[发明专利]一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法

权利要求书

1.一种双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：包括一级涡流管、二级涡流管、一级高温流体通道、二级高温流体出口、喷射钻头、低温流体出口和壳体；壳体的前部设置一级涡流管，一级涡流管低温流体输出端与二级涡流管的输入端连通，一级涡流管还与一级高温流体通道连通，二级涡流管的输出端设置二级高温流体出口和低温流体出口，一级高温流体通道的输出端与二级高温流体出口连通，二级高温流体出口和低温流体出口分别与喷射钻头连通。

2.根据权利要求1所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述一级涡流管包括一级螺旋杆、一级螺旋流道和一级涡流腔，其中一级涡流管入口设置在筒状结构的壳体前端，一级涡流管入口用来接入压力10MPa-30MPa的超临界可压缩流体；一级涡流管入口的后端设置圆柱状的一级螺旋杆，一级螺旋杆与壳体固定连接，一级螺旋杆的外周内嵌式开设螺旋管状结构的一级螺旋流道，一级螺旋流道后侧与一级涡流腔连通；一级涡流管的一级涡流腔后端与二级螺旋流道输入端连通。

3.根据权利要求2所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述二级涡流管包括二级涡流管入口、二级螺旋杆、二级螺旋流道、二级涡流腔和隔热筒；所述二级涡流管入口与一级涡流腔后端连通，二级涡流管入口的后端设置圆柱状结构的二级螺旋杆，二级螺旋杆的外周内嵌式开设螺旋管状结构的二级螺旋流道，二级螺旋杆外侧端与圆筒状结构的隔热筒前半部内壁侧固定连接，隔热筒选用隔热材料制做，隔热筒前半部筒腔为二级涡流腔；隔热筒外侧壁与圆筒状结构的壳夹壁固定连接，壳夹壁的后端上半部与壳体固定连接。

4.根据权利要求3所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述壳夹壁与壳体之间设置环槽状结构的一级高温流体通道，一级高温流体通道后端下侧连通有连接管，一级高温流体通道的圆直径大于连接管圆直径从而给高温流体加压，隔热筒、壳夹壁的后端下侧开设有“L”状结构的二级高温流体出口，二级高温流体出口的竖向管道与二级涡流腔连通，二级高温流体出口管道转折处与连接管连通。

5.根据权利要求4所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述二级高温流体出口的横向管道与喷射钻头下半部中高温喷射水眼的前部相连通，高温喷射水眼由前部主管向后分成两个以上支管，高温喷射水眼的后端支管口与喷射钻头的后端外侧相通，圆台状结构的喷射钻头前端与壳体后端连接。

6.根据权利要求5所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述二级涡流腔的后端与倒“Z”字型结构的低温流体出口前端连通，低温流体出口的输入端管道直径大于低温流体出口的输出端管道直径从而给低温流体加压；低温流体出口的输出端管道口与喷射钻头上半部中低温喷射水眼的前部相连通，低温喷射水眼由前部主管向后分成两个以上支管，低温喷射水眼的后端支管口与喷射钻头的后端外侧相通。

7.根据权利要求6所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述一级螺旋杆、一级螺旋流道把流体压能转化成2-4股高速旋转射流，一级涡流腔中多股射流形成高速旋转的涡流、随涡流发展分流产生温差100℃-120℃的高低温流体，涡流中心的一级低温流体流入二级涡流管入口，涡流边缘的一级高温流体流入一级高温流体出口；二级螺旋杆、二级螺旋流道再次把一级低温流体压能转化成2-4股高速旋转射流，二级涡流腔中涡流形成、发展并分流产生高低温流体，涡流中心的二级低温流体流入低温流体出口，涡流边缘的二级高温流体汇入二级高温流体出口；二级高温流体出口和低温流体出口分别与喷射钻头上的低温喷射水眼、高温喷射水眼相连，经过涡流管后分流的高低温流体通过喷射钻头射流到岩石上，产生热力耦合破岩作用。

8.根据权利要求7所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述超临界可压缩流体为超临界二氧化碳流体。

9.根据权利要求8所述的双涡流式高温差射流破岩装置，其特征在于：所述双涡流式高温差射流破岩装置实现超临界二氧化碳热力射流破岩的方法，包括一级分流、二级分流、高低温流体输出和高温差破岩；具体步骤为：

(1)一级分流：从所述双涡流式高温差射流破岩装置的一级涡流管入口接入增压后10MPa-30MPa的超临界二氧化碳可压缩流体，可压缩流体经过一级涡流管后产生温差100℃-120℃的高温和低温流体；

(2)二级分流：高温流体通过二级涡流管入口流出，低温流体通过二级涡流管再次产生约80℃-100℃温差的二级低温流体和二级高温流体；

(3)高低温流体输出：二级高温流体与一级涡流管后的一级高温流体汇合、产生升温90℃-110℃的混合高温流体，混合高温流体通过钻头上的高温喷射水眼喷射出，通过高温热破裂和冲击压力的耦合作用射流破岩；经过两级涡流管降温100-120℃的二级低温流体通过钻头上的低温喷射水眼喷射出，通过低温热破裂和冲击压力的耦合作用射流破岩，混合高温流体与二级低温流体的温差为180-220℃；

(4)高温差破岩：喷射钻头以5-20转/分的速度旋转，岩石在高温和低温射流下经历高温与低温循环转换180-220℃的温度变化，岩石在交变温度应力和冲击压力的耦合作用下被破坏。