CN104790874B - 一种电‑燃烧‑机械能综合破岩钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电‑燃烧‑机械能综合破岩钻头，包括螺纹接头、造壁器、控制器、喷注器、电发热器、电缆和导热元件；所述的螺纹接头的下端与造壁器连接，螺纹接头内设有环形孔和中心孔，造壁器内设有环形槽和燃烧室，所述的中心孔和燃烧室连通，燃烧室的出口设在造壁器的底面，中心孔内钻头前进方向上依次设有控制器和喷注器，所述的控制器为单向阀和电子点火装置，环形孔和喷注器之间设有通气通道，环形槽设在燃烧室和造壁器外壁之间，环形槽内设有电发热器和导热元件，导热元件与电发热器接触，电缆穿过环形孔与电发热器连接，造壁器底端设有切削齿。本发明通过电能为造壁器提供热源进行造壁，热量损耗小，造壁器温度可控，造壁效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，适用于石油天然气、探矿、建筑基础施工等工程领域中。
背景技术
岩石破碎是指将岩石从岩体上分离下来的一个过程。岩石破碎方法与技术研究是矿业、土木交通、军事等行业长期关心的问题。随着现代科学技术的发展，岩石破碎的方法和技术出现了一些新的发展趋势。根据文献调研，破岩方法可分为机械能破岩和热能破岩两种，其中机械能破岩主要有机械式钻井、常规爆破法、射弹冲击法、水电效应法 、火花放电法、爆破钻孔法、超声波法、水射流法；热能破岩主要有微波法、高频法、电热核法、激光法、电热熔法、等离子体法、高能加速器法、脉冲电子束法、聚焦电子束法、红外线法、空穴射流钻、热冲击火箭钻进装置等。
实验表明，大多数岩石强度随着温度升高，强度显著下降。这种热能机械能联合破岩效率高于单纯的机械破岩或热能破岩的效率，其钻进速度远大于常规机械破岩或热能破岩的钻速。
目前，常规机械能破岩和热能破岩结合的方法还很少，造壁器一般采用燃烧热能供热，但是由于燃烧室距离造壁器外壁较远，造壁器温度不高且温度控制不稳定，造壁效果不理想；如果将机械能、热能和电能结合起来，通过燃烧产生的高温热气流将钻头下方岩石的强度显著降低，甚至发生岩爆，再通过旋转的切削齿破坏强度较低的岩石，迅速形成井眼，然后利用电热器将造壁器加热到岩石熔点以上的高温，造壁器紧贴着井壁，将井壁陶瓷化，可以解决深井、硬地层钻速慢以及造壁效果不理想的问题，为钻硬地层、复杂地层提供了一个有效方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，本发明将热能和机械结合破岩，同时通过电能为造壁器提供热源进行造壁，造壁器外壁温度均匀且温度可控，热量损耗小，造壁效果好，钻井效率高。
为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，包括螺纹接头、造壁器、控制器、喷注器、电发热器、电缆和导热元件；所述的螺纹接头的下端与造壁器连接，螺纹接头内设有环形孔和中心孔，造壁器内设有环形槽和燃烧室，所述的中心孔和燃烧室连通，燃烧室的出口设在造壁器的底面，中心孔内钻头前进方向上依次设有控制器和喷注器，所述的控制器为单向阀和电子点火装置，环形孔和喷注器之间设有通气通道，环形槽设在燃烧室和造壁器外壁之间，环形槽内设有电发热器和导热元件，导热元件与电发热器接触，电缆穿过环形孔与电发热器连接，造壁器底端设有切削齿。
作为本发明的进一步改进，所述的切削齿为4-8组均匀分布的梯形块，梯形块之间设有切削排屑槽。
作为本发明的进一步改进，所述的造壁器上端的外径大于切削齿外端所形成圆的直径，造壁器下端面的外径等于切削齿外端所形成圆的直径。
作为本发明的进一步改进，所述造壁器外壁上均匀的设有2-8组造壁排屑槽。
作为本发明的进一步改进，所述的导热元件为多层石墨块。
作为本发明的进一步改进，所述的石墨块在竖直方向上呈凹凸型，每个石墨块与上下两层相邻的石墨块通过凹槽和凸起部分配合。
作为本发明的进一步改进，所述电发热器顶部设有绝缘体，电缆穿过绝缘体与电发热器连接。
本发明的有益效果是：
1.造壁器内设有环形槽，环形槽设在燃烧室和造壁器外壁之间，环形槽内设有电发热器和导热元件，电缆穿过环形孔与电发热器连接，电发热器产生热量并通过导热元件均匀的传递到造壁器的外壁上。利用电加热器产生的热能对造壁器加热，比起利用燃烧的加热方式，造壁器的外壁温度更高，温度均匀且可控，热量损耗小，造壁效果好，钻井效率高。
2.采用石墨块进行导热，导热效果好，凹凸型配合方式耐挤压，防止了石墨块之间的松脱。
3.将火焰热能破岩方法和机械破岩方法相结合，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。造壁器使井壁陶瓷化能有效保护储层；造壁器使井壁陶瓷化，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；造壁器使井壁陶瓷化，可用于地下管线的铺设、古建筑物地基的加固和采石场边坡坍塌的治理；造壁器使井壁陶瓷化，可用于超深井钻探更适合12000米上述的超深井钻探，开采地下上千度高品位热能资源。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中A-A的剖视图。
图3是图1中 B-B的剖视图。
图中：1-螺纹接头； 2-电缆； 3-绝缘体； 4-电发热器；5-石墨块；6-控制器；7-喷注器；8-燃烧室；9-造壁器；10-切削齿；11-切削排屑槽； 12-造壁排屑槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1至图3所示，一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，包括螺纹接头1、造壁器9、控制器6、喷注器7、电发热器4、电缆2、绝缘体3和导热元件。
如图1至图3所示，所述的螺纹接头1的下端通过螺纹与造壁器9连接（造壁器9套在螺纹接头1上），螺纹接头1内设有环形孔和中心孔（均为通孔），造壁器9内设有环形槽和燃烧室（燃烧室为中心通孔），所述的中心孔和燃烧室连通，燃烧室的出口设在造壁器9的底面，中心孔内钻头前进方向上依次设有控制器6和喷注器7（喷注器7的出口与燃烧室连通），所述控制器6包括箭型单向阀和电子点火装置，环形孔和喷注器7之间设有通气通道（一个或数个），环形槽设在燃烧室和造壁器外壁之间，环形槽内设有电发热器4和导热元件，导热元件与电发热器4接触，导热元件位于环形槽底部与电发热器4之间（在本实施例中，所述的导热元件为多层石墨块5，所述的石墨块5在竖直方向上呈凹凸型，每个石墨,5与上下两层相邻的石墨块5通过凹槽和凸起部分配合，采用石墨块进行导热，导热效果好，凹凸型配合方式耐挤压，防止了石墨块之间的松脱。），电缆2穿过环形孔与电发热器4连接（在本实施例中，所述电发热器4顶部设有绝缘体3，电缆穿过绝缘体3与电发热器4连接），造壁器9底端设有切削齿。
本发明的工作原理和工作过程是：燃料和电能通过双通道水龙头、带电缆的双壁钻杆或者双壁连续油管，从地面输送到电-燃烧-机械能综合破岩钻头（其中，中心孔用于输送燃料，环形孔用于放置电缆以及输送空气），燃料在中心孔内流经控制器6，箭型单向阀被推开，触发电子点火装置（所述电子点火装置为现有的常规装置），燃料通过喷注器7与空气或氧气混合时，被点火，在燃烧室充分燃烧，产生高温热气流，喷向钻头正下方的岩石，岩石受到高温热气流作用，形成较大温度梯度，发生线形膨胀，甚至岩爆，岩石强度显著下降，这时，旋转的切削齿10将非常容易的辅助破坏岩石，产生的岩屑从切削排屑槽11、造壁排屑槽12、钻杆与井壁的环空排出地面。与此同时，电加热器4为造壁器9提供热源，电加热器4将造壁器9加热到1400℃以上，甚至超过1800℃（大部分岩石熔点在1100℃—1400℃之间），造壁器9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，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。利用电加热器4产生的热能（结合燃烧室产生的热能以及造壁过程中的摩擦热），造壁器比起单用燃烧热的加热方式，温度更高，而且造壁器的外壁温度均匀且温度可控，热量损耗小，造壁效果好，钻井效率高。
在本发明中，燃烧产生的热冲击气流可以降低岩石强度，加快了用机械方法破坏岩石的效率，采用电加热器4为造壁器加热，能够较好的控制造壁器9的温度，使得造壁效果良好，在本实施例中，导热元件采用多层石墨块5，石墨块5可以将电加热器4的温度均匀的传导到造壁器9的外壁上。
如图2所示，所述的切削齿10为均匀分布的梯形块，梯形块之间设有切削排屑槽11，在本发明中，只给出了8组切削齿10的实施例，实际上，并不局限于8组切削齿10，采用4-8组切削齿10和组切削排屑槽11都能满足工作的要求。
如图3所示，所述的造壁器9上端的外径大于切削齿10外端所形成圆的直径，造壁器9下端面的外径等于切削齿10外端所形成圆的直径，这种设置有利于造壁器9挤压岩石形成陶瓷井壁，造壁器9外壁均匀的设有造壁排屑槽12，这种设置有利于排屑，在本发明中，只给出了造壁器9外壁均匀的设有4组造壁排屑槽12的实施例，实际上，并不局限于4组造壁排屑槽12，采用2-8组造壁排屑槽12均能满足工作的要求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：包括螺纹接头、造壁器、控制器、喷注器、电发热器、电缆和导热元件；所述的螺纹接头的下端与造壁器连接，螺纹接头内设有环形孔和中心孔，造壁器内设有环形槽和燃烧室，所述的中心孔和燃烧室连通，燃烧室的出口设在造壁器的底面，中心孔内钻头前进方向上依次设有控制器和喷注器，所述的控制器为单向阀和电子点火装置，环形孔和喷注器之间设有通气通道，环形槽设在燃烧室和造壁器外壁之间，环形槽内设有电发热器和导热元件，导热元件与电发热器接触，电缆穿过环形孔与电发热器连接，造壁器底端设有切削齿。
2.如权利要求1所述的一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述的切削齿为4-8组均匀分布的梯形块，梯形块之间设有切削排屑槽。
3.如权利要求1所述的一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述的造壁器上端的外径大于切削齿外端所形成圆的直径，造壁器下端面的外径等于切削齿外端所形成圆的直径。
4.如权利要求3所述的一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述造壁器外壁上均匀的设有2-8组造壁排屑槽。
5.如权利要求1所述的一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述的导热元件为多层石墨块。
6.如权利要求5所述的一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述的石墨块在竖直方向上呈凹凸型，每个石墨块与上下两层相邻的石墨块通过凹槽和凸起部分配合。
7.如权利要求1所述的一种电-燃烧-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述电发热器顶部设有绝缘体，电缆穿过绝缘体与电发热器连接。
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Effective date of registration: 20170918 Address after: 430223 Hubei, East Lake New Technology Development Zone, Optics Valley Road, No. 77,, financial port, A2 Applicant after: Sinopec Research Institute of petroleum machinery and Limited by Share Ltd Applicant after: SINOPEC OILFIELD EQUIPMENT CORPORATION Address before: 430223 Hubei, East Lake New Technology Development Zone, Optics Valley Road, No. 77,, financial port, A2 Applicant before: Research Institute of SINOPEC Petroleum Engineering Machinery Co., Ltd. |
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