[发明专利]流体钻头喷嘴设计

说明书

本发明涉及用于流体钻头的喷嘴和可旋转喷嘴组件的设计，该流体钻头具有在我们较早的国际专利申请PCT/AU02/01550（第WO 03/042491A1号国际公布）中总体上所描述的类型，该国际专利申请的内容以交叉引用的方式被包含于此。

背景技术

在先前公知的流体钻头的形式中，已经普遍地使用被称为“喇叭喷嘴”类型的喷嘴，该“喇叭喷嘴”具有被设计成在钻孔操作中产生用于切割或破碎岩石的强烈的空泡云的渐阔的（diverging）出口部。在本说明书的附图2中示出了这样的装置。

申请人进一步的研究已经表明：虽然由这种类型的喇叭喷嘴产生的空泡云确实很强烈，但是这种空泡云是在远离喷嘴出口的位置产生的。空泡云和喷嘴出口之间的区域是不能有效地切割与喷嘴出口邻近的岩石的“盲区”。因此，由于盲区直接位于流体切割头的前缘处的导向射流（pilot jet）之前，导致布置这种喷嘴以产生平滑和自进式的几何形状是非常困难的，并且由于喇叭喷嘴的物理尺寸，导致流体切割头的有效设计也很困难。在图2中示出的现有技术中那种类型的装置需要被缓慢地送进到钻孔中，以确保被切割的岩石保持远离切割头的前部。如果工具与岩石过于接近，则岩石可能会处于盲区中并且可能会导致“停车”（stall）。

发明内容

因此，本发明提供了一种流体切割头，该流体切割头的类型是在用于在岩石中切割钻孔的可旋转喷嘴组件中具有多个喷嘴，所述喷嘴被布置成被供以高压钻孔流体，以形成被布置成切割邻近的岩石的射流，所述喷嘴包括总体上面向轴向的一个或更多个导向喷嘴以及总体上面向径向的一个或更多个扩孔喷嘴，至少导向喷嘴是以非渐缩式出口部为特征，从而从导向喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。

优选地，扩孔喷嘴也以非渐缩式出口部为特征，从而从扩孔喷嘴产生的射流的截面在紧邻出口部的区域中基本上不变。

优选地，可旋转喷嘴组件的包含导向喷嘴的前部的直径明显小于可旋转喷嘴组件的包含扩孔喷嘴的后部的直径。

优选地，可旋转喷嘴组件的后部以台阶的直径逐渐增大的阶梯形式形成，在每个台阶中具有位于其中的一个扩孔喷嘴，从而从每个扩孔喷嘴产生的射流被定位成靠近邻近的钻孔表面。

附图说明

尽管存在可落在本发明的范围内的任何其他的形式，但现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的一个优选形式，在附图中：

图1是根据本发明的流体钻头的侧视图；

图2是示出了远离喷嘴出口的空泡云的形成的现有技术中的流体钻头的图示；

图3是根据本发明的流体钻头的可旋转喷嘴组件的右手透视图；

图4是根据本发明的流体钻头的可旋转喷嘴组件的左手透视图；

图5是图3和图4中所示的可旋转喷嘴组件的端视图；

图6是图3和图4中所示的可旋转喷嘴组件的侧视图；

图7是穿过根据本发明的流体钻头中所使用的类型的喷嘴的剖视图。

具体实施方式

在本发明的优选形式中，流体钻头8通常具有可旋转喷嘴组件9，并可包含安装在钻头主体11的前端的诸如调整环（gauging ring）10的其他特征。

下面将参照图3至图7描述可旋转喷嘴组件9的更详细的构造，图3至图7展示了如何能够优化喷嘴的设计和布置，以克服在图2中的12处所示出的现有技术中典型类型的流体钻头的问题。

在现有技术中的典型的流体钻头中，可旋转喷嘴组件13设置有导向喷嘴14和扩孔喷嘴15，导向喷嘴14和扩孔喷嘴15通常是具有渐阔的出口部的“喇叭喷嘴”式设计。这种类型的喷嘴产生在16处图解地示出的强烈的空泡云，该空泡云能有效地切割并破碎岩石。通过仔细的实验室测试已经发现：虽然由喷嘴14和15产生的空泡云16确实很强烈，但是这些空泡云远离喷嘴出口（如图2中清楚地示出的），导致在空泡云16和喷嘴出口之间产生“盲区”17。因为该盲区，使得现有技术中具有这种特性的工具需要被缓慢地送进到孔中，以确保被切割的岩石保持远离钻头的前表面18。一旦前表面18过快地前进到岩石面中，那么空泡云16便不再有效，并且射流逆着处于盲区17中的岩石面的方向产生。

本发明通过提供图7中示出的那种类型的喷嘴来克服这种缺陷，在图7中，喷嘴18通常插入到形成在可旋转喷嘴组件20中的孔19中，并通过螺纹啮合21而被固定在适当的位置。

喷嘴通常被形成为位于沉头孔22中，从而喷嘴螺纹23的顶部与沉头孔的底部齐平。