CN104790875A - 一种电热能-机械能综合破岩钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电热能-机械能综合破岩钻头，包括螺纹接头、电缆、外壳、换热管、电加热装置和导热元件；所述螺纹接头下端与外壳连接，螺纹接头内部设有中心孔，外壳内部设有环形槽、换热管和喷嘴，中心孔、换热管和喷嘴依次连通，喷嘴的出口设置在外壳的底面，环形槽内设有电加热装置和导热元件，导热元件与电加热器和外壳接触，电缆与电加热装置连接，外壳的下端设有切削齿。本发明通过电热能加热气流吹向岩石并结合机械能破岩，能耗小，成本低，安全系数高，工作效率高，钻井深度深。

Description

一种电热能-机械能综合破岩钻头
技术领域
本发明涉及一种电热能-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，在机械能和热能结合破岩的方法中，其热能都是通过燃料燃烧产生热能，这种产生热能的方式耗能大，能量转化率不高，安全系数较低；如果将机械能和电热能有机地结合起来，通过空气经过高温电热器后形成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，解决深井、硬地层钻速慢以及热能不稳定、不够安全的问题，为钻硬地层、复杂地层提供了一个有效方法。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种电热-机械能综合破岩钻头，该钻头通过电热能加热气流吹向岩石并结合机械能破岩，能耗小，成本低，安全系数高，工作效率高，钻井深度深。
为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种电热-机械能综合破岩钻头，包括螺纹接头、电缆、外壳、换热管、电加热装置和导热元件；所述螺纹接头下端与外壳连接，螺纹接头内部设有中心孔，外壳内部设有环形槽、换热管和喷嘴，中心孔、换热管和喷嘴依次连通，喷嘴的出口设置在外壳的底面，环形槽设在换热管和外壳外壁之间，环形槽内设有电加热装置和导热元件，导热元件与电加热器接触，电缆与电加热装置连接，外壳的下端设有切削齿。
作为本发明的进一步改进，所述外壳的底面中间内凹，四周外凸。
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，所述电加热装置顶部设有绝缘体，电缆穿过绝缘体与电加热装置连接。
作为本发明的进一步改进，所述螺纹接头顶部设有电接头，电缆的两端分别与电接头和电加热装置连接。
作为本发明的进一步改进，所述换热管的材料为铜或者铝。
本发明的有益效果是：
    1.环形槽设在换热管和外壳外壁之间，环形槽内设有电加热装置和导热元件，电加热装置发热，热量通过导热元件均匀的传向换热管，空气通过中心孔进入换热管产生高温热气流并喷向钻头下方岩石，从而降低岩石强度，本发明所采用降低岩石强度的方式与燃烧热降低岩石强度的方式相比，不用设置燃料通道，不用输送燃料，工作过程安全系数高且容易控制。
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.将电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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明与智能钻杆配合示意图。
图中：1-螺纹接头；2-电接头；3-电缆；4-外壳；5-喷嘴；6-绝缘体；7-电加热装置；8-石墨块；9-换热管；10-智能钻杆；11-切削齿。
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所示，一种电热-机械能综合破岩钻头，包括螺纹接头1、电缆3、外壳4、换热管9、电加热装置7和导热元件；所述螺纹接头1下端通过螺纹与外壳4连接（外壳4套在螺纹接头1上），螺纹接头1内部设有中心孔，外壳4内部设有环形槽、换热管9和喷嘴5，所述换热管9的材料为铜或者铝，中心孔、换热管9、喷嘴5依次连通，喷嘴5的出口设置在外壳4的底面（外壳4的底面中间内凹，四周外凸，有利于快速钻进），环形槽设在换热管9和外壳外壁之间，环形槽内设有电加热装置7和导热元件，导热元件与电加热装置7和外壳4接触（用于导热），电缆3与电加热装置7连接, 外壳4的下端设有切削齿11。工作时，电加热装置7发热，热量通过导热元件均匀的传向换热管9，空气通过中心孔进入换热管9产生高温热气流并喷向钻头下方岩石，从而降低岩石强度，本发明所采用降低岩石强度的方式与燃烧热降低岩石强度的方式相比，不用设置燃料通道，不用输送燃料，工作过程安全系数高且容易控制。
如图1所示，在本实施例中，所述螺纹接头顶部设有电接头2，电缆3的两端分别与电接头2和电加热装置7连接；所述电加热装置7顶部设有绝缘体6，电缆3穿过绝缘体6与电加热装置7连接，所述的电加热装置7可以是环形加热器，也可以是2-4个均匀分布的电加热器，环形加热器和均匀分布的电加热器都能够产生均匀辐射的热量，满足工作的需求。
在本发明中，所述的导热元件为多层石墨块8（在本实施例中为4层）。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。石墨块8用于将电发热装置7的热量均匀的传导到换热管9上。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。
本发明的原理和工作流程是：如图2所示，电热-机械能综合破岩钻头通过硬接头与智能钻杆10连接，智能钻杆10从地面输送电能和循环空气给钻头，电发热装置7通电后，产生高温，通过石墨块8将热传递给换热管9，循环空气经过换热管9后，形成高温热气流，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，旋转的钻头将非常容易的辅助破坏岩石，产生的岩屑从智能钻杆10与井壁的环空排出地面。
在本发明中，通过电加热装置7加热换热管9，空气流经换热管9时被快速加热，产生的热空气冲击岩石使岩石强度降低，从而加大了用机械方法破坏岩石的效率；所述外壳4的底部中间内凹，四周外凸，这种特殊的形状设置有助于快速的破坏岩石。
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)

1.一种电热-机械能综合破岩钻头，其特征在于：包括螺纹接头、电缆、外壳、换热管、电加热装置和导热元件；所述螺纹接头下端与外壳连接，螺纹接头内部设有中心孔，外壳内部设有环形槽、换热管和喷嘴，中心孔、换热管和喷嘴依次连通，喷嘴的出口设置在外壳的底面，环形槽设在换热管和外壳外壁之间，环形槽内设有电加热装置和导热元件，导热元件与电加热器接触，电缆与电加热装置连接，外壳的下端设有切削齿。
2.一种电热-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述外壳的底面中间内凹，四周外凸。
3. 如权利要求1所述的一种电热-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。
4. 如权利要求3所述的一种电热-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。
5. 如权利要求1所述的一种电热-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述电加热装置顶部设有绝缘体，电缆穿过绝缘体与电发热器连接。
6. 如权利要求1所述的一种电热-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述螺纹接头顶部设有电接头，电缆的两端分别与电接头和电加热装置连接。
7. 如权利要求1所述的一种电热-机械能综合破岩钻头，其特征在于：所述换热管的材料为铜或者铝。
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