[实用新型]一种新型涡流喷嘴

说明书

本实用新型涉及一种钻探用，特别是石油钻井中使用的涡流喷嘴。

钻井中的喷嘴通常被用来提高射流的清岩和破岩能力。目前普遍使用的喷嘴主要为流线性喷嘴，它由流线性进口和直柱段出口组成。当流体通过喷嘴喷出后，由于受返回流体的影响而成“枣核”状前进，当到达井底以后，一部分向四周散开，沿着井底横向流动，形成漫流；一部分向着与沿来相反的方向返回。它们主要是依靠射流的冲蚀作用来破岩，依靠井底漫流的横推作用来清岩。但是，由于下述三方面的原因，使得其破岩和清岩的能力较低：①喷嘴出口距井底较远，当射流到达井底后，其射流能量损失较大；②返回流体对后续射流具有较大的阻碍作用；③射流冲蚀破碎主要是与岩石的三项强度指标中的抗压强度有关，而在抗压强度、抗剪强度和抗拉强度中，后两者比前者小得多。通常岩石的抗压强度约为抗剪强度的10倍以上。

为了解决上述问题，人们通常的做法是增大排量和泵压，而这样势必会造成成本的提高和存在发生复杂事故的危险。

本实用新型的目的便是针对上述缺点，提供一种在现有条件下，提高射流破岩速度的装置。

为解决上述任务，本实用新型采用的解决方案是：在喷嘴入口处装有一导向叶轮，而后是加速收缩段，最后是直柱出口段。导向叶轮与直柱入口段为过盈配合，叶轮的叶片数为3～4片，其螺旋升角在40°～50°之间，锥形收缩段的锥角为10°～30°，直柱出口段的长度为喷嘴出口直径的2～3倍。当流体流入喷嘴后，在导向叶轮的作用下产生旋转运动，并在加速段被加速后从直柱出口段喷出，成螺旋状扩散前进。由于该射流的运动方式与普通射流存在着本质的差别，而使得它的破岩和清岩方式也大不一样。当该射流冲击岩石时，旋转射流所具有的切向及径向分力使岩石发生剪切破碎，同时也使得钻头所破碎的岩屑，在切向力及径向力的作用下被迅速排出；另外，又由于该射流旋转前进，使得射流中心成一低压区，并且打击岩面后沿冲击射流法向的反向返回，这样对后续射流的清岩和破岩就不会造成阻碍作用。又因为我们增加了喷嘴的长度，使得射流的沿程损失大大降低，破碎岩石的能量就大大提高。以上方法由于不需对现有的钻头等部件进行改进，所以适施起来简单、成本低，但却能见到显著的效果。室内全尺寸钻进试验表明，在同样的条件下，该喷嘴与普通喷嘴相比，能平均提高机械钻速15％以上。

实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图给出。

图一是本实用新型结构的原理剖面图。

参照图一，该装置包括直柱入口段〔4〕，锥形收缩段〔2〕、直柱出口段〔1〕和一个导向叶轮〔3〕。

当射流从喷嘴直柱入口段〔4〕进入后，在导向叶轮〔3〕的作用下产生旋转运动，然后在锥形收缩段〔2〕被加速，最后从直柱出口段〔1〕喷出，而形成旋转射流。

导向叶轮〔3〕被按装在直柱入口段〔4〕内，它们之间的配合为过盈配合。当锥形收缩段〔2〕的锥角在10°～30°之间，直柱出口段〔1〕的长度为其出口直径的2～3倍时，能有效的减小喷嘴的压力损失；当叶轮的螺旋升角在40°～50°之间时，破岩效果最好。