CN103397846A - 一种能将井壁陶瓷化的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能将井壁陶瓷化的钻头，它包括接头、钻头本体、造壁器、钻头切削齿、燃烧室，接头的下端与钻头本体连接，造壁器安设在钻头本体上，所述钻头切削齿设置在钻头本体的下端；在接头内设置中心管路和燃烧枪，中心管路的下端设置燃烧枪，燃烧枪的下端设置火焰喷嘴；在钻头本体内部设置燃烧室，在钻头本体的下端设有高温气体喷嘴，燃烧室的两端分别连通火焰喷嘴和高温气体喷嘴；在接头内设有外环形管路，外环形管路与燃烧枪的空气入口相连通。本发明可实现将燃烧热能—机械能联合破岩，显著提高破岩效率；另外，利用燃烧热能将井壁陶瓷化，形成光滑坚硬的井壁，甚至可以不进行下套管固井，显著节约钻探成本。

Description

一种能将井壁陶瓷化的钻头

技术领域

本发明涉及一种能将井壁陶瓷化的钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触，通过切削、冲压封作用破碎岩石的工具。目前钻井工程中广泛应用机械能进行破岩，采用的钻头主要由牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头等。现场应用情况表明，牙轮钻头破岩效率低，单只钻头进尺少，容易发生掉牙轮卡钻等井下事故；PDC钻头磨损速度快，吃入困难；金刚石钻头也同样存在钻进速度慢、寿命较短的问题，这些都严重影响了油气勘探开发的速度。

 为了提高钻探效率，国内外石油工作者都在加紧研究高效破岩工具和方法，并提出了一些热能钻井破岩方法，包括激光钻井、热熔钻井、等离子体通道钻井、热力综合破岩等技术。这些技术均论证了高温能够有效地降低岩石强度，从而使钻井速度提高10-100倍。这些技术目前大多处于室内研究阶段，配套装置也不成熟，离现场推广应用还存在一定距离。

面对油气勘探开发的程度加深、难度加大、开发成本高等问题，必须要提高钻井质量。我国东西部存在着大量的复杂坚硬地层，而西部地区油气藏埋藏普遍较深，急需解决深部地层钻井效率低的问题，提高破岩效率是加快钻井速度的最优途径。而目前用于钻井的钻头钻入深度已经局限在12000 米左右，已无法提高钻井深度。

综上所述，常规机械破岩工具提高机械钻速效果不够显著、新型破岩技术的配套设备不能实现工业化应用，急需研发一种新型的钻头，能通过机械-热能综合破岩方法提高钻进速度、节省钻井成本，并对于加快油气资源勘探开发速度具有重大的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中存在的技术问题提供一种能提高钻井效率、易导向控制的能将井壁陶瓷化的钻头。

本发明所采用的技术方案为：一种能将井壁陶瓷化的钻头，其特征在于它包括接头、钻头本体、造壁器、钻头切削齿、燃烧室，接头的下端与钻头本体连接，造壁器卡装在钻头本体上，所述钻头切削齿设置在钻头本体的下端；在接头内设置中心管路和燃烧枪，中心管路的下端设置燃烧枪，燃烧枪的下端设置火焰喷嘴；在钻头本体内部设置燃烧室，在钻头本体的下端设有高温气体喷嘴，燃烧室的两端分别连通火焰喷嘴和高温气体喷嘴；在接头内设有外环形管路，外环形管路与燃烧枪的空气入口相连通。

按上述技术方案，在钻头本体的外周设置第一冷却装置，所述钻头切削齿沿钻头本体的下端面周向间隔设置，在钻头切削齿的外周套装有第二冷却装置，所述第一、第二冷却装置与接头上的外环形管路相连通。

按上述技术方案，所述第一冷却装置包括第一多孔层，第一多孔层设置在钻头本体的外周面，并与钻头本体固连上，在第一多孔层上设置有多个冷气流出孔，在第一多孔层和钻头本体外周面之间设置有第一冷气流通道，在钻头本体内设置有内环空管将第一冷气流通道与外环形管路相连通；所述第二冷却装置包括第二多孔层，第二多孔层设置在钻头切削齿的外周面，并与钻头切削齿固连上，在第二多孔层上设置有多个冷气流出孔，在第二多孔层和钻头切削齿之间设置有第二冷气流通道，在钻头本体内设置有内环空管将第二冷气流通道与外环形管路相连通。

按上述技术方案，在钻头本体的外周面和钻头切削齿的外周面均设置有高温隔热层。

按上述技术方案，所述高温气体喷嘴为环形，第二冷却装置与高温气体喷嘴外周面之间留有间隙。

按上述技术方案，在钻头本体内设置有与外环形管路相连通的空气预热回路，所述空气预热回路与燃烧枪的空气入口相连通。

按上述技术方案，所述内环空管与空气预热回路相连通。

按上述技术方案，所述造壁器的下端设置倒角，使造壁器下端的端面外径与钻头本体的外径相等。

按上述技术方案，所述燃烧枪包括混气室，打火装置，打火装置设置在混气室内，混气室与外环形管路相连通。

按上述技术方案，在燃烧室的内壁设置有钨钢层。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明通过高温气体使岩石的上表层迅速升温，从而使岩石的强度下降且处于低温状态，然后通过钻头切削破坏其正下方的高温低强度的岩石，显著提高破岩效率，大幅度提高机械钻速，缩短建井周期，从而降低钻探成本；

2、本发明利用燃烧的热能经过造壁器将井壁融化，冷却后形成陶瓷井壁，使井眼更稳定，不容易发生坍塌和掉块等井下复杂情况，提高井眼质量；

3、井壁岩石被造壁器压紧融化的过程中，岩石成分的团聚状态发生改变,导致其熔化成玻璃状，孔隙度显著下降，高压流体不能通过，井筒和地层之间的流体不能发生流通，从而保护储层；

4、通过设置第一、第二冷却装置，在钻头本体的外周及钻头切削齿的外周均形成冷气膜，使钻头本体及钻头切削齿处于相对低温状态，保持钻头本体及钻头切削齿的强度，利用处于相对低温状态的钻头切削齿旋转切削破坏其正下方的高温低强度的岩石，进一步提高破岩效率；

5、由于常规老井眼侧钻和分支井钻井，在交叉部位，强度非常低，严重影响作业，甚至导致井眼报废等问题；用本发明可用于老井侧钻和分支井钻井，在进行老井眼侧钻挖潜等侧钻水平井不必考虑管线立体交叉，套管强度损坏等问题；

6、更容易导向控制，本发明振动小，对导向器要求不高，轨迹控制相对容易；

7、由于目前钻探井深局限于12000米以内，由于地层越深，地层压力越大，地层岩石温度越高，岩石熔化温度越低，井壁陶瓷化钻井越容易，钻进速度越高；本发明具有护壁性，适合12000米上述的超深井钻探，有利于开采地下上千度高品位热能资源。

附图说明

图1 本发明提供的实施例一的结构示意图。

图2为图1中A-A横截面结构示意图。

图3为图1的仰视图。

图4为图1中第一冷却装置的结构示意图。

图5为本发明提供的实施例二的第一冷却装置的结构示意图；

图中：1、双壁螺纹接头； 2、燃烧枪； 3、钻头本体； 4、内环空管；5、第一冷却装置；6、钻头切削齿；7、中心管路；8、外环形管路；9、火焰喷嘴；10、燃烧室； 11、空气预热回路； 12、高温气体喷嘴； 13、冷气流出孔；14、第一冷气流通道；15、第一多孔层；16、高温隔热层，17、混气室，18、打火装置，19、第二冷却装置，20、第二多孔层，21、第二冷气流通道，22、造壁器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本实施例提供了一种耐高温钻头，它包括双壁螺纹接头1、燃烧枪2、造壁器22、钻头本体3和钻头切削齿6。双壁螺纹接头1的下端与钻头本体3连接，钻头切削齿6设置在钻头本体3的下端；所述造壁器22安设在钻头本体3的中部，所述双壁螺纹接头1的中间为空心，在双壁螺纹接头1内设置中心管路7和燃烧枪2，中心管路7的下端设置燃烧枪2，燃烧枪2的下端面与钻头本体密封配置，燃烧枪2的下端设置火焰喷嘴9；在钻头本体3内部设置燃烧室10，所述燃烧室10为中间宽，两端窄，在燃烧室10的下端设置高温气体喷嘴12。双壁螺纹接头1的内壁设有外环形管路8，在钻头本体3内设置有内环空管4、空气预热回路11，内环空管4连通双壁螺纹接头1的外环形管路8与空气预热回路11，所述空气预热回路11与燃烧枪2的空气入口相连通。其中，所述造壁器22的内壁紧贴燃烧室10的外壁，从而将燃烧室10的热能传递给造壁器22。其中，造壁器22的外径略大于钻头本体3的外径，使造壁器22的外壁超出钻头本体3的外壁。

本发明在工作时，会使其周围的岩石温度达到很高，当高温岩石将其高温传递给钻头本体3及钻头切削齿6后，钻头本体3及钻头切削齿6的强度会降低，严重影响其工作效率。为了保持钻头本体3及钻头切削齿6的强度，在钻头本体3的外周套装有第一冷却装置5，所述钻头切削齿6沿钻头本体的下端面周向间隔设置，在钻头切削齿6的下端面设置有弧形的切削齿，在钻头切削齿的外周除其下端面外套装有第二冷却装置。

本实施例中，如图4所示，第一冷却装置5包括第一多孔层15，第一多孔层15套装在钻头本体3的外周，并固定在钻头本体3上，在第一多孔层15上设置有多个冷气流出孔13，在第一多孔层15和钻头本体3之间设置有第一冷气流通道14，其中第一冷气流通道14为环形的，在钻头本体3内设置的内环空管4将第一冷气流通道14与外环形管路8相连通。

如图3所示，所述第二冷却装置19包括第二多孔层20，第二多孔层20套装在钻头切削齿6的四周，并固定在钻头切削齿6上，在第二多孔层20上设置有多个冷气流出孔，在第二多孔层20和钻头切削齿的外周之间设置有第二冷气流通道21，内环空管4同时将第二冷气流通道21相连通，其中，第二多孔层20与高温气体喷嘴12之间留有间隙以减少高温气体喷嘴12向钻头切削齿之间的热传递，从而使第二冷却装置19的冷却效果更好。本实施例中，可以将第二冷气流通道21设置成环形的。

其中，第一多孔层15和第二多孔层20均为耐高温耐磨多孔层。

其中，燃烧枪2包括混气室17、打火装置18，打火装置18设置在混气室内，混气室17分别与外环形管路8和空气预热回路11相连通。

本实施例中，在燃烧室10的内壁设置有一层钨钢，以减小高温对钻头本体3强度的影响。

本实施例中，钻头切削齿6采用PDC切削齿。

本实施例中，所述燃烧室10的中间为中空圆柱形，造壁器22紧贴燃烧室10的内壁，从而能更充分的将燃烧室10的热能传递给造壁器22，其中，造壁器22可以选择钨钢或其它耐高温钢。

本实施例中，可以将造壁器22的下端倒角，使造壁器22下端的端面外径与钻头本体3的外径相等，有利于加快本发明的钻进速度。

在工作时，双壁螺纹接头1的上端与双壁钻杆连接，使中心管路7内输入燃料，燃料通过中心管路7进入燃烧枪2，外环形管路8内输入空气，空气进入钻头本体3的内环空管、空气预热回路11进入燃烧枪2的空气混合室燃烧，燃料和空气经过燃烧枪2在火焰喷嘴9和燃烧室10充分燃烧，产生高温高速燃气，高温燃气温度超过700℃，经过高温气体喷嘴12，高速射向钻头切削齿6正下方的岩石，使岩石的上表层迅速升温，岩石强度下降，为未加热的岩石强度的1/3或小于1/3；导热系数小的岩石产生明显的温度梯度，使岩石发生热力破坏，产生的岩屑被高温燃气携带出井底；部分冷空气通过钻头本体3的内环空管4，从而进入第一冷却装置5和第二冷却装置19，当冷空气经过第一冷气流通道14时，从第一多孔层15的冷气流出孔13排出，冷气流在第一多孔层15外表面形成冷气膜，从而使钻头本体低温状态，保持了钻头本体强度；当冷空气经过第二冷气流通道21时，从第二多孔层的冷气流出孔排出，冷气流在第二多孔层20外表面形成冷气膜，从而保持了钻头切削齿的强度。通过处于低温状态的钻头切削齿6旋转切削破坏其正下方的高温低强度的岩石，从而提高破岩效率；造壁器22与井壁紧密接触，通过造壁器22将燃烧室10内高温燃气的热量传递到井壁，高温超过岩石熔点的造壁器22，压在井壁岩石表面，通过热作用使岩石成分的团聚状态发生改变，导致其熔化成玻璃状，造壁器22以上井壁岩石被低温的气流冷却，逐渐形成陶瓷井壁。

实施例2：

如图4所示，实施例2与实施例1的结构基本相同，不同之处在于钻头本体3和钻头切削齿6的外周均设置有高温隔热层16（图5以在钻头本体3的外周设置高温隔热层16为例进行说明）。高温隔热层16将岩石向钻头本体3和钻头切削齿6传递辐射的热能隔热，使钻头本体3、钻头切削齿6的温度保持在一定温度内，进一步提高了本发明的使用寿命。

Claims (10)

1.一种能将井壁陶瓷化的钻头，其特征在于它包括接头、钻头本体、造壁器、钻头切削齿、燃烧室，接头的下端与钻头本体连接，造壁器安设在钻头本体上，所述钻头切削齿设置在钻头本体的下端；在接头内设置中心管路和燃烧枪，中心管路的下端设置燃烧枪，燃烧枪的下端设置火焰喷嘴；在钻头本体内部设置燃烧室，所述造壁器的内壁与燃烧室的外壁紧贴，在钻头本体的下端设有高温气体喷嘴，燃烧室的两端分别连通火焰喷嘴和高温气体喷嘴；在接头内设有外环形管路，外环形管路与燃烧枪的空气入口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种能将井壁陶瓷化的钻头，其特征在于在钻头本体的外周设置第一冷却装置，所述钻头切削齿沿钻头本体的下端面周向间隔设置，在钻头切削齿的外周设置有第二冷却装置，所述第一、第二冷却装置与接头上的外环形管路相连通。

3.根据权利要求2所述的一种耐高温钻头，其特征在于所述第一冷却装置包括第一多孔层，第一多孔层设置在钻头本体的外周面，并与钻头本体固连上，在第一多孔层上设置有多个冷气流出孔，在第一多孔层和钻头本体外周面之间设置有第一冷气流通道，在钻头本体内设置有内环空管将第一冷气流通道与外环形管路相连通；所述第二冷却装置包括第二多孔层，第二多孔层设置在钻头切削齿的外周面，并与钻头切削齿固连上，在第二多孔层上设置有多个冷气流出孔，在第二多孔层和钻头切削齿之间设置有第二冷气流通道，在钻头本体内设置有内环空管将第二冷气流通道与外环形管路相连通。

4.根据权利要求3所述的一种耐高温钻头，其特征在于在钻头本体的外周面和钻头切削齿的外周面均设置有高温隔热层。

5.根据权利要求3或4所述的一种耐高温钻头，其特征在于所述高温气体喷嘴为环形，第二冷却装置与高温气体喷嘴外周面之间留有间隙。

6.根据权利要求3所述的一种耐高温钻头，其特征在于在钻头本体内设置有与外环形管路相连通的空气预热回路，所述空气预热回路与燃烧枪的空气入口相连通。

7.根据权利要求6所述的一种耐高温钻头，其特征在于所述内环空管与空气预热回路相连通。

8.根据权利要求1或2所述的一种耐高温钻头，其特征在于所述造壁器的下端设置倒角，使造壁器下端的端面外径与钻头本体的外径相等。

9.根据权利要求1或2所述的一种耐高温钻头，其特征在于所述燃烧枪包括混气室，打火装置，打火装置设置在混气室内，混气室与外环形管路相连通。

10.根据权利要求1或2所述的一种耐高温钻头，其特征在于在燃烧室的内壁设置有钨钢层。

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