CN109577864A

CN109577864A - 一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头

Info

Publication number: CN109577864A
Application number: CN201810711635.0A
Authority: CN
Inventors: 祝效华; 罗云旭
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2038-07-03
Also published as: CN109577864B

Abstract

本发明涉及一种用于带电缆连续管等离子体电脉冲‑机械复合破岩钻井钻头。所述连续管高压电脉冲‑机械复合钻井用电极钻头的结构包括同轴电缆、上接头、绝缘体Ⅰ、传动键、钻头套体、绝缘体Ⅱ、低电压接地电极和高电压中心电极等组成。该钻头将传统破岩钻头与电极钻头结合起来，既能用于钻直井，也可用于钻定向井（包括水平井），将高压电脉冲钻井与连续管钻井结合起来，下放电缆方便；同时，还具有破岩效率高、井壁质量好、深井钻进成本低等优点。

Description

一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气钻采开发过程中的一种高效破岩钻井钻头，尤指一种用于带电缆连续管高压电脉冲-机械复合钻井的电极钻头。

背景技术

石油钻井钻头是石油及天然气勘探勘探开发领域的基础而重要的工具，同时钻头的破岩钻井效率影响着油气资源开发的成本与周期。传统的钻头在钻井高温高压的深井、超深井时，具有钻探效率低、施工难度大、钻井费用高等缺点。因此，研究新的高效破岩钻井技术和与之匹配的高效破岩钻头势在必行。

就传统的钻井方法，钻头钻井破岩的主动力为钻头与岩石之间的相互机械作用。如PDC钻头破岩机理为PDC齿与岩石之间的刮挤剪切作用；对于牙轮钻头（单牙轮钻头除外），其破碎岩石的主动力为钻头对岩石的冲击压碎作用；而对于孕镶钻头，其破岩方式为磨削破岩方式。另外，牙轮钻头可通过超顶、复锥和移轴等技术实现挤剪切破岩。此外，还可以改变钻头与岩石间的载荷作用以达到高效破岩的目的：如冲击破岩钻井、扭转冲击破岩钻井等钻井破岩方法。这些方法虽然能起到一定的破岩提速的作用，但是由于钻头破碎岩石的机理使得岩石破碎效率存在一定的限制。因此，出现了一些非传统的机械接触式的钻井破岩方法。

其中，高压电脉冲破岩钻进利用电脉冲破碎，电脉冲放电破岩钻进已经被很多国家证实其可行性。这种方法具有破岩效率高、井壁质量好、深井钻进成本低等优点，是目前为止具有潜力、接近工业化的破岩方式。按脉冲放电的所处的介质将其分为两种类型：即电脉冲破岩和液电破岩。电脉冲破岩的原理为：高压短脉冲放电电压下（电压上升时间<500ns），岩石的击穿场强小于液体介质（如电导率小于300us/cm的水或油），放电等离子体通道在岩石内部形成；等离子通道形成后，高压电脉冲电源中的能量释放到等离子体通道中，并对通道加热（可达10⁴K）；等离子体通道受热膨胀，产生冲击应力波(可达10⁹~10¹⁰Pa)并对周围岩石做功，使得岩石内部产生“内伤”；当冲击应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏。而当放电等离子体产生在液体介质时，会在液体介质中产生放电的压力波；同时液体介质会产生气泡，气泡的溃灭会产生另一部分的压力波。这两部分的机械压力波作用在岩石上，当这部分机械压力波超过岩石的自身强度时，岩石就发生破坏，这就是液电破岩。

目前，俄罗斯、欧盟、日本和美国等国家和地区都对等离子体钻井技术进行了研究和开发。2007年英国的Strathclyde大学提出了一种高压脉冲等离子体钻井方法。这种方法实现了钻井液的循环，并可以实现浅直井。当钻井深度过大时，用这种方法钻井容易致使井壁垮塌，同时井眼轨迹容易偏斜。针对上述问题2012年国内浙江大学闫克平等人提出一种脉冲等离子体钻井系统。这种钻机系统保留了传统的钻柱旋转特性，因此能够很好地保证所钻直井的井壁质量，同时能够保证更深的钻井深度。当今钻井行业为了追求更高的油气采收率，对于定向井（包括水平井）的要求也日益增加。这种方法只能钻直井，因此在一定程度上具有局限性。

将传统的机械破岩方法与电脉冲破岩方法结合起来是一种很好的破岩提速思路。其中，现有的连续管钻井技术结合电脉冲破岩钻井技术能够很好的发挥和继承电脉冲破岩和机械作用破岩各自的特性和优势，提高破岩钻井的效率。因此，需要设计和构思适用于这种连续管高压电脉冲-机械复合钻井方法的特殊的电极钻头。

发明内容

基于以上工程背景,本发明提供了一种用于带缆连续管高压电脉冲-机械复合钻井的电极钻头。这种电极钻头基于连续管高压电脉冲-机械复合钻井方法：其破岩原理采用电脉冲破岩方法，破碎岩石的主动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波，机械旋转钻进运动起辅助破岩作用。这种方法将高压电脉冲钻井与连续管钻井相结合，电缆下放方便；将传统旋转钻井破岩与高压电脉冲钻井破岩相结合，破岩效率大大提高；将电极钻头与井下动力钻具相结合，适用于钻各种类型的井（直井、定向井等），更符合石油钻井发展的趋势；此外，无论是地层水，还是用于平衡井底压力、携带岩屑的钻井液，均为高压电脉冲钻井技术提供了良好的液体条件。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头。所述电极钻头包括：同轴电缆、上接头、绝缘体Ⅰ、传动键、钻头套体、绝缘体Ⅱ、低电压接地电极和高电压中心电极等组成；在电极钻头中，同轴电缆经绝缘体Ⅰ密封于传动键的轴心部；上接头与上部钻柱螺纹连接，中心通道用于钻井液的流通和同轴电缆的通过；上接头与钻头套体固连（螺栓连接、螺纹连接或者焊接）；绝缘体Ⅰ位于钻头套体的上部凹槽中，用于隔绝上接头、传动键与钻头套体间的电力传导；传动键上部安装于钻头套体与绝缘体Ⅰ共同形成上部凹槽中，中部插于绝缘体Ⅱ的中心孔，下部与高电压中心电极固连（螺纹连接或者焊接）；传动键用于传递一部分扭矩到高电压中心电极，其中心孔用于安装同轴电缆；钻头套体上部与上接头固连，下部与低电压接地电极螺纹连接，上部凹槽用于填充绝缘体Ⅰ并安装传动键，中部的通道用于安装绝缘体Ⅱ；钻头套体内有用于流通钻井液的套体钻井液流道；绝缘体Ⅱ安装于钻头套体内部，并通过低电压接地电极的内台阶和高电压中心电极的颈部轴向定位，其用于隔绝低电压接地电极（或钻头套体）与高电压中心电极（或传动键）之间的电力传导；低电压接地电极上部与钻头套体螺纹连接，其上有若干个用于流通钻井液的电极钻井液流孔；高电压中心电极上部与传动键固连（螺纹连接或者焊接）；高电压中心电极下部外表面、低电压接地电极下部内侧面孕镶有电极孕镶齿，钻头套体与低电压接地电极外表面敷焊有侧向保径及规整齿。

在所述的连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头中，上接头内腔、钻头套体上的套体钻井液流道和低电压接地电极上的电极钻井液流孔构成了钻井液的内流路径；电极钻头外壁与已经成形的钻井液形成了钻井液的外流路径；内流路径和外流路径构成了钻井液的循环通道。同轴电缆的同轴电缆高电压线引出与传动键连接，高压电经传动键传到高电压中心电极；同轴电缆的同轴电缆低电压线经传动键侧边小孔引出，穿过绝缘体Ⅱ后与低电压接地电极相连接。钻头套体上部具有用于填充绝缘体Ⅰ并安装传动键124的凹槽，中心有用于安装绝缘体Ⅱ的内圆弧面；钻头套体内有用于流通钻井液的套体钻井液流道，套体钻井液流道与一部分用于安装绝缘体Ⅱ的内圆弧面相贯；套体钻井液流道可为矩形或圆形截面。低电压接地电极127有用于轴向定位绝缘体Ⅱ的内孔台阶，在内孔台阶的周围沿圆周方向均布有4~8个用于流通钻井液的电极钻井液流孔。

与现有钻井钻头相比,本发明具有以下特点和优势：

1）电极钻头用于连续管钻井场合，工况合适，电缆下放方便；

2）传统旋转钻井破岩与高压电脉冲钻井破岩相结合，技术传承性好，钻井效率提高2-3倍；

3）将电极钻头与井下动力钻具相结合，可钻各种类型的井（直井、定向井等），更符合石油钻井发展的趋势；

4）无论是地层水，还是用于平衡井底压力、携带岩屑的钻井液，均为高压电脉冲钻井技术提供了良好的液体条件。

附图说明

图1为等离子体电脉冲应力波-机械复合破岩方法钻直井示意图；

图2为连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头结构示意图Ⅰ；

图3为连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头结构示意图Ⅱ；

图4为高电压脉冲电极钻头工作原理图；

图5为传动键结构示意图；

图6为钻头套体结构示意图；

图7为低电压接地电极结构示意图。

图1中：1.地面电源及控制设备；2.连续管滚筒；3.去离子泵及其泥浆净化系统；4.电缆；5.液压管线；6.连续管注入头；7.井架；8.带电缆连续管；9. 功率放大及电脉冲发生器；10.连续管连接头；11.井下动力钻具；12.电极钻头。

图2~图3中：121.同轴电缆；122.上接头；123.绝缘体Ⅰ；124.传动键；125.钻头套体；126.绝缘体Ⅱ；127.低电压接地电极；128.高电压中心电极；12-C.同轴电缆低电压线；12-D.同轴电缆高电压线；12-E.电极孕镶齿；12-F.侧向保径及规整齿；12-G.套体钻井液流道；12-H.电极钻井液流孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施。因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图描述本发明一些实施例的连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头。

图1为连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法钻直井的示意图，整个钻井系统包括：地面电源及控制设备1、连续管滚筒2、去离子泵及其泥浆净化系统3、电缆4、液压管线5、连续管注入头6、井架7、带电缆连续管8、功率放大及电脉冲发生器9、连续管连接头10、井下动力钻具11和电极钻头12等组成。

本发明主要针对所述连续管高压电脉冲-机械复合钻井方法用的电极钻头12，如图2和图3所示，包括：同轴电缆121、上接头122、绝缘体Ⅰ123、传动键124、钻头套体125、绝缘体Ⅱ126、低电压接地电极127和高电压中心电极128等组成；所述同轴电缆121经所述绝缘体Ⅰ123密封于所述传动键124轴心部；所述上接头122与上部钻柱螺纹连接，中心通道用于钻井液的流通和所述同轴电缆121的通过；所述上接头122与所述钻头套体125螺纹连接；所述绝缘体Ⅰ123位于所述钻头套体125的上部凹槽中，用于隔绝所述上接头122、所述传动键124与所述钻头套体125间的电力传导；所述传动键124上部安装于所述钻头套体125与所述绝缘体Ⅰ123共同形成上部凹槽中，中部插于所述绝缘体Ⅱ126的中心孔，下部与所述高电压中心电极128焊接；所述传动键124用于传递一部分扭矩到所述高电压中心电极128，其中心孔用于安装所述同轴电缆121；所述钻头套体125上部与所述上接头122固连，下部与所述低电压接地电极127螺纹连接，上部凹槽用于填充所述绝缘体Ⅰ123并安装所述传动键124，中部的通道用于安装所述绝缘体Ⅱ126；所述钻头套体125内有用于流通钻井液的套体钻井液流道12-G；所述绝缘体Ⅱ126安装于所述钻头套体125内部，并通过所述低电压接地电极127的内台阶和所述高电压中心电极128的颈部轴向定位，其用于隔绝所述低电压接地电极127（或所述钻头套体125）与所述高电压中心电极128（或所述传动键124）之间的电力传导；所述低电压接地电极127上部与所述钻头套体125螺纹连接，其上有若干个用于流通钻井液的电极钻井液流孔12-H；所述高电压中心电极128上部与所述传动键124固连螺纹连接；所述高电压中心电极128下部外表面、所述低电压接地电极127下部内侧面孕镶有电极孕镶齿12-E，所述钻头套体125与低电压接地电极127外表面敷焊有侧向保径及规整齿12-F。

在整个所述电极钻头12中，所述上接头122内腔、所述钻头套体125上的所述套体钻井液流道12-G和所述低电压接地电极127上的所述电极钻井液流孔12-H构成了钻井液的内流路径；所述电极钻头12外壁与已经成形的钻井液形成了钻井液的外流路径；内流路径和外流路径构成了钻井液的循环通道。所述同轴电缆121的同轴电缆高电压线12-D引出与所述传动键124连接，高压电经传动键124传到高电压中心电极128；所述同轴电缆121的同轴电缆低电压线12-C经所述传动键124侧边小孔引出，穿过所述绝缘体Ⅱ126后与所述低电压接地电极127相连接。所述钻头套体125上部具有用于填充所述绝缘体Ⅰ123并安装所述传动键124的凹槽，中心有用于安装所述绝缘体Ⅱ126的内圆弧面；所述钻头套体125内有用于流通钻井液的套体钻井液流道12-G，所述套体钻井液流道12-G与一部分用于安装所述绝缘体Ⅱ126的内圆弧面相贯；所述套体钻井液流道12-G为矩形截面。所述低电压接地电极127有用于轴向定位所述绝缘体Ⅱ126的内孔台阶，在内孔台阶的周围沿圆周方向均布有4个用于流通钻井液的电极钻井液流孔12-H。

所述电极钻头12的工作原理如图4所示，其破岩原理分为电脉冲破岩与机械破岩两部分。电脉冲破岩过程为：首先，所述低电压接地电极127与所述高电压中心电极128构成分别与井底岩石接触，如图4（a）中所示。然后，电流经所述地面电源1、所述电缆4、所述带电缆连续管8传到所述功率放大及电脉冲发生器9，所述功率放大及电脉冲发生器9产生的瞬时高电压经过所述连续管接头10达到所述低电压接地电极127与所述高电压中心电极128两端。高压短脉冲放电电压下（电压上升时间<300ns），岩石的击穿场强小于去离子钻井液（电导率小于300us/cm），放电等离子体通道在岩石内部形成，如图4（b）所示。等离子通道形成后，高压电脉冲电源中的能量释放到等离子体通道中，并对通道加热（可达10⁴K）；等离子体通道受热膨胀，产生冲击应力波(可达10⁹~10¹⁰Pa)并对周围岩石做功，使得岩石内部产生“内伤”；当冲击应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏，如图4（c）所示。同时，破坏后的岩石经过钻头的机械旋转破岩运动的辅助，在钻井液的压力作用下，上排出井底，使得新形成的井底岩石面与所述低电压接地电极127与所述高电压中心电极128充分接触，完成新一轮的破岩工作。

与传统的破岩方式不同，破碎岩石的主动力来源于高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波；机械旋转钻进运动在这种钻井方法中的主要作用为辅助破岩。机械旋转的辅助破岩作用主要体现在：旋转的电极孕镶齿12-E能不断暴露新的岩石出露面，充分增加电极钻头与岩石的接触，也能保证破碎的岩屑尽快运移出井底；旋转运动配合所述侧向保径及规整齿12-F能保证井径大小，规整井壁，对井壁进行加固。在钻直井时，旋转运动能有效地校正钻进方向，防止井眼歪斜；在钻定向井时，机械旋转钻井配合导向工具能更有效地控制井眼轨迹方向。

Claims

1.一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头，其特征在于，所述的电极钻头12包括：同轴电缆121、上接头122、绝缘体Ⅰ123、传动键124、钻头套体125、绝缘体Ⅱ126、低电压接地电极127和高电压中心电极128等组成；所述同轴电缆121经所述绝缘体Ⅰ123密封于所述传动键124轴心部；所述上接头122与上部钻柱螺纹连接，中心通道用于钻井液的流通和所述同轴电缆121的通过；所述上接头122与所述钻头套体125固连（螺栓连接、螺纹连接或者焊接）；所述绝缘体Ⅰ123位于所述钻头套体125的上部凹槽中，用于隔绝所述上接头122、所述传动键124与所述钻头套体125间的电力传导；所述传动键124上部安装于所述钻头套体125与所述绝缘体Ⅰ123共同形成上部凹槽中，中部插于所述绝缘体Ⅱ126的中心孔，下部与所述高电压中心电极128固连（螺纹连接或者焊接）；所述传动键124用于传递一部分扭矩到所述高电压中心电极128，其中心孔用于安装所述同轴电缆121；所述钻头套体125上部与所述上接头122固连，下部与所述低电压接地电极127螺纹连接，上部凹槽用于填充所述绝缘体Ⅰ123并安装所述传动键124，中部的通道用于安装所述绝缘体Ⅱ126；所述钻头套体125内有用于流通钻井液的套体钻井液流道12-G；所述绝缘体Ⅱ126安装于所述钻头套体125内部，并通过所述低电压接地电极127的内台阶和所述高电压中心电极128的颈部轴向定位，其用于隔绝所述低电压接地电极127（或所述钻头套体125）与所述高电压中心电极128（或所述传动键124）之间的电力传导；所述低电压接地电极127上部与所述钻头套体125螺纹连接，其上有若干个用于流通钻井液的电极钻井液流孔12-H；所述高电压中心电极128上部与所述传动键124固连（螺纹连接或者焊接）；所述高电压中心电极128下部外表面、所述低电压接地电极127下部内侧面孕镶有电极孕镶齿12-E，所述钻头套体125与低电压接地电极127外表面敷焊有侧向保径及规整齿12-F。

2.根据权利要求1所述的一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头，其特征在于，所述上接头122内腔、所述钻头套体125上的所述套体钻井液流道12-G和所述低电压接地电极127上的所述电极钻井液流孔12-H构成了钻井液的内流路径；所述电极钻头12外壁与已经成形的钻井液形成了钻井液的外流路径；内流路径和外流路径构成了钻井液的循环通道。

3.根据权利要求1所述的一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头，其特征在于，所述同轴电缆121的同轴电缆高电压线12-D引出与所述传动键124连接，高压电经传动键124传到高电压中心电极128；所述同轴电缆121的同轴电缆低电压线12-C经所述传动键124侧边小孔引出，穿过所述绝缘体Ⅱ126后与所述低电压接地电极127相连接。

4.根据权利要求1所述的一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头，其特征在于，所述钻头套体125上部具有用于填充所述绝缘体Ⅰ123并安装所述传动键124的凹槽，中心有用于安装所述绝缘体Ⅱ126的内圆弧面；所述钻头套体125内有用于流通钻井液的套体钻井液流道12-G，所述套体钻井液流道12-G与一部分用于安装所述绝缘体Ⅱ126的内圆弧面相贯；所述套体钻井液流道12-G可为矩形或圆形截面。

5.根据权利要求1所述的一种连续管高压电脉冲-机械复合钻井用电极钻头，其特征在于，所述低电压接地电极127有用于轴向定位所述绝缘体Ⅱ126的内孔台阶，在内孔台阶的周围沿圆周方向均布有4~8个用于流通钻井液的电极钻井液流孔12-H。