CN104563882B - 等离子钻井钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井钻头工具领域的一种等离子钻井钻头，其技术方案是在钻头本体预置有轴向贯通的流体通道和电极通孔，电极通孔内固连高压正电极和绝缘体，在钻头本体底部固连杯形地电极，高压正电极底部为高压盘装电极，高压盘装电极与杯形地电极之间预留环形极间间隙。该钻头利用高压脉冲液相微放电作用在待钻岩石前形成的等离子通道击穿破碎岩石，无需与岩石表面接触，无需机械研磨。本发明可降低钻头磨损，提高机械钻速，所需能量低，与常规机械旋转钻头相比，成本低且效率高，也可应用于采矿等行业。

Description

等离子钻井钻头
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井工具领域，尤其是一种等离子钻井钻头。
背景技术
多年以来，机械旋转钻井技术为全球钻井工业的快速发展发挥了巨大的作用。近年来，随着深井、超深井及地热井钻井力度的加大，常规机械旋转钻井技术已经不是“包治百病的良药”，由于岩石坚硬、地层复杂，深井、超深井钻井施工不仅机械钻速慢、卡喷塌漏等井壁不稳定问题突出，严重影响了钻井失效，而且消耗能量大、二氧化碳等气体释放物多严重污染环境。
自高压喷射钻井于上世纪60年代开始推广应用以来，机械破岩+水力辅助破岩这种联合破岩方式就占绝对统治地位，而且研发了许多新型钻头，提高了机械钻速。为进一步提高机械钻速，降低施工成本，近些年国外各大高校、石油公司和钻井科技工作者正在探索激光钻井、电火花钻井等新型热能钻井方法进行破岩，但仍存在许多技术问题得不到解决。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种可避免钻头严重磨损、提高机械钻速、降低施工成本、效能高的等离子钻井钻头。
本发明为解决上述技术问题通过以下技术方案实现的：
一种等离子钻井钻头，在钻头本体预置有轴向贯通的流体通道和电极通孔，电极通孔内固连高压正电极和绝缘体，在钻头本体底部固连杯形地电极，高压正电极底部为高压盘装电极，高压盘装电极与杯形地电极之间预留环形极间间隙。
上述方案一种细化方案包括：所述的钻头本体包括，由外管上接头、外管本体、外管下接头组成的外管，由内管上接头、内管本体、内管下接头组成的内管，以及固连在内、外管之间的上、下扶正块；所述的流体通道即为内外管之间的环形间隙；所述的电极通孔即为内管的内腔通孔；所述的高压正电极是由电缆芯、连接器、高压柄和高压盘装电极自上而下依次连接组成，其外部由绝缘体固连在内管的内腔；所述杯形地电极固连在外管下接头底部，并由外管作为杯形地电极的导电体。
上述方案另一种细化方案包括：所述的钻头本体包括，由外管上接头、外管本体、外管下接头组成的外管，由内管上接头、内管本体、内管下接头组成的内管，以及固连在内、外管之间的上、下扶正块；所述的流体通道即为内外管之间的环形间隙；所述的电极通孔即为内管的内腔通孔；在内管内壁设置绝缘层后套入金属管，金属管顶部接入地电极电缆；所述杯形地电极固连在外管和内管下接头底部，且预制有与流体通道贯通的的弧形狭槽，金属管与杯形地电极连接后作为杯形地电极的导电体；所述的高压正电极是由电缆芯、连接器、高压柄和高压盘装电极自上而下依次连接组成，其外部由绝缘体固连在金属管和杯形地电极的内腔。
上述方案的进一步包括：
金属管底部通过导电套与杯形地电极连接。
所述的连接器轴向预制有上下凹槽，分别与电缆芯、高压柄插接配合后由螺丝固定。
设在内管和外观之间的扶正块为3个，并沿圆周相隔120°。
杯形地电极上部沿圆周相隔120°设有3个弧形狭槽。所述扶正块和杯形地电极的弧形狭槽纵向一一对应。
在内管顶部设有压帽，压帽与内管上接头螺纹连接，压帽上纵向设有两个个通孔，两个电缆分别从两通孔穿过。
所述的杯形地电极环形底部端面与高压盘装电极底部端面处在同一个平面上。
所述外管上接头内侧和上扶正块外侧、外管下接头内侧和下扶正块外侧均通过丝扣台阶用丝扣连接。
所述外管下接头和内管下接头与杯形地电极通过焊接连接。
所述外管由外管上接头、外管本体和外管下接头摩擦对焊顺序连接构成；所述内管由内管上接头、内管本体和内管下接头通过丝扣顺序连接构成。
采用上述方案的等离子钻头应用在钻井施工中，将等离子钻头及相应的底部钻具组合与敷缆连续管或其它可传输电能至井下的钻具相连，地面设有脉冲发生电路及其它相关钻井设备。
该钻头的工作原理是：地面脉冲电路产生的高强度电压通过高压电缆传输加到杯形地电极与高压盘装电极的间隙内，间隙内充满钻井液液体介质，在高电压和脉冲电流的作用下，极间间隙里的介质出现解离和碰撞电离变为等离子态，从而极间间隙内由稠密的等离子体所充满即形成等离子通道。由于瞬间高温加热的结果，等离子通道内压力急剧升高，可达到3~10GPa，远大于岩石的拉伸强度，从而使等离子体通道以极快的速度膨胀并击穿岩石，使周围的岩石碎裂，产生一圆形孔道，这一现象类似于树木遭雷击，但雷击闪电的长度一般在3000m以上，而高压脉冲放电技术能使放电长度缩小到1-2cm，且在1s内连续放电（形成等离子）20～30次，通过这些重复动作来冲蚀岩石，形成高效、控制状态下的钻井过程。地面泵入的钻井液流经敷缆连续管或其它可传输电能至井下的钻具进入等离子钻头内外管之间形成的环形空隙，继续下行通过杯形地电极上部的3个弧形狭槽进入杯形地电极与高压盘装电极的间隙内，从而将等离子通道击穿破碎岩石产生的岩屑沿着外管外壁与井眼之间的环空运移到地面。
本发明的优点是其克服了现有破岩工具的不足，利用高压脉冲液相微放电作用在待钻岩石前形成的等离子通道击穿破碎岩石，无需与岩石表面接触，无需机械研磨，能够避免钻头严重磨损、提高机械钻速，而且需要的能量较低，与常规机械旋转钻头相比，成本低且效率高，也可以在采矿等其它行业推广使用。
附图说明
图1是本发明结构剖视示意图。
图2是图1沿A-A线的剖视示意图。
图3是图1沿B-B线的剖视示意图。
图4是本发明钻井过程剖视示意图。
图中：1 外管上接头，2内管上接头，3绝缘体，4绝缘体（层），5外管本体，6内管本体，7金属管，8 螺丝，9内管下接头，10外管下接头，11杯形地电极，12绝缘体，13高压盘装电极，14 螺丝，15极间间隙，16弧形狭槽，17 下扶正块，18导电套，19高压柄，20 螺纹，21 连接器，22 孔眼，23上扶正块，24压帽，25电缆芯，26电缆芯，27 环形空隙，28 等离子通道，29地层，30 钻井液。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明作进一步描述。
实施例1
一种等离子钻井钻头，在钻头本体预置有轴向贯通的流体通道和电极通孔，电极通孔内固连高压正电极和绝缘体，在钻头本体底部固连杯形地电极，高压正电极底部为高压盘装电极，高压盘装电极与杯形地电极之间预留环形极间间隙。
该实施例给出的是基本技术路线，在满足有流体通道和高压正电极和杯形地电极等基本条件后，配合地面设备即可完成等离子钻井工作。
优化实施例2
参照说明书附图1、图2和图3，一种等离子钻井钻头，包括外管上接头1、外管本体5、外管下接头10、内管上接头2、内管本体6、内管下接头9、上扶正块23、下扶正块17、高压盘装电极13、杯形地电极11、高压柄19、导电套18、连接器21、金属管7、压帽24、电缆芯25、26、绝缘体3、4、12。
外管上接头1、外管本体5和外管下接头10顺序摩擦对焊成外管；内管上接头2、内管本体6和内管下接头9顺序丝扣连接而成内管；内管上接头2和下接头9外侧沿圆周相隔120°均设有3个扶正块23、17；外管上接头1内侧和内管上接头2上扶正块23外侧、外管下接头10内侧和内管下接头9下扶正块17外侧均设有丝扣台阶用丝扣连接而成双壁结构，从而在内外管之间形成环形空隙27，构成了钻井液流通通道；高压盘装电极13与高压柄19通过螺丝14连接，高压柄19与连接器21通过螺纹20连接，高压电缆芯25通过螺丝8固定于连接器的孔眼22内，高压电缆芯25与地面脉冲发生电路相连，从而形成了高压盘装电极13与地面地面脉冲发生电路的电性连接，为等离子通道的产生创造了通道；高压柄19、连接器21、金属管7和高压电缆芯25周围布置有绝缘体3、4、12，可防止电极组合高压元件和地电极之间发生电击穿；杯形地电极11环绕着高压盘装电极13，两个电极间预置有间隙15，在此间隙内可形成等离子通道；导电套18上设有螺纹，杯形地电极11通过导电套18与金属管7电性连接，金属管7与电缆芯26相连，电缆芯26与地面脉冲发生电路相连，从而形成了杯形地电极11与地面脉冲发生电路的电性连接，为等离子通道产生之时电流返回至地面脉冲发生电路创造了通道；杯形地电极11上部沿圆周相隔120°设有3个弧形狭槽16，外管下接头10和内管下接头9通过弧形狭槽16与杯形地电极11焊接连接，为钻井液从环形空隙27进入极间间隙15创造了流经通道；压帽24与内管上接头2螺纹连接，压帽24上纵向设有2个通孔，电缆芯从通孔穿过。外管上接头1、外管本体5、外管下接头10管材为油田用钻杆管材。内管上接头2、内管本体6、内管下接头9管材为油田用油管管材。金属管7管材为铜、铁等普通金属管材。绝缘体3、4、12为塑料或玻璃纤维尼龙。高压盘装电极13和杯形地电极11为不锈钢材料制造。内管上接头2外侧3个上扶正块23、内管下接头9外侧3个下扶正块17和杯形地电极11上部3个弧形狭槽16纵向一一对应。杯形地电极11环形底部端面与高压盘装电极13底部端面处在同一个平面上。
参照附图4，钻井施工中，将等离子钻头及相应的底部钻具组合与敷缆连续管或其它可传输电能至井下的钻具相连，地面设有脉冲发生电路及其它相关钻井设备。该钻头的工作原理是：地面脉冲电路产生的高强度电压通过高压电缆25传输加到杯形地电极11与高压盘装电极13的间隙15内，间隙15内充满钻井液30液体介质，在高电压和脉冲电流的作用下，极间间隙15内的介质出现解离和碰撞电离变为等离子态，从而极间间隙15内由稠密的等离子体所充满即形成等离子通道28。由于瞬间高温加热的结果，等离子通道28内压力急剧升高，可达到3~10GPa，远大于岩石的拉伸强度，从而使等离子通道28以极快的速度膨胀并击穿岩石29，使周围的岩石碎裂，产生一圆形孔道，这一现象类似于树木遭雷击，但雷击闪电的长度一般在3000m以上，而高压脉冲放电技术能使放电长度缩小到1～2cm，且在1s内连续放电（形成等离子体）20～30次，通过这些重复动作来冲蚀岩石，形成高效、控制状态下的钻井过程。地面泵入的钻井液30流经敷缆连续管或其它可传输电能至井下的钻具进入等离子钻头内外管之间形成的环形空隙27，继续下行通过杯形地电极上部的3个弧形狭槽16进入杯形地电极11与高压盘装电极13的间隙15内，从而将等离子通道28击穿破碎岩石产生的岩屑沿着外管外壁与井眼之间的环空运移到地面。
优化实施例3是在实施例2的基础上，简化掉杯形地电极11所需连接电极，即杯形地电极11直接通过外管和上部的连接钻杆作为输入电极。
一种等离子钻井钻头，外管上接头1、外管本体5和外管下接头10顺序摩擦对焊成外管；内管上接头2、内管本体6和内管下接头9顺序丝扣连接而成内管；内管上接头2和下接头9外侧沿圆周相隔120°均设有3个上扶正块23、下扶正块17；外管上接头1内侧和内管上接头2上扶正块23外侧、外管下接头10内侧和内管下接头9下扶正块17外侧均设有丝扣台阶用丝扣连接而成双壁结构，从而在内外管之间形成环形空隙27，构成了钻井液流通通道；高压盘装电极13与高压柄19通过螺丝14连接，高压柄19与连接器21通过螺纹20连接，高压电缆芯25通过螺丝8固定于连接器的孔眼22内，高压电缆芯25与地面脉冲发生电路相连，从而形成了高压盘装电极13与地面地面脉冲发生电路的电性连接，为等离子通道的产生创造了通道；高压柄19、连接器21、金属管7和高压电缆芯25周围布置有绝缘体3、12，可防止电极组合高压元件和地电极之间发生电击穿；杯形地电极11环绕着高压盘装电极13，两个电极间预置有间隙15，在此间隙内可形成等离子通道；杯形地电极11外管与电缆芯26相连，电缆芯26与地面脉冲发生电路相连，从而形成了杯形地电极11与地面脉冲发生电路的电性连接，为等离子通道产生之时电流返回至地面脉冲发生电路创造了通道。
依据实施例1的技术方案，结合实施例2和3给出的优化方案的启示，以及说明书给出的技术方案的限定，本领域技术人员无需创造性的劳动即可派生出更多的具体实施例。

Claims (11)

1.一种等离子钻井钻头，其特征在于：在钻头本体预置有轴向贯通的流体通道和电极通孔，电极通孔内固连高压正电极和绝缘体，在钻头本体底部固连杯形地电极，高压正电极底部为高压盘装电极，高压盘装电极与杯形地电极之间预留环形极间间隙；
所述的钻头本体包括，由外管上接头、外管本体、外管下接头组成的外管，由内管上接头、内管本体、内管下接头组成的内管，以及固连在内、外管之间的上、下扶正块；所述的流体通道即为内外管之间的环形间隙；所述的电极通孔即为内管的内腔通孔；
所述的高压正电极是由电缆芯、连接器、高压柄和高压盘装电极自上而下依次连接组成，其外部由绝缘体固连在内管的内腔；所述杯形地电极固连在外管下接头底部，并由外管作为杯形地电极的导电体；
或者，在内管内壁设置绝缘层后套入金属管，金属管顶部接入地电极电缆；所述杯形地电极固连在外管和内管下接头底部，且预制有与流体通道贯通的弧形狭槽，金属管与杯形地电极连接后作为杯形地电极的导电体；所述的高压正电极是由电缆芯、连接器、高压柄和高压盘装电极自上而下依次连接组成，其外部由绝缘体固连在金属管和杯形地电极的内腔。
2.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：金属管底部通过导电套与杯形地电极连接。
3.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：所述的连接器轴向预制有上下凹槽，分别与电缆芯、高压柄插接配合后由螺丝固定。
4.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：设在内管和外管之间的扶正块为3个，并沿圆周相隔120°。
5.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：杯形地电极上部沿圆周相隔120°设有3个弧形狭槽。
6.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：在内管顶部设有压帽，压帽与内管上接头螺纹连接，压帽上纵向设有两个个通孔，两个电缆分别从两通孔穿过。
7.根据权利要求5所述的等离子钻井钻头，其特征在于：所述扶正块和杯形地电极的弧形狭槽纵向一一对应。
8.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：所述的杯形地电极环形底部端面与高压盘装电极底部端面处在同一个平面上。
9.根据权利要求1所述的等离子钻井钻头，其特征在于：所述外管上接头内侧和上扶正块外侧、外管下接头内侧和下扶正块外侧均通过丝扣台阶用丝扣连接。
10.根据权利要求9所述的等离子钻井钻头，其特征在于：所述外管下接头和内管下接头与杯形地电极通过焊接连接。
11.根据权利要求9所述的等离子钻井钻头，其特征在于：所述外管由外管上接头、外管本体和外管下接头摩擦对焊顺序连接构成；所述内管由内管上接头、内管本体和内管下接头通过丝扣顺序连接构成。
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