CN110026912B - 一种磨料水射流切割喷头及其应用 - Google Patents

一种磨料水射流切割喷头及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明的公开了一种磨料水射流切割喷头及其应用，包括喷头本体，所述喷头本体设有轴向盲孔，在喷头本体的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔连通的喷嘴孔，相邻径向面上的喷嘴孔错落布置，每个喷嘴孔内设有喷嘴；所述喷嘴包括同轴设置的基座、外喷嘴和内喷嘴，基座设有轴向通孔，一端与喷嘴孔连接，另一端连接外喷嘴和内喷嘴，所述外喷嘴的入口端与基座端面外缘连接，与基座合围形成混合腔室，外喷嘴侧壁径向设有多个与混合腔室连通的吸入口，所述内喷嘴设于混合腔室内且入口端与基座端面中心连接，出口端与混合腔室连通。其能够实现磨料的循环利用，降低成本，适用于交通不便的偏远山区，实用性强。

Description

一种磨料水射流切割喷头及其应用
技术领域
本发明涉及磨料水射流技术，具体涉及一种磨料水射流切割喷头及其应用。
背景技术
近年来，随着我国社会的快速发展，对石油天然气资源需求愈来愈大，开采力度也随之加大，随着石油天然气开采时间的增长，以及当地油气资源的枯竭，越来越多的油气井接近使用年限，失去了继续使用的价值，石气井也就完成了它们的使命。为防止油气污染，对于达到作业年限的油气井口，按照国家规定需要对其进行弃井作业，封堵油气井，然而封堵井口并不能达到理想的效果，需要在距离井口以下钻铣一个空间，用混泥土等材料形成一个堵塞垫，这样效果更佳。目前用于油井封堵成段钻铣堵塞空间的技术以及装置还没有。
考虑到机械装置的缺点，有学者运用磨料射流进行切割。陈建兵等进行了磨料射流切割套管技术研究，并运用在海上弃井中；王瑞和等采用磨料射流进行了旋转切割套管试验；周卫东等也对前混式磨料水射流切割套管进行了研究；国外的一些公司如澳大利亚的WellOps公司、英国的Circle、Proserv公司以及美国的Wachs公司在此研究领域掌握了成熟的技术，拥有完善的设备。但他们这些研究以及设备主要运用于海上油井套管切割，只能将油管割断，而不能成段的铣切；采用前混式磨料水射流加入磨料必须泄压，作业时不能保证连续工作；磨料、水消耗大，不适合偏远或缺水的陆路地区。并且为了保证切割段的有效覆盖，现有的喷头需要旋转工作，进而需要另外设置驱动喷头旋转的装置，增加了使用成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种磨料水射流切割喷头及其应用，其能够实现磨料的循环利用，降低成本，适用于交通不便的偏远山区，实用性强。
本发明所述的磨料水射流切割喷头，包括喷头本体，所述喷头本体设有轴向盲孔，在喷头本体的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔连通的喷嘴孔，相邻径向面上的喷嘴孔错落布置，每个喷嘴孔内设有喷嘴；所述喷嘴包括同轴设置的基座、外喷嘴和内喷嘴，基座设有轴向通孔，一端与喷嘴孔连接，另一端连接外喷嘴和内喷嘴，所述外喷嘴的入口端与基座端面外缘连接，与基座合围形成混合腔室，外喷嘴侧壁径向设有多个与混合腔室连通的吸入口，所述内喷嘴设于混合腔室内且入口端与基座端面中心连接，出口端与混合腔室连通。
进一步，单个径向平面上喷嘴孔的数量为
Figure GDA0002610148790000021
式中，n为喷嘴孔数量，D0为喷头本体的外直径，l1为喷嘴在喷头本体上外露的长度，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角。
进一步，单个径向平面上相邻喷嘴孔的间距为
Figure GDA0002610148790000022
式中，D0为喷头本体的外直径，n为单个径向平面上喷嘴孔的数量；
相邻径向平面的间距为
Figure GDA0002610148790000023
式中，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角，d1为外喷嘴出口端内径。
进一步，所述内喷嘴和外喷嘴均呈圆筒状，所述基座端面中心设有容纳内喷嘴的空腔，基座端面边缘设有与外喷嘴连接的外螺纹。
上述的磨料水射流切割喷头在切割井下套管中的应用。
具体工作时，首先，采用低速流动的磨料水射流由喷头本体的开口端进入轴向盲孔，经喷嘴射向井下套管的工作段，使得磨料处于工作段周围，输送一定量的磨料后，关闭磨料的供应，采用高速流动的水进入喷嘴，使得喷嘴的混合腔室产生负压，通过卷吸作用将井下套管的工作段周围的磨料从吸入口吸入至混合腔室，混合后从外喷嘴的出口端射出，同时射出的磨料又在吸入口的作用下重新进入混合腔室，实现磨料的循环连续作业。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明通过在喷头本体的多个径向平面上设置多个喷嘴，在无需旋转的前提下，有效覆盖井下套管的待切割段，保证了切割质量，提高了切割效率。
2、本发明由于在外喷嘴侧壁径向设有多个与混合腔室连通的吸入口，使得磨料能够在负压作用下重新进入混合腔室，实现了磨料的循环利用，降低了磨料消耗，适用于交通不便的偏远山区，实用性强。
3、本发明通过对喷嘴的布置参数进行限定，保证了喷射出的磨料射流能够充分覆盖井下套管的待切割段，无需旋转喷枪，进而取消了用于驱动喷枪旋转的驱动装置，使得结构更加简单，便于组装、拆卸、搬运和后期维护，降低了运行成本；同时各个喷嘴喷射出的磨料射流之间相互协同，避免出现紊流，保证了磨料射流的切割效率。
3、本发明的喷头结构简单，制造加工容易，便于生产、装配和维护保养。
附图说明
图1是本发明喷头本体的断面结构示意图；
图2是本发明喷头本体的剖示图；
图3是本发明喷嘴的结构示意图；
图4是本发明外喷嘴的结构示意图；
图5是本发明内喷嘴的结构示意图；
图6是本发明喷嘴的布置正视图；
图7是本发明喷嘴的布置俯视图；
图8是本发明喷嘴的工作示意图。
图中，1—喷头本体，11—轴向盲孔，12—喷嘴孔，2—喷嘴，21—基座，22—外喷嘴，221—容纳段，222—第三圆柱段，223—锥形扩散段，23—内喷嘴，231—第一圆柱段，232—圆锥形过渡段，233—第二圆柱段，24—吸入口，25—混合腔室，26—第一外螺纹，27—内螺纹，28—第二外螺纹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参见图1至图5，所示的磨料水射流切割喷头，包括喷头本体1，所述喷头本体1设有轴向盲孔11，在喷头本体1的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔11连通的喷嘴孔12，相邻径向面上的喷嘴孔12错落布置，每个喷嘴孔12内设有喷嘴2。轴向盲孔11的设置保证了流体能够从径向进入喷嘴2中，使得流体的运动走向与喷头本体1的轴线垂直，进而实现了对井下套管的径向切割。
所述喷嘴2包括同轴设置的基座21、外喷嘴22和内喷嘴23，基座21设有轴向通孔，一端设有与喷嘴孔12连接的第一外螺纹26，另一端连接外喷嘴22和内喷嘴23，所述外喷嘴22的入口端与基座21端面外缘连接，与基座21合围形成混合腔室25，外喷嘴22侧壁径向设有多个与混合腔室25连通的吸入口24，所述内喷嘴23设于混合腔室25内且入口端与基座22端面中心连接，出口端与混合腔室25连通。
所所述内喷嘴23和外喷嘴22均呈圆筒状，所述基座21远离喷头本体的端面中心设有容纳内喷嘴23的空腔，该空腔内壁设有内螺纹27，基座21远离喷头本体的端面边缘设有与外喷嘴22连接的第二外螺纹28。采用螺纹固定的方式来连接基座21、外喷嘴22和内喷嘴23，稳定可靠，便于安装和拆卸，且当某一部件发生损坏时，更换方便快捷，降低了配件消耗，节约了成本。
所述内喷嘴23的内孔由第一圆柱段231、圆锥形过渡段232和第二圆柱段233组成，所述第一圆柱段231与轴向盲孔11内径相同，第二圆柱段233内径小于第一圆柱段232内径，圆锥形过渡段232用于连接第一圆柱段231和第二圆柱段233。所述外喷嘴22的内孔由容纳段221、第三圆柱段222和锥形扩散段223组成，容纳段221用于与基座21共同形成容纳腔室25，其侧壁径向设有与容纳腔室25连通的吸入口24。
为了有效覆盖井下套管的工作段，同时从成本考虑，对喷头本体1上的喷嘴2数量以及间距进行合理设置。参见图1至图5，D0为喷头本体的外直径，d0为喷嘴入口端的内径，d1为外喷嘴出口端的内径，d2为内喷嘴出口端的内径，d3为吸入口的内径，l1为喷嘴在喷头本体上外露的长度，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角。
单个径向平面上喷嘴孔的数量为
Figure GDA0002610148790000041
式中，n为喷嘴孔数量，D0为喷头本体的外直径，l1为喷嘴在喷头本体上外露的长度，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角。
单个径向平面上相邻喷嘴孔的间距为
Figure GDA0002610148790000042
式中，D0为喷头本体的外直径，n为单个径向平面上喷嘴孔的数量；
相邻径向平面的间距为
Figure GDA0002610148790000043
式中，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角，d1为外喷嘴出口端内径。
上述的磨料水射流切割喷头在切割井下套管中的应用。
具体装配时，先将内喷嘴23旋入基座21空腔内壁的内螺纹27上，实现内喷嘴23与基座21端面中心的螺纹固定，再将外喷嘴22旋入基座21端面边缘的第二外螺纹28，实现外喷嘴与基座端面边缘的螺纹固定。内喷嘴23和外喷嘴22位于基座21的同一端面上，基座21的另一端面通过第一外螺纹26旋入喷头本体1的喷嘴孔12内，实现喷嘴2与喷头本体1的连接，再将喷头本体1固定于磨料水射流发生装置上，轴向盲孔11的开口端与磨料水射流发生装置的出口连通。所述磨料水射流发生装置为现有常见的前混合磨料水射流***，对其结构及部件不再进行赘述。
工作时，采用低速流动的磨料水射流由喷头本体1的开口端进入轴向盲孔11，经喷嘴2射向井下套管的工作段，使得磨料处于工作段周围，输送一定量的磨料后，关闭磨料的供应，采用高速流动的水进入喷嘴2，使得喷嘴2的混合腔室25产生负压，通过卷吸作用将井下套管的工作段周围的磨料从吸入口24吸入至混合腔室25，混合后从外喷嘴22的出口端射出，同时射出的磨料又在吸入口24的作用下重新进入混合腔室25，实现了磨料的循环连续作业。由于在喷枪本体1上设有多个喷嘴2，通过对喷嘴2数量以及间距进行合理设置，使得射出的流体能够充分覆盖井下套管的工作段，无需旋转喷枪本体1即可实现井下套管的切割，保证了切割质量，提高了切割效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种磨料水射流切割喷头，包括喷头本体(1)，其特征在于：所述喷头本体(1)设有轴向盲孔(11)，在喷头本体(1)的多个径向平面上，径向均布设有多个与轴向盲孔(11)连通的喷嘴孔(12)，相邻径向面上的喷嘴孔(12)错落布置，每个喷嘴孔(12)内设有喷嘴(2)；单个径向平面上喷嘴孔的数量为
Figure FDA0002642222320000011
式中，n为喷嘴孔数量，D0为喷头本体的外直径，l1为喷嘴在喷头本体上外露的长度，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角，d1为外喷嘴出口端内径；
所述喷嘴(2)包括同轴设置的基座(21)、外喷嘴(22)和内喷嘴(23)，基座(21)设有轴向通孔，一端与喷嘴孔(12)连接，另一端连接外喷嘴(22)和内喷嘴(23)，所述外喷嘴(22)的入口端与基座(21)端面外缘连接，与基座(21)合围形成混合腔室(25)，外喷嘴(22)侧壁径向设有多个与混合腔室(25)连通的吸入口(24)，所述内喷嘴(23)设于混合腔室(25)内且入口端与基座(21)端面中心连接，出口端与混合腔室(25)连通。
2.根据权利要求1所述的磨料水射流切割喷头，其特征在于：单个径向平面上相邻喷嘴孔的间距为
Figure FDA0002642222320000012
式中，D0为喷头本体的外直径，n为单个径向平面上喷嘴孔的数量；
相邻径向平面的间距为
Figure FDA0002642222320000013
式中，l2为外喷嘴出口端至工作面的靶距，θ为外喷嘴出***流扩散角，d1为外喷嘴出口端内径。
3.根据权利要求1或2所述的磨料水射流切割喷头，其特征在于：所述内喷嘴(23)和外喷嘴(22)均呈圆筒状，所述基座(21)端面中心设有容纳内喷嘴(23)的空腔，基座(21)端面边缘设有与外喷嘴(22)连接的外螺纹。
4.根据权利要求1～3任一项所述的磨料水射流切割喷头在切割井下套管中的应用。
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