CN1871408B - 喷嘴单元以及用于在目标物中挖孔的方法 - Google Patents
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Abstract
用于产生磨料射流的喷嘴单元(1)，该喷嘴单元(1)包括：一加压载液供应源(2)连接的第一喷嘴(3)；一第一喷嘴(3)排入其内的混合室(5)；一与混合室(5)连接的第二喷嘴(6)；以及一在混合室(5)内排料的磨粒入口(4)；其中，第一喷嘴开口的横截面积(A1)与第二喷嘴开口的横截面积(A2)之比为0.50～1.0。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生磨料射流的喷嘴单元，该喷嘴单元包括：
-与加压载体流体(carrier fluid)源连接的第一喷嘴；
-混合室，第一喷嘴向混合室中排放；
-与混合室连接的第二喷嘴；以及
-通到混合室的磨粒入口。
这种喷嘴单元可用于在目标物中挖(excavate)孔。
背景技术
上述喷嘴单元在磨料水射流机械领域是普遍公知的。用于磨料水射流机械的装置通常在环境压力基本上等于大气压的情况下操作。几乎无任何固体颗粒的射流在压力大大高于1千巴的情况下射入混合室内。干燥磨料是在大气压条件下保持的，并且由于射流泵机构位于混合室内，所以磨粒通过磨粒入口被吸入混合室。
在地质岩层的钻孔领域中，包括一具有射流泵机构的喷嘴单元的磨料水射流装置可用于钻孔，例如参见WO02/34653。但是，这种现场条件与常压磨料射流机械的现场条件基本上不同，因为环境压力大大高出大气压，并且每10米深度大约增加1巴。
就常压磨料水射流机械***而言，空气随同磨料颗粒一起吸入混合室内。进入喷嘴单元的这种气流会产生可能限制动能由射流传送给磨料的气穴。因此，基于这种动能传送的喷嘴单元的效率受到气穴的限制。
气穴的另一个重要来源可能源自射流中及其周围的紊流。现场紊流中的压力波动包括低于载体流体的汽压的压力，该压力可能引起汽化作用、形成气泡和气穴。
因此要求喷嘴单元能够在磨粒消耗率尽可能低的的情况下将动能尽可能高效率地传给磨粒，从而喷嘴单元可在地质地层的典型钻孔中可用的有限空间内使用。
国际申请WO-A 91/12930提及了一种在高于环境压力的条件使用时效率降低的惯用喷嘴单元，并且公开了一种允许混合室长度较容易改变的喷嘴单元结构。这种措施针对大气压状态下因射流周围的气穴屏蔽逐渐减弱而引起的射流发散增大的情况而调整喷嘴的设计。
美国专利4,555,872描述了一种与前序部分一致的喷嘴装置，用于产生在大气压条件下具备材料切割能力的磨料液体射流。第一喷嘴具有一青玉孔口板，其具有一锥形孔口，最小的流通口的直径约为0.5mm(0.020英寸)。由此，在低流速的情况下可得到极高的压降。第一喷嘴下游的第二喷嘴为一锥状流动形锥体的形式，其最小的流通口的直径约为1.5mm(0.060英寸)。
业已证明，上面描述的现有技术中的喷嘴单元无一能够在周围环境为高压的情况下令人满意地传送磨料射流，例如，考虑到所实施的具体周边条件，在地质岩层中钻孔时典型地会遇到这种高压的情况。
发明内容
本发明提供了一种用于产生磨料射流的喷嘴单元，该喷嘴单元包括：与加压载体流体供应源连接的第一喷嘴；混合室，第一喷嘴向混合室中排放；与混合室连接的第二喷嘴；以及通入并排料到混合室中的磨粒入口；其中，第一喷嘴开口的横截面积与第二喷嘴开口的横截面积之比大于或等于0.50并小于1
就本说明书来说，将喷嘴开口的横截面积A定义为喷嘴中具有最大限制的一段的流动口的横截面积，因为一定流量下的压降数值主要由喷嘴中最小流动口的横截面确定。将喷嘴开口的“直径”D定为2√(A/π)，就循环流动限制来说，其相当于最小腰部的流动口的宽度。
业已发现，为了能够将大量的动能由第一喷嘴产生的射流(“驱动射流”)传给输送磨粒，则第二喷嘴流动口的横截面积比第一喷嘴大得越多，载体流体流中需携带的磨粒便越多。动能的这种传送被认为是喷嘴单元的效率。
如果第一和第二喷嘴的横截面积之比小于0.5，则需要较大量的磨粒来填充第二喷嘴中的空间，这将带来磨粒供应的问题，在没有更多的操作量的井下场合尤为如此。允许携带的流体与经过磨粒入口进入混合室的磨粒之比更高是可能的。但是，这会导致效率非人所愿地降低，因为与赋予磨粒的相似量动能相比，携带流体消耗驱动射流中的动能，而这对于凿孔并无效果。因此，第一和第二喷嘴之间的横截面积之比的容许下限为0.5。
另一方面，为了适应除高压射流之外的至少一些被携带的磨料，第二喷嘴的横截面积应始终大于第一喷嘴的面积，即比值小于1。
与WO-A91/12930中描述的喷嘴单元方案不同，为了适应载体流体、磨粒和被携带的流体的供应量和相对流量，本发明对喷嘴单元进行了优化。
应当相信，因为这样，本发明的喷嘴单元已经能够在环境压力大的情况下良好操作，尤其是在环境压力大于50巴，或者甚至是大于300巴的情况下。所以，喷嘴单元尤其适于开挖深度超过几百米以至几千米的地下岩层的场合。
应当注意，美国专利4,555,872的喷嘴装置中的第一和第二喷嘴横截面积的所述比例仅为0.11。
所述横截面积之比优选小于0.9，以便确保足量的磨粒可在载体流体流中被携带。
在本发明的一个优选实施方式中，混合室沿流动方向的长度使得在考虑了来自第一喷嘴的射流的发散因素后，离开混合室的射流的直径小于第二喷嘴开口的直径。
业已发现，当横截面积之比小于0.60时更容易满足此优选方式。淹没射流的发散度通常为8°-9°(参见“紊动射流理论”，G.N.Abramovich著，MIT出版社出版，马萨诸塞州(1963))。长度定义为第一喷嘴的排出开口和第二喷嘴的进入开口之间的距离。将进入开口定义为横截面最小处的第一点。
在本发明的一个实施方式中，混合室的长度是第一喷嘴开口的直径的0.8～2.0倍。这样使得磨粒与射流有效混合，同时保持有限的混合室长度。此方式的优点在于射流可布置成某一角度，这在钻孔时是必要的。当使用本发明的喷嘴单元时，转动喷嘴，从而形成具有基本为圆形的横截面的孔。
考虑到这种用法，第二喷嘴的另一优选长度为第二喷嘴直径的4～10倍。
在本发明的一个实施方式中，第二喷嘴相对于第一喷嘴沿流向偏心布置。优选地，第二喷嘴的偏心偏置量沿磨粒入口的方向具有一分量。由此，结构上易于保持磨料供应开口的最小尺寸基本上等于第一喷嘴的直径，同时使得第一喷嘴与第二喷嘴的横截面积之比最大化。
偏心偏置量优选大到第一喷嘴壁的部分与第二喷嘴壁的部分对齐的情况。就圆柱形第一喷嘴和圆柱形第二喷嘴而言，偏心率E则等于两个喷嘴直径之差的一半。
进一步优选的是，第一喷嘴的内壁的至少部分与第二喷嘴的内壁的至少部分对齐。
在本发明的一个实施方式中，喷嘴单元包括一与磨粒入口连接的供应通道，其中，供应通道以小于180°的角度环绕着混合室。这样，当设置偏心副喷嘴构造时便可以有效利用。同时，供应入口应足够宽，从而可在基本上无阻塞风险的情况下供应磨粒。
供应通道的流向与主喷嘴中的流向的轴线之间的夹角优选尽可能小。这样，所供应的磨粒获得与主喷嘴所产生的射流平行的尽可能大的分速度。在本发明的一个实施方式中，该角度小于60°，优选小于30°。由于机械限制，该角度通常大于10°。
本发明还涉及一种根据本发明的喷嘴单元与用于将磁性或可磁化磨粒从流体中分离的分离装置的组合，该分离装置包括一用于将磨粒沿着分离装置从流体流中吸起来的磁体，一至少部分包封磁体的支承表面，以及用于将吸起的磨粒沿支承表面传送至喷嘴单元的磨粒入口的装置。
本发明还涉及一种在一目标物内挖孔的方法，包括如下步骤：
-将包括本发明的喷嘴单元的磨料射流开挖工具布置到孔内；
-通过向第一喷嘴供应加压载体流体并且将磨粒排入混合室内来产生磨料射流；
-以及将磨料射流引入目标内。
就本说明书而言，目标物理解为主要包括地层，该地层包括地下地层，还包括用于勘探或开采烃类的油井中的水泥、钢制套管、或封隔器材料。这种目标物在正常运行时位于地表下方几千米深度处，从而环境压力会大于300巴。
附图说明
本发明的上述和其他特征将通过实施例并参照附图进行描述，其中：
图1示出了本发明的喷嘴单元的一个实施方式的透视图；
图2示出了沿图1中X-X线的喷嘴单元的横断面图；
图3示出了展示喷嘴单元效率与喷嘴横截面之比的计算图；以及
图4示出了一种开挖工具的横断面示意图，该开挖工具包括本发明的喷嘴单元。
具体实施方式
图1示出了本发明的喷嘴单元1的透视图。喷嘴单元1有利地由碳化钨基材料制成，例如与用于磨料水射流机械加工领域中的混合管的材料相似的材料。
喷嘴单元1具有入口2，用于将加压载体流体供应给喷嘴单元1。此外，喷嘴单元具有磨粒入口4。磨粒可通过与磨粒入口4连接的供应通道到达磨粒入口。如图1所示，供应通道以角度α环绕着磨粒入口4。角度α优选大于90°并小于180°，在图1所示的优选实施方案中为140°。
下面参见图2，入口2通往第一喷嘴3。在该实施例中，第一喷嘴3的横截面为圆形，其具有最小腰部直径D1，最小腰部直径D1与在最窄流动限制中具有第一横截面流动面积A1的流动开口相对应。喷嘴3可改为非圆形横截面，例如椭圆横截面。
第一喷嘴3向混合室5内排放，该混合室沿其流向的长度为L1，该长度L1是在第一喷嘴3的出射平面7与混合室5的出射平面8之间测量出的，与佛罗里达州的Krieger出版公司出版的、R.D.Blevins所著的1992版本的“应用流体动力学手册”第260页中所给出的定义一样。磨粒入口4也向混合室5内排放。
第一喷嘴3的出射平面7定义为正好处在沿通过喷嘴的流向上看到的流动开口加宽的点处的与流向垂直的平面。同样，混合室的出射平面8定义为正好处在沿通过混合室的流向上看到流动开口处于其最大限制处的点位处的与流向垂直的平面，并且从而与第二喷嘴6的入口平面重合。与第一喷嘴同样的方式限定出第二喷嘴6的出射平面9。
第二喷嘴6在混合室5的下游侧与其相连，最小腰直径D2与在最窄流动限制中的具有第一流动横截面A2的流动开口相对应，入口平面8与出射平面9之间测得的喷嘴长度L2同第一喷嘴，第二喷嘴6可为非圆形横截面，例如为椭圆横截面，但在图2的所选实施方案中，喷嘴6是直径为D2的圆。
第二喷嘴6相对于第一喷嘴3偏心布置。偏心量在图中示为E。在该实施例中，偏心量E等于两个喷嘴直径之差(D2-D1)的一半，从而在磨粒入口4的相对的侧的第一和第二喷嘴内壁相互对齐。
在操作时，加压载体流体通过入口2供应给喷嘴单元1，并从入口2被喷射通过第一喷嘴3进入混合室5内以形成驱动射流。磨粒与携带流体一起由驱动射流携带，包括通过磨粒入口4进入混合室5内。在混合室5中，形成驱动射流、携带流体和磨粒的混合物。之后，混合物被输送通过第二喷嘴6，自第二喷嘴6以磨料射流的形式离开喷嘴单元1。磨料射流可对准待开挖的目标物。
当正确选择A1/A2的比率时，通过混合室的载体流体的速度形成有效的吸力来将磨粒引入混合室内。磨粒最好通过磨粒入口4随同携带流体或携带液体一起送入混合室内。
图3示出了使用体积流量计算基于能量守恒定律的喷嘴单元效率的计算结果示图，体积流量分别为通过第一喷嘴的载体流体的体积流量(Qin)、通过磨粒入口流入混合室的磨粒和流体的携带的总的体积流量(Qent)和离开喷嘴单元的流量Qout，该值Qout为Qin和Qent之和。磨粒的体积流量Qabr为Qent的一部分。被携带的密度是载体流体密度(一般为1.2kg/l)、磨粒的密度(对于钢粒一般为7.4kg/l)、和携带流体中磨料的体积浓度的函数。
水平轴绘出的A1/A2比值表示第一喷嘴开口的横截面积与第二喷嘴开口的横截面积之比，纵轴绘出的喷嘴单元效率是指由主喷嘴产生的射流至磨粒的动能传送百分比。
图中划出了优选区域W。该区域由线31、32、33和34限定，其中的每一条线均被证明是与在钻孔至地质岩层内的井下条件的情况下产生磨料射流相关的某些极限值或约束。
这些线中，线31表示10％的效率，其设定了为了取得保持经济可行作业所需的最小开挖速率的优选下限。
线32表示Qent为Qin的一半的情况下效率与面积比特性。通过油井的钻井流体循环将Qin限制为有限范围值。Qent与Qin相比的相对增加相当于任一效率值面积比更小，但是认为，对井下工具而言，在空间有限的井下环境中通过磨粒入口提供高流速是不切实际的。混合室和钻孔底之间的总流量Qout为Qent和Qin之和，Qent增加导致环形流中流体和颗粒速度相应增加。优选地，保持Qout不高于Qin的150％，从而Qent将不会超出Qin的50％。除此之外，增加Qent的同时也需要增加Qabr，从而至少保持喷嘴单元的效率。否则，来自第一喷嘴所产生的射流的能量被传送至钻井流体而非磨粒。钻井钻具组合须向喷嘴单元供应的固体颗粒越多，则***就越复杂。最好利用尽可能少的携带磨料Qabr来实现高效率。
同理，已经发现Qabr最好保持在至多为Qin的10％。线33表示Qabr保持在Qin的10％的恒定比例的条件下的效率与面积之间的关系曲线。线33a至33d表示Qabr分别等于Qin的8％、6％、4％、和2％时效率与A1/A2之间的关系曲线。
线34示出了总携带体积(液体和磨粒)Qent的60％为磨粒所消耗的情况下效率与面积比之间的关系曲线。填充的颗粒包含空隙，因此携带流体中磨粒的浓度小于100％。最大浓度的代表值为60％，该值为典型钢粒体积密度(4.4kg/1)与颗粒密度(7.4kg/1)之间的比值。线34a至34e分别对应于Qabr＝Qent的50％、40％，30％、20％和10％的情况。可以看出，百分比越小，效率越低。这是由于属于Qin的能量的较高部分将被传送给携带的体积的流体分量，而不是传送给磨粒。
通常第一喷嘴开口的横截面积与第二喷嘴开口的横截面积之比A1/A2应为0.50至1.0，为了得到更高的效率，优选为0.50至0.90。将A1/A2选定为0.50至0.80可获得20％或以上的效率。最为优选地，将面积比A1/A2选为0.50至0.60，这样也最大限度地方便第二喷嘴接收发散射流。
混合室的长度最好是D1的0.80至2.0倍。第二喷嘴的长度L2最好是D2的4至10倍。
在图2所示的优选实施方案中，比值A1/A2为0.56(对应于D1/D2＝0.75)。混合室的长度L1为1.1倍D1。第二喷嘴6的长度L2为7倍D2。
喷嘴最好使用液态的载体流体，尤其是水或钻井泥浆。第一喷嘴3上的压差一般在100和700巴之间。高压射流在离开第一喷嘴3时大约发散8°至9°。对于上面给出的喷嘴单元1的相关尺寸，由第一喷嘴3排入混合室5的高压射流应完全进入第二喷嘴6。特别是，通过在混合室5一侧上设置磨粒入口4，并且另一侧上的第一和第二喷嘴的内壁相互对齐，从而使得从第一喷嘴3至第二喷嘴6的流动最佳化。
图4示出了一种开挖工具的横截面示意图，其包括可为图1和2所示的喷嘴单元的喷嘴单元1以及用于将磨粒从流体磁力分离的分离装置12的组合装置10。除喷嘴单元之外，分离装置12和开挖工具与国际公开号WO 02/34653所公开的一样，其内容在此引入作为参考。
对于此工具而言，磨粒应包括钢粒一类的可磁化材料，或由可磁化材料制成。开挖工具6设有一通过入口2与喷嘴单元1流体连通的纵向钻井流体通道11，用于供应加压载体流体。
分离装置12包括一可旋转地布置于支承套筒15中的磁体13。磁体13产生用于将磨粒保持在支承套筒15上的磁场。磨粒入口4位于支承套筒15的下端。
磁体13具有一中心纵轴18，并可围绕中心纵轴18相对于套筒15旋转。驱动装置19用于驱动轴18。磁体13装有磁场强度较强的螺旋带和磁场强度较低的螺旋带。优选地，磁体13由许多较小的单独磁铁形成，如国际申请PCT/EP2004/051407中所述的一样，目前要求了该申请的优先权，在此引入作为参考。
第二喷嘴6布置于一任选的底部14上方，并相对于开挖工具10的纵向倾斜，与该方向的倾角为15°～30°，不过也可采用其他角度。优选倾角约为21°，该角度对于通过将全部开挖工具10在测定井孔17内绕其纵向轴向转动来研磨侵蚀井孔17的底部是最佳的。
如上所述，在国际申请PCT/EP2004/051407中可以找到对于磨粒循环***和开挖工具的各部分的更详细的资料。
在操作过程中，开挖工具10按如下方式工作。开挖工具10与***钻孔17的钻柱(未示出)下端连接。加压载体流体以通过合适的泵(未示出)、钻柱和流体通道11泵入喷嘴单元1的钻井流体的形式供应。在泵送期间，钻井流体带有少量磨粒。
如上所述，第一喷嘴3设有流动限制部，流动限制部上存在一压降，从而驱动钻井流体加速。
钻井流体通过混合室5流入第二喷嘴6，并且射到井底20上。同时，开挖工具绕其纵轴转动。来自井底20的钻井流体和磨粒回流流过钻孔17与开挖工具之间的环形空间，从而通过支承套筒15。
在泵送钻井流体流的同时，磁铁13绕其轴18转动。磁铁13产生一延伸至支承套筒15并超出其之外的磁场。当回流沿支承套筒15流过时，回流中的磨粒受磁铁13的磁力作用而从回流中分离出来，该磁力将磨粒吸到支承套筒15的外表面上。
现在基本上不含磁的磨料的钻井流体流进一步流过井孔至地面上的泵，并且在钻屑清除之后重新循环通过钻柱。
保持在支承表面15上的磁性磨粒被吸向磁场最强的螺旋带。由于磁铁13的转动，以及高、低磁场强度的螺旋带，磨粒被迫沿支承套筒15成螺旋形向下运动。
当磨粒到达磨粒入口4时，由第一喷嘴3流入混合室5的钻井流体流再次携带磨粒。这样，磨粒再次射到井底20，随后向上流过钻孔17。然后连续不断地重复此循环。
为了加强磨粒沿支承套筒15向下输送，支承套筒15可稍微成锥形，从而其下端的直径小于其上端的直径。在磁铁13的下端可设置一短的锥形节21，从而支承套筒15设有一相应的锥形缩颈管节，其形式使得磨粒入口4在环绕锥形节21的支承表面15与混合室5之间提供流体通道。
锥形缩颈管节最好基于第二喷嘴6的上述倾角的同一角度。
如图4所示的支承套筒15设有一成螺旋形延伸的、自支承套筒15的表面外伸的导板24a与24b，从而引导磨粒在它们的路线上沿支承套筒载体5向下流动。如果导板平行于纵轴竖直布置，则磨粒的向下传送速度变大。优选地，钻井流体通道11可作为导板而设置成在纵向与支承套筒15相接触，从而取代分离导板24a和24b。
再次参见图4，靠近混合室在与磨粒入口4相反的混合室的一侧优选设置一磁性吸引体16。这使得磁力线由磁铁的下端21运行至该磁体。结果，圆柱形磁铁的磁场在混合室5内被牵引。这样使得磁性磨粒可由支承表面15的下端朝磁性吸引体16形成链，从而与由第一喷嘴3排出的射流交叉。这些链中的颗粒因此与通过混合室5的钻井流体流接触，从而加强颗粒在钻井流体中的携带。
合适的磁铁可由任何强磁化材料，包括NdFeB、SmCo和AlNiCo-5或其组合。优选地，磁铁在室温下还具有至少140kJ/m3的磁能含量，例如对于NdFeB基磁铁的情况而言，优选在室温下大于300kJ/m3。
套筒15和钻井流体通道11最好由非磁性物质制成。包括高强度耐腐蚀非磁性的Ni-Cr合金的超级合金，尤其是市场上可购得的名为铬镍铁合金-718的Ni-Cr合金已被认为特别合适。
下表中给出了与开挖工具相关的典型尺寸。
| 部分名称 | 附图标记 | 尺寸 |
| 底部的外径 | 14 | 73mm |
| 磁体的轴向长度 | 13 | 120mm |
| 磁体的外径 | 13 | 29mm |
| 支承表面的下部直径 | 15 | 34mm |
| 支承表面的上部直径 | 15 | 52mm |
磨粒的比重(就钢粒或钢砂颗粒而言：7-8SG)基本上大于钻井流体的标准比重(0,8-2.3SG)。这使得情况得以改善，从而磨料的相对小的体积携带率足以用于相当地传送动能。
Claims (11)
1.用于产生磨料射流的喷嘴单元，该喷嘴单元包括：
-与加压载体流体供应源连接的第一喷嘴，第一喷嘴在其具有最大限制的一段内限定出具有横截面积A1的第一喷嘴开口；
-混合室，第一喷嘴向混合室中排放；
-与混合室连接的第二喷嘴，第二喷嘴在其具有最大限制的一段内限定出具有横截面积A2的第二喷嘴开口；以及
-向混合室中排料的磨粒入口；
其特征在于，所述A1/A2之比大于或等于0.50并小于1，其中，第一喷嘴具有与混合室的内壁对齐的内壁。
2.根据权利要求1所述的喷嘴单元，其特征在于，混合室沿流动方向的长度使得，考虑到要被从第一喷嘴排出的射流的发散，离开混合室的射流的直径小于第二喷嘴开口的直径。
3.根据权利要求1或2所述的喷嘴单元，其特征在于，混合室沿流动方向的长度是第一喷嘴开口的直径的0.8～2.0倍。
4.根据前述权利要求之一所述的喷嘴单元，其特征在于，第二喷嘴沿流动方向的长度为第二喷嘴直径的4～10倍。
5.根据前述权利要求之一所述的喷嘴单元，其特征在于，第二喷嘴相对于第一喷嘴偏心布置。
6.根据权利要求5所述的喷嘴单元，其特征在于，第二喷嘴的偏心偏置量在磨粒入口的方向上具有一分量。
7.根据权利要求5或6所述的喷嘴单元，其特征在于，第一喷嘴的内壁的至少一部分与第二喷嘴的内壁的至少一部分对齐。
8.根据上述权利要求之一所述的喷嘴单元，包括与磨粒入口连接的供应通道，其中，供应通道以小于180°的角度围绕着混合室。
9.根据上述权利要求之一所述的喷嘴单元，包括与磨粒入口连接的供应通道，其中，供应通道中的流动方向与沿主喷嘴的流向的轴线之间的夹角小于60°。
10.一种根据前述权利要求之一所述的喷嘴单元与用于将磁性或可磁化磨粒从流体中分离的分离装置的组合，所述分离装置包括：用于将磨粒沿着分离装置从流体流中吸出来的磁体；至少部分包封磁体的支承表面；以及用于将吸起的磨粒沿支承表面传送至喷嘴单元的磨粒入口的装置。
11.一种在目标物内挖孔的方法，包括如下步骤：
-将包括根据权利要求1～9之一所述的喷嘴单元的磨料射流开挖工具布置到孔内；
-通过向第一喷嘴供应加压载体流体并且将磨粒排入混合室内来产生磨料射流；以及
-以及将磨料射流引入目标物内。
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