一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法

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1.本发明属于射流破岩节能设备技术领域，涉及一种利用超临界二氧化碳等流体通过涡流管的高低温分流特性来进行热力射流破岩的设备和方法，特别是一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法，能够产生高温差两股流体，流体不需要额外耗能降温或者升温，绿色低碳，环保节能。


背景技术：

2.射流是一种应用在采矿、油气开采等领域的高效破岩技术。当前，提高射流压力是增加破岩能力的主要方法，但该方法会极大地增加能量消耗、设备成本和施工风险。尤其在深井循环压耗高、地面泵压有限的情况下，射流压力受限，如何增加射流破岩能力成为一个关键的卡脖子问题。热力破岩方法主要受材料的热力学性质影响，而与材料的力学性质相关性不强，并且热冲击能弱化材料的强度，从而展现了很高的破碎效率。然而，激光、电子束、微波、热熔和等离子的冲蚀比能高，发电机的功率及可靠性、电缆的传输效率、电子设备的抗电磁干扰能力限制了这些技术的推广应用。液氮和高温蒸汽射流也展示了较高的破岩效率，但改变流体温度会额外地增加能量消耗、设备复杂性和施工成本。
3.超临界二氧化碳射流中温度和压力变化同时产生(压差20mpa下约30℃温差)，热力耦合下同压力下其破岩比能分别是水射流的50％和30％；但工程应用中超临界二氧化碳射流门限压力仍然在60mpa以上，现场增压泵增压上限大部分小于30mpa，从而限制了该技术的推广应用，通过进一步增大温差来降低射流破岩门限压力是解决上述问题的有效手段。
4.在现有专利技术中，公开号为cn114810194a的中国专利，公开了一种冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，属于煤矿安全领域，本发明通过将涡流管与空气加压装置相配合，使得高压空气进行冷、热分离，依据现场煤层的情况，往相邻的钻孔内注入分离后的高压冷、热空气，进而使得注入的空气与煤层间的温度形成极大的温差，从而使得煤体的抗压强度降低，力学性能变差，进而产生大量的裂隙，拓展或增加瓦斯气体在煤层内流动的路径，提高瓦斯的流动性。公开号为cn112393462a的中国专利，公开了一种涡流管升温带双蒸发吸热器的高温热泵系统，包括集热器、涡流管、压缩机、气液分离器、节流阀、空气源蒸发器、废热源蒸发器、蒸发压力调节阀、喷射器和换热器。
5.涡流管是一种产生温差的装置，它可将0.5mpa左右的压缩空气就可瞬间分流成温差100℃以上的冷热两股气流，相比同压差射流下温度变化，涡流管产生的温差增加了20倍以上。因此，通过涡流管的高低温分流作用进一步降低超临界二氧化碳射流破岩门限压力是该射流破岩技术发展的关键。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有射流破岩设备抗电磁干扰能力弱、液氮和高温蒸汽射流能量消耗多、设备复杂和施工成本高等问题；利用超临界二氧
化碳等可压缩流体在涡流管中高低温分流特性，设计一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法，能耗少，破岩效果显著。
7.为了实现上述目的，本发明涉及的一种双涡流式高温差射流破岩装置，其主体结构包括一级涡流管、二级涡流管、一级高温流体通道、二级高温流体出口、喷射钻头、低温流体出口和壳体；壳体的前部设置一级涡流管，一级涡流管低温流体输出端与二级涡流管的输入端连通，一级涡流管还与一级高温流体通道连通，二级涡流管的输出端设置二级高温流体出口和低温流体出口，一级高温流体通道的输出端与二级高温流体出口连通，二级高温流体出口和低温流体出口分别与喷射钻头连通。
8.本发明所述的一级涡流管包括一级螺旋杆、一级螺旋流道和一级涡流腔，其中一级涡流管入口设置在筒状结构的壳体前端，一级涡流管入口用来接入压力10mpa-30mpa的超临界可压缩流体；一级涡流管入口的后端设置圆柱状的一级螺旋杆，一级螺旋杆与壳体固定连接，一级螺旋杆的外周内嵌式开设螺旋管状结构的一级螺旋流道，一级螺旋流道后侧与一级涡流腔连通；一级涡流管的一级涡流腔后端与二级螺旋流道输入端连通。
9.本发明所述二级涡流管包括二级涡流管入口、二级螺旋杆、二级螺旋流道、二级涡流腔和隔热筒；所述二级涡流管入口与一级涡流腔后端连通，二级涡流管入口的后端设置圆柱状结构的二级螺旋杆，二级螺旋杆的外周内嵌式开设螺旋管状结构的二级螺旋流道，二级螺旋杆外侧端与圆筒状结构的隔热筒前半部内壁侧固定连接，隔热筒选用隔热材料制做，隔热筒前半部筒腔为二级涡流腔；隔热筒外侧壁与圆筒状结构的壳夹壁固定连接，壳夹壁的后端上半部与壳体固定连接。
10.本发明所述的壳夹壁与壳体之间设置环槽状结构的一级高温流体通道，一级高温流体通道后端下侧连通有连接管，一级高温流体通道的圆直径大于连接管圆直径从而给高温流体加压，隔热筒、壳夹壁的后端下侧开设有“l”状结构的二级高温流体出口，二级高温流体出口的竖向管道与二级涡流腔连通，二级高温流体出口管道转折处与连接管连通。
11.本发明所述的二级高温流体出口的横向管道与喷射钻头下半部中高温喷射水眼的前部相连通，高温喷射水眼由前部主管向后分成两个以上支管，高温喷射水眼的后端支管口与喷射钻头的后端外侧相通，圆台状结构的喷射钻头前端与壳体后端连接。
12.本发明所述的二级涡流腔的后端与倒“z”字型结构的低温流体出口前端连通，低温流体出口的输入端管道直径大于低温流体出口的输出端管道直径从而给低温流体加压；低温流体出口的输出端管道口与喷射钻头上半部中低温喷射水眼的前部相连通，低温喷射水眼由前部主管向后分成两个以上支管，低温喷射水眼的后端支管口与喷射钻头的后端外侧相通。
13.本发明所述一级螺旋杆、一级螺旋流道把流体压能转化成2-4股高速旋转射流，一级涡流腔中多股射流形成高速旋转的涡流、随涡流发展分流产生温差100℃-120℃的高低温流体，涡流中心的一级低温流体流入二级涡流管入口，涡流边缘的一级高温流体流入一级高温流体出口；二级螺旋杆、二级螺旋流道再次把一级低温流体压能转化成2-4股高速旋转射流，二级涡流腔中涡流形成、发展并分流产生高低温流体，涡流中心的二级低温流体流入低温流体出口，涡流边缘的二级高温流体汇入二级高温流体出口；二级高温流体出口和低温流体出口分别与喷射钻头上的低温喷射水眼、高温喷射水眼相连，经过涡流管后分流的高低温流体通过喷射钻头射流到岩石上，产生热力耦合破岩作用。
14.本发明所述双涡流式高温差射流破岩装置实现超临界二氧化碳热力射流破岩的方法，包括一级分流、二级分流、高低温流体输出和高温差破岩；具体步骤为：
15.(1)一级分流：从所述双涡流式高温差射流破岩装置的一级涡流管入口接入增压后10mpa-30mpa的超临界二氧化碳可压缩流体，可压缩流体经过一级涡流管后产生温差100℃-120℃的高温和低温流体；
16.(2)二级分流：高温流体通过二级涡流管入口流出，低温流体通过二级涡流管再次产生约80℃-100℃温差的二级低温流体和二级高温流体；
17.(3)高低温流体输出：二级高温流体与一级涡流管后的一级高温流体汇合、产生升温90℃-110℃的混合高温流体，混合高温流体通过钻头上的高温喷射水眼喷射出，通过高温热破裂和冲击压力的耦合作用射流破岩；经过两级涡流管降温100-120℃的二级低温流体通过钻头上的低温喷射水眼喷射出，通过低温热破裂和冲击压力的耦合作用射流破岩，混合高温流体与二级低温流体的温差为180-220℃；
18.(4)高温差破岩：喷射钻头以5-20转/分的速度旋转，岩石在高温和低温射流下经历高温与低温循环转换180-220℃的温度变化，岩石在交变温度应力和冲击压力的耦合作用下被破坏。
19.本发明与现有技术相比，所设计的双涡流式高温差射流破岩装置及方法主体结构合理，通过两级涡流管的高低温分流作用的叠加，可增加同压力下超临界二氧化碳射流的温差达5倍以上；低温射流会大幅增加岩石表面剪应力和内部拉应力，低温射流会大幅增加岩石表面拉应力和剪应力，交变温度应力和冲击压力的耦合作用可增加破坏应力，在保证低能耗的前提下，实现了高效的破岩效果，节能环保，能够应用于煤炭、铁、石油等矿藏的开采，应用场景广阔。
附图说明：
20.图1为本发明涉及的双涡流式高温差射流破岩装置垂直剖切截面的结构原理示意图。
具体实施方式：
21.下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
22.实施例1：
23.本实施例涉及的一种双涡流式高温差射流破岩装置，如图1所示，主体结构包括一级涡流管入口1、一级螺旋杆2、一级螺旋流道3、一级涡流腔4、二级涡流管入口5、一级高温流体通道6、二级螺旋杆7、二级螺旋流道8、二级涡流腔9、隔热筒10、二级高温流体出口11、低温流体出口12、壳体13、喷射钻头14、低温喷射水眼15、高温喷射水眼16、壳夹壁17和连接管18；其中筒状结构的壳体13前端设置一级涡流管入口1，一级涡流管入口1用来接入压力10mpa-30mpa的超临界二氧化碳等可压缩流体；一级涡流管入口1的后端设置圆柱状的一级螺旋杆2，一级螺旋杆2与壳体13固定连接，一级螺旋杆2的外周内嵌式开设螺旋管状结构的一级螺旋流道3，一级螺旋流道3后侧与一级涡流腔4连通，一级螺旋杆2、一级螺旋流道3和一级涡流腔4构成了一级涡流管；一级涡流管的后端与二级涡流管入口5连通，二级涡流管入口5的后端设置圆柱状结构的二级螺旋杆7，二级螺旋杆7的外周内嵌式开设螺旋管状结
构的二级螺旋流道8，二级螺旋杆7外侧端与圆筒状结构的隔热筒10前半部内壁侧固定连接，隔热筒10选用隔热材料制做，隔热筒10前半部筒腔为二级涡流腔9；二级涡流管入口5、二级螺旋杆7、二级螺旋流道8、二级涡流腔9和隔热筒10构成了二级涡流管；隔热筒10外侧壁与圆筒状结构的壳夹壁17固定连接，壳夹壁17的后端上半部与壳体13固定连接，壳夹壁17与壳体13之间设置环槽状结构的一级高温流体通道6，一级高温流体通道6后端下侧连通有连接管18，一级高温流体通道6的圆直径大于连接管18圆直径从而给高温流体加压，隔热筒10、壳夹壁17的后端下侧开设有“l”状结构的二级高温流体出口11，二级高温流体出口11的竖向管道与二级涡流腔9连通，二级高温流体出口11管道转折处与连接管18连通，二级高温流体出口11的横向管道与喷射钻头14下半部中高温喷射水眼16的前部相连通，高温喷射水眼16由前部主管向后分成两个以上支管，高温喷射水眼16的后端支管口与喷射钻头14的后端外侧相通，圆台状结构的喷射钻头14前端与壳体13后端连接；二级涡流腔9的后端与倒“z”字型结构的低温流体出口12前端连通，低温流体出口12的输入端管道直径大于低温流体出口12的输出端管道直径从而给低温流体加压；低温流体出口12的输出端管道口与喷射钻头14上半部中低温喷射水眼15的前部相连通，低温喷射水眼15由前部主管向后分成两个以上支管，低温喷射水眼15的后端支管口与喷射钻头14的后端外侧相通。
24.本实施例所述一级螺旋杆2、一级螺旋流道3把流体压能转化成2-4股高速旋转射流，一级涡流腔4中多股射流形成高速旋转的涡流、随涡流发展分流产生温差100℃-120℃的高低温流体，涡流中心的一级低温流体流入二级涡流管入口5，涡流边缘的一级高温流体流入一级高温流体出口6；二级螺旋杆7、二级螺旋流道8再次把一级低温流体压能转化成2-4股高速旋转射流，二级涡流腔9中涡流形成、发展并分流产生高低温流体，涡流中心的二级低温流体流入低温流体出口12，涡流边缘的二级高温流体汇入二级高温流体出口11；二级高温流体出口11和低温流体出口12分别与喷射钻头14上的低温喷射水眼15、高温喷射水眼16相连，经过涡流管后分流的高低温流体通过喷射钻头14射流到岩石上，产生热力耦合破岩作用。
25.本实施例所述双涡流式高温差射流破岩装置实现超临界二氧化碳热力射流破岩的方法，包括一级分流、二级分流、高低温流体输出和高温差破岩；具体步骤为：
26.(1)一级分流：从所述双涡流式高温差射流破岩装置的一级涡流管入口1接入增压后10mpa-30mpa的超临界二氧化碳等可压缩流体，可压缩流体经过一级涡流管后产生温差100℃-120℃的高温和低温流体；
27.(2)二级分流：高温流体通过二级涡流管入口5流出，低温流体通过二级涡流管再次产生约80℃-100℃温差的二级低温流体和二级高温流体；
28.(3)高低温流体输出：二级高温流体与一级涡流管后的一级高温流体汇合、产生升温90℃-110℃的混合高温流体，混合高温流体通过钻头上的高温喷射水眼16喷射出，通过高温热破裂和冲击压力的耦合作用射流破岩；经过两级涡流管降温100-120℃的二级低温流体通过钻头上的低温喷射水眼15喷射出，通过低温热破裂和冲击压力的耦合作用射流破岩，混合高温流体与二级低温流体的温差为180-220℃；
29.(4)高温差破岩：喷射钻头14以5-20转/分的速度旋转，岩石在高温和低温射流下经历高温与低温循环转换180-220℃的温度变化，岩石在交变温度应力和冲击压力的耦合作用下被破坏。
30.本实施例所述双涡流式高温差射流破岩装置的工作原理为：
31.常温下0.5mpa的压缩空气通过涡流管后可产生最低约-40℃、最高约120℃的高低温两种流体，因此本发明将涡流管结构集成到井下工具中，通过两级涡流管的高低温分流作用的叠加，可实现超临界二氧化碳约180-220℃的高低温分流作用，进而通过交变温度应力和冲击压力的耦合作用降低射流破岩门限压力。