專利名稱：噴嘴單元以及用于在目標(biāo)物中挖孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生磨料射流的噴嘴單元，該噴嘴單元包括-與加壓載體流體(carrier fluid)源連接的第一噴嘴；-混合室，第一噴嘴向混合室中排放；-與混合室連接的第二噴嘴；以及-通到混合室的磨粒入口。
這種噴嘴單元可用于在目標(biāo)物中挖(excavate)孔。
背景技術(shù)：
上述噴嘴單元在磨料水射流機(jī)械領(lǐng)域是普遍公知的。用于磨料水射流機(jī)械的裝置通常在環(huán)境壓力基本上等于大氣壓的情況下操作。幾乎無(wú)任何固體顆粒的射流在壓力大大高于1千巴的情況下射入混合室內(nèi)。干燥磨料是在大氣壓條件下保持的，并且由于射流泵機(jī)構(gòu)位于混合室內(nèi)，所以磨粒通過(guò)磨粒入口被吸入混合室。
在地質(zhì)巖層的鉆孔領(lǐng)域中，包括一具有射流泵機(jī)構(gòu)的噴嘴單元的磨料水射流裝置可用于鉆孔，例如參見(jiàn)WO02/34653。但是，這種現(xiàn)場(chǎng)條件與常壓磨料射流機(jī)械的現(xiàn)場(chǎng)條件基本上不同，因?yàn)榄h(huán)境壓力大大高出大氣壓，并且每10米深度大約增加1巴。
就常壓磨料水射流機(jī)械系統(tǒng)而言，空氣隨同磨料顆粒一起吸入混合室內(nèi)。進(jìn)入噴嘴單元的這種氣流會(huì)產(chǎn)生可能限制動(dòng)能由射流傳送給磨料的氣穴。因此，基于這種動(dòng)能傳送的噴嘴單元的效率受到氣穴的限制。
氣穴的另一個(gè)重要來(lái)源可能源自射流中及其周圍的紊流?，F(xiàn)場(chǎng)紊流中的壓力波動(dòng)包括低于載體流體的汽壓的壓力，該壓力可能引起汽化作用、形成氣泡和氣穴。
因此要求噴嘴單元能夠在磨粒消耗率盡可能低的的情況下將動(dòng)能盡可能高效率地傳給磨粒，從而噴嘴單元可在地質(zhì)地層的典型鉆孔中可用的有限空間內(nèi)使用。
國(guó)際申請(qǐng)WO-A 91/12930提及了一種在高于環(huán)境壓力的條件使用時(shí)效率降低的慣用噴嘴單元，并且公開(kāi)了一種允許混合室長(zhǎng)度較容易改變的噴嘴單元結(jié)構(gòu)。這種措施針對(duì)大氣壓狀態(tài)下因射流周圍的氣穴屏蔽逐漸減弱而引起的射流發(fā)散增大的情況而調(diào)整噴嘴的設(shè)計(jì)。
美國(guó)專利4,555,872描述了一種與前序部分一致的噴嘴裝置，用于產(chǎn)生在大氣壓條件下具備材料切割能力的磨料液體射流。第一噴嘴具有一青玉孔口板，其具有一錐形孔口，最小的流通口的直徑約為0.5mm(0.020英寸)。由此，在低流速的情況下可得到極高的壓降。第一噴嘴下游的第二噴嘴為一錐狀流動(dòng)形錐體的形式，其最小的流通口的直徑約為1.5mm(0.060英寸)。
業(yè)已證明，上面描述的現(xiàn)有技術(shù)中的噴嘴單元無(wú)一能夠在周圍環(huán)境為高壓的情況下令人滿意地傳送磨料射流，例如，考慮到所實(shí)施的具體周邊條件，在地質(zhì)巖層中鉆孔時(shí)典型地會(huì)遇到這種高壓的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生磨料射流的噴嘴單元，該噴嘴單元包括與加壓載體流體供應(yīng)源連接的第一噴嘴；混合室，第一噴嘴向混合室中排放；與混合室連接的第二噴嘴；以及通入并排料到混合室中的磨粒入口；其中，第一噴嘴開(kāi)口的橫截面積與第二噴嘴開(kāi)口的橫截面積之比大于或等于0.50并小于1就本說(shuō)明書來(lái)說(shuō)，將噴嘴開(kāi)口的橫截面積A定義為噴嘴中具有最大限制的一段的流動(dòng)口的橫截面積，因?yàn)橐欢髁肯碌膲航禂?shù)值主要由噴嘴中最小流動(dòng)口的橫截面確定。將噴嘴開(kāi)口的“直徑”D定為2√(A/π)，就循環(huán)流動(dòng)限制來(lái)說(shuō)，其相當(dāng)于最小腰部的流動(dòng)口的寬度。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，為了能夠?qū)⒋罅康膭?dòng)能由第一噴嘴產(chǎn)生的射流(“驅(qū)動(dòng)射流”)傳給輸送磨粒，則第二噴嘴流動(dòng)口的橫截面積比第一噴嘴大得越多，載體流體流中需攜帶的磨粒便越多。動(dòng)能的這種傳送被認(rèn)為是噴嘴單元的效率。
如果第一和第二噴嘴的橫截面積之比小于0.5，則需要較大量的磨粒來(lái)填充第二噴嘴中的空間，這將帶來(lái)磨粒供應(yīng)的問(wèn)題，在沒(méi)有更多的操作量的井下場(chǎng)合尤為如此。允許攜帶的流體與經(jīng)過(guò)磨粒入口進(jìn)入混合室的磨粒之比更高是可能的。但是，這會(huì)導(dǎo)致效率非人所愿地降低，因?yàn)榕c賦予磨粒的相似量動(dòng)能相比，攜帶流體消耗驅(qū)動(dòng)射流中的動(dòng)能，而這對(duì)于鑿孔并無(wú)效果。因此，第一和第二噴嘴之間的橫截面積之比的容許下限為0.5。
另一方面，為了適應(yīng)除高壓射流之外的至少一些被攜帶的磨料，第二噴嘴的橫截面積應(yīng)始終大于第一噴嘴的面積，即比值小于1。
與WO-A91/12930中描述的噴嘴單元方案不同，為了適應(yīng)載體流體、磨粒和被攜帶的流體的供應(yīng)量和相對(duì)流量，本發(fā)明對(duì)噴嘴單元進(jìn)行了優(yōu)化。
應(yīng)當(dāng)相信，因?yàn)檫@樣，本發(fā)明的噴嘴單元已經(jīng)能夠在環(huán)境壓力大的情況下良好操作，尤其是在環(huán)境壓力大于50巴，或者甚至是大于300巴的情況下。所以，噴嘴單元尤其適于開(kāi)挖深度超過(guò)幾百米以至幾千米的地下巖層的場(chǎng)合。
應(yīng)當(dāng)注意，美國(guó)專利4,555,872的噴嘴裝置中的第一和第二噴嘴橫截面積的所述比例僅為0.11。
所述橫截面積之比優(yōu)選小于0.9，以便確保足量的磨?？稍谳d體流體流中被攜帶。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，混合室沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度使得在考慮了來(lái)自第一噴嘴的射流的發(fā)散因素后，離開(kāi)混合室的射流的直徑小于第二噴嘴開(kāi)口的直徑。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫截面積之比小于0.60時(shí)更容易滿足此優(yōu)選方式。淹沒(méi)射流的發(fā)散度通常為8°-9°(參見(jiàn)“紊動(dòng)射流理論”，G.N.Abramovich著，MIT出版社出版，馬薩諸塞州(1963))。長(zhǎng)度定義為第一噴嘴的排出開(kāi)口和第二噴嘴的進(jìn)入開(kāi)口之間的距離。將進(jìn)入開(kāi)口定義為橫截面最小處的第一點(diǎn)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，混合室的長(zhǎng)度是第一噴嘴開(kāi)口的直徑的0.8～2.0倍。這樣使得磨粒與射流有效混合，同時(shí)保持有限的混合室長(zhǎng)度。此方式的優(yōu)點(diǎn)在于射流可布置成某一角度，這在鉆孔時(shí)是必要的。當(dāng)使用本發(fā)明的噴嘴單元時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴，從而形成具有基本為圓形的橫截面的孔。
考慮到這種用法，第二噴嘴的另一優(yōu)選長(zhǎng)度為第二噴嘴直徑的4～10倍。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，第二噴嘴相對(duì)于第一噴嘴沿流向偏心布置。優(yōu)選地，第二噴嘴的偏心偏置量沿磨粒入口的方向具有一分量。由此，結(jié)構(gòu)上易于保持磨料供應(yīng)開(kāi)口的最小尺寸基本上等于第一噴嘴的直徑，同時(shí)使得第一噴嘴與第二噴嘴的橫截面積之比最大化。
偏心偏置量?jī)?yōu)選大到第一噴嘴壁的部分與第二噴嘴壁的部分對(duì)齊的情況。就圓柱形第一噴嘴和圓柱形第二噴嘴而言，偏心率E則等于兩個(gè)噴嘴直徑之差的一半。
進(jìn)一步優(yōu)選的是，第一噴嘴的內(nèi)壁的至少部分與第二噴嘴的內(nèi)壁的至少部分對(duì)齊。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，噴嘴單元包括一與磨料供應(yīng)入口連接的供應(yīng)通道，其中，供應(yīng)通道以小于180°的角度環(huán)繞著混合室。這樣，當(dāng)設(shè)置偏心副噴嘴構(gòu)造時(shí)便可以有效利用。同時(shí)，供應(yīng)入口應(yīng)足夠?qū)?，從而可在基本上無(wú)阻塞風(fēng)險(xiǎn)的情況下供應(yīng)磨粒。
供應(yīng)通道的流向與主噴嘴中的流向的軸線之間的夾角優(yōu)選盡可能小。這樣，所供應(yīng)的磨粒獲得與主噴嘴所產(chǎn)生的射流平行的盡可能大的分速度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，該角度小于60°，優(yōu)選小于30°。由于機(jī)械限制，該角度通常大于10°。
本發(fā)明還涉及一種根據(jù)本發(fā)明的噴嘴單元與用于將磁性或可磁化磨粒從流體中分離的分離裝置的組合，該分離裝置包括一用于將磨粒沿著分離裝置從流體流中吸起來(lái)的磁體，一至少部分包封磁體的支承表面，以及用于將吸起的磨粒沿支承表面?zhèn)魉椭羾娮靻卧哪チＨ肟诘难b置。
本發(fā)明還涉及一種在一目標(biāo)物內(nèi)挖孔的方法，包括如下步驟-將包括本發(fā)明的噴嘴單元的磨料射流開(kāi)挖工具布置到孔內(nèi)；-通過(guò)向第一噴嘴供應(yīng)加壓載體流體并且將磨粒排入混合室內(nèi)來(lái)產(chǎn)生磨料射流；-以及將磨料射流引入目標(biāo)內(nèi)。
就本說(shuō)明書而言，目標(biāo)物理解為主要包括地層，該地層包括地下地層，還包括用于勘探或開(kāi)采烴類的油井中的水泥、鋼制套管、或封隔器材料。這種目標(biāo)物在正常運(yùn)行時(shí)位于地表下方幾千米深度處，從而環(huán)境壓力會(huì)大于300巴。


本發(fā)明的上述和其他特征將通過(guò)實(shí)施例并參照附圖進(jìn)行描述，其中圖1示出了本發(fā)明的噴嘴單元的一個(gè)實(shí)施方式的透視圖；圖2示出了沿圖1中X-X線的噴嘴單元的橫斷面圖；圖3示出了展示噴嘴單元效率與噴嘴橫截面之比的計(jì)算圖；以及圖4示出了一種開(kāi)挖工具的橫斷面示意圖，該開(kāi)挖工具包括本發(fā)明的噴嘴單元。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了本發(fā)明的噴嘴單元1的透視圖。噴嘴單元1有利地由碳化鎢基材料制成，例如與用于磨料水射流機(jī)械加工領(lǐng)域中的混合管的材料相似的材料。
噴嘴單元1具有入口2，用于將加壓載體流體供應(yīng)給噴嘴單元1。此外，噴嘴單元具有磨粒入口4。磨?？赏ㄟ^(guò)與磨料供應(yīng)入口4連接的供應(yīng)通道到達(dá)磨粒入口。如圖1所示，供應(yīng)通道以角度α環(huán)繞著磨料供應(yīng)入口4。角度α優(yōu)選大于90°并小于180°，在圖1所示的優(yōu)選實(shí)施方案中為140°。
下面參見(jiàn)圖2，入口2通往第一噴嘴3。在該實(shí)施例中，第一噴嘴3的橫截面為圓形，其具有最小腰部直徑D1，最小腰部直徑D1與在最窄流動(dòng)限制中具有第一橫截面流動(dòng)面積A1的流動(dòng)開(kāi)口相對(duì)應(yīng)。噴嘴3可改為非圓形橫截面，例如橢圓橫截面。
第一噴嘴3向混合室5內(nèi)排放，該混合室沿其流向的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，該長(zhǎng)度L1是在第一噴嘴3的出射平面7與混合室5的出射平面8之間測(cè)量出的，與佛羅里達(dá)州的Krieger出版公司出版的、R.D.Blevins所著的1992版本的“應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)手冊(cè)”第260頁(yè)中所給出的定義一樣。磨粒入口4也向混合室5內(nèi)排放。
第一噴嘴3的出射平面7定義為正好處在沿通過(guò)噴嘴的流向上看到的流動(dòng)開(kāi)口加寬的點(diǎn)處的與流向垂直的平面。同樣，混合室的出射平面8定義為正好處在沿通過(guò)混合室的流向上看到流動(dòng)開(kāi)口處于其最大限制處的點(diǎn)位處的與流向垂直的平面，并且從而與第二噴嘴6的入口平面重合。與第一噴嘴同樣的方式限定出第二噴嘴6的出射平面9。
第二噴嘴6在混合室5的下游側(cè)與其相連，最小腰直徑D2與在最窄流動(dòng)限制中的具有第一流動(dòng)橫截面A2的流動(dòng)開(kāi)口相對(duì)應(yīng)，入口平面8與出射平面9之間測(cè)得的噴嘴長(zhǎng)度L2同第一噴嘴，第二噴嘴6可為非圓形橫截面，例如為橢圓橫截面，但在圖2的所選實(shí)施方案中，噴嘴6是直徑為D2的圓。
第二噴嘴6相對(duì)于第一噴嘴3偏心布置。偏心量在圖中示為E。在該實(shí)施例中，偏心量E等于兩個(gè)噴嘴直徑之差(D2-D1)的一半，從而在磨粒入口4的相對(duì)的側(cè)的第一和第二噴嘴內(nèi)壁相互對(duì)齊。
在操作時(shí)，加壓載體流體通過(guò)入口2供應(yīng)給噴嘴單元1，并從入口2被噴射通過(guò)第一噴嘴3進(jìn)入混合室5內(nèi)以形成驅(qū)動(dòng)射流。磨粒與攜帶流體一起由驅(qū)動(dòng)射流攜帶，包括通過(guò)磨粒入口4進(jìn)入混合室5內(nèi)。在混合室5中，形成驅(qū)動(dòng)射流、攜帶流體和磨粒的混合物。之后，混合物被輸送通過(guò)第二噴嘴6，自第二噴嘴6以磨料射流的形式離開(kāi)噴嘴單元1。磨料射流可對(duì)準(zhǔn)待開(kāi)挖的目標(biāo)物。
當(dāng)正確選擇A1/A2的比率時(shí)，通過(guò)混合室的載體流體的速度形成有效的吸力來(lái)將磨粒引入混合室內(nèi)。磨粒最好通過(guò)磨粒入口4隨同攜帶流體或攜帶液體一起送入混合室內(nèi)。
圖3示出了使用體積流量計(jì)算基于能量守恒定律的噴嘴單元效率的計(jì)算結(jié)果示圖，體積流量分別為通過(guò)第一噴嘴的載體流體的體積流量(Qin)、通過(guò)磨粒入口流入混合室的磨粒和流體的攜帶的總的體積流量(Qent)和離開(kāi)噴嘴單元的流量Qout，該值Qout為Qin和Qent之和。磨粒的體積流量Qabr為Qent的一部分。被攜帶的密度是載體流體密度(一般為1.2kg/l)、磨粒的密度(對(duì)于鋼粒一般為7.4kg/l)、和攜帶流體中磨料的體積濃度的函數(shù)。
水平軸繪出的A1/A2比值表示第一噴嘴開(kāi)口的橫截面積與第二噴嘴開(kāi)口的橫截面積之比，縱軸繪出的噴嘴單元效率是指由主噴嘴產(chǎn)生的射流至磨粒的動(dòng)能傳送百分比。
圖中劃出了優(yōu)選區(qū)域W。該區(qū)域由線31、32、33和34限定，其中的每一條線均被證明是與在鉆孔至地質(zhì)巖層內(nèi)的井下條件的情況下產(chǎn)生磨料射流相關(guān)的某些極限值或約束。
這些線中，線31表示10％的效率，其設(shè)定了為了取得保持經(jīng)濟(jì)可行作業(yè)所需的最小開(kāi)挖速率的優(yōu)選下限。
線32表示Qent為Qin的一半的情況下效率與面積比特性。通過(guò)油井的鉆井流體循環(huán)將Qin限制為有限范圍值。Qent與Qin相比的相對(duì)增加相當(dāng)于任一效率值面積比更小，但是認(rèn)為，對(duì)井下工具而言，在空間有限的井下環(huán)境中通過(guò)磨粒入口提供高流速是不切實(shí)際的?；旌鲜液豌@孔底之間的總流量Qout為Qent和Qin之和，Qent增加導(dǎo)致環(huán)形流中流體和顆粒速度相應(yīng)增加。優(yōu)選地，保持Qout不高于Qin的150％，從而Qent將不會(huì)超出Qin的50％。除此之外，增加Qent的同時(shí)也需要增加Qabr，從而至少保持噴嘴單元的效率。否則，來(lái)自第一噴嘴所產(chǎn)生的射流的能量被傳送至鉆井流體而非磨粒。鉆井鉆具組合須向噴嘴單元供應(yīng)的固體顆粒越多，則系統(tǒng)就越復(fù)雜。最好利用盡可能少的攜帶磨料Qabr來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率。
同理，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Qabr最好保持在至多為Qin的10％。線33表示Qabr保持在Qin的10％的恒定比例的條件下的效率與面積之間的關(guān)系曲線。線33a至33d表示Qabr分別等于Qin的8％、6％、4％、和2％時(shí)效率與A1/A2之間的關(guān)系曲線。
線34示出了總攜帶體積(液體和磨粒)Qent的60％為磨粒所消耗的情況下效率與面積比之間的關(guān)系曲線。填充的顆粒包含空隙，因此攜帶流體中磨粒的濃度小于100％。最大濃度的代表值為60％，該值為典型鋼粒體積密度(4.4kg/l)與顆粒密度(7.4kg/l)之間的比值。線34a至34e分別對(duì)應(yīng)于Qabr＝Qent的50％、40％，30％、20％和10％的情況?？梢钥闯?，百分比越小，效率越低。這是由于屬于Qin的能量的較高部分將被傳送給攜帶的體積的流體分量，而不是傳送給磨粒。
通常第一噴嘴開(kāi)口的橫截面積與第二噴嘴開(kāi)口的橫截面積之比A1/A2應(yīng)為0.50至1.0，為了得到更高的效率，優(yōu)選為0.50至0.90。將A1/A2選定為0.50至0.80可獲得20％或以上的效率。最為優(yōu)選地，將面積比A1/A2選為0.50至0.60，這樣也最大限度地方便第二噴嘴接收發(fā)散射流。
混合室的長(zhǎng)度最好是D1的0.80至2.0倍。第二噴嘴的長(zhǎng)度L2最好是D2的4至10倍。
在圖2所示的優(yōu)選實(shí)施方案中，比值A(chǔ)1/A2為0.56(對(duì)應(yīng)于D1/D2＝0.75)。混合室的長(zhǎng)度L1為1.1倍D1。第二噴嘴6的長(zhǎng)度L2為7倍D2。
噴嘴最好使用液態(tài)的載體流體，尤其是水或鉆井泥漿。第一噴嘴3上的壓差一般在100和700巴之間。高壓射流在離開(kāi)第一噴嘴3時(shí)大約發(fā)散8°至9°。對(duì)于上面給出的噴嘴單元1的相關(guān)尺寸，由第一噴嘴3排入混合室5的高壓射流應(yīng)完全進(jìn)入第二噴嘴6。特別是，通過(guò)在混合室5一側(cè)上設(shè)置磨粒入口4，并且另一側(cè)上的第一和第二噴嘴的內(nèi)壁相互對(duì)齊，從而使得從第一噴嘴3至第二噴嘴6的流動(dòng)最佳化。
圖4示出了一種開(kāi)挖工具的橫截面示意圖，其包括可為圖1和2所示的噴嘴單元的噴嘴單元1以及用于將磨粒從流體磁力分離的分離裝置12的組合裝置10。除噴嘴單元之外，分離裝置12和開(kāi)挖工具與國(guó)際公開(kāi)號(hào)WO 02/34653所公開(kāi)的一樣，其內(nèi)容在此引入作為參考。
對(duì)于此工具而言，磨粒應(yīng)包括鋼粒一類的可磁化材料，或由可磁化材料制成。開(kāi)挖工具6設(shè)有一通過(guò)入口2與噴嘴單元1流體連通的縱向鉆井流體通道11，用于供應(yīng)加壓載體流體。
分離裝置12包括一可旋轉(zhuǎn)地布置于支承套筒15中的磁體13。磁體13產(chǎn)生用于將磨粒保持在支承套筒15上的磁場(chǎng)。磨粒入口4位于支承套筒15的下端。
磁體13具有一中心縱軸18，并可圍繞中心縱軸18相對(duì)于套筒15旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)裝置19用于驅(qū)動(dòng)軸18。磁體13裝有磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的螺旋帶和磁場(chǎng)強(qiáng)度較低的螺旋帶。優(yōu)選地，磁體13由許多較小的單獨(dú)磁鐵形成，如國(guó)際申請(qǐng)PCT/EP2004/051407中所述的一樣，目前要求了該申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，在此引入作為參考。
第二噴嘴6布置于一任選的底部14上方，并相對(duì)于開(kāi)挖工具10的縱向傾斜，與該方向的傾角為15°～30°，不過(guò)也可采用其他角度。優(yōu)選傾角約為21°，該角度對(duì)于通過(guò)將全部開(kāi)挖工具10在測(cè)定井孔17內(nèi)繞其縱向軸向轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)研磨侵蝕井孔17的底部是最佳的。
如上所述，在國(guó)際申請(qǐng)PCT/EP2004/051407中可以找到對(duì)于磨粒循環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)挖工具的各部分的更詳細(xì)的資料。
在操作過(guò)程中，開(kāi)挖工具10按如下方式工作。開(kāi)挖工具10與插入鉆孔17的鉆柱(未示出)下端連接。加壓載體流體以通過(guò)合適的泵(未示出)、鉆柱和流體通道11泵入噴嘴單元1的鉆井流體的形式供應(yīng)。在泵送期間，鉆井流體帶有少量磨粒。
如上所述，第一噴嘴3設(shè)有流動(dòng)限制部，流動(dòng)限制部上存在一壓降，從而驅(qū)動(dòng)鉆井流體加速。
鉆井流體通過(guò)混合室5流入第二噴嘴6，并且射到井底20上。同時(shí)，開(kāi)挖工具繞其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)。來(lái)自井底20的鉆井流體和磨?；亓髁鬟^(guò)鉆孔17與開(kāi)挖工具之間的環(huán)形空間，從而通過(guò)支承套筒15。
在泵送鉆井流體流的同時(shí)，磁鐵13繞其軸18轉(zhuǎn)動(dòng)。磁鐵13產(chǎn)生一延伸至支承套筒15并超出其之外的磁場(chǎng)。當(dāng)回流沿支承套筒15流過(guò)時(shí)，回流中的磨粒受磁鐵13的磁力作用而從回流中分離出來(lái)，該磁力將磨粒吸到支承套筒15的外表面上。
現(xiàn)在基本上不含磁的磨料的鉆井流體流進(jìn)一步流過(guò)井孔至地面上的泵，并且在鉆屑清除之后重新循環(huán)通過(guò)鉆柱。
保持在支承表面15上的磁性磨粒被吸向磁場(chǎng)最強(qiáng)的螺旋帶。由于磁鐵13的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及高、低磁場(chǎng)強(qiáng)度的螺旋帶，磨粒被迫沿支承套筒15成螺旋形向下運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)磨粒到達(dá)磨粒入口4時(shí)，由第一噴嘴3流入混合室5的鉆井流體流再次攜帶磨粒。這樣，磨粒再次射到井底20，隨后向上流過(guò)鉆孔17。然后連續(xù)不斷地重復(fù)此循環(huán)。
為了加強(qiáng)磨粒沿支承套筒15向下輸送，支承套筒15可稍微成錐形，從而其下端的直徑小于其上端的直徑。在磁鐵13的下端可設(shè)置一短的錐形節(jié)21，從而支承套筒15設(shè)有一相應(yīng)的錐形縮頸管節(jié)，其形式使得磨粒入口4在環(huán)繞錐形節(jié)21的支承表面15與混合室5之間提供流體通道。
錐形縮頸管節(jié)最好基于第二噴嘴6的上述傾角的同一角度。
如圖4所示的支承套筒15設(shè)有一成螺旋形延伸的、自支承套筒15的表面外伸的導(dǎo)板24a與24b，從而引導(dǎo)磨粒在它們的路線上沿支承套筒載體5向下流動(dòng)。如果導(dǎo)板平行于縱軸豎直布置，則磨粒的向下傳送速度變大。優(yōu)選地，鉆井流體通道11可作為導(dǎo)板而設(shè)置成在縱向與支承套筒15相接觸，從而取代分離導(dǎo)板24a和24b。
再次參見(jiàn)圖4，靠近混合室在與磨粒入口4相反的混合室的一側(cè)優(yōu)選設(shè)置一磁性吸引體16。這使得磁力線由磁鐵的下端21運(yùn)行至該磁體。結(jié)果，圓柱形磁鐵的磁場(chǎng)在混合室5內(nèi)被牽引。這樣使得磁性磨?？捎芍С斜砻?5的下端朝磁性吸引體16形成鏈，從而與由第一噴嘴3排出的射流交叉。這些鏈中的顆粒因此與通過(guò)混合室5的鉆井流體流接觸，從而加強(qiáng)顆粒在鉆井流體中的攜帶。
合適的磁鐵可由任何強(qiáng)磁化材料，包括NdFeB、SmCo和AlNiCo-5或其組合。優(yōu)選地，磁鐵在室溫下還具有至少140kJ/m3的磁能含量，例如對(duì)于NdFeB基磁鐵的情況而言，優(yōu)選在室溫下大于300kJ/m3。
套筒15和鉆井流體通道11最好由非磁性物質(zhì)制成。包括高強(qiáng)度耐腐蝕非磁性的Ni-Cr合金的超級(jí)合金，尤其是市場(chǎng)上可購(gòu)得的名為鉻鎳鐵合金-718的Ni-Cr合金已被認(rèn)為特別合適。
下表中給出了與開(kāi)挖工具相關(guān)的典型尺寸。

磨粒的比重(就鋼?；蜾撋邦w粒而言7-8SG)基本上大于鉆井流體的標(biāo)準(zhǔn)比重(0,8-2.3SG)。這使得情況得以改善，從而磨料的相對(duì)小的體積攜帶率足以用于相當(dāng)?shù)貍魉蛣?dòng)能。
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生磨料射流的噴嘴單元，該噴嘴單元包括-與加壓載體流體供應(yīng)源連接的第一噴嘴，第一噴嘴在其具有最大限制的一段內(nèi)限定出具有橫截面積A1的第一噴嘴開(kāi)口；-混合室，第一噴嘴向混合室中排放；-與混合室連接的第二噴嘴，第二噴嘴在其具有最大限制的一段內(nèi)限定出具有橫截面積A2的第二噴嘴開(kāi)口；以及-向混合室中排料的磨粒入口；其特征在于，所述A1/A2之比大于或等于0.50并小于1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴單元，其特征在于，混合室沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度使得，考慮到要被從第一噴嘴排出的射流的發(fā)散，離開(kāi)混合室的射流的直徑小于第二噴嘴開(kāi)口的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴嘴單元，其特征在于，混合室沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度是第一噴嘴開(kāi)口的直徑的0.8～2.0倍。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的噴嘴單元，其特征在于，第二噴嘴沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度為第二噴嘴直徑的4～10倍。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的噴嘴單元，其特征在于，第二噴嘴相對(duì)于第一噴嘴偏心布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴嘴單元，其特征在于，第二噴嘴的偏心偏置量在磨粒入口的方向上具有一分量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的噴嘴單元，其特征在于，第一噴嘴的內(nèi)壁的至少一部分與第二噴嘴的內(nèi)壁的至少一部分對(duì)齊。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的噴嘴單元，包括與磨料供應(yīng)入口連接的供應(yīng)通道，其中，供應(yīng)通道以小于180°的角度圍繞著混合室。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的噴嘴單元，包括一與磨料供應(yīng)入口連接的供應(yīng)通道，其特征在于，供應(yīng)通道中的流動(dòng)方向與沿主噴嘴的流向的軸線之間的夾角小于60°。
10.一種根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的噴嘴單元與用于將磁性或可磁化磨粒從流體中分離的分離裝置的組合，所述分離裝置包括用于將磨粒沿著分離裝置從流體流中吸出來(lái)的磁體，至少部分包封磁體的支承表面，以及用于將吸起的磨粒沿支承表面?zhèn)魉椭羾娮靻卧哪チＨ肟诘难b置。
11.一種在一目標(biāo)物內(nèi)挖孔的方法，包括如下步驟-將包括根據(jù)權(quán)利要求1～9之一所述的噴嘴單元的磨料射流開(kāi)挖工具布置到孔內(nèi)；-通過(guò)向第一噴嘴供應(yīng)加壓載體流體并且將磨粒排入混合室內(nèi)來(lái)產(chǎn)生磨料射流；以及-以及將磨料射流引入目標(biāo)物內(nèi)。
全文摘要
用于產(chǎn)生磨料射流的噴嘴單元(1)，該噴嘴單元(1)包括一加壓載液供應(yīng)源(2)連接的第一噴嘴(3)；一第一噴嘴(3)排入其內(nèi)的混合室(5)；一與混合室(5)連接的第二噴嘴(6)；以及一在混合室(5)內(nèi)排料的磨粒入口(4)；其中，第一噴嘴開(kāi)口的橫截面積(A
文檔編號(hào)B24C5/04GK1871408SQ200480030964
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
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