JPH07504722A - 泥水ジェット流を自励振動させるパルセーションノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 泥水ジェット流を自励振動させるパルセーションノズル技術分野 本発明は、泥水ジェット流等のチキソトロピー流体を自励振動させるパルセーシ ョンノズル、特に石油及びガスの探鉱用の深い坑井を掘削する際に使用される回 転単体またはトリコン型削岩ドリルに関するものである。

背景技術 ドリルビットの機械作用の補助としての泥水ジェットの下すかし処理は公知であ る。泥水は、ビットの潤滑及び冷却も行い、掘削屑及び岩屑を運び出すために循 環される。通常は、泥水はビットローラコーンの上方のスロット内に設けられる か、ビットの側部に形成された円錐状またはテーパ状の一連のノズルから連続流 として送り出される。

また、パルスジェットは連続したジェット流よりも相当に優れた下すかし効果を 持っていることも知られている。岩盤に交番荷重を加えることによって、パルス ジェットは高い瞬間的「ウォータハンマーＪ効果を発生するだけでなく、岩盤の 圧縮強さに対して高い引張応力を発生する。これは、ドリルビットの機械的せん 断、はつりまたはかき取り作用に先立って、応力波の反射によって岩盤を弱体化 させ、屑の除去及び貫入速度を高速化する。

しかし、泥水の通常の定流の機械的遮断または機械的励起によってパルスジェッ トを発生する下げ孔工具では、エネルギ損失が大きいと共に、不可欠の可動部材 及びシールの機械的摩耗が発生する。

パルス流を発生する振動弁構造が、例えば欧州特許明細書第０．３３３゜４８４ Ａ号及び第０．３７０．７０９Ａ号に記載されている。流れを規制してキャビテ ーションを誘発する、すなわち流体内に泡を発生し、それが岩盤と接触した時に 破裂することによって、掘削中の表面を弱体化して侵食できるようにするノズル が、英国特許明細書第２．１０４．９４２Ａ号に記載されている。しかし、岩屑 の除去をよくするため、流体は非キャビテーション化ノズルからも高圧で送られ て、横流を形成する。高速で振動するパルス流を送り出す単一のノズルであれば これらの作用をもっと効果的に達成できるであろうことが理解され放出ジェット を大きい個別のうず輪の構造にする自励共鳴ノズルが、ヴイ・イー・ジョンソン ・ジュニア（Ｖ、　Ｅ、　Ｊｏｈｎｓｏ口、Ｊｒ、）他によって説明されている （ＡＳＭＥ会報第１０６号６月１９８４２８２）。内部に共鳴定在波を発生する ための小径の「オルガンバイブ」部分を備えたノズルが、ノズルの外部にジェッ トの励起及び構造化を誘発し、それにはキャビテーションが随伴することもでき る。しかし、この提案は、ジェットの自励振動がノズルの内部に誘発されて、ノ ズルから放出される時に高速で脈動するジェットを発生できるようにすることを 暗示していない。さらに、共鳴ノズルに伴う問題として、ノズルの長さが、その ノズルを配置するビットのブレナムに得られる空間によって制限される。ノズル の延長部は破損及び故障下げ孔の影響も受ける。

水等のニュートン型流体を自励振動させて、ぜい性素材の切断に用いられるパル スジェットを発生するノズルが、ゼット・エフ・リアオ（Ｚ、　Ｆ、　Ｌｉａｏ ）及びディー・ニス・フワン（Ｄ、　Ｓ、　Ｈｕａｎｇ）によって考案されてい る（英国ダーラム（Ｄｕｒｈａｍ）でのジェット・カッティング・テクノロジー に関する第８回国際シンポジウム（１９８６年）の資料第１９号）。ノズルは、 キャビティ直径よりも小径の入口及び出口オリフィスを備えた簡単な軸対称キャ ビティを有している。キャビティ内のジェットと周囲の流体との間のせん断層に 周期的な圧力パルスが発生し、ジェットはノズルから大気へ放出される時に振動 する。

しかし、ノズルから大気とは反対の高圧流体環境へ放出される泥水等の非ニユー トン型すなわちチキソトロピー流体での同様な効果についての教示がない。

発明の開示 リアオ及びフワンによって記載されている形式と同様な自励パルスジェット効果 を、軸対称キャビティを形成したノズル内で高圧泥水によって発生できることが わかった。この効果は、ドリルストリングの周囲の円環部内の泥水及び掘削屑の 重さ及び泥水の静水圧によって発生する孔底での相当に大きい圧力荷重すなわち 「背圧」から独立している。驚くべきことに、自励パルスジェットは、外見上規 則的な低周波数パターンで変調する高速振動周波数で発生する。

この後者の効果は、岩盤の応力たわみ及び分解を促進するのに有効である。

従って、本発明は、従来装置の欠点を解決し、例えば特別な適合を必要とせず、 また掘削速度を相当に増加させる潜在力を伴って標準型トリコンドリルビットの 既存のノズルスロットに組み込むことができる、泥水ジェット流を自励振動させ てパルス流を発生するノズルを提供している。

本発明によれば、軸対称の入口オリフィス（２）及び出口オリフィス（４）を備 えたキャビティ（３）を形成しており、入口オリフィスによって流入泥水流が規 制されて加速され、出口オリフィスの直径（Ｄ３）が入口オリフィスの直径（Ｄ ｌ）より大きく、キャビティの直径（Ｄ）が出口オリフィスの直径（Ｄ３）より 大きい、流体を自励振動させるパルセーションノズルであって、ノズルを直接的 に通過するチキソトロピー流体とキャビティ内に一時的に捕らえられているチキ ソトロピー流体との間に形成されたせん断境界に擾乱の周期的伝播を誘発するこ とができるようにキャビティの軸方向長さくＬ）を選択することによって、ノズ ル内に前記流体の自励振動流を誘発し、高速パルス流がノズルから放出されるよ うにしたことを特徴とするパルセーションノズルが提供されている。

入口オリフィスは、円錐形または内向きのテーパ状の側壁（３３）を設けている ことが好ましい。入口オリフィスの軸方向長さが、キャビティの軸方向長さくＬ ）より長いことが最も好ましい。出口オリフィスは円筒形側壁を設けていること が好ましいが、円錐形または外向きのテーパ状の側壁を設けるようにしてもよい 。キャビティは円筒形であることが好ましい。キャビティの湾曲した円筒壁と平 面的底部及び上部との接続部分は湾曲させる、すなわち直角にしないことが好ま しい。

キャビティの底部と出口オリフィスの側壁との接続部分は尖った縁部にすること が好ましい。出口オリフィスの側壁と外部との接続部分も尖った縁部にすること が好ましい。尖った縁部は硬質化することが好ましく、ダイヤモンドまたは立方 晶系窒化はう素（ＣＢＮ）の被膜またはインサートによってそれを行うことが最 も好ましい。

Ｄ３：Ｄｌの比は、好ましくは１．０１〜１．３０、最も好ましくは１．　ｔ。

〜１．２３である。

ノズルは、ノズル入口オリフィスの直径（ＤＩ）以上の大きさの直径（Ｄ２）の 中間軸対称オリフィスを形成した隔壁によって分割された２つの相互連通キャビ ティを設けることもできる。

キャビティの長さしは、好ましくはＬ＞Ｄ３またはＬ＜３Ｄｌ＋３Ｄ２となるよ うに選択される。

本発明はまた、上記の泥水を自励振動させるノズルを組み込んだドリル工具また はドリルビットを提供している。

さらに、本発明は、泥水が約１２０ｐ、　ｓ、　ｉ、より高い圧力でノズルに供 給されるようにした、上記のパルセーションノズルを組み込んだドリル工具を用 いてせん孔を掘削する方法を提供している。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の第１実施例に従ったパルセーションノズルの長手方向断面を上 方から見た斜視図を示している。

図２ａ〜２ｄは、図１のノズル内での自励振動流の伝播の理論的に考えられるモ ードを概略的に示している。

図３は、本発明の第２実施例に従ったパルセーションノズルの長手方向断面を上 方から見た斜視図を示している。

図４は、本発明の第３実施例に従ったパルセーションノズルの長手方向断面を示 している。

図５は、テスト中のノズルまたはよどみ圧力を示す、圧力対時間のグラフである 。

図６は、同テスト中の（ａ）管路圧力及び（ｂ）背圧を示す、圧力対時間のグラ フである。

図１は、本発明の第１の最も単純な実施例に従ったパルセーションノズルを示し ている。ノズルは、直径Ｄ３の出口オリフィス４に連通している直径Ｄ、軸方向 長さしの円筒形のキャビティ３に連通している直径ＤＩの入口オリフィス２を形 成した円筒形ハウジングｌを有している。好ましくは、キャビティの隅部５に例 えば半径２ｍｍの丸みを付ける。キャビティ底部６と出口オリフィス側壁７との 接続部分は尖った硬質縁部にすることが最も好ましく、人工ダイヤモンドまたは 立方晶系窒化はう素（ＣＢＮ）のインサートリングまたは縁部被膜で形成するこ とができる。キャビティの上部８と入口オリフィス２の側壁９との接続部分も尖 った硬質縁部にすることができる。後述するように、これらの縁部領域は、泥水 が加圧状態でノズル内を流れる時にうず擾乱の伝播を開始する際に非常に重要で ある。

Ｄｌ、Ｄ３、Ｄ及びＬの好適な関係は上記されているが、Ｄ３がＤｉより大きく 、ＤがＤＩまたはＤ３より相当に大きいことがきわめて重要である。キャビティ の長さしは注意深く選択する必要がある。それが短すぎる場合、流体はノズル内 をジェット流として直線的に通過して、オ゛リフイス２からオリフィス４へ流れ る高圧流体ジェットとキャビティ内に長時間残留している低圧の流体との接合面 に所望の流れ擾乱の伝播が生じない。Ｌが長すぎる場合、非周期的すなわち不規 則的な擾乱が伝播することがあるが、これはオリフィス４から放出される流体の 規則的パルス流を発生させる望ましい流体の高速の周期的自励振動をキャビティ 内のジェット流接合面に発生させない。図３に関連して後述するように２つの隣 接キャビティを設けることによって、正味キャビティ長さを効果的に増大させる ことができる。−例として、Ｄｌが約１０ｍｍである時にＤ３：Ｄｉが１．１０ 〜１．２３である場合、Ｌは１７〜２９ｍｍであることが好ましい。

図２ａ〜２ｄは、図１に示されているノズル内での加圧流体流の擾乱の伝播の理 論的に考えられるモードを示している。得られる振動周波数が非常に高速である ため、実験室内での実際の伝播モードを観測することは困難であることは理解さ れるであろう。第１に、図２ａに示されているように、高圧流体のジェット１０ がオリフィス２を通過するが、流れが規制され、直径が小さくなっているため、 それはノズルに入る時の流体及びキャビティの他の部分にある流体１１に較べて 高速化している。流体１１は、それとジェット流１０との境界で高いぜん断力を 受け、一般的に泥水の比較的高い密度及び粘度のためにそれがいっそう強まる。

せん新作用によってジェット流の周囲にうず輪が形成される。これらのうずは最 初にオリフィス２の縁部で伝播し、図２ｂに示されているように通常通りに境界 を下って、やがてオリフィス４の縁部に衝突する。この段階までに、ジェット流 の膨張によってうず輪が境界から離れて伝播している、すなわち図２０に示され ているようにオリフィス２の縁部付近の微動初期せん断分離領域１２まで上向き に送り戻されている。これによってうず度の変動が誘発される。ジェット流の境 界層のせん断分離が本来的に不安定であることによって、初期せん断分離領域に 加えられた小さい擾乱が増幅される。

増幅された擾乱は次に下方へ移動して、図２ｄに示されているように再び縁部に 衝突する。それ以降、これらの事象が繰り返されて、発散（図２ｂ）、フィード バック（図２ｃ）及び増幅（図２ｄ）からなるループが閉じる。

その結果、せん断層及び潜在的ジェット流コア内に強い振動が発達する。全体と してキャビティ内に変動圧力界が出来上がり、出口オリフィス４から放出される ジェットの速度が定期的に変化する。

振動が外的励起に依らずに生じ、そのために「自励」と記載されていることを理 解する必要がある。このため、パルス流を発生させるために可動部材または弁構 造をまったく必要としない。

図１に示されているノズルは、はとんどの回転ビット構造のノズル保持スロット にはめ込むことができる。

図３は、本発明の第２実施例を示しており、ノズル２０は、直径Ｄｌの入口オリ フィス２１と、直径Ｄ２の中間オリフィス２５を形成した隔壁２４によって同一 サイズ（それぞれ長さし、直径Ｄ）の２つのキャビティ２２及び２３に分割され ているキャビティと、直径Ｄ３の出口オリフィス２６とを有している。キャビテ ィ２２及び２３の長さ及び直径は同一である必要はない。例えば、キャビティ２ ３の直径をわずかに大きくしてもよい。この構造によって、キャビティ２２及び ２３に個別に２つの上記の閉ループの伝播が得られ、その結果としてキャビティ の全体長さが大きくなるためにオリフィス２６から放出されるジェットの正味速 度増加が大きくなる。

発明を実施するための最良の形態 図４は、ノズル３０が円筒形キャビティ３２と、円筒壁を備えた出口オリフィス ３３と、外向きのテーパ状になったトランペット形壁を備えた拡大入口オリフィ ス３１とを有している好適な実施例を示している。テーパ状表面が終了した後に 短い円筒形表面３４が設けられていることに注意されたい。これは、テーパ状壁 が例えば１９ｍｍ程度である時に３ｍｍ程度である。この実施例のキャビティ３ ２の長さは約２７ｍｍである。そのようなノズルは、例えば８４容積％のタング ステンカーバイド及び１６容積％のコバルトからなる合金製にすることができる 。

トランペット形入ロオリフィス３１には、泥水をノズルキャビティ内の１カ所に 集める効果があり、図１及び３で説明した円筒形入口オリフィスよりも流体圧損 失を減少させる。驚くべきことに、流体は予想以上に１カ所に集められ、「縮流 」効果が発生し、これは多分泥水がチキソトロピーである、すなわちその粘度が 速度の増加に伴って減少する事実によるものであり、この状況ではキャビティ内 の発生ジェットが低速／高粘度の周囲流体によって圧搾される。この現象も、本 実施例においてキャビティ内のジェット境界におけるせん断を大きくする。

テスト結果 以下の限界寸法に一致したノズルを、それに泥水を管路速度５７．５ｍ／ｓで供 給してテストした。

入口オリフィス直径　１３ｆｆ＋ｍ 出ロオリフィス直径　１４ｍｍ キャビティ長さ　１７ｍｍ 図５は、テスト中のノズル内の圧力の非常に速い振動を示している。時間に伴っ た平均圧力変化も、点線の曲線で示されているようにおよそ規則的に変化する。

これは、上記説明で振動周波数の変調と呼ばれている。しかし、高周波（例えば 約ＩＫＨｚ以上）及び低周波（例えば約２０Ｈｚ以上）主振動を誘発することも できる。変調周波数は一般的に０．２５〜１０Ｈｚ程度である。

図６は、（ａ）ノズルの上流側の流体（管路圧力）及び（ｂ）ノズルの下流側の 流体（背圧）で測定された圧力の対応変化を示している。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　６ 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　デ・アルマイダ、ゼグトス・メリルアイルランド国　コーク、 バリンコリング、グレンドーヴアー・コート　５

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．軸対称の入口オリフィス（２）及び出口オリフィス（４）を備えたキヤビテ ィ（３）を形成しており、入口オリフィスによって流入泥水流が規制されて加速 され、出口オリフィスの直径（Ｄ３）が入口オリフィスの直径（Ｄ１）より大き く、キャビティの直径（Ｄ）が出口オリフィスの直径（Ｄ３）より大きい、流体 を自励振動させるパルセーションノズルであって、ノズルを直接的に通過するチ キソトロピー流体とキャビティ内に一時的に捕らえられているチキソトロピー流 体との間に形成されたせん断境界に擾乱の周期的伝播を誘発することができるよ うにキヤビティの軸方向長さ（Ｌ）を選択することによって、ノズル内に前記流 体の自励振動流を誘発し、高速パルス流がノズルから放出されるようにしたこと を特徴とするパルセーションノズル。
2. ２．入口オリフィスは内向きのテーパ状の側壁（３３）を設けていることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載のノズル。
3. ３．入口オリフィスの軸方向長さが、キャビティの軸方向長さ（Ｌ）より長いこ とを特徴とする請求の範囲第２項に記載のノズル。
4. ４．出口オリフィスは円筒形側壁または外向きのテーパ状の側壁を設けているこ とを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載のノズル。
5. ５．キャビティの底部と出口オリフィスの側壁との接続部分は尖った縁部になっ ていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のノズル。
6. ６．尖った縁部は硬質化されていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の ノズル。
7. ７．尖った縁部はダイヤモンドまたは立方晶系窒化ほう素（ＣＢＮ）の被膜また はインサートによって硬質化されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記 載のノズル。
8. ８．Ｄ３：Ｄ１の比は１．１０〜１．３０であることを特徴とする請求の範囲第 １項に記載のノズル。
9. ９．Ｄ３：Ｄ１の比は１．１０〜１．２３であることを特徴とする請求の範囲第 ８項に記載のノズル。
10. １０．ノズル入口オリフィスの直径（Ｄ１）以上の大きさの直径（Ｄ２）の中間 軸対称オリフィスを形成した隔壁によって分割された２つの相互連通キャビティ を設けていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のノズル。
11. １１．キャビティの長さ（Ｌ）は、Ｌ＞Ｄ３またはＬ＜３Ｄ１＋３Ｄ２となるよ うに選択されることを特徴とする請求の範囲第１項または第１０項に記載のノズ ル。
12. １２．請求の範囲第１項〜第１１項のいずれか１項に記載の泥水の自励振動用ノ ズルを組み込んだドリル工具またはドリルビット。