自进式旋转射流多孔喷嘴的制作方法
【专利摘要】本发明涉及到一种自进式旋转射流多孔喷嘴。包括：喷嘴帽、后端轴、螺钉等。其基本工作原理为：在喷嘴前端面在离开中心一定距离的某圆上均匀分布着多个中心轴在该圆某一切线所在的垂直平面内，且与喷嘴帽轴线呈不同角度分布的多个前向孔眼，孔眼轴线在前端面内的投影为同一圆的切线，所以射流具有很高的切向速度，利于高效破岩；射流扩散，作用范围大，利于形成大孔径孔眼；射流反作用使得喷嘴帽自转，各孔眼沿自己轨道扫描完成破岩，形成孔眼更加规则；喷嘴帽自转，有利于喷嘴自进。后向喷嘴提供自进力，同时可控制喷嘴帽自转。本发明结构简单，可高效破岩，形成大直径规则孔眼。
【专利说明】自进式旋转射流多孔喷嘴
【技术领域】
[0001]本发明涉及到石油开采领域，为钻井新技术超短半径径向水平井技术的核心部件，即一种新型自进式旋转射流多孔喷嘴。本发明可在提供自进力的同时，实现高效破岩，形成较为规则大直径孔眼。
【背景技术】
[0002]超短半径侧钻水平井钻井技术(又称径向水平井钻井技术)是指在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼。该技术是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。利用该技术可使死井复活，大幅度提高油井产量和原油采收率，且能降低钻井成本，是油田老井改造、油藏挖潜和稳产增产的有效手段，尤其适合于薄油层，垂直裂缝、稠油、低渗透等油藏的开发。但是该技术发展缓慢，主要有以下四项问题亟待解决:1)形成一定直径的孔眼；2)具有一定的射流钻进速度；3)能够实现一定的延伸长度；4)钻出形状较为规则的孔眼。
[0003]超短半径径向水平井钻井技术的关键部件包括:斜向器与水力破岩钻头。其中水力破岩钻头是形成水平孔的关键。目前主要有三种不同设计和工作原理的结构形式，即多孔射流喷嘴、单孔旋转射流喷嘴与直旋混合射流喷嘴。三种结构均可通过合理设计实现自进。
[0004]第一种钻头为多孔喷嘴，即改变单孔喷嘴为多孔喷嘴，在前端面中心和离开中心一定距离的圆环上分布有多个喷嘴，各喷嘴都以适当的角度引导射流冲击到钻头前的某一区域的岩石上，岩石受到冲蚀破碎而形成一个较大的水平孔眼。但是，该方法破岩方式为冲击破碎，所以射流能量利用效率较低；且前向喷嘴反冲作用力较大，不利于向前钻进。
[0005]第二种为单孔旋转射流钻头，即在普通喷嘴的内部加入导流元件组成。当高压流体进入喷嘴腔体流经导流元件后，在导流元件的引导下，流体沿一定的轨迹旋转前进，实现在喷嘴不转的条件下，产生具有三维速度的旋转射流。旋转射流因为具有三维速度，所以可以降低破岩门限压力。在离开喷嘴任一射流截面上，都存在着射流密度和能量最大的一个圆环面积，而且在一定范围内离开的距离越大，圆环半径也越大，射流破碎的岩石面积也越大，因而只要压力足够，就可以很快形成一个足够大的井眼。但是，该方法破岩深度较小，并且会在岩石的底部形成锥形凸起，影响破岩效果。
[0006]第三种为直旋混合射流喷嘴，即在普通射流喷嘴的内部加入一个带直孔的加旋叶轮，是通过合理设计将普通直射流与旋转射流有机结合的喷嘴。高压流体经过带直孔的加旋叶轮后进入混合腔，形成低速直旋混合流，再通过喷嘴出口增压作用，形成轴心速度高外围旋转强度大的直旋混合射流。直旋混合射流喷嘴兼具了直射流与旋转射流的优点，可形成较大的孔眼直径和深度。但是，在围压存在的条件下，直旋混合射流射流能量衰减迅速，破岩效果较差；同时由于内部结构复杂，压力损失较大，且存在旋流效应。
[0007]此外，近几年有学者研发了脉冲空化多孔射流喷嘴，即通过改变多孔喷嘴的内部结构，形成一种能够形成脉冲射流和空化射流耦合而形成的脉冲空化多孔射流喷嘴。该种喷嘴可高效的利用射流能量，有效的提高破岩效率，形成较大孔深的水平井眼。但是，在围压存在条件，其射流衰减较快；其形成的孔眼直径较小，且形状不规则；前向射流反冲力较大，不利于向前钻进。
[0008]综合考虑以上射流喷嘴存在的优点与缺点，本发明人根据多年从事岩石破碎方面的实践和喷嘴研发的经验，以剪切破岩为目的，研制出了本发明的新型自进式旋转射流多孔喷嘴。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种新型自进式旋转射流多孔喷嘴，尤其是一种可以克服现有技术存在的缺陷，实现高效自进连续破岩，形成一定孔径规则形状的水平井眼，达到有效开采油气资源的目的。
[0010]为此，本发明设计研制了一种自进式旋转射流喷嘴。喷嘴主要包括:由喷嘴帽、后端轴、螺钉等。其特征是:
[0011]喷嘴帽为有一定壁厚带有前后向孔眼的帽状结构，其前端在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着多个轴线在该圆某条切线所在的垂直平面内与喷嘴帽轴线呈不同角度(α)分布的多个前向孔眼。由于孔眼的轴线在该圆某条切线所在的垂直平面内，则孔眼轴线在喷嘴帽前端面的投影与其所在的圆相切，则高压流体经过喷嘴帽形成的射流具有很高的切向速度，有利于提高破岩效率；且由于每个孔眼与喷嘴帽的轴线夹角不一致，故形成的射流在喷嘴帽前端的任意截面内作用在不同的区域上，其作用区域在径向上存在叠力口，但在喷嘴帽不旋转的情况，各前向孔眼互不干扰，同时喷距越大，作用范围也越大，有利于形成较大孔径；由于切向速度的存在，射流反冲力作用于喷嘴，使喷嘴发生自转，使每个前向孔眼的作用范围沿着一定半径的轨迹扫描，多孔联合作用完成破岩钻孔，同时由于喷嘴帽的自转使得形成的孔眼更加规则；前向喷嘴的反冲力一部分用于喷嘴自转，减少了喷嘴自进的阻力，有利于形成较深的孔眼。在喷嘴帽外侧存在多个与喷嘴帽轴线成一定角度(β)的后向孔眼，后向孔眼主要为喷嘴提供自进力与扩大已形成的孔眼，由于喷嘴帽的自转，扩出的孔眼同样为较规则的形状，此外，可以使后向孔眼与喷嘴帽轴线所在平面成一定角度(Y )，当高压流体经过时，可为喷嘴帽提供一定的扭矩，或增加喷嘴帽自转，或抑制其自转。通过控制前向孔眼的尺寸、方向、前端面轴线所在圆半径以及后向孔眼的尺寸、方向可实现控制在一定条件下喷嘴帽的自转速度。需要说明的是:本发明要求在一定流量的工作条件下，必须严格控制喷嘴帽的自转速度，否则影响破岩效果。喷嘴帽的前端中心有一个不带螺纹的小孔，可通过螺钉与后端轴连接，实现喷嘴帽的定位。喷嘴帽的内腔要比入口处大，为射流形成一定的内部空间；在喷嘴帽的后端存在很小的环状凹槽，与其后部的后端轴配合形成密封。
[0012]后端轴为变直径的空心圆柱体，其前端面上有一个带螺纹的小孔，可与螺钉配合起到定位作用；前端空心圆柱体上有多个大直径孔眼，为高压流体提供通道，其外径大小恰好能够与喷嘴帽配合，伸入喷嘴帽内部，通过螺钉与喷嘴帽组合到一起，为喷嘴帽提供支撑与密封环境；后端轴变直径的端面上存在很小的环状凸起，与喷嘴帽配合形成密封；后端轴后端面存在螺纹，主要与组合体后部元件相连接。
[0013]本发明的自进式旋转射流多孔喷嘴与现有技术相比具备的优点和特点:[0014]本发明提出的自进式旋转射流多孔喷嘴主要通过多个前向孔眼以三维速度独立破岩，然后以轨道扫描的形式联合钻出一定孔径规则孔眼。主要具有以下优点:
[0015]1、结构较为简单。尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性；
[0016]2、前向孔眼与喷嘴轴线夹角不一致，存在一个较大偏角与一个较小偏角的孔眼，其中较大偏角的孔眼具备了旋转射流的特点，而偏角较小的孔眼具备了直射流的特点，两者联合作用可形成较大直径较大孔深的孔眼；
[0017]3、由于具备了旋转射流的特点，则可实现高效破岩，实现一定的钻进速度；
[0018]4、最前端的喷嘴自转，前向孔眼的反冲力一部分用于自转，减小了自进阻力，有利于孔眼延伸；
[0019]5、由于所有的孔眼均在旋转，所以形成的孔眼较为规则。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明工具的范围。
[0021]图1A为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴装配体的三维示意图；
[0022]图1B为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴装配体的俯视及A-A剖面图；
[0023]图2A为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴后端轴的三维示意图；
[0024]图2B为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴后端轴的俯视及A-A剖面图；
[0025]图3A为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴喷嘴帽的三维示意图；
[0026]图3B为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴喷嘴帽的俯视图；
[0027]图3C为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴喷嘴帽俯视图B-B剖面图；
[0028]图3D为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴喷嘴帽俯视图C-C剖面图；
【具体实施方式】
[0029]本发明的自进式旋转射流多孔喷嘴，主要包括:喷嘴帽、后端轴、螺钉等。其特征在于，喷嘴帽前端在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着多个前向孔眼，高压流体经前向孔眼形成的射流具有很高的切向速度，利于破岩；同时射流反冲力使得喷嘴帽自转，各孔眼轨道扫描式联合破岩，有利于成形大直径规则孔眼，也有利于喷嘴自进；喷嘴帽外侧在同一宽度的区域内均匀分布着多个后向孔眼，可为喷嘴提供自进力，也可提供扭矩；后端轴为变直径中空圆柱体，后部大直径部分用于连接流体管道，前部小直径部分与喷嘴帽配合，为喷嘴帽提供支撑，为流体提供通道；后端轴前部直径部分前端面可与螺钉配合，实现喷嘴帽定位，形成一个旋转密封系统。
[0030]图1A与图1B为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴装配体示意图。结构较为简单，仅包括:后端轴I与喷嘴帽2以及螺钉3三个元件，其长度可控制在35mm以下，特别适用于超短半径径向水平井技术。喷嘴后部后端轴I通过螺纹与后部高压软管相连接，又与螺钉3配合将喷嘴帽2严格定位，此处也可采用后端轴I前端不打螺纹孔，而是伸出喷嘴帽2前端一个小直径带螺纹的小直径的轴，在喷嘴帽2的前端通过加扣螺纹帽来实现喷嘴帽2的定位；喷嘴前部喷嘴帽2是主要的功能部件，为具有一定壁厚带有前后向孔眼的帽状结构，其前端面中心有一个不带螺纹的小孔用于喷嘴帽2定位；螺钉3也是重要部件，不仅要承受轴向拉力，同时也承受着喷嘴帽旋转造成的磨损，其材料、加工精度要求较高，但考虑到本发明要求严格控制自转速度，即自转速度不会过快，则可以接受这种设计；整体结构通过迷宫小间隙实现密封，形成一个密封的旋转系统。高压流体由高压软管经后端轴到达喷嘴帽2内腔，一部分流体在喷嘴帽前向孔眼22的引导下形成具有很高切向速度的射流，同时射流反冲力作用于喷嘴帽2，实现喷嘴帽2的自转，此处可以通过控制前后向孔眼22的尺寸与角度使其在一定流量范围内自转速度不致过快，否则破岩效果会大打折扣；同时，另一部分流体经后向孔眼21，形成反向射流，反向射流可以扩大已成形的孔眼，射流的反冲力可驱动喷嘴拖动高压软管连续钻进；此外，可以使后向孔眼21与喷嘴帽2轴线所在平面成一定角度(Y)，当高压流体经过时，可为喷嘴帽2提供一定的扭矩，或增加喷嘴帽2自转，或抑制其自转。通过控制前向孔眼22的尺寸、方向、前端面轴线所在圆半径以及后向孔眼21的尺寸、方向可实现控制在一定条件下喷嘴帽2的自转速度。
[0031]图2A与图2B为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴后端轴的示意图。由图2A可以非常形象的看到喷嘴后端轴I的形状。由图2B可见，后端轴I的结构较为简单，主要为筒体结构的变化，其后端存在螺纹，可与高压软管连接；其前端小直径部分存在多个沿周向均匀分布的孔径稍大的前向孔眼13，与后端轴I中心线夹角Θ大约30度，可为高压流体提供流动通道；其前端小直径部分前端面存在一个带螺纹的小孔15，可与螺钉3配合实现喷嘴帽2的定位，此处也可采用后端轴I前端不打螺纹孔，而是伸出喷嘴帽2前端一个小直径带螺纹的小直径的轴，在喷嘴帽2的前端通过加扣螺纹帽来实现喷嘴帽2的定位；其变直径端面上存在多圈圆环凸起14，与喷嘴帽2相应结构配合实现迷宫式小间隙密封；内部腔体11、12为高压流体的流动空间。
[0032]图3A、图3B、图3C与图3D为本发明专利的自进式旋转射流多孔喷嘴喷嘴帽的示意图。喷嘴帽2的后端面存在密封圆环24，其主要作用为与后端轴I配合实现旋转密封；由图8A与由经过俯视图(图8B)的中心B-B剖面图，可以知喷嘴帽2外侧存在6?8个与喷嘴帽2轴线成一定角度(β = 15°?45° )的后向孔眼21，当高压流体经过时，其反冲力将会是喷嘴帽2受到前向的推力，同时可以扩大已形成的孔眼；也可以使后向孔眼21与喷嘴帽2轴线所在平面成一定角度(Y =0°?30° )，当高压流体经过时，将会为喷嘴帽2提供一定的扭矩，或增加喷嘴帽2自转，或抑制其自转；由经过俯视图(图SB)中离开中心一定距离的圆一条水平切线C-C剖面图，可以看到喷嘴帽2前端存在3?4个在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着中心轴在经过该圆某一切线的垂直平面内，且与喷嘴帽轴线呈不同角度(α =15°?60° )分布的前向孔眼22，这样设计使得所有前向孔眼22的中心轴线在喷嘴帽2前端面的投影为同一个圆的不同切线，因此所有的前向射流均存在切向速度，更容易破碎岩石，有利于高效破岩，同时射流的反作用力使得喷嘴帽2自转，由于喷嘴帽自转，则通过射流作用形成的孔眼更加规则，同时减少了射流反冲力，有利于喷嘴自进，实现连续破岩钻进；通过设计多个前向孔眼22与喷嘴帽2中心轴的角度(α =15°?60° )，使得每个前向孔眼22作用在离射流中心不同半径处的一个小圆域内，不同的孔眼之间的作用区域在径向上存在叠加，通过喷嘴帽2的自转，实现扫描式大面积连续破岩；其中前向喷嘴22前端面所在圆的选择需要综合考虑以下因素:喷嘴帽前端面的壁厚、前向孔眼轴线与喷嘴孔眼轴线夹角(α)、前向孔眼大小、射流作用区域的大小、喷嘴帽端面中心孔尺寸、喷嘴帽前端面打孔后强度、前向射流提供扭矩等因素，建议在允许的情况下尽量大些；喷嘴帽2前端面存在一个不带螺纹中心孔23，主要作用是与螺钉3配合，或与后端轴I配合，实现喷嘴帽轴向定位，同时通过小间隙实现系统整体密封；内部腔体26为高压流体的流动空间。
[0033] 以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的个组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。
【权利要求】
1.本发明的自进式旋转射流多孔喷嘴，主要包括:喷嘴帽、后端轴、螺钉，其特征在于，喷嘴帽前端在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着多个前向孔眼，高压流体经前向孔眼形成的射流具有很高的切向速度，利于破岩；同时射流反冲力使得喷嘴帽自转，各孔眼轨道扫描式联合破岩，有利于成形大直径规则孔眼，也有利于喷嘴自进；喷嘴帽外侧在同一宽度的区域内均匀分布着多个后向孔眼，可为喷嘴提供自进力，也可提供扭矩；后端轴为变直径中空圆柱体，后部大直径部分用于连接流体管道，前部小直径部分与喷嘴帽配合，为喷嘴帽提供支撑，为流体提供通道；后端轴前部直径部分前端面可与螺钉配合，实现喷嘴帽定位，形成一个旋转密封系统。
2.如权利要求1所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，喷嘴帽前端在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着的多个前向孔眼，其轴线在经过该圆某一切线的垂直平面内，且与喷嘴轴线呈一定角度，因此，孔眼轴线在喷嘴帽前端面的投影与该圆相切，则射流出口速度具有很高的切向速度，有利于提高破岩效率；由于切向速度的存在，射流反冲力作用于喷嘴，使喷嘴发生自转，使每个前向孔眼的作用范围沿着一定半径的轨迹扫描，多孔联合作用完成破岩钻孔，同时由于喷嘴帽的自转使得形成的孔眼更加规则；前向喷嘴的反冲力一部分用于喷嘴自转，减少了喷嘴自进的阻力，有利于形成较深的孔眼。
3.如权利要求2所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，喷嘴帽前端在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着的轴线在该圆某一切线的垂直平面内的多个前向孔眼，其轴线在垂直平面内与喷嘴轴线夹角(α)不同，故形成的射流在喷嘴帽前端的任意截面内作用在不同的区域上，其作用区域在径向上存在叠加，但在喷嘴帽不旋转的情况，各前向孔眼互不干扰，同时在一定范围内喷距越大，作用范围也越大，有利于形成较大孔径。
4.如权利要求3所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，喷嘴帽前端在离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着的多个前向孔眼，其中圆的选择需要综合考虑以下因素:喷嘴帽前端面的壁厚、前 向孔眼轴线与喷嘴孔眼轴线夹角U)、前向孔眼大小、射流作用区域的大小、喷嘴帽端面中心孔尺寸、喷嘴帽前端面打孔后强度、所提供扭矩等因素，建议在允许的情况下尽量大些。
5.如权利要求1所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，喷嘴外侧在同一宽度的区域内均匀分布着多个后向孔眼，其轴线与喷嘴轴线呈一定的角度(β)，主要为喷嘴提供自进力与扩大已形成的孔眼，由于喷嘴帽的自转，扩出的孔眼同样为较为规则的形状，此外，可以使后向孔眼与喷嘴帽轴线所在平面成一定角度(Y)，当高压流体经过时，将会为喷嘴帽提供一定的扭矩，或增加喷嘴帽自转，或抑制其自转。
6.如权利要求1所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，后端轴前部小直径部分外径设计恰好能够与喷嘴帽相配合，为喷嘴帽提供支撑；在其上存在沿表面均匀分布的与后端轴轴线呈角度Θ的多个孔眼，为高压流体提供通道。
7.如权利要求6所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，在后端轴变直径端面上存在多圈圆环凸起，相应地在喷嘴帽后端面上存在多圈圆环凹槽，当后端轴与喷嘴帽配合时，实现迷宫式小间隙密封。
8.如权利要求1所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，在喷嘴帽前端面中心存在一个小孔，而在后端轴前端面中心存在一个螺纹小孔，当后端轴与喷嘴帽配合时，可通过螺钉将喷嘴帽定位到后端轴上，同时通过小间隙实现密封，形成一个旋转密封系统。
9.如权利要求1至4任一项所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，在喷嘴帽前端离开中心一定距离的某个圆上均匀分布着3~4个轴线在经过该圆切线的垂直平面内与喷嘴帽轴线呈不同角度(α)分布的多个前向孔眼，夹角在15~60度之间。
10.如权利要求1或5任一项所述自进式旋转射流多孔喷嘴，其特征在于，喷嘴外侧在同一宽度的区域内均匀分布着6~8个后向孔眼，提供自进力，其轴线与喷嘴轴线呈一定的角度(β )，角度在15~45度之间；可以使后向孔眼与喷嘴帽轴线所在平面成一定角度(Y),提供扭矩，角度在0~30度之间。
【文档编号】E21B7/18GK103806836SQ201210451183
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2012年11月13日
【发明者】李根生, 李敬彬, 黄中伟, 宋先知, 牛继磊, 田守嶒, 史怀忠 申请人:中国石油大学(北京)