专利名称：高压旋转射流破岩钻孔方法
技术领域：
本发明涉及一种岩石破碎钻孔方法，特别是用高压旋转射流破岩钻孔。
背景技术：
随着科学技术的不断进步，国内外科学工作者对岩石破碎钻孔技术进行了广泛而深入的研究，结果表明，高压水射流破岩技术最具潜力。通过对高压水射流破岩钻孔方法的研究和分析，不难发现制约其实际应用的问题主要有二一是破岩效率较低，能量消耗过大。这一方面主要是垂直射流靠冲击压力破碎岩石的方式所决定的。另一方面，能耗过大的原因除了破岩方式的影响外，主要是由于射流返回流的“阻挡”，使得射流达到岩石之前就消耗掉了大量的能量。其二即是钻孔直径太小，难以形成连续规则的孔眼。普通的水射流以水力能量集中作用在一个很小的面积上，以较高的动压力冲击破碎岩石，如果冲击面积增大，则单位面积上的动压力和冲击力势必减少，以致于使破岩效率降低，甚至不能破岩，否则就需要增大总水力功率，这往往又受到实际机泵条件的限制。
为了钻出大直径的连续孔眼，以便使后续的喷嘴及高压管能够顺利地进入其中，前人研制出了两种射流喷嘴。一种是多孔喷嘴，即在喷嘴冠部不同半径的圆周上以不同的角度布置许多小喷孔，依靠这些小喷孔喷射出的射流来覆盖进而破碎整个喷嘴前的岩石而钻出大孔眼。这种方法对于强度比较低、质地比较疏松的岩石，而且要求钻出的孔眼较小时还可使用，但对于比较致密、强度又较大的岩石，靠这种方法很难钻出符合要求的孔眼，而且破岩钻孔的效率较低。另一种方法就是采用偏置多喷嘴旋转系统来完成破岩钻孔的任务，但由于偏置多喷嘴旋转系统的转动部件，在高压液体作用下的密封寿命短，同时旋转速度难以控制，因此并没有很高的实用价值。
技术内容本发明的目的是要提供一种用高压旋转射流进行破岩钻孔的方法。
本发明的目的是这样实现的，用特殊设计的旋转射流喷嘴，在喷嘴体本身不旋转的情况下产生高压旋转射流，从而高效破碎岩石并钻出大的孔眼。旋转射流喷嘴可用内加导向叶片的旋转射流喷嘴，也可用内壁加工有螺旋槽的旋转射流喷嘴。
由于旋转射流具有三维速度、有较强的扩散性，可以利用较小直径的喷嘴、较低的泵排量破碎出大于其喷嘴直径数倍到数十倍的孔眼，尤其是旋转射流主要依靠剪切作用来进行破岩，因此高压旋转射流的每一磨料颗粒以及流体质点都具有三维速度，它们冲击到岩石上时，对岩石颗粒不仅作用一个正向冲击压力，还施加了一个径向“拉”力和一个周向“剪”力。这比普通射流单纯对岩石作用正向冲击压力的情况对破岩有利得多。
图1是内加导向叶片的旋转射流喷嘴的结构示意图。
图2是内壁加工有螺旋槽的旋转射流喷嘴的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例来详细描述本发明。
实施例1是用内加导向叶片的旋转射流喷嘴产生旋转射流进行破岩钻孔。旋转射流喷嘴由导向叶片1、锥形加速段2、喷孔3所组成。当高压流体流经导向叶片1时，在导向叶片的强制作用下，顺叶片流道产生旋转流动，经过锥形加速段加速，从喷孔高速喷射而出形成射流。
实施例2是用内壁加工有螺旋槽的旋转射流喷嘴产生旋转射流进行破岩钻孔。旋转射流喷嘴由螺旋槽4、喷孔3所组成。当高压流体流经螺旋槽时，顺螺旋槽产生旋转流动，边旋转边加速，直接从喷孔高速喷射而出形成旋转射流。
由于射流形成以后没有喷嘴的固壁限制，而射流的每一质点又具有三维速度，在离心力的作用下必然要向外扩散，从而形成喇叭状外扩散的旋转射流。这种射流不仅破碎岩石所需压力低、效率高，而且可以钻出一个比喷嘴本身直径大几倍到几十倍的规则孔眼，如果加入磨料，还可在金属或高强度的非金属上钻孔。
众所周知，岩石是一种典型的各向异性材料，在不同的受力条件下，表现出不同的力学性质，其抗压强度最大，靠使射流产生的正向冲击应力超过其抗压强度而使其破碎往往是非常困难的，前人的大量研究已证实了这一点。但是相对而言，岩石的抗拉强度和抗剪强度都很低，一般岩石的抗剪强度仅为其抗压强度的1/8～1/15，而抗拉强度只有其抗压强度的1/10～1/50。因此旋转射流对岩石施加的径向“拉”力和周向“剪”力，加上正向冲击产生的破碎力，便可较容易地达到或超过岩石的相应强度，从而使岩石产生拉伸和剪切为主的破坏，大幅度提高了破碎效率，降低了破岩的门限压力。
由于旋转射流具有三维速度，其结构形状为中空的喇叭状，因此就决定了旋转射流破岩形成的井底形状为内凸锥状。内凸锥状的破碎坑同时形成了内锥面和孔壁两个很大的自由表面，由于自由表面上的岩石破碎比能要下降50％～75％，所以使后续的破岩更容易。旋转射流的旋流和扩散特性不仅使射流沿形成的凸锥体旋切而下，而且会使冲击到孔底的射流沿一定的外倾方向旋转返回，避开了与后继射流的混掺，基本上不会形成对射流的阻挡，这一方面节省了射流能量的消耗，提高了射流能量的有效利用率；另一方面，向外旋转返回的返回流动，尤其是携带有岩屑颗粒的返回流，对已形成的破碎坑的孔底和孔壁进行旋削、冲蚀和整形，整个孔底内的流动就像一个圆形盘刀沿孔底滚动碾磨一样发挥破岩作用，本发明定义其为“水碾”作用。这种“水碾”作用一方面使井底得以加深，另一方面使内锥体表面和孔眼壁面的自由表面上的岩石颗粒很容易被冲蚀掉，进而扩大了孔眼尺寸，规则了孔眼形状，增加了孔眼深度。尤其随着射流压力的升高，射流的流速和流量及水力功率的大幅度提高，不仅直接增加了射流本身对岩石的冲击、冲蚀和拉伸、剪切破坏能力，而且增大了射流的卷吸能力，使参与射流和返回流的流量大大增加，更进一步强化了“水碾”作用的效果，这也正是旋转射流随压力的升高，其破岩效率更高的本质。
旋转射流在中心和边沿上形成的“蓝金涡”将会导致空化气泡的产生。这种由于液体质点的旋转运动而导致压力降低所形成的以涡旋型为主的空化，其强度较高，生命周期较长，空泡的爆破压力较高。当这些气泡冲击到岩石上爆炸时，产生瞬时高压，可高于射流压力1～2个数量级，对岩石进行破坏，从而又强化了破岩效果。
通过对旋转射流结构特性的研究和对破岩实验结果的综合分析，可以看出旋转射流破岩的机理和过程，是多因素有机配合的复杂过程。既有射流冲击引起的弹性拉伸破坏的成份，又有对岩石颗粒冲蚀的作用，以及“水楔”作用对岩石中裂纹的扩展等一般水射流破岩的特点，更有其独特的以剪切破坏为主的强度破坏特点，即先产生外围环状破碎带，形成内、外两个较大的自由表面，继而使自由面上的岩石颗粒受到剪切和冲蚀而很容易脱离岩石母体，并加之有空化射流破岩等特点。另一方面旋转射流的旋转前进和旋转外向返回的流动特性，不仅减少了返回流对射流的阻力损失，还强化了对自由表面上岩石颗粒的剪切和冲蚀作用，进一步揭示了破岩效率，并使钻出的孔眼更圆、更规则，形成了其破岩钻孔的特色。
根据破岩钻孔的目的和岩性不同，这种旋转射流的介质可以不同。若岩石强度不高，不易坍塌时，可用清水或泥浆，若易坍塌或易水化时可用油等有机溶剂；若岩石强度很高时，可在这些液体介质中加入固相颗粒，即“磨料”，形成磨料旋转射流，从而具有更强的破岩钻孔能力和更高的破岩效率。
这种高压旋转射流不仅可用于煤炭及石油行业的岩石破碎钻孔中，而且可以应用于交通、航天、建筑、冶金以及核工业等其他部门的清洗、切割、钻孔等方面，具有广阔的发展潜力。
权利要求
1.一种用高压旋转射流进行破岩钻孔的方法，其特征是采用旋转射流喷嘴来产生旋转射流进行破岩钻孔，而喷嘴体本身不旋转。
2.依据权利要求1所述的用高压旋转射流进行破岩钻孔的方法，其特征是所说的旋转射流喷嘴是内加导向叶轮的喷嘴或内壁加工有螺旋槽的喷嘴。
3.依据权利要求1所述的用高压旋转射流进行破岩钻孔的方法，其特征是当岩石强度很高时，可在液体介质中加入固相颗粒，即“磨料”，形成磨料旋转射流。
全文摘要
本发明提供了一种用高压旋转射流进行破岩钻孔的方法，它是用特殊设计的旋转射流喷嘴所产生的旋转射流来进行破岩钻孔。高压旋转射流喷嘴是内加导向叶轮的喷嘴或内壁加工有螺旋槽的喷嘴。旋转射流具有三维速度，有较强的扩散性，其结构形状为中空的喇叭状，可以利用较小直径的喷嘴、较低的泵排量来破碎出大于其喷嘴直径数倍到数十倍的孔眼。这种高压旋转射流不仅可用于煤炭及石油行业的岩石破碎钻孔中，而且可以应用于交通、航天、建筑、冶金以及核工业等其他部门的清洗、切割、钻孔等方面，具有广阔的发展潜力。
文档编号E21B7/18GK1405429SQ02135750
公开日2003年3月26日 申请日期2002年10月30日 优先权日2002年10月30日
发明者王瑞和, 沈忠厚, 周卫东, 步玉环 申请人:石油大学(华东)