專利名稱：水力脈沖空化射流鉆井裝置、方法及鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆井井下新裝置及方法，特別是一種水力脈沖空化射流 鉆井裝置與方法，以及一種可以配合該裝置使用的鉆頭。
背景技術(shù)：
鉆采工藝技術(shù)面對(duì)的對(duì)象是井下系統(tǒng)(從井筒到地層)。這種對(duì)象的特點(diǎn) 是井眼小，地層深，井下條件復(fù)雜，而且看不見(jiàn)，只有井下鉆采工具才能最 接近工作的對(duì)象。因此，要想用新的鉆采工藝技術(shù)對(duì)井下系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)作業(yè)， 只有依靠井下鉆采工具。發(fā)展先進(jìn)的鉆采工藝技術(shù)的需求，引發(fā)了新的井下 鉆采工具的產(chǎn)生，而新的鉆采工藝技術(shù)的實(shí)施，也必須依靠性能優(yōu)良、工作 可靠的井下鉆采工具，而且后者的創(chuàng)新又將反過(guò)來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)鉆采工藝技術(shù) 的變革。傳統(tǒng)鉆井方式在鉆井過(guò)程中能量傳輸、轉(zhuǎn)換、分配和利用一直存在著效 率低等問(wèn)題。雖然旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井、井下增壓鉆井均可以不同程度的提高機(jī)械 鉆速，但由于其壽命及穩(wěn)定性差所以一直未能在現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模使用。脈沖射流 輔助鉆井技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)取得了 一定的效果但因其壽命較短，因而也存在一定的 局限性。脈沖射流輔助鉆井技術(shù)主要是通過(guò)脈沖噴嘴的作用來(lái)產(chǎn)生脈沖效果， 安裝在鉆頭底部的胎體上。單純脈沖噴嘴壽命在現(xiàn)場(chǎng)使用具有一定的局限性，而且隨著井深的增加，鉆頭水力能量降低，圍壓增大，空化能力相應(yīng)減弱，射流沖擊效果明顯下降； 井下液力推進(jìn)器靠工具活塞產(chǎn)生鉆壓，水力脈沖效果不好；水力脈沖循環(huán)閥 負(fù)壓脈沖效果好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且鉆井液中含有的固相顆粒易對(duì)調(diào)制器 內(nèi)部零件造成磨損
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水力脈沖空化射流鉆井 裝置與方法，可將其安裝在鉆鋌(或井下動(dòng)力鉆具)和鉆頭之間，也可以在 鉆頭上安裝自振空化噴嘴鉆頭，或者將水力脈沖空化射流裝置短接和自振空 化噴嘴鉆頭組合使用。目的都是使噴嘴出口產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流，以波動(dòng)壓 力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場(chǎng)及井底巖石受力狀況、減少"壓持效應(yīng)"、 輔助破巖提高機(jī)械鉆速，節(jié)約鉆井成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種水力脈沖空化射流鉆井裝置，包 括一柱形的本體，該本體的一端設(shè)有流體入口段，另一端設(shè)有流體出口段， 所述流體入口段與流體出口段之間依次匹配設(shè)有使流體的流向產(chǎn)生偏離的導(dǎo) 流部、使連續(xù)的流體產(chǎn)生脈沖的脈沖發(fā)生器以及使具有脈沖的流體產(chǎn)生諧振的自激振蕩部；所述導(dǎo)流部的一端設(shè)有入口，另一端設(shè)有出口，該出口與入 口采取偏心方式設(shè)置，且出口的面積小于入口的面積；所述脈沖發(fā)生器內(nèi)樞 設(shè)有利用流體的推力轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，該葉輪的葉片與所述導(dǎo)流部的出口對(duì)正設(shè) 置；所述自激振蕩部?jī)?nèi)設(shè)有一貫穿的流體通道，該流體通道由多段截面積依 次減小的流道構(gòu)成，截面積最大的流道設(shè)置在自激振蕩部與所述脈沖發(fā)生器 對(duì)接的一端。上述本體的流體入口段可為圓柱狀或?yàn)橥獯髢?nèi)小的圓臺(tái)狀；所述本體的 內(nèi)側(cè)下部有彈性擋圏槽便于固定自激振蕩腔體，本體的上部與井下動(dòng)力鉆具 或鉆鋌連接；所述導(dǎo)流部的入口的形狀以及導(dǎo)流部的出口的形狀為矩形或圓的入口，并使所述導(dǎo)流部的出口與所述葉輪對(duì)正的凸棱；所述自激振蕩部?jī)?nèi) 設(shè)置的多^:流道的截面形狀為圓形或多邊形。本發(fā)明還提供了一種自振空化噴嘴鉆頭，包括鉆頭，所述鉆頭內(nèi)設(shè)置有 兩個(gè)貫穿的流體通道，該流體通道由多段截面積依次減小的流道構(gòu)成，截面 積最大的流道設(shè)置流體進(jìn)口端；所述鉆頭的上端外部為配合連接于所述水力
脈沖空化射流鉆井裝置的流體出口段內(nèi)。上述l支術(shù)方案中，所述流體通道下端最細(xì)段向所述鉆頭中心傾斜，用以 提高沖巖質(zhì)量。本發(fā)明又提供了一種水力脈沖空化射流鉆井的方法，包括步驟1:在 鉆井作業(yè)中，將用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn)定的液體流轉(zhuǎn)換為脈沖諧振流動(dòng)液體； 步驟2:將所述脈沖諧振流動(dòng)液體高速射入相對(duì)靜止的液體中，產(chǎn)生空化現(xiàn) 象；步驟3:將產(chǎn)生空化現(xiàn)象的脈沖諧振流動(dòng)液體以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底。依照預(yù)先設(shè)定的頻率對(duì)上述連續(xù)穩(wěn)定的液體流進(jìn)行周期性擾動(dòng)，將其轉(zhuǎn) 換為脈沖流動(dòng)液體。風(fēng)琴管狀諧振腔可形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷續(xù)渦環(huán)流，誘 發(fā)空化的發(fā)生；旋轉(zhuǎn)葉輪可對(duì)連續(xù)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，增強(qiáng)流體的不連續(xù)性，從 而增強(qiáng)空化作用。使上述脈沖諧振流動(dòng)液體的壓力產(chǎn)生波動(dòng)，并使其產(chǎn)生反饋壓力諧振， 利用壓力諧振產(chǎn)生流體聲諧共振，提高具有流體聲諧共振的脈沖諧振流動(dòng)液 體的流速，射入相對(duì)靜止的液體中，產(chǎn)生空化現(xiàn)象。本發(fā)明提出了一種水力脈沖空化射流鉆井裝置，安裝在鉆頭與鉆鋌(或 井下動(dòng)力鉆具)之間，使鉆鋌(或井下動(dòng)力鉆具)內(nèi)鉆井液的連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)變 為脈沖流動(dòng)并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，經(jīng)鉆頭噴嘴流至井底，從而改善井底流場(chǎng)及井 底巖石的受力狀況。 一方面在鉆頭噴嘴出口形成脈沖射流，減少"壓持效應(yīng)"， 提高攜巖能力；另一方面由于水力脈沖裝置產(chǎn)生壓力脈動(dòng)及鉆頭周圍的環(huán)空 內(nèi)鉆井液的慣性對(duì)鉆頭底部產(chǎn)生的抽汲作用，形成低壓區(qū)，減少井底巖石的 圍壓，其機(jī)理類似于欠平衡鉆井，可以大幅提高鉆井速度。同時(shí)水力脈沖方 法得到的>(氐壓區(qū)僅局限在井底鉆頭附近，整個(gè)環(huán)空仍為超平衡壓力，比欠平 衡鉆井方法能更好地保證井壁穩(wěn)定性同時(shí)保證了井下安全。本發(fā)明通過(guò)改善井底流場(chǎng)及井底巖石受力狀況來(lái)提高機(jī)械鉆速及延長(zhǎng)使 用壽命。在相同的壓力、排量、地層及鉆頭條件下與常規(guī)鉆井相比機(jī)械鉆速
最高可以提高100%以上，鉆頭的使用壽命也得以提高達(dá)20%以上。水力脈沖 發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于不同區(qū)域和地層， 具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。本發(fā)明既可跟各種切削型鉆頭(如PDC鉆 頭)配合使用，也可用于普通的牙輪鉆頭或刮刀鉆頭。相信水力脈沖空化射 流鉆井4支術(shù)會(huì)對(duì)我們的鉆井事業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。通過(guò)流體力學(xué)的研究分析得到的水力脈沖與空化射流耦合調(diào)制機(jī)理的方 法，結(jié)合水力脈沖與空化射流提高機(jī)械鉆速機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型 水力脈沖與空化射流耦合裝置。該裝置安裝于鉆頭和鉆鋌(或井下動(dòng)力鉆具)之間。當(dāng)鉆井液自鉆鋌(或井下動(dòng)力鉆具)內(nèi)流經(jīng)水力脈沖發(fā)生器時(shí)，在鉆 頭噴嘴出口處產(chǎn)生脈沖流動(dòng)提高射流的空化能力。由文獻(xiàn)資料可知，在相同 射流壓力下，空化射流的沖擊壓力是連續(xù)射流滯止壓力的8. 6-124倍，可以 極大增加中低壓射流的破巖及清洗井底能力?？栈淞魇侵咐每张萜屏阉a(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力來(lái)增強(qiáng)射流效果的一種 射流^t術(shù)，在淹沒(méi)方式下的液體射流大都產(chǎn)生空化。這是因?yàn)樵谘蜎](méi)方式下 高速射流與相對(duì)靜止的環(huán)境液體之間的剪切層內(nèi)形成擾流渦，擾流渦內(nèi)的壓 力較低，低壓區(qū)內(nèi)產(chǎn)生空化場(chǎng)。射流的空化環(huán)既能提高射流的密度，又能擴(kuò) 大射流破碎與清洗的區(qū)域。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。附困說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明的水力脈沖發(fā)生器裝配示意圖；圖3為本發(fā)明的導(dǎo)流部的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器內(nèi)葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器內(nèi)葉輪座的側(cè)視圖；圖6為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器內(nèi)葉輪座的俯視圖；圖7為本發(fā)明的振蕩噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器本體結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明的自振空化噴嘴鉆頭的定向式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖1G為本發(fā)明的鉆頭的仰視圖；圖11為本發(fā)明的噴嘴出口處的側(cè)視圖；圖12為本發(fā)明的自振空化噴嘴鉆頭立體示意圖；圖13為本發(fā)明水力脈沖空化射流鉆井裝置與自振空化噴嘴鉆頭的裝配 示意圖。 附圖標(biāo)記說(shuō)明I— 本體； 2—導(dǎo)流體； 3—脈沖發(fā)生器； 4—自激振蕩腔室； 5—振蕩噴嘴；6—葉輪座； 7—流體入口段；8—流體出口段；9—葉輪；10 -自振空化噴嘴鉆頭；II- 定向式噴嘴。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1圖1為本發(fā)明方法實(shí)施例1的流程圖。水力脈沖空化射流鉆井的方法的 具體步驟如下步驟101:在鉆井作業(yè)中，將用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn)定的液體流轉(zhuǎn)換為 脈沖諧振流動(dòng)液體；步驟102:將所述脈沖諧振流動(dòng)液體高速射入相對(duì)靜止的液體中，產(chǎn)生 空化現(xiàn)象；步驟103:將產(chǎn)生空化現(xiàn)象的脈沖諧振流動(dòng)液體以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊 井底。以上最佳實(shí)施例中，其脈沖流動(dòng)液體可依照預(yù)先設(shè)定的頻率對(duì)所述連續(xù) 穩(wěn)定的液體流進(jìn)行周期性擾動(dòng)產(chǎn)生。上述實(shí)施例中，連續(xù)流體通過(guò)諧振腔形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變
成斷續(xù)渦環(huán)流。在淹沒(méi)狀態(tài)下，流體運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性易產(chǎn)生壓力振蕩，從而 誘發(fā)空化的發(fā)生。本專利設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)葉輪可對(duì)連續(xù)流體產(chǎn)生擾動(dòng)， 增強(qiáng)流體的不連續(xù)性，從而增強(qiáng)空化作用。上述實(shí)施例中，步驟3可通過(guò)如下具體步驟實(shí)現(xiàn)。首先，使所述脈沖諧 振流動(dòng)液體的壓力產(chǎn)生波動(dòng)；其次，使壓力波動(dòng)的所述脈沖諧振流動(dòng)液體產(chǎn) 生反饋壓力諧振；之后，利用所述壓力諧振產(chǎn)生流體聲諧共振；最后，提高 具有流體聲諧共振的所述脈沖諧振流動(dòng)液體的流速，使其高速射入相對(duì)靜止 的液體中，形成剪切層，形式擾流渦，產(chǎn)生空化現(xiàn)象。實(shí)施例2本實(shí)施例是一個(gè)較實(shí)施例1更細(xì)的方案的流程。具體如下步驟1010:在鉆井作業(yè)中，將用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn)定的液體流轉(zhuǎn)換為脈沖諧振流動(dòng)液體；依照預(yù)先設(shè)定的頻率對(duì)所述連續(xù)穩(wěn)定的液體流進(jìn)行周期性擾動(dòng)；步驟1021:風(fēng)琴管諧振腔可形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷續(xù)渦 環(huán)流，誘發(fā)空化的發(fā)生；步驟1022、旋轉(zhuǎn)葉輪可對(duì)連續(xù)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，增強(qiáng)流體的不連續(xù)性，從 而增強(qiáng)空化作用；步驟1031:使所述脈沖諧振流動(dòng)液體的壓力產(chǎn)生波動(dòng)；步驟1032:使壓力波動(dòng)的所述脈沖諧振流動(dòng)液體產(chǎn)生反饋壓力諧振；步驟10 3 3:利用所述壓力諧振產(chǎn)生流體聲諧共振；步驟1034:提高具有流體聲諧共振的所述脈沖諧振流動(dòng)液體的流速，射 入相對(duì)靜止的液體中；步驟104:把水力脈沖空化射流引入自振空化噴嘴鉆頭，用以形成高 效水力、機(jī)械聯(lián)合破巖；步驟105:把自激振蕩部與自振空化噴嘴鉆頭短接，用以提高破巖效率。實(shí)施例3
本實(shí)施例是按照?qǐng)D13進(jìn)行裝配使用時(shí)，具體步驟如下 步驟201、在鉆具進(jìn)行鉆井作業(yè)中，導(dǎo)入用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn)定的液 體流；步驟202、周期性擾動(dòng)此連續(xù)穩(wěn)定的液體流，使之形成脈沖流動(dòng)液體， 用以增加沖擊效果；步驟203、將脈沖流動(dòng)的液體放大并使之產(chǎn)生諧振，于是就將其轉(zhuǎn)變?yōu)?了脈沖諧振流動(dòng)液體；步驟204、通過(guò)縮小流體的截面積、加快其流速，使其高速射入相對(duì)靜 止的環(huán)境液體中；步驟205、使該液體形成擾流渦，產(chǎn)生空化現(xiàn)象；步驟206、將產(chǎn)生空化現(xiàn)象的高速脈沖諧振流動(dòng)液體以波動(dòng)壓力的方式 流入鉆頭上的風(fēng)琴管噴嘴；步驟207、空化射流經(jīng)過(guò)風(fēng)琴管諧振的進(jìn)一步放大，高速?zèng)_擊井底。 實(shí)施例4圖2為本發(fā)明裝配示意圖。圖2是本發(fā)明裝置的一個(gè)最佳實(shí)施例，如圖 2所示，包括一柱形的本體l,該本體的一端設(shè)有流體入口段7，另一端設(shè)有 流體出口段8，流體入口段7與流體出口段8之間依次匹配設(shè)有使流體的流 向產(chǎn)生偏離的導(dǎo)流部2、使連續(xù)的流體產(chǎn)生脈沖的脈沖發(fā)生器3以及使具有 脈沖的流體產(chǎn)生諧振的自激振蕩部；導(dǎo)流部3的一端設(shè)有入口，另一端設(shè)有 出口，該出口與入口采取偏心方式設(shè)置，且出口的面積小于入口的面積；所 述脈沖發(fā)生器3內(nèi)樞設(shè)有利用流體的推力轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪9，該葉輪9的葉片與 所述導(dǎo)流部2的出口對(duì)正設(shè)置；所述自激振蕩部?jī)?nèi)設(shè)有一貫穿的流體通道， 該流體通道由多段截面積依次減小的流道構(gòu)成，截面積最大的流道設(shè)置在自 激振蕩部與所述脈沖發(fā)生器對(duì)接的一端。該裝置可產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流并以 波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底，其下端接鉆頭，上端直接連接井下動(dòng)力鉆具(或 鉆鋌)，4吏用及安裝方便。同時(shí)其下部有可與鉆鋌配合的臺(tái)階、上部有彈性 擋圈槽，該設(shè)計(jì)不僅滿足了工藝要求而且大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，使其安全、可靠
性大大增強(qiáng)。本發(fā)明所述的水力脈沖空化射流鉆并裝置就是在鉆井過(guò)程中經(jīng)鉆鋌(或 井下動(dòng)力鉆具)內(nèi)的連續(xù)流動(dòng)的鉆井液流經(jīng)本體1上端的流體入口段7進(jìn)入導(dǎo)流部2,對(duì)脈沖發(fā)生器3產(chǎn)生切向力迫使其內(nèi)部的葉輪9高速旋轉(zhuǎn)改變流 道面積，使連續(xù)流動(dòng)的鉆井液產(chǎn)生脈沖后進(jìn)入自激振蕩腔室4，脈沖鉆井液 流在此腔室放大并產(chǎn)生流體諧振，當(dāng)其通過(guò)振蕩腔室4的出口收縮截面進(jìn)入 諧振噴嘴5時(shí)，產(chǎn)生壓力波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)又反射回諧振腔形成反饋壓力 振蕩，當(dāng)壓力波動(dòng)的頻率與諧振腔的頻率相一致時(shí)，反饋壓力振蕩得以放大， 從而在諧振腔4內(nèi)產(chǎn)生流體聲諧共振，流體高速射流，并在流體出口段8產(chǎn) 生強(qiáng)烈3永動(dòng)渦環(huán)流，以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場(chǎng)，減少"壓 持效應(yīng)"提高射流清巖和破巖的能力，從而提高了機(jī)械鉆速。空化的實(shí)現(xiàn)是 通過(guò)自激振蕩噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)的，葉輪旋轉(zhuǎn)目的是產(chǎn)生脈沖，使得進(jìn)入自激振蕩 腔的鉆井液成為一種有源擾動(dòng)。渦流環(huán)在高剪切運(yùn)動(dòng)中又不斷壯大，使射流 產(chǎn)生較大的壓力脈沖，形成脈沖射流，通過(guò)鉆頭傳至井底，從而大幅度提高 射流的沖蝕和清潔能力。 一方面在鉆頭噴嘴出口形成脈沖射流，提高射流清 巖破巖的作用能力；另一方面由于水力脈沖裝置產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，可以在鉆頭 附近形成低壓區(qū)，能夠減少環(huán)空液柱壓力對(duì)井底巖石的壓持效應(yīng)，其機(jī)理類 似于欠平衡鉆井，可以大幅提高鉆井速度，但水力脈沖方法得到的低壓區(qū)僅 局限于井底鉆頭附近，整個(gè)環(huán)空仍為超平衡壓力，因此比欠平衡鉆井方法能 更好地保證井壁穩(wěn)定性及井下安全。圖3為本發(fā)明的導(dǎo)流部的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2和圖3所示，本發(fā)明中所 述的導(dǎo)流部2為斜坡流道，其改變了鉆井液的流向，并對(duì)脈沖發(fā)生器3的葉 輪產(chǎn)生切向力迫使葉輪9轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變斜坡流道的角度改變鉆井液液流對(duì) 葉l^切向沖擊力的大小，同時(shí)下面的凸起部分便于安裝定位。圖4為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器內(nèi)葉輪9的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的脈 沖發(fā)生器內(nèi)葉輪座的側(cè)視圖。圖6為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器內(nèi)葉輪座的俯視圖。 本發(fā)明中所述的脈沖發(fā)生器3，包括葉輪9和定位葉輪的軸套6，通過(guò)改變?nèi)~
輪9的葉輪葉片半徑來(lái)改變流道面積以改變脈沖幅度，通過(guò)改變?nèi)~輪9的葉輪葉片數(shù)量來(lái)改變脈沖頻率。圖7為本發(fā)明的振蕩噴嘴5的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖6可見(jiàn)，振蕩噴嘴5的 截面積比自激振蕩腔室4的截面積縮小很多，使得流體射流變成斷續(xù)渦流環(huán)。圖8為為本發(fā)明的脈沖發(fā)生器本體結(jié)構(gòu)示意圖。上述裝置的實(shí)施例中， 所述本體1的流體入口段7可為圓柱狀或?yàn)橥獯髢?nèi)小的圓臺(tái)狀。上述裝置的實(shí)施例中，所述導(dǎo)流部2的入口的形狀以及導(dǎo)流部的出口的 形狀可為矩形或圓形。上述裝置的實(shí)施例中，導(dǎo)流部2與所述脈沖發(fā)生器3結(jié)合的端面上還設(shè) 有用于卡入脈沖發(fā)生器的入口 ，并使所述導(dǎo)流部2的出口與所述葉輪9對(duì)正 的凸棱。上迷裝置的實(shí)施例中，自激振蕩部?jī)?nèi)設(shè)置的多段流道的截面形狀可為圓 形或多邊形。連續(xù)穩(wěn)定高速的鉆井液進(jìn)入導(dǎo)流體對(duì)葉輪總成中的葉輪產(chǎn)生切向力迫使 葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖擾動(dòng)，通過(guò)改變?nèi)~輪的葉輪葉片半徑來(lái)改變流道面積 以改變脈沖幅度，通過(guò)改變?nèi)~輪的葉輪葉片數(shù)量來(lái)改變脈沖頻率；然后進(jìn)入 振蕩噴嘴上部的自激振蕩腔室，脈沖鉆井液流在此腔室放大并產(chǎn)生流體諧振, 在出口產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流，以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場(chǎng)， 減少"壓持效應(yīng)"提高射流清巖和破巖的能力，從而提高了機(jī)械鉆速。實(shí)施例5圖9為本發(fā)明的自振空化噴嘴鉆頭的定向式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為本 發(fā)明的鉆頭的仰視圖。風(fēng)琴管狀諧振腔可形成聲諧共振，使定向式噴嘴10出 口射流變成斷續(xù)渦環(huán)流，誘發(fā)空化的發(fā)生；同時(shí)，噴嘴10出口彎曲一定的角 度，和自振空化噴嘴鉆頭ll切屑齒配合，如圖ll所示；噴嘴10為內(nèi)嵌式， 其結(jié)構(gòu)如圖9所示，實(shí)現(xiàn)水力-機(jī)械聯(lián)合破巖。該噴嘴采取定向安裝，形成 水力和^14成聯(lián)合破巖方式，提高了鉆頭破巖和井底清巖效果。圖12是設(shè)計(jì) 加工成型的自振空化噴嘴鉆頭的立體示意圖 實(shí)施例6圖13為本發(fā)明水力脈沖空化射流鉆井裝置與自振空化噴嘴鉆頭的裝配示意圖。自振空化噴嘴鉆頭11與水力脈沖空化射流鉆井裝置的下端短接，配 合在一起使用，將進(jìn)一步增強(qiáng)流體的空化效果，提高破巖能力。最佳實(shí)施例具體如下步驟1是在鉆具進(jìn)行鉆井作業(yè)中，導(dǎo)入用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn) 定的液體流；步驟2是周期性擾動(dòng)此連續(xù)穩(wěn)定的液體流，使之形成脈沖流動(dòng) 液體，用以增加沖擊效果；步驟3是將脈沖流動(dòng)的液體放大并使之產(chǎn)生諧振， 于是就將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗣}沖諧振流動(dòng)液體；步驟4是通過(guò)縮小流體的截面積、 加快其流速，使其高速射入相對(duì)靜止的環(huán)境液體中；步驟5是使該液體形成 擾流渦，產(chǎn)生空化現(xiàn)象；步驟6是將產(chǎn)生空化現(xiàn)象的高速脈沖諧振流動(dòng)液體 以波動(dòng)壓力的方式流入鉆頭上的風(fēng)琴管噴嘴；步驟6是空化射流經(jīng)過(guò)風(fēng)琴管 諧振的進(jìn)一步放大，高速?zèng)_擊井底。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技 術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種水力脈沖空化射流鉆井裝置，包括一柱形的本體，該本體的一端設(shè)有流體入口段，另一端設(shè)有流體出口段，其特征在于所述流體入口段與流體出口段之間依次匹配設(shè)有使流體的流向產(chǎn)生偏離的導(dǎo)流部、使連續(xù)的流體產(chǎn)生脈沖的脈沖發(fā)生器以及使具有脈沖的流體產(chǎn)生諧振的自激振蕩部；所述導(dǎo)流部的一端設(shè)有入口，另一端設(shè)有出口，該出口與入口采取偏心方式設(shè)置，且出口的面積小于入口的面積；所述脈沖發(fā)生器內(nèi)樞設(shè)有利用流體的推力轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，該葉輪的葉片與所述導(dǎo)流部的出口對(duì)正設(shè)置；所述自激振蕩部?jī)?nèi)設(shè)有一貫穿的流體通道，該流體通道由多段截面積依次減小的流道構(gòu)成，截面積最大的流道設(shè)置在自激振蕩部與所述脈沖發(fā)生器對(duì)接的一端。
2、 如權(quán)利要求l所述的水力脈沖空化射流鉆井裝置，其特征在于，所述 本體的流體入口段為圓柱狀或?yàn)橥獯髢?nèi)小的圓臺(tái)狀。
3、 如權(quán)利要求1所述的水力脈沖空化射流鉆井裝置，其特征在于，所述 本體的內(nèi)側(cè)下部有彈性擋團(tuán)槽便于固定自激振蕩腔體，本體的上部與井下動(dòng) 力鉆具或鉆鋌連接。
4、 如權(quán)利要求1所述的水力脈沖空化射流鉆井裝置，其特征在于，所述 導(dǎo)流部的入口的形狀以及導(dǎo)流部的出口的形狀為矩形或圓形。
5、 如權(quán)利要求1或4所述的水力脈沖空化射流鉆井裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)流部與所述脈沖發(fā)生器結(jié)合的端面上還設(shè)有用于卡入脈沖發(fā)生器的入 口，并4吏所述導(dǎo)流部的出口與所述葉輪對(duì)正的凸棱。
6、 如權(quán)利要求1所述的水力脈沖空化射流鉆井裝置，其特征在于，所述 自激振蕩部?jī)?nèi)設(shè)置的多段流道的截面形狀為圓形或多邊形。
7、 一種與所述權(quán)利要求1 - 6任一鉆井裝置配合的自振空化噴嘴鉆頭， 包括鉆頭，其特征在于，所述鉆頭內(nèi)設(shè)置有兩個(gè)貫穿的流體通道，該流體通 道由多^:截面積依次減'J、的流道構(gòu)成，截面積最大的流道設(shè)置流體進(jìn)口端；所述鉆頭的上端外部為配合連接于所述水力脈沖空化射流鉆井裝置的流體出口段內(nèi)。
8、 如權(quán)利要求7所述的自振空化噴嘴鉆頭，其特征在于，所述流體通道 下端最細(xì)段向所述鉆頭中心傾斜，用以提高沖巖質(zhì)量。
9、 一種水力脈沖空化射流鉆井的方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1:在鉆井作業(yè)中，將用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn)定的液體流轉(zhuǎn)換為脈沖諧振流動(dòng)液體；步驟2:將所述脈沖諧振流動(dòng)液體高速射入相對(duì)靜止的液體中，產(chǎn)生空 化現(xiàn)象；步驟3:將產(chǎn)生空化現(xiàn)象的脈沖諧振流動(dòng)液體以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底。
10、 如權(quán)利要求9所述的水力脈沖空化射流鉆井的方法，其特征在于， 所述步驟3之后還包括步驟4:把水力脈沖空化射流引入自振空化噴嘴鉆頭，用以形成高效 水力、機(jī)械聯(lián)合破巖。
11、 如權(quán)利要求9所述的水力脈沖空化射流鉆井的方法，其特征在于， 所述步驟4之后還包括步驟5 :把自激振蕩部與自振空化噴嘴鉆頭短接，用以提高破巖效率。
12、 如權(quán)利要求9所述的水力脈沖空化射流鉆井的方法，其特征在于， 所述步驟1中，將所迷連續(xù)穩(wěn)定的液體流轉(zhuǎn)換為脈沖流動(dòng)液體的具體過(guò)程為 依照預(yù)先"^殳定的頻率對(duì)所述連續(xù)穩(wěn)定的液體流進(jìn)行周期性擾動(dòng)。
13、 如權(quán)利要求9所述的水力脈沖空化射流鉆井的方法，其特征在于， 所述步驟2具體為風(fēng)琴管諧振腔可形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷 續(xù)渦環(huán)流，誘發(fā)空化的發(fā)生；旋轉(zhuǎn)葉輪可對(duì)連續(xù)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，增強(qiáng)流體的 不連續(xù)性，從而增強(qiáng)空化作用。
14、 如權(quán)利要求9所述的水力脈沖空化射流鉆井的方法，其特征在于， 所述步驟3具體包括步驟31:使所述脈沖諧振流動(dòng)液體的壓力產(chǎn)生波動(dòng)；步驟32:使壓力波動(dòng)的所述脈沖諧振流動(dòng)液體產(chǎn)生反饋壓力諧振；步驟3 3:利用所述壓力諧振產(chǎn)生流體聲諧共振；步驟34:提高具有流體聲諧共振的所述脈沖諧振流動(dòng)液體的流速，射入 相對(duì)靜止的液體中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種水力脈沖空化射流鉆井裝置，包括一柱形的本體，該本體的一端設(shè)有流體入口段，另一端設(shè)有流體出口段，流體入口段與流體出口段之間依次匹配設(shè)有使流體的流向產(chǎn)生偏離的導(dǎo)流部、使連續(xù)的流體產(chǎn)生脈沖的脈沖發(fā)生器以及使具有脈沖的流體產(chǎn)生諧振的自激振蕩部。本發(fā)明還公開(kāi)了一種自振空化噴嘴鉆頭，提高了鉆頭破巖和井底清巖效果。本發(fā)明又公開(kāi)了一種水力脈沖空化射流鉆井方法。該方法包括如下步驟在鉆井作業(yè)中，將用于沖擊井底的連續(xù)穩(wěn)定的液體流轉(zhuǎn)換為脈沖諧振流動(dòng)液體；將脈沖諧振流動(dòng)液體高速射入相對(duì)靜止的液體中，產(chǎn)生空化現(xiàn)象；以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底，減少了壓持效應(yīng)、提高了射流清巖和破巖的能力，節(jié)約了鉆井成本。
文檔編號(hào)E21B10/60GK101105115SQ200610098598
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日
發(fā)明者史懷忠, 李根生, 牛繼磊, 黃中偉 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)