喷嘴单元以及用于在目标物中挖孔的方法技术

用于产生磨料射流的喷嘴单元（１），该喷嘴单元（１）包括：一加压载液供应源（２）连接的第一喷嘴（３）；一第一喷嘴（３）排入其内的混合室（５）；一与混合室（５）连接的第二喷嘴（６）；以及一在混合室（５）内排料的磨粒入口（４）；其中，第一喷嘴开口的横截面积（Ａ↓［１］）与第二喷嘴开口的横截面积（Ａ↓［２］）之比为０．５０～１．０。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于产生磨料射流的喷嘴单元，该喷嘴单元包括-与加压载体流体(carrier fluid)源连接的第一喷嘴；-混合室，第一喷嘴向混合室中排放；-与混合室连接的第二喷嘴；以及-通到混合室的磨粒入口。这种喷嘴单元可用于在目标物中挖(excavate)孔。
技术介绍
上述喷嘴单元在磨料水射流机械领域是普遍公知的。用于磨料水射流机械的装置通常在环境压力基本上等于大气压的情况下操作。几乎无任何固体颗粒的射流在压力大大高于1千巴的情况下射入混合室内。干燥磨料是在大气压条件下保持的，并且由于射流泵机构位于混合室内，所以磨粒通过磨粒入口被吸入混合室。在地质岩层的钻孔领域中，包括一具有射流泵机构的喷嘴单元的磨料水射流装置可用于钻孔，例如参见WO02/34653。但是，这种现场条件与常压磨料射流机械的现场条件基本上不同，因为环境压力大大高出大气压，并且每10米深度大约增加1巴。就常压磨料水射流机械系统而言，空气随同磨料颗粒一起吸入混合室内。进入喷嘴单元的这种气流会产生可能限制动能由射流传送给磨料的气穴。因此，基于这种动能传送的喷嘴单元的效率受到气穴的限制。气穴的另一个重要来源可能源自射流中及其周围的紊流。现场紊流中的压力波动包括低于载体流体的汽压的压力，该压力可能引起汽化作用、形成气泡和气穴。因此要求喷嘴单元能够在磨粒消耗率尽可能低的的情况下将动能尽可能高效率地传给磨粒，从而喷嘴单元可在地质地层的典型钻孔中可用的有限空间内使用。国际申请WO-A 91/12930提及了一种在高于环境压力的条件使用时效率降低的惯用喷嘴单元，并且公开了一种允许混合室长度较容易改变的喷嘴单元结构。这种措施针对大气压状态下因射流周围的气穴屏蔽逐渐减弱而引起的射流发散增大的情况而调整喷嘴的设计。美国专利4,555,872描述了一种与前序部分一致的喷嘴装置，用于产生在大气压条件下具备材料切割能力的磨料液体射流。第一喷嘴具有一青玉孔口板，其具有一锥形孔口，最小的流通口的直径约为0.5mm(0.020英寸)。由此，在低流速的情况下可得到极高的压降。第一喷嘴下游的第二喷嘴为一锥状流动形锥体的形式，其最小的流通口的直径约为1.5mm(0.060英寸)。业已证明，上面描述的现有技术中的喷嘴单元无一能够在周围环境为高压的情况下令人满意地传送磨料射流，例如，考虑到所实施的具体周边条件，在地质岩层中钻孔时典型地会遇到这种高压的情况。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于产生磨料射流的喷嘴单元，该喷嘴单元包括与加压载体流体供应源连接的第一喷嘴；混合室，第一喷嘴向混合室中排放；与混合室连接的第二喷嘴；以及通入并排料到混合室中的磨粒入口；其中，第一喷嘴开口的横截面积与第二喷嘴开口的横截面积之比大于或等于0.50并小于1就本说明书来说，将喷嘴开口的横截面积A定义为喷嘴中具有最大限制的一段的流动口的横截面积，因为一定流量下的压降数值主要由喷嘴中最小流动口的横截面确定。将喷嘴开口的“直径”D定为2√(A/π)，就循环流动限制来说，其相当于最小腰部的流动口的宽度。业已发现，为了能够将大量的动能由第一喷嘴产生的射流(“驱动射流”)传给输送磨粒，则第二喷嘴流动口的横截面积比第一喷嘴大得越多，载体流体流中需携带的磨粒便越多。动能的这种传送被认为是喷嘴单元的效率。如果第一和第二喷嘴的横截面积之比小于0.5，则需要较大量的磨粒来填充第二喷嘴中的空间，这将带来磨粒供应的问题，在没有更多的操作量的井下场合尤为如此。允许携带的流体与经过磨粒入口进入混合室的磨粒之比更高是可能的。但是，这会导致效率非人所愿地降低，因为与赋予磨粒的相似量动能相比，携带流体消耗驱动射流中的动能，而这对于凿孔并无效果。因此，第一和第二喷嘴之间的横截面积之比的容许下限为0.5。另一方面，为了适应除高压射流之外的至少一些被携带的磨料，第二喷嘴的横截面积应始终大于第一喷嘴的面积，即比值小于1。与WO-A91/12930中描述的喷嘴单元方案不同，为了适应载体流体、磨粒和被携带的流体的供应量和相对流量，本专利技术对喷嘴单元进行了优化。应当相信，因为这样，本专利技术的喷嘴单元已经能够在环境压力大的情况下良好操作，尤其是在环境压力大于50巴，或者甚至是大于300巴的情况下。所以，喷嘴单元尤其适于开挖深度超过几百米以至几千米的地下岩层的场合。应当注意，美国专利4,555,872的喷嘴装置中的第一和第二喷嘴横截面积的所述比例仅为0.11。所述横截面积之比优选小于0.9，以便确保足量的磨粒可在载体流体流中被携带。在本专利技术的一个优选实施方式中，混合室沿流动方向的长度使得在考虑了来自第一喷嘴的射流的发散因素后，离开混合室的射流的直径小于第二喷嘴开口的直径。业已发现，当横截面积之比小于0.60时更容易满足此优选方式。淹没射流的发散度通常为8°-9°(参见“紊动射流理论”，G.N.Abramovich著，MIT出版社出版，马萨诸塞州(1963))。长度定义为第一喷嘴的排出开口和第二喷嘴的进入开口之间的距离。将进入开口定义为横截面最小处的第一点。在本专利技术的一个实施方式中，混合室的长度是第一喷嘴开口的直径的0.8～2.0倍。这样使得磨粒与射流有效混合，同时保持有限的混合室长度。此方式的优点在于射流可布置成某一角度，这在钻孔时是必要的。当使用本专利技术的喷嘴单元时，转动喷嘴，从而形成具有基本为圆形的横截面的孔。考虑到这种用法，第二喷嘴的另一优选长度为第二喷嘴直径的4～10倍。在本专利技术的一个实施方式中，第二喷嘴相对于第一喷嘴沿流向偏心布置。优选地，第二喷嘴的偏心偏置量沿磨粒入口的方向具有一分量。由此，结构上易于保持磨料供应开口的最小尺寸基本上等于第一喷嘴的直径，同时使得第一喷嘴与第二喷嘴的横截面积之比最大化。偏心偏置量优选大到第一喷嘴壁的部分与第二喷嘴壁的部分对齐的情况。就圆柱形第一喷嘴和圆柱形第二喷嘴而言，偏心率E则等于两个喷嘴直径之差的一半。进一步优选的是，第一喷嘴的内壁的至少部分与第二喷嘴的内壁的至少部分对齐。在本专利技术的一个实施方式中，喷嘴单元包括一与磨料供应入口连接的供应通道，其中，供应通道以小于180°的角度环绕着混合室。这样，当设置偏心副喷嘴构造时便可以有效利用。同时，供应入口应足够宽，从而可在基本上无阻塞风险的情况下供应磨粒。供应通道的流向与主喷嘴中的流向的轴线之间的夹角优选尽可能小。这样，所供应的磨粒获得与主喷嘴所产生的射流平行的尽可能大的分速度。在本专利技术的一个实施方式中，该角度小于60°，优选小于30°。由于机械限制，该角度通常大于10°。本专利技术还涉及一种根据本专利技术的喷嘴单元与用于将磁性或可磁化磨粒从流体中分离的分离装置的组合，该分离装置包括一用于将磨粒沿着分离装置从流体流中吸起来的磁体，一至少部分包封磁体的支承表面，以及用于将吸起的磨粒沿支承表面传送至喷嘴单元的磨粒入口的装置。本专利技术还涉及一种在一目标物内挖孔的方法，包括如下步骤-将包括本专利技术的喷嘴单元的磨料射流开挖工具布置到孔内；-通过向第一喷嘴供应加压载体流体并且将磨粒排入混合室内来产生磨料射流；-以及将磨料射流引入目标内。就本说明书而言，目标物理解为主要包括地层，该地层包括地下地层，还包括用于勘探或开采烃类的油井中的水泥、钢制套管、或封隔器材料。这种目标物在正常运行时位本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于产生磨料射流的喷嘴单元，该喷嘴单元包括：－与加压载体流体供应源连接的第一喷嘴，第一喷嘴在其具有最大限制的一段内限定出具有横截面积Ａ↓［１］的第一喷嘴开口；－混合室，第一喷嘴向混合室中排放；－与混合室连接的第二喷嘴，第二喷嘴在其具有最大限制的一段内限定出具有横截面积Ａ↓［２］的第二喷嘴开口；以及－向混合室中排料的磨粒入口；其特征在于，所述Ａ↓［１］／Ａ↓［２］之比大于或等于０．５０并小于１。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬耶特布兰格，
申请(专利权)人：国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]