CN109488206B - 一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置 - Google Patents

一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种爆炸冲击波‑机械钻井破岩装置，主要由钻杆、涡轮发电机组、炸药传输管、导线、钻头、钻井液流道、喷嘴、短节组成；短节由弹簧、挡板、点火装置、爆炸腔室、形状记忆合金壁、楔形通道组成；炸药和空气混合物在爆炸腔室被引爆产生冲击波，冲击波通过不断地反射最终形成平面冲击波，经过喷嘴对岩石造成冲击损伤，受损岩石在钻头的进一步作用下破碎；形状记忆合金壁采用具有超弹性的形状记忆合金，在高温相奥氏体状态下受到冲击波作用产生较大变形，冲击波减弱后自动恢复，避免了短节在爆炸中损坏。本发明通过冲击波损伤岩石，削弱了岩石强度，提高了岩石可钻性，提高了钻速，减少钻头的磨损，降低钻井的成本。

Description

一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置
技术领域
本发明涉及一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置，用于油气资源钻井勘探开采等领域，特别用于深井和超深井领域。
背景技术
随着经济的快速发展，国家对油气资源的需求急剧增加，油气资源的勘探和开采对国家经济发展有着重要的战略意义。我国东部浅层和中深层的油气基本探明，深地层油气开采潜力巨大；中部地区有丰富的天然气，其中一半以上埋藏在深部地层；西部地区的油气有70％分布在深部地层。随着国民经济对油气资源的需求增加，油气资源的供给能力相对不足，为加快我国深部地层油气资源勘探和开发的步伐，我国油气开发的重心逐渐向深井和超深井转移。
然而，我国东西部地区地层条件复杂，岩石的可钻性差，常规钻头在深部地层存在钻头适应性差，钻井时钻头损坏严重，钻井周期长，起下钻频繁等问题，严重影响了深层油气资源的开发。为了解决目前的问题，提出了一种能用于油气开采的爆炸冲击波-机械钻井破岩装置，该装置提高了钻具的机械转速，减小了钻头的磨损，降低了钻井的成本。
发明内容
本发明的主要目的是解决深部地层油气资源开发过程中钻井装置破岩效率低、钻头磨损严重等问题，提供了一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置。
本发明采用的技术方案是：
本发明一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置，主要由钻杆、涡轮发电机组、炸药传输管、导线、钻头、钻井液流道、喷嘴、短节组成；所述短节由弹簧、挡板、点火装置、爆炸腔室、形状记忆合金壁、楔形通道组成，短节上端与钻杆通过锥螺纹连接，下端与钻头通过锥螺纹连接；所述炸药传输管为金属管柱结构，在涡轮发电机组内炸药传输管与钻杆之间通过密封圈连接，密封圈将短节内部的空间与钻井液流道分隔开来；所述钻井液流道在涡轮发电机组内部形成为四个分支通道，四条通道均匀分布在锥螺纹外围区域。
所述形状记忆合金壁是镶嵌在爆炸腔室和楔形通道表面的形状记忆合金；所述爆炸腔室是短节内部的圆柱形空间。
形状记忆合金壁采用适当处理过具有超弹性的形状记忆合金，在高温相奥氏体状态下受到冲击波作用产生较大变形，冲击波减弱后自动恢复，有效地避免短节在爆炸中损坏。
爆炸腔室中的炸药和空气混合物被引爆产生冲击波，冲击波作用在形状记忆合金壁的表面，通过不断地反射最终形成平面冲击波，平面冲击波通过楔形通道发生规则反射汇聚集中，集中后的冲击波经过喷嘴作用在岩石表面，对岩石形成冲击损伤，初步削弱岩石强度，提高岩石可钻性，受损岩石在钻头的进一步作用下破碎。
所述挡板由四个均布在内端面的弹簧连接，在冲击波作用下，弹簧收缩，挡板向上运动关闭炸药传输管，避免了爆炸产生的冲击波扩散到钻杆内部造成钻杆损坏；所述点火装置安装在挡板表面，点火装置所需要的电源由涡轮发电机通过导线传输到点火装置。
所述涡轮发电机组由上直推轴承、涡轮套筒、发电机套筒、变流器、轴承、下直推轴承、支撑块、转子、定子、发电机轴、平键、涡轮叶片组成；所述发电机轴与涡轮套筒通过平键连接；所述涡轮套筒上端与钻杆通过上直推轴承连接，支撑块与钻杆通过下直推轴承连接；所述轴承用于炸药传输管与发电机轴之间的连接。
球形冲击波在爆炸腔室中形成平面波的过程，爆炸源产生的球形冲击波在传播的过程中，波阵面不断地扩大，冲击波与形状记忆合金壁面发生反射，当冲击波的入射角α小于α临界时，冲击波与壁面发生规则反射，反射波朝着腔室轴心线传播，随着冲击波的传播，球形波的波阵面不断地扩大，入射角也随着不断地增大，当入射角α达到α临界时，开始发生马赫反射，形成一个垂直于形状记忆合金壁的新波阵面，这时的入射波不与形状记忆合金壁面接触，所产生的新波被称为马赫杆，这时爆炸腔室中的形状记忆合金壁面出现了压力相等但温度和密度不同的方向相反的马赫反射，在经过一定的传播距离之后形成平面波。
本发明的优点是：1.通过爆炸产生冲击波损伤岩石，削弱了岩石强度，提高了岩石可钻性，提高了钻速，减少钻头的磨损，降低了钻井的成本；2.在钻杆内部的钻井液流道装配一套涡轮发电机，为点火装置提供电源。
附图说明
图1是本发明一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置的结构示意图；
图2是图1的A—A截面图；
图3是涡轮发电机的结构示意图；
图4是冲击波在爆炸腔室中形成平面波的过程。
图中：1.钻杆；2.涡轮发电机组；3.炸药传输管；4.导线；5.弹簧；6.挡板；7.点火装置；8.爆炸腔室；9.形状记忆合金壁；10.楔形通道；11.钻头；12.钻井液流道；13.喷嘴；14.短节；15.密封圈；16.上直推轴承；17.涡轮套筒；18.发电机套筒；19.变流器；20.轴承；21.下直推轴承；22.支撑块；23.转子；24.定子；25.发电机轴；26.平键；27.涡轮；28.内端面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2所示本发明一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置，主要由钻杆1、涡轮发电机组2、炸药传输管3、导线4、钻头11、钻井液流道12、喷嘴13、短节14组成；所述短节14由弹簧5、挡板6、点火装置7、爆炸腔室8、形状记忆合金壁9、楔形通道10组成，短节14上端与钻杆1通过锥螺纹连接，下端与钻头通过锥螺纹连接；所述炸药传输管3为金属管柱结构，在涡轮发电机组2内炸药传输管3与钻杆1之间通过密封圈15连接，密封圈15将短节14内部的空间与钻井液流道12分隔开来；所述钻井液流道12在涡轮发电机组2内部形成为四个分支通道，四条通道均匀分布在锥螺纹外围区域。
所述形状记忆合金壁9是镶嵌在爆炸腔室8和楔形通道10表面的形状记忆合金；所述爆炸腔室8是短节14内部的圆柱形空间。
形状记忆合金壁9采用适当处理过具有超弹性的形状记忆合金，在高温相奥氏体状态下受到冲击波作用产生较大变形，冲击波减弱后自动恢复，有效地避免短节14在爆炸中损坏。
爆炸腔室8中的炸药和空气混合物被引爆产生冲击波，冲击波作用在形状记忆合金壁9的表面，通过不断地反射最终形成平面冲击波，平面冲击波通过楔形通道10发生规则反射汇聚集中，集中后的冲击波经过喷嘴13作用在岩石表面，对岩石形成冲击损伤，初步削弱岩石强度，提高岩石可钻性，受损岩石在钻头11的进一步作用下破碎。
所述挡板6由四个均布在内端面28的弹簧5连接，在冲击波作用下，弹簧5收缩，挡板6向上运动关闭炸药传输管3，避免了爆炸产生的冲击波扩散到钻杆1内部造成钻杆1损坏；所述点火装置7安装在挡板6表面，点火装置7所需要的电源由涡轮发电机2通过导线传输到点火装置7。
如图3所示，所述涡轮发电机组2由上直推轴承16、涡轮套筒17、发电机套筒18、变流器19、轴承20、下直推轴承21、支撑块22、转子23、定子24、发电机轴25、平键26、涡轮叶片27组成；所述发电机轴25与涡轮套筒17通过平键26连接；所述涡轮套筒17上端与钻杆1通过上直推轴承16连接，支撑块22与钻杆1通过下直推轴承21连接；所述轴承20用于炸药传输管3与发电机轴25之间的连接。
如图4所示，球形冲击波在爆炸腔室8中形成平面波的过程，爆炸源产生的球形冲击波在传播的过程中，波阵面不断地扩大，冲击波与形状记忆合金壁面9发生反射，当冲击波的入射角α小于α临界时，冲击波与壁面发生规则反射，反射波朝着腔室轴心线传播，随着冲击波的传播，球形波的波阵面不断地扩大，入射角也随着不断地增大，当入射角α达到α临界时，开始发生马赫反射，形成一个垂直于形状记忆合金壁9的新波阵面，这时的入射波不与形状记忆合金壁面9接触，所产生的新波被称为马赫杆，这时爆炸腔室8中的形状记忆合金壁面9出现了压力相等但温度和密度不同的方向相反的马赫反射，在经过一定的传播距离之后形成平面波。

Claims (2)

1.一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置，主要由钻杆(1)﹑涡轮发电机组(2)、炸药传输管(3)、导线(4)、钻头(11)、钻井液流道(12)、喷嘴(13)、短节(14)组成；所述短节(14)由弹箦(5)、挡板(6)、点火装置(7)﹑爆炸腔室(8)、形状记忆合金壁(9)﹑楔形通道(10)组成，短节(14)上端与钻杆(1)通过锥螺纹连接，下端与钻头通过锥螺纹连接；所述炸药传输管(3)为金属管柱结构，在涡轮发电机组(2)内炸药传输管(3)与钻杆(1)之间通过密封圈(15)连接，密封圈(15)将短节(14)内部的空间与钻井液流道(12)分割开来；所述挡板(6)由四个均布在内端面(28)的弹簧(5)连接，在球形冲击波作用下，弹簧(5)收缩，挡板(6)向上运动关闭炸药传输管(3)，避免了爆炸产生的球形冲击波扩散到钻杆(1)内部造成钻杆(1)损坏；球形冲击波在爆炸腔室(8)中形成平面波的过程，爆炸源产生的球形冲击波在传播的过程中，波阵面不断地扩大，球形冲击波与形状记忆合金壁(9)发生反射，当球形冲击波的入射角α小于α临界时，球形冲击波与壁面发生规则反射，反射波朝着腔室轴心线传播，随着球形冲击波的传播，球形冲击波的波阵面不断地扩大，入射角α也随着不断地增大，当入射角α达到α临界时，开始发生马赫反射，形成一个垂直于形状记忆合金壁(9)的新波阵面，这时的入射波不与形状记忆合金壁(9)接触，所产生的新波被称为马赫杆，这时爆炸腔室(8)中的形状记忆合金壁(9)出现了压力相等但温度和密度不同的方向相反的马赫反射，在经过一定的传播距离之后形成平面波；所述点火装置(7)安装在挡板(6)表面，点火装置(7)所需要的电源由涡轮发电机组(2)通过导线传输到点火装置；所述钻井液流道(12)在涡轮发电机组（2）内部形成为四个分支通道，四条通道均匀分布在锥螺纹外围区域。
2.根据权利要求1所述的一种爆炸冲击波-机械钻井破岩装置，其特征在于：所述形状记忆合金壁(9)是镶嵌在爆炸腔室(8)和楔形通道(10)表面的形状记忆合金；所述爆炸腔室(8)是短节(14)内部的圆柱形空间。
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