CN107152241B - 热力射流刮刀钻头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热力射流刮刀钻头装置，其涉及石油工程钻井技术领域，热力射流刮刀钻头装置包括：本体，本体上设置有热力射流单元和与热力射流单元相连通的反应腔，热力射流单元包括：在本体内开设的贯穿孔、设置在贯穿孔内的第一弹簧、与第一弹簧相抵的第一伸缩管、设置在第一伸缩管内的第二弹簧以及第二伸缩管，第一弹簧的上端能与本体相固定，第二弹簧与第二伸缩管相连接，第二伸缩管能在第一伸缩管中滑动以使第二伸缩管的下端伸出贯穿孔，反应腔用于生成热力射流流体，并将热力射流流体输送给热力射流单元；本体上还具有切削齿；与反应腔相连接的热力射流点火单元，热力射流点火单元用于对反应腔进行点火。

Description

热力射流刮刀钻头装置

技术领域

本发明涉及石油工程钻井技术领域，特别涉及一种热力射流刮刀钻头装置。

背景技术

我国中东部油田均已逐渐进入开发后期，剩余油气资源中约40％处于深部地层(＞4500m)。近年来发现的特大油气田，如塔里木、川东北、松辽油田等均处于深部地层，因此深层油气的勘探开发已经成为我国油气发展的重大战略需求。深部地层岩石硬度高，可钻性差，随着井深的增加，钻机机械能量和水力能量沿程损失大，能量有效利用率低，常规机械方法钻速低、周期长，制约了我国深层油气的高效开发进程。因此亟需开发一种适用于深层硬地层的高效热力射流刮刀钻头装置，以实现我国油气资源可持续发展的战略目标。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种热力射流刮刀钻头装置，其能够对深部地层中硬度高的岩石进行有效破碎。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种热力射流刮刀钻头装置，所述热力射流刮刀钻头装置包括：

本体，所述本体上设置有热力射流单元和与所述热力射流单元相连通的反应腔，所述热力射流单元包括：在所述本体内开设的贯穿孔、设置在所述贯穿孔内的第一弹簧、与所述第一弹簧相抵的第一伸缩管、设置在所述第一伸缩管内的第二弹簧以及第二伸缩管，所述第一弹簧的上端能与所述本体相固定，所述第二弹簧与所述第二伸缩管相连接，所述第二伸缩管能在所述第一伸缩管中滑动以使所述第二伸缩管的下端伸出所述贯穿孔，所述反应腔用于生成热力射流流体，并将所述热力射流流体输送给所述热力射流单元；所述本体上还具有切削齿；

与反应腔相连接的热力射流点火单元，所述热力射流点火单元用于对反应腔进行点火。

在一种优选的实施方式中，所述贯穿孔包括第一段孔洞和与所述第一段孔洞相连接的第二段孔洞，所述第一段孔洞和与所述第二段孔洞之间形成台阶。

在一种优选的实施方式中，所述第一段孔洞内的上端设置有压紧螺母，所述压紧螺母能与所述第一弹簧的上端相抵。

在一种优选的实施方式中，所述第一伸缩管设置在所述第一段孔洞中，所述第一伸缩管的下端能与所述台阶相抵触，所述第一伸缩管能在所述第一段孔洞中滑动。

在一种优选的实施方式中，至少部分所述第二伸缩管位于所述第一伸缩管中，至少部分所述第二伸缩管穿设在所述所述贯穿孔的第二段孔洞中。

在一种优选的实施方式中，所述热力射流单元为多个，所述本体沿竖直方向具有轴线，所述热力射流单元绕所述本体的轴线呈周向分布。

在一种优选的实施方式中，所述热力射流单元中的所述第二伸缩管与所述本体的轴线具有预设角度。

在一种优选的实施方式中，所述热力射流刮刀钻头装置还包括：用于驱动本体进行旋转的刮刀钻头驱动电机；用于连接所述本体与所述刮刀钻头驱动电机的联轴器。

在一种优选的实施方式中，所述本体内开设有水冷流道，所述本体的下端在所述水冷流道的出口处设置有水眼喷嘴。

在一种优选的实施方式中，所述水冷流道位于所述热力射流单元的外侧，所述水眼喷嘴位于所述贯穿孔的外侧。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

1、本申请的热力射流刮刀钻头装置能够在本体的反应腔中形成超临界水和二氧化碳混合的热力射流流体，再通过相应的输送管线向反应腔中输送加压后的钻井液，钻井液与上述高温高压的流体进行耦合，调制成稳定的超临界水与二氧化碳的热力射流流体，热力射流流体进而通过热力射流单元射向切削齿切削的岩石，热力射流流体冲击岩石并迅速传热，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，岩石表面的碎片剥落，应力得以释放，与此同时，配合本体的切削齿不断的转动，新的岩面显露，从而达到快速破岩的目的，最终使得钻进能够持续高效的进行。

2、本申请中热力射流刮刀钻头装置中形成的热力射流流体为超临界水与二氧化碳，其可以使得钻井过程中的污染物的排放降低几个数量级，从而大大降低了环境污染。而且，上述热力射流刮刀钻头装置中的工艺技术较为简单，与液氮钻井、激光钻井、等离子钻井技术相比，热力射流刮刀钻头装置中使用的原材料(燃料)成本较低，相比较而言，钻井过程更具有成本优势，且安全可靠。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中热力射流刮刀钻头装置的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例中热力射流刮刀钻头装置的仰视图。

以上附图的附图标记：

1、本体；2、热力射流单元；21、贯穿孔；211、第一段孔洞；212、第二段孔洞；213、台阶；22、第一弹簧；23、第一伸缩管；24、第二弹簧；25、第二伸缩管；26、压紧螺母；3、反应腔；4、切削齿；5、热力射流点火单元；6、刮刀钻头驱动电机；7、水冷流道。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够对深部地层中硬度高的岩石进行有效破碎，在本申请中提出了一种热力射流刮刀钻头装置，图1为本发明实施例中热力射流刮刀钻头装置的剖面结构示意图如图1所示，热力射流刮刀钻头装置包括：本体1，本体1上设置有热力射流单元2和与热力射流单元2相连通的反应腔3，热力射流单元2包括沿：本体1内沿预设角度开设有贯穿孔21、设置在贯穿孔21内的第一弹簧22、与第一弹簧22相抵的第一伸缩管23、设置在第一伸缩管23内的第二弹簧24以及第二伸缩管25，第一弹簧22的上端能与本体1相固定，第二弹簧24与第二伸缩管25相连接，第二伸缩管25能在第一伸缩管23中滑动以使第二伸缩管25的下端伸出贯穿孔21，反应腔3用于生成热力射流流体，并将热力射流流体输送给热力射流单元2；本体1上还具有切削齿4；与反应腔3相连接的热力射流点火单元5，热力射流点火单元5用于对反应腔3进行点火。

通过本申请研究人员发现，针对深层硬地层，岩石热裂解破岩方法可以是一种行之有效的方式，通过岩石热裂解破岩可以使得岩石表面的碎片剥落，加快深层硬地层中新的岩面显露，进而使得热力射流刮刀钻头装置上刮刀钻头件的应力得以释放，钻进持续进行，最终可以有效的提高了钻井的速度。为了能够使得岩石热裂解进而达到破岩的目的，在本申请中研制出了热力射流破岩钻井技术。该技术利用燃料燃烧的化学能产生具有一定温度和压力的高温热力射流，进行冲击岩石后迅速传热，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，在新的岩屑剥离表面后进一步钻进，达到快速破岩钻井的目的。上述热力射流刮刀钻头装置为热力射流破岩钻井技术中的关键装置之一。

本申请中的热力射流刮刀钻头装置下入至深层硬地层，通过钻头驱动电机带动其旋转，在旋转的过程中热力射流刮刀钻头装置本体1上的切削齿4对深层硬地层中的岩石等进行一定程度的破碎。

此时，为了能够更为有效的破碎岩石，先可以通过相应的输送管线向反应腔3中输送加压后的燃料气体、加压后的氧气。然后通过热力射流点火单元5对反应腔3进行点火，此时，可以控制反应腔3内的温度达到400-500℃，压力达到30MPa，在该温度和压力下，注入反应腔3内生成的水处于超临界状态。当温度达到374.1℃，压力达到21.83MPa时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相等，水达到超临界状态，呈现出高温高压的均相流体状态。此时，再可以通过相应的输送管线向反应腔3中输送加压后的钻井液，钻井液与上述高温高压的流体进行耦合，调制成稳定的超临界水与二氧化碳的热力射流流体，热力射流流体进而进入热力射流单元2。

当反应腔3形成有超临界水和二氧化碳混合的热力射流流体时，热力射流流体流入热力射流刮刀钻头装置本体1内的贯穿孔21，在压力的作用下，第二弹簧24和第一弹簧22受压，以使得第一伸缩管23向下运动、第二伸缩管25向下伸出，同时第二伸缩管25在第一伸缩管23内滑动至第二弹簧24的下端与贯穿孔21相抵，第二伸缩管25的下端向下伸出贯穿孔21。当第二伸缩管25的下端向下伸出贯穿孔21后，热力射流流体自第二伸缩管25的下端出口射出，通过上述方式，在需要进行射流时可以通过第二伸缩管25有效缩短热力射流的第二伸缩管25出口与热力射流刮刀钻头装置本体1的切削齿4进行切削的地层或岩石之间的距离，大大增大了热力射流单元2向岩石喷射的速度与喷射压力。当热力射流流体射向岩石后，热力射流流体冲击岩石并迅速传热，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，岩石表面的碎片剥落，应力得以释放，与此同时，配合本体1的切削齿4不断的转动，新的岩面显露，从而达到快速破岩的目的，最终使得钻进能够持续高效的进行。通过上述过程中热力射流与机械破岩进行有效耦合，有效地促使了硬地层的迅速破坏，使得钻井速度成倍增长。本热力射流刮刀钻头装置能够高效的对部地层中硬度高的岩石进行有效破碎，从而提高钻速以及钻井效率。

同时，由于热力射流流体为超临界水与二氧化碳，其可以使得钻井过程中的污染物的排放降低几个数量级，从而大大降低了环境污染。而且，上述热力射流刮刀钻头装置中的工艺技术较为简单，与液氮钻井、激光钻井、等离子钻井技术相比，热力射流刮刀钻头装置中使用的原材料(燃料)成本较低，相比较而言，钻井过程更具有成本优势，且安全可靠。

为了能够更好的理解本申请中的钻井系统，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，热力射流刮刀钻头装置本体1上的上端可以通过螺纹与油管进行固定连接。热力射流刮刀钻头装置本体1上的热力射流单元2包括：在本体1内开设的贯穿孔21、设置在贯穿孔21内的第一弹簧22、与第一弹簧22相抵的第一伸缩管23、设置在第一伸缩管23内的第二弹簧24以及第二伸缩管25，第一弹簧22的上端能与本体1相固定，第二弹簧24与第二伸缩管25相连接，第二伸缩管25能在第一伸缩管23中滑动以使第二伸缩管25的下端伸出贯穿孔21。具体而言，贯穿孔21可以包括第一段孔洞211和与第一段孔洞211相连接的第二段孔洞212，第一段孔洞211和与第二段孔洞212之间形成台阶213，第一段孔洞211内的上端设置有压紧螺母26，压紧螺母26能与第一弹簧22的上端相抵，第一伸缩管23设置在第一段孔洞211中，第一伸缩管23的下端能与台阶213相抵触，第一伸缩管23能在第一段孔洞211中滑动，至少部分第二伸缩管25位于第一伸缩管23中，至少部分第二伸缩管25穿设在贯穿孔21的第二段孔洞212中。当热力射流反应腔3单元形成有超临界水和二氧化碳混合的热力射流流体时，热力射流流体流入本体1内的贯穿孔21，在热力射流流体的高压的作用下，第一弹簧22和第二弹簧24受压，首先使得第一伸缩管23在贯穿孔21中向下滑动至第一伸缩管23的下端与台阶213相抵触，然后第二伸缩管25在第一伸缩管23中滑动至第二弹簧24的下端与台阶213相抵触，然后第二弹簧24继续收缩，第二伸缩管25继续向下在第二段孔洞212中滑动伸出，最终第二伸缩管25的下端向下伸出贯穿孔21。通过上述方式，在需要进行射流时可以通过第二伸缩管25有效缩短热力射流的第二伸缩管25出口与地层之间的距离，大大增大了热力射流单元2向岩石喷射的速度与喷射压力。

在一种可行的实施方式中，热力射流单元212可以为多个，热力射流刮刀钻头装置的本体1沿竖直方向具有轴线，热力射流单元2绕本体1的轴线呈圆周分布，图2为本发明实施例中热力射流刮刀钻头装置的仰视图，如图2所示，在该实施例中，热力射流单元2为三个，每一个热力射流单元2位于两个切削齿4之间。

在一种可行的实施方式中，为了提高耐高温性，本体1上的反应腔3内可以镀有碳化钨、钨钢等耐高温材料，以延长反应腔3的使用寿命。为了提高热力射流刮刀钻头装置的硬度，加强热力射流刮刀钻头装置对深部地层中硬度高的岩石的破碎效果，热力射流刮刀钻头装置的本体1可以采用镍合金制成。

在一种优选的实施方式中，本体1内开设有水冷流道7，本体1的下端在水冷流道7的出口处设置有水眼喷嘴。如图2所示，水冷流道7可以为多个，水冷流道7绕本体1的轴线呈圆周分布，在该实施例中，水冷流道7为三个，每一个水冷流道7位于两个切削齿4之间。本体1的水冷流道7与相应的冷却水供给管线相连接，在热力射流刮刀钻头装置钻进的同时，通过冷却水供给管线不断的向本体1的水冷流道7输送冷却水，冷却水自水眼喷嘴喷出，从而对本体1上的切削齿4进行冷却，进而能最大时间延长机械钻时，使得整个热力射流刮刀钻头装置的进尺和钻速都大大提高。冷却水与热力射流单元2排出的钻井液还可以将破碎后的岩屑携带出井筒，达到清洗井底的目的，在地面上可以通过与油井井口相连通的钻井液回收单元回收井下返排至地面的钻井液和/或冷却水。

在一种优选的实施方式中，热力射流单元2中的第二伸缩管25与本体1的轴线具有预设角度。如图1所示，热力射流单元2中的第二伸缩管25可以朝向本体1的外侧，如此，自热力射流单元2中射出的热力射流流体更易射向切削齿4与深部地层中硬度高的岩石的切削接触处，有助于切削接触处岩石的破碎。同时，水冷流道7可以位于热力射流单元2的外侧，水眼喷嘴位于贯穿孔21的外侧。上述结构一方面可以使得水冷流道7不影响反应腔3内的温度，另外一方面水眼喷嘴的位置可以有效避免流出的冷却水影响到热力射流单元2进行热力射流的区域。

在一种优选的实施方式中，热力射流刮刀钻头装置还包括：用于驱动本体1进行旋转的刮刀钻头驱动电机6；用于连接本体1与刮刀钻头驱动电机6的联轴器。本申请中的热力射流刮刀钻头装置由于将刮刀钻头驱动电机6设置在本体1上，当热力射流刮刀钻头装置深入深井硬地层中时，直接井下供能，刮刀钻头驱动电机6能够直接带动本体1进行旋转，沿程能量损失更小，如此，可以大大提高转速以及能量的传输效率，避免了将驱动电机设置在地面上，通过复杂的传动连接将扭矩传递至井下的热力射流刮刀钻头装置上而造成的能量传递低下的问题。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述热力射流刮刀钻头装置包括：

本体，所述本体上设置有热力射流单元和与所述热力射流单元相连通的反应腔，所述热力射流单元包括：在所述本体内开设的贯穿孔、设置在所述贯穿孔内的第一弹簧、与所述第一弹簧相抵的第一伸缩管、设置在所述第一伸缩管内的第二弹簧以及第二伸缩管，所述第一弹簧的上端能与所述本体相固定，所述第二弹簧与所述第二伸缩管相连接，所述第二伸缩管能在所述第一伸缩管中滑动以使所述第二伸缩管的下端伸出所述贯穿孔，所述反应腔用于生成热力射流流体，并将所述热力射流流体输送给所述热力射流单元；所述本体上还具有切削齿；所述热力射流单元为多个，所述本体沿竖直方向具有轴线，所述热力射流单元绕所述本体的轴线呈周向分布；所述贯穿孔包括第一段孔洞和与所述第一段孔洞相连接的第二段孔洞，所述第一段孔洞和与所述第二段孔洞之间形成台阶；

与反应腔相连接的热力射流点火单元，所述热力射流点火单元用于对反应腔进行点火。

2.根据权利要求1所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述第一段孔洞内的上端设置有压紧螺母，所述压紧螺母能与所述第一弹簧的上端相抵。

3.根据权利要求2所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述第一伸缩管设置在所述第一段孔洞中，所述第一伸缩管的下端能与所述台阶相抵触，所述第一伸缩管能在所述第一段孔洞中滑动。

4.根据权利要求1所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，至少部分所述第二伸缩管位于所述第一伸缩管中，至少部分所述第二伸缩管穿设在所述贯穿孔的第二段孔洞中。

5.根据权利要求1所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述热力射流单元中的所述第二伸缩管与所述本体的轴线具有预设角度。

6.根据权利要求1所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述热力射流刮刀钻头装置还包括：用于驱动本体进行旋转的刮刀钻头驱动电机；用于连接所述本体与所述刮刀钻头驱动电机的联轴器。

7.根据权利要求1所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述本体内开设有水冷流道，所述本体的下端在所述水冷流道的出口处设置有水眼喷嘴。

8.根据权利要求7所述的热力射流刮刀钻头装置，其特征在于，所述水冷流道位于所述热力射流单元的外侧，所述水眼喷嘴位于所述贯穿孔的外侧。