CN104563883A - 微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置 - Google Patents

微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置 Download PDF

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冯光通
牛洪波
魏振
孙连坡
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Abstract

本发明公开了微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置。其中微波辅助破岩钻头，包括钻头镶体以及分布在钻头镶体上的刀翼、切削齿、接头，刀翼内部嵌入辅助破岩微波发生器，钻头镶体内部嵌入线缆，在接头处嵌入独立导电线圈，线缆连接在导电线圈和辅助破岩微波发生器之间。导电钻杆，包括钻杆本体和连接在钻杆本体两端的接头，钻杆本体内嵌入线缆，钻杆接头处嵌入独立导电线圈。微波辅助破岩装置包括钻机、供电系统和控制系统，其中控制系统包括微波发生控制器。其共同点是应用微波辐射产生的热量，降低岩石强度或直接破碎岩石，不仅能够提高机械钻速，还能够有效降低钻进过程中的振动，延长了钻头的使用寿命，降低了钻井和破岩成本。

Description

微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置
技术领域
本发明涉及破岩装置技术领域中的微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置，主要应用于石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探、开采等行业领域。
背景技术
目前旋转钻井条件下，高效辅助破岩技术主要通过增加井底水功率和增加钻头能量的机械破岩，其使用寿命和破岩效果均有待于新的突破。至今，国内外还未见微波辅助破岩技术产品在钻井工程领域现场应用的文献报道。
发明内容
本发明的目的是为了提高机械钻速，降低钻井或破岩成本，提供一种微波辅助破岩钻头、一种导电钻杆以及一种微波辅助破岩装置。其共同点是应用微波辐射产生的热量，降低岩石强度或直接破碎岩石，不仅能够提高机械钻速，还能够有效降低钻进过程中的振动，延长了钻头的使用寿命，降低了钻井和破岩成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下系列技术方案：
首先，一种微波辅助破岩钻头，包括钻头镶体以及分布在钻头镶体上的刀翼、切削齿、接头，其特征是：每个刀翼内部嵌入辅助破岩微波发生器，钻头镶体内部嵌入线缆，在接头处嵌入独立导电线圈，线缆连接在导电线圈和辅助破岩微波发生器之间。
前述的微波辅助破岩钻头进一步包括：所述钻头为PDC钻头。
井底辅助破岩微波发生器包括由磁控管、矩形波导管、同轴波导管、调谐反射镜和电极针组成，其中同轴波导管由外部导电壳和绝缘套筒组成。
电极针连接有旋转驱动机构，该旋转驱动机构包括单一电机或者电机与变速器结合的驱动机构。
电极针横向尺寸小于微波辐射的波长。
其次，一种导电钻杆，包括钻杆本体和连接在钻杆本体两端的接头，其中，钻杆本体内嵌入线缆，钻杆接头处嵌入独立导电线圈。
本发明还给出了一种利用前述微波辅助破岩钻头的微波辅助破岩装置是：包括钻机、供电系统和控制系统，其中控制系统包括微波发生控制器，微波辅助破岩钻头与钻机连接，这其中包括通过微波辅助破岩钻头与钻机建立的机械连接，以及通过微波辅助破岩钻头的线缆、独立导电线圈与供电系统和微波发生控制器建立的线路连接。
同时，本发明还给出了一种利用前述微波辅助破岩钻头和导电钻杆的微波辅助破岩装置是：包括钻机、供电系统和控制系统；控制系统包括微波发生控制器；微波辅助破岩钻头通过导电钻杆与钻机连接，这其中包括通过微波辅助破岩钻头、导电钻杆的接头与钻机建立的机械连接，以及通过微波辅助破岩钻头、导电钻杆的线缆、独立导电线圈与供电系统和微波发生控制器建立的线路连接。
微波破岩属于一种热能破岩装置，本发明的微波辅助破岩钻头和的微波辅助破岩装置创新之处在于将微波能量集中于一个比微波的波长小的多的区域，微波能量聚集在材料表面之下，产生一个小的热点，使材料变软乃至熔化。微波破岩不会给钻头带来新的冲击、磨损等附加损害；相反，使用微波对岩石进行预处理，降低钻头的破岩难度，延长了钻头使用寿命。
本发明给出的一种微波辅助破岩钻头单独配合本发明的微波辅助破岩装置作为破岩机使用，如果再配合导电钻杆，作为钻井机械使用。当然本发明的微波辅助破岩钻头配合其它钻机，也可以起到上述效果。
本发明的微波辅助破岩装置的优点是应用微波辐射产生的热量，降低岩石强度或直接破碎岩石，不仅能够提高机械钻速和破岩效率，还能够有效降低钻进过程中的振动，延长了钻头的使用寿命，降低了钻井或破岩的成本。
附图说明
图1、微波辅助破岩PDC钻头结构示意图
图2、微波辅助破岩PDC钻头底部结构示意图
图3、辅助破岩微波发生器结构示意图
图4、导电钻杆剖面示意图
图中：
6导电钻杆              7线缆（或称电缆） 8（独立）导电线圈  
9辅助破岩微波发生器    10磁控管         11矩形波导管    
12同轴波导管           13调谐反射镜     14电极针
15旋转驱动机构         16外部导电壳      17绝缘套筒   
 18钻头镶体             19刀翼          20切削齿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1，结合附图1、2，一种微波辅助破岩钻头，包括：
钻头镶体18以及分布在钻头镶体18上的刀翼19、切削齿20、接头。每个刀翼19内部嵌入辅助破岩微波发生器9，钻头镶体19内部嵌入线缆7，在接头处嵌入独立导电线圈8，线缆7连接在导电线圈8和辅助破岩微波发生器9之间。
基于上述实施例的微波辅助破岩钻头进一步包括：
所述钻头为PDC钻头。
参见附图3，井底辅助破岩微波发生,9包括由磁控管10、矩形波导管11、同轴波导管12、调谐反射镜13和电极针14组成，其中同轴波导管12由外部导电壳16和绝缘套筒17组成。
电极针14连接有旋转驱动机构，该旋转驱动机构采用单一电机或者采用电机与变速器结合的驱动机构。
电极针14横向尺寸小于微波辐射的波长。
实施例2，结合附图4，一种导电钻杆6，包括钻杆本体和连接在钻杆本体两端的接头，其中，钻杆本体内嵌入线缆7，钻杆两个接头处分别嵌入独立导电线圈8。
实施例3，一种利用前述微波辅助破岩钻头的微波辅助破岩装置包括钻机、供电系统和控制系统，其中控制系统包括微波发生控制器，微波辅助破岩钻头与钻机连接，这其中包括通过微波辅助破岩钻头与钻机建立的机械连接，以及通过微波辅助破岩钻头的线缆、独立导电线圈与供电系统和微波发生控制器建立的线路连接。
实施例4，一种利用前述微波辅助破岩钻头和导电钻杆6的微波辅助破岩装置：
（1）将辅助破岩微波发生器9嵌入PDC钻头的每个刀翼19内部，将电缆7嵌入PDC钻头镶体18内部，在PDC接头处嵌入独立导电线圈8，组成微波辅助破岩PDC钻头；
（2）通过地面发电机组组成的供电系统提供井底辅助破岩微波发生装置9所需的电能；
（3）将电缆7嵌入导电钻杆壁内，并在钻杆接头处嵌入独立导电线圈8组成导电钻杆，用其传输辅助破岩微波发生器9所需的电能；
（4）司钻控制台加装微波发生控制器，通过微波发生控制器间歇性的开启辅助破岩微波发生器9，向井底辐射微波；
（5）产生的微波辐射加热岩石，降低岩石强度；
（6）通过PDC钻头切削齿20的切削作用将岩石切削磨碎，通过钻井液循环体系将磨碎的岩屑携出井眼。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，通过磁控管10产生微波辐射；
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，通过调节矩形波导管11上的调谐反射镜13，使微波聚集于电极针14传导；
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，同轴波导管12由外部导电壳16和绝缘套筒17组成。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，通过旋转驱动机构15使得电极针14自转，以防止岩屑阻塞电极针。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，微波辐射的波长一定，电极针14横向尺寸需要小于微波辐射的波长。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，电极针14从微波辅助破岩PDC钻头18切削齿20的后部伸出。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，电极针14和外部导电鞘16是同轴的。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，电极针14加热形成的孔洞为圆对称。
进一步的，所述的微波辅助破岩装置，电极针14加热形成的孔洞横向尺寸小于微波辐射的波长。

Claims (8)

1.一种微波辅助破岩钻头，包括钻头镶体以及分布在钻头镶体上的刀翼、切削齿、接头，其特征是：每个刀翼内部嵌入辅助破岩微波发生器，钻头镶体内部嵌入线缆，在接头处嵌入独立导电线圈，线缆连接在导电线圈和辅助破岩微波发生器之间。
2.根据权利要求1所述的微波辅助破岩钻头，其特征是：所述钻头为PDC钻头。
3.根据权利要求2所述的微波辅助破岩钻头，其特征是：井底辅助破岩微波发生器包括由磁控管、矩形波导管、同轴波导管、调谐反射镜和电极针组成，其中同轴波导管由外部导电壳和绝缘套筒组成。
4.根据权利要求3所述的微波辅助破岩钻头，其特征是：电极针连接有旋转驱动机构，该旋转驱动机构包括单一电机或者电机与变速器结合的驱动机构。
5.根据权利要求3所述的微波辅助破岩钻头，其特征是：电极针横向尺寸小于微波辐射的波长。
6.一种导电钻杆，包括钻杆本体和连接在钻杆本体两端的接头，其特征是：钻杆本体内嵌入线缆，钻杆接头处嵌入独立导电线圈。
7.一种利用1-5任一权利要求所述的微波辅助破岩钻头的微波辅助破岩装置，其特征是：包括钻机、供电系统和控制系统，其中控制系统包括微波发生控制器，微波辅助破岩钻头与钻机连接，这其中包括通过微波辅助破岩钻头与钻机建立的机械连接，以及通过微波辅助破岩钻头的线缆、独立导电线圈与供电系统和微波发生控制器建立的线路连接。
8.一种利用权利要求1-5任一所述的微波辅助破岩钻头和权利要求6所述的导电钻杆的微波辅助破岩装置，其特征是：包括钻机、供电系统和控制系统；控制系统包括微波发生控制器；微波辅助破岩钻头通过导电钻杆与钻机连接，这其中包括通过微波辅助破岩钻头、导电钻杆的接头与钻机建立的机械连接，以及通过微波辅助破岩钻头、导电钻杆的线缆、独立导电线圈与供电系统和微波发生控制器建立的线路连接。
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