УСТРОЙСТВО СОПЛА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ
FLUID DRILLING HEAD NOZZLE DESIGN

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству сопел и вращающейся форсунки в сборе для гидравлической бурильной головки такого типа, который описан, в общем, в международной патентной заявке PCT/AU 02/01550 (№ публикации международной заявки WO 03/042491 A1), содержание которой включено в настоящее описание посредством перекрестной ссылки.
Предшествующий уровень техники изобретения
[0002] В ранее известных формах гидравлических бурильных головок обычно использовался тип сопла, известный как «коническое сопло», содержащий расходящуюся часть выпускного отверстия, предназначенную для получения мощного кавитационного облака для разрезания или разрушения горной породы в процессе бурения. Такое устройство показано на фиг.2 настоящего описания.
[0003] Дополнительное исследование, проведенное заявителями, показало, что наряду с тем, что кавитационное облако, сгенерированное коническим соплом этого типа, является в действительности мощным, оно сгенерировано в положении, удаленном от выпускного отверстия сопла. Зона между кавитационным облаком и выпускным отверстием сопла является «мертвой зоной», которая является неэффективной при разрезании горной породы, прилегающей к выпускному отверстию сопла. Соответственно, расположение таких сопел для создания плавной и самопродвигающейся геометрии является очень сложным вследствие мертвой зоны, расположенной непосредственно перед направляющими струями на передней кромке гидравлической режущей головки, и эффективное устройство гидравлической режущей головки также является сложным вследствие физического размера конических сопел. Устройства такого типа из уровня техники, показанные на фиг.2, должны медленно подаваться в буровую скважину для обеспечения того, чтобы порезанная горная порода оставалась на расстоянии от передней части головки. Если инструмент окажется слишком близко к горной породе, горная порода окажется в мертвой зоне и произойдет «останов».
Сущность изобретения
[0004] Настоящее изобретение, таким образом, обеспечивает гидравлическую режущую головку такого типа, который содержит множество сопел во вращающейся форсунке в сборе для вырезания буровой скважины в горной породе, при этом в указанные сопла подают буровой раствор под высоким давлением, формируя струи, предназначенные для разрезания прилегающей горной породы, при этом указанные сопла содержат одно или несколько обращенных в основном в осевом направлении направляющих сопел и одно или несколько обращенных в основном радиально расширительных сопел, по меньшей мере направляющие сопла характеризуются не сужающейся выпускной секцией такой, что струя, выпускаемая из нее, имеет, по существу, постоянное поперечное сечение в зоне, непосредственно прилегающей к выпускной секции.
[0005] Предпочтительно расширительные сопла также характеризуются не сужающейся выпускной секцией такой, что струя, выпускаемая из нее, имеет, по существу, постоянное поперечное сечение в зоне, непосредственно прилегающей к выпускной секции.
[0006] Предпочтительно передняя часть вращающейся форсунки в сборе содержит направляющее сопло, выполненное со значительно меньшим диаметром, чем следующая часть вращающейся форсунки в сборе, содержащей расширительные сопла.
[0007] Предпочтительно следующая часть вращающейся форсунки в сборе сформирована ступенчатым образом из ступеней с постепенно увеличивающимся диаметрами, где одно расширительное сопло расположено на каждой ступени так, что струя, выпускаемая из каждого расширительного сопла, расположена рядом с поверхностью прилегающей буровой скважины.
Краткое описание графических материалов
[0008] Несмотря на то, что любые другие формы могут попасть под объем защиты изобретения, одна предпочтительная форма изобретения будет сейчас описана только посредством примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
[0009] на фиг.1 показан вид сбоку гидравлической бурильной головки в соответствии с изобретением;
[0010] на фиг.2 показано схематическое изображение гидравлической бурильной головки из уровня техники, изображающее формирование кавитационных облаков вдали от выпускных отверстий сопла;
[0011] на фиг.3 показан вид в перспективе справа вращающейся форсунки в сборе гидравлической бурильной головки в соответствии с изобретением;
[0012] на фиг.4 показан вид в перспективе слева вращающейся форсунки в сборе гидравлической бурильной головки в соответствии с изобретением;
[0013] на фиг.5 показан вид сзади вращающейся форсунки в сборе, показанной на фиг.3 и 4;
[0014] на фиг.6 показан вид сбоку вращающейся форсунки в сборе, показанной на фиг.3 и 4, и
[0015] на фиг.7 показан вид в поперечном сечении через сопло такого типа, которое применяют в гидравлической бурильной головке в соответствии с изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[0016] В предпочтительной форме изобретения гидравлическая бурильная головка 8 обычно содержит вращающуюся форсунку в сборе 9 и может содержать другие элементы, такие как калибрующее кольцо 10, закрепленное на переднем конце корпуса 11 бурильной головки.
[0017] Более подробная конструкция вращающейся форсунки в сборе 9 будет описана ниже со ссылкой на фиг.3-7, которые показывают, каким образом устройство и расположение сопла может быть оптимизировано для преодоления проблем гидравлической бурильной головки 12 такого типа из стандартного уровня техники, который показан на фиг.2.
[0018] В гидравлических бурильных головках из стандартного уровня техники вращающаяся форсунка в сборе 13 оснащена направляющими соплами 14 и расширительными соплами 15, которые обычно имеют конструкцию «конического сопла» с расходящейся выходной частью. Сопла такого типа генерируют мощные кавитационные облака 16, показанные схематически, которые являются эффективными при разрезании и разрушении горной породы. С помощью точного лабораторного испытания было выяснено, что наряду с тем, что кавитационные облака 16, генерируемые соплами 14 и 15, являются действительно мощными, они находятся на расстоянии от выпускных отверстий сопел, как четко показано на фиг.2, образуя «мертвую зону» 17 между кавитационным облаком 16 и выпускными отверстиями сопел. Из-за мертвой зоны инструменты из уровня техники такого рода должны подаваться медленно в скважину для обеспечения того, чтобы разрезанная горная порода оставалась на расстоянии от передней поверхности 18 головки. Если передняя поверхность 18 проходит слишком быстро в плоскость горной выработки, кавитационное облако 16 больше не является эффективным, и струя выпускается по отношению к плоскости горной выработки в мертвой зоне 17.
[0019] Настоящее изобретение устраняет этот недостаток посредством обеспечения сопел такого типа, как показано на фиг.7, где сопло 18 обычным образом вставлено в отверстие 19, сформированное во вращающейся форсунке в сборе 20 и закрепленной на месте посредством резьбового соединения 21.
[0020] Сопло обычно выполнено для размещения в глухом отверстии 22 так, что верхняя часть резьбы 23 сопла размещена вровень с основанием глухого отверстия.
[0021] Наряду с тем, что впускная часть 24 каждого сопла обычно сужается вовнутрь для увеличения скорости нагнетания воды под высоким давлением через сопло, выпускная секция 25 сформирована из не сужающейся секции, как четко показано на фиг.7, так что струя, выпускаемая из нее, имеет, по существу, постоянное поперечное сечение в зоне, непосредственно прилегающей к выпускной секции.
[0022] Было выяснено, что применение сопел, сформированных в такую конструкцию, обеспечивает струю, которая является эффективной при разрезании и разрушении горной породы, непосредственно прилегающей к выпускному отверстию из сопла, избегая, таким образом, мертвой зоны 17, обычно характерной для конструкций сопел из уровня техники.
[0023] Для того чтобы максимизировать эффект разрезания горной породы соплами такого типа, было также обнаружено, что наиболее эффективным является формирование вращающейся форсунки в сборе ступенчато, так что передняя часть 26, содержащая направляющие сопла, формирующие струю 1 и струю 2, со значительно меньшим диаметром, чем следующая часть 27 вращающейся форсунки в сборе, содержащей расширительные сопла.
[0024] Расширительные сопла 3, 4, 5, и 6 обычно расположены для обеспечения расширительных струй, как показано на фиг.3 и 4, и расположены в местах, обозначенных 29, 30, 31 и 32 соответственно, как ясно показано на фиг.6.
[0025] Таким образом, следующая часть 27 вращающейся форсунки в сборе 9 сформирована ступенчатым образом с постепенным увеличением диаметров, при этом одно расширительное сопло расположено на каждой ступени так, что струя, выпускаемая из каждого расширительного сопла, расположена рядом с поверхностью прилегающей буровой скважины.
[0026] Это оказалось наиболее эффективным для увеличения производительности каждой расширительной струи, обеспечивая выпуск расширительных струй из их сопел рядом с поверхностью буровой скважины, которую необходимо расширить и увеличить до тех пор, пока окончательный диаметр буровой скважины не будет достигнут. В конечном счете, диаметр буровой скважины контролируется калибрующим кольцом 10.
[0027] Этот эффект оптимизирован посредством уменьшения диаметра передней части 26 настолько, насколько это физически возможно, для того чтобы функция разрезания горной породы направляющей струей была уменьшена в сравнении с постепенным увеличением диаметра буровой скважины посредством расширительных струй в следующих ступенчатых частях 27.
[0028] В сочетании с применением сопла описанного выше типа это позволяет расширительным струям действовать рядом с плоскостью горной выработки и увеличить диаметр скважины ступенчатым образом. Обратное расположение расширительных струй также обеспечивает гораздо более эффективное разрушение горной породы в непосредственной близости.
[0029] Лабораторные испытания показали, что зона примерно в 5 мм выпускного отверстия от каждой расширительной струи является очень разрушительной, и гораздо больше, чем удаленное кавитационное облако конического сопла, применяемого в устройствах уровня техники.
[0030] Фактические диаметры выпускных отверстий сопла выбирают в зависимости от характера разрезаемой горной породы, так же как и давление подаваемой в сопла воды через гидравлическую бурильную головку. Испытания показали, что бурение является эффективным при давлении от 48 МПа до 73 МПа. 48 МПа лучше для каменного угля и 73 МПа лучше для агриллитовых пластов и песчаника.
[0031] Диаметры сопла варьируются в зависимости от материала и расположения сопла. Передние направляющие сопла должны быть не более чем от 0,7 мм до 1,0 мм в диаметре. Лучше всего минимизировать эти размеры для улучшения прямой чистой тяги инструмента, при этом небольшое изменение является значительным, так как они направлены практически прямо. Расширители скважин хорошо работают в диапазоне от 0,5 мм до 1,3 мм, снова в зависимости от состояний угля. Скважина глубиной 310 м была пробурена с помощью расположенных прямо сопел диаметром 0,8 мм, направленных вперед под углом сопел диаметром 0,9 мм и сопел диаметром 1,1 мм в трех расширителях в этой головке. Это, однако, обеспечивает скорость бурения около 1 м/мин.
[0032] Таким образом, может быть обеспечена вращающаяся форсунка в сборе для гидравлической бурильной головки, которая позволяет достигать большей скорости бурения, чем ранее было достигнуто с бурильными головками из уровня техники, и дополнительно обеспечивает более точный контроль размера буровой скважины и эффективного расположения расширительных сопел.