[发明专利]低频自激振荡空化脉冲射流喷嘴及其生产方法

说明书

本发明涉及一种适于牙轮钻头，PDC钻头和其它固定切削元件或消防水龙头等用的喷嘴-低频自激振荡空化脉冲射流喷嘴，以及该喷嘴的生产方法。

现有的各种石油钻头和矿山钻头上配套的喷嘴都是采用上大、下小元锥型直通的内腔，因而是连续射流，钻井速度要提高1%都很难;法国、德国曾在钻井地面安装阀门开关，利用人工控制的方法把水变成液弹，但在几千米深的井下，一开一关阀门很难，根本不可能把水流变为液弹;而现有的喷嘴生产，由于喷嘴是圆锥形直通的内腔因而仅需要一般工艺，如冶金粉末搅拌、压制成型后进入高温烧结炉烧结成产品。

本发明的目的就是设计一种能避免上述技术不足的低频自激振荡空化脉冲射流喷嘴，以及生产该喷嘴的工艺方法。

本发明的目的是通过以下结构和原理实现的：低频自激振荡脉冲射流喷嘴，其特征在于是该喷嘴的谐振腔室的腔壁上薄下厚，形成上大下小的腔室形，以增加喷嘴内应力集中的下圆角处受泥浆冲击的承受力，延长喷嘴的使用寿命，谐振腔内的两上撞面的夹角a1为110°-130°，两下撞面间的夹角a2也为110°-130°腔壁与上撞面间的上圆角为R3，腔壁与下撞面间的下圆角为R1.5;本发明的工作原理是利用连续高压射流经上述喷咀入射连续于低频谐波腔内，压力波经腔室下撞面反射到上撞面，使入射流在喷嘴入口处形成的剪切层处发生横向压力波动，并经上撞面的反射压力波与向下运动的压力波的初相相等，形成压力。波腹、波峰，重合形成谐振状态，这是其一。其二是经高次谐振腔反射，振幅增强，在波峰处动压力较射流入口处平均值增高2-3倍，在波腹处压力降至负压值，在此处流体发生急速蒸发（包括射流中溶介的气体），形成小气泡随即被随机分布于脉冲射流中，从而形成空化脉冲射流，它对岩体的冲蚀及尖壁破碎作用大大增加，从而大幅度地提高机械钻井速度（20-60%），钻头进尺提高（16-56%）。

制造该喷嘴的方法是：1.先用黄铜车制成喷嘴内部谐振腔形而构成制喷嘴的内模。2.将喷嘴内模放入喷嘴外模中由上冲头和下冲头定位，然后将320-1000目的碳化钨粉末46%，碳为钛粉末46%，镊粉末4%，钴粉末4%混合均后注入8%的石蜡，在80℃温度下搅拌成粒状后，称量395g放入填满喷嘴的外模中，施以1-2吨/cm²的压力压制成形，然后烘烤脱蜡;3.在真空气氛中以每分钟升温25℃对成形坯料加热至900℃后保持20分钟，以脱内模，对坯料外壁打磨整形后，再以每分钟升温30℃至1460℃对坯料烧结，保持温度30分钟后，再以45℃/分钟降温至100℃以下则可;如需在各喷嘴上刻有标记，可以在脱内模并外磨后用电火花刻标记，然后才升温烧结。

本发明与现有技术相比具有能大幅度提高机械钻井速度，提高其产生的射流对岩体的冲蚀及尖劈破碎的作用等优点，其中使用该喷嘴可以使射流的瞬时动压力和有效靶距分别提高1.5-2.5和1.7-2.0倍，并使井底的平面径向流动速度和其影响范围以及井底压力梯度增大，采用这种喷嘴的钻头可以使机械钻速提高20-60%，钻头进尺提高16-56%。

本发明的附图说明如下：

图1为本喷嘴结构示意图;

图2为该喷嘴内模在外模中定位的状态图;

图中1谐振腔室、2上撞面、3腔壁、4下撞面、5上圆角、6下圆角、7上冲头、8上冲头定位孔、9定位芯杆、10外模、11内模、12下冲头定位孔、13下冲头。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明低频自激振荡空化脉冲射流喷嘴的主要特征是：谐振腔室1的腔壁3上薄下厚，形成上大下小的腔形室，以提高腔室下部耐反射波冲击的能力，谐振腔内上撞面2之间的夹角a1为110°-130°，下撞面4之间的夹角a2为110°-130°，其上撞面2与腔壁3之间的上圆角5为R3，其下撞面4与腔壁3之间的下圆角6为R1.5，以达到经上撞面2的反射形成的反射压力波与向下运动的压力波的初相相等，形成压力波，波腹、波峰重合形成谐振状态，以提高喷嘴的射流速度，生产该喷嘴的方法是：1用黄铜制成喷嘴内的谐振腔形构成喷嘴内模11，黄铜可用粉末冶金法将黄铜粉压制成型，也可用聚碳酸脂注射成喷嘴内模11，其内模的表面光洁度在7以上，2将内模放置于外模10内，由上冲头7下冲头13和定位芯杆9将内模定位固定，然后将碳化钨粉末46%，碳为钛粉末46%，镊料末4%，钴粉末4%混合均匀后，用8%的石蜡作成型添加剂注入混合粉末中，将其与粉末搅拌成粒状，称量其3959g放入外模中再以1-2吨/cm²的压力从下向上压制成喷嘴坯料，如图2所示;3.在真空炉中以每分钟升温25℃对成形坯料加热至900℃保持20分钟，使喷嘴坯料内的内模液化流出达到脱内膜的目的，为了使脱模效果较好，可将喷嘴坯料的喷嘴出口向上放置，使液化后的内模液方便流出;将喷嘴坯料外壁整形打磨后，可用电火花在其上刻注标记，然后再将喷嘴坯料置于真空炉中以30℃/分钟升温至1460℃烧结喷嘴坯料30分钟后，再以45℃/分钟降温至100℃以下则可。