole a rychlost proudu vycházejícího z výstupního otvoru 4 se periodicky mění.

Mělo by být uznáno, že k oscilaci dochází bez jakéhokoliv vnějšího vybuzení a proto se taková oscilace označuje jako samobuzená” nebo s vlastním buzením”. Žádné pohyblivé díly nebo ventilové zařízení se takto nepožaduje k vyvolání pulzujího toku.

Tryska, jak je znázorněná na obr.l, může být uzpůsobena k zasazení do štěrbiny pro trysku většiny provedení rotačních vrtáků.

Obr.3 znázorňuje druhé provedení vynálezu, kde tryska 20 má vstupní otvor 21 o průměru D_1# dutinu, jež je rozdělena na dvě dutiny 22 a 23 o stejné velikosti (každá má délku L a průměr D) dělící stěnou 24 se středním otvorem 25 o průměru D₂, a má výstupní otvor 26 o průměru D₃. Délka a průměr dutin 22 a 23 nemusí být stejné; dutina 23 může mít např. o něco větší průměr. Toto uspořádání umožňuje šíření dvou oddělených uzavřených smyček, jak jsou výše popsány, v dutinách 22 a 23 a vyplývá z něj zvýšení čisté rychlosti vystupujícího proudu z otvoru 26 v důsledku celkově větší délky dutiny.

Obr.4 znázorňuje přednostní provedení, kde tryska 30 má válcovou dutinu 32., výstupní otvor 33 s válcovými stěnami a. zvětšený vstupní otvor 31 s ven zužujícími se stěnami ve tvaru nálevky. Za povšimnutí stojí krátký válcový povrch při 34 u konce zužujícího se povrchu. Tento povrch může být dlouhý řádové 3 mra, pokud zužující se stěny jsou řádově dlouhé např. 19 mm. Délka dutiny 32 v tomto příkladu by měla činit přibližně 27 mm. Tato tryska může být zhotovena např. ze slitiny sestávající se např. z 84% obj. karbidu wolframu a 16% obj. kobaltu.

Ί

9328

Vstupní otvor 31 ve tvaru nálevky zajistí protlačení vrtného kalu do dutiny trysky a omezí ztráty tlaku tekutiny ve srovnání s válcovým vstupním otvorem popsaným s odkazem na obr.l a 3. Je překvapivé, že proud tekutiny je působením vstupního otvoru ve tvaru nálevky více zúžen, než by se očekávalo, a objeví se jev '•stažené žíly, jenž pravděpodobně vyplývá ze skutečnosti, že vrtný kal je tixotropní tj. jeho viskozita se klesá s rostoucí rychlostí, a v této situaci v dutině vznikající proud je zmáčknut obklopující tekutinou o nižší rychlosti-vyšší viskozitě. Tento jev může také vést k většímu namáhání střihem na rozhraní proudu v dutině u tohoto provedení.

Výsledky zkoušek

Tryska vyhovující následujícím kritickým rozměrům byla zkoušena za použití do ní přiváděného vrtného kalu rychlostí

57,5 m/s.

Průměr vstupního otvoru 13 mm Průměr výstupního otvoru 14 mm Délka dutiny 17 mm

Obr.5 ukazuje velmi rychlou oscilaci tlaku uvnitř trysky během testu. Střední odchylka průměru tlaku s časem také se mění více méně pravidelně, jak je znázorněno čárkovanou křivkou. Toto bylo výše označeno jako modulace oscilační frekvence. Mohou být však indukovány jak primární oscilace o vysoké frekvenci (např. větší než přibližné 1 KHz) tak i primární oscilace o nízké frekvenci (např. větší než přibližně 20 Hz). Modulovaná frekvence leží typicky v rozsahu řádově 0,25 až 10 Hz.

Obr.6 ukazuje odpovídající změny tlaku měřené (a) v kapalině před vstupem do trysky (tlak potrubí) a (b) v kapalině za výstupem z trysky (výstupní tlak).

Claims (11)

1. Pulzačni tryska pro samobuzenou tato tryska má dutinu (3) s osově symetrickým vstupním otvorem (2) as výstupním otvorem (4), kde vstupní otvor je uzpůsoben k omezení a urychlení vstupního toku vrtné tekutiny, průměr (D₃) výstupního otvoru je větší než průměr (Dj) vstupního otvoru, průměr dutiny (D) je větší než průměr (D₃) výstupního^ otvoru, vyznačující se tím, že osová délka (L) dutiny ja dána tak, aby vyvolala cyklické šíření poruch na střižné hranici mezi tixotropní kapalinou procházející přímo tryskou a tixotropní kapalinou, jež je v tomto okamžiku zachycena v dutině, a tím vyvolala zmíněné kapaliny v trysce a rychle z trysky.

   samobuzený oscilující tok pulzující tok vycházející í“/*££**/
2. 2 ./tryska podle bodu 1, vyznaču vstupní otvor je vymezen dovnitř stěnami (33).

   j i c i se zužujícími se tím, že postranními
3. 3?/tryska podle bodu 2, vyznačující se tím, že osová délka vstupního otvoru je větší než osová délka (L) dutiny.

   'TW-zaJnť
4. 4. /tryska podle kteréhokoliv z bodů 1 až 3, vyznačuj ící se tím, že výstupní otvor je vymezen válcovými postranními stěnami nebo ven zužujícími se postranními stěnami.
5. 5./tryska podle bodu 4, vyznačující se tím, že průsečík základu dutiny a postranních stěn výstupního otvoru je tvořen ostrou hranou.

   e.Ftryska podle bodu 5, vyznačující se tím, že ostrá hrana je zpevněna.

   Pnt.ZlCni
6. 7. itryska podle bodů 6, vyzn*ačující se tím, že ostrá hrana je zpevněna povrchovým povlakem nebo vloženým diamantem nebo krychlovým nitridem boritým.

   9328
7. 8. 1 tryska podle bodu 1, vyznačující poměr D₃:D-j_ je 1,01 až 1,30.

   se t í m , že
8. 9. „_/ska podle bodu 8, vyznačující poměr D₃ jDj. je 1,
9. 10 až 1,23.

   vyznačující se tím, že až 1,23.

   vyznačující s e tím, že má dvě vzájemně propojené dutiny oddělené dělící stěnou se středním osově symetrickým otvorem, jehož průměr (D₂) je větší nebo rovný průměru (Dj) vstupního otvoru trysky.
10. 11Λ tryska podle bodu 1 nebo 10, vyznačující se tím , že délka (L) dutiny nebo dutin je zvolena následovně: L > D₃ nebo L < 3Dj^ + 3D₂.
11. 12. Vrtací nástroj nebo vrták, vyznačující se t í m , že obsahuje trysku pro samobuzenou oscilaci vrtné tekutiny, trysku, jež byla zahrnuta do kteréhokoliv z předcházejících nároků.