CN112523685A - 一种微波破岩钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波破岩钻井装置，包括集成钻头组件、微波发生组件和射水除尘组件；所述集成钻头组件包括钻头本体、刀盘和切削齿，所述刀盘和所述切削齿设置于所述钻头本体上；所述微波发生组件包括微波发射孔，所述微波发射孔位于所述钻头本体上并与外界连通；所述射水除尘组件包括射水孔，所述射水孔位于所述钻头本体上并与外界连通。一方面，当遇到硬岩钻探时，利用微波发生组件对岩石进行微波作用，改变岩石温度场软化岩石，降低了岩石强度，减少了钻头磨损，提高了破岩效率；另一方面，通过射水清洁系统有效解决泥浆灰尘等对于微波发射孔的影响，可以起到降低钻头温度的作用，增强岩石吸波能力，增大微波作用效果，提升效率，减少损耗。

Description

一种微波破岩钻井装置

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种钻井破岩装置，具体是一种利用微波软化岩石辅助进行破岩的钻井装置。

背景技术

钻井是指利用机械设备或人力从地面将地层钻成孔眼的工作过程。通常应用于勘探或开发石油、天然气等液态和气态矿产而钻凿井眼及大直径供水井等工程，在国民经济建设中的应用极为广泛。目前，常用的钻井方式分为顿钻和旋转钻。

顿钻又称冲击钻，由动力驱动装置带动钢丝绳和钻头产生上下冲击作用，达到破岩效果，此种方式存在钻速慢和效率低等缺点，不能适应深地钻探和复杂地层的钻探要求。旋转钻的工作原理是使钻头在一定的轴向压力(钻压)下旋转，将岩石切削或碾压成碎屑，与冲击钻井法相比可大幅度提高钻井效率及适应各种复杂的井下地层情况，已成为当前主流钻井方法，但缺点是当岩石硬度高时，破岩快慢会很大程度取决于钻头本身材质的硬度，针对高硬度岩石破岩时钻井设备因刀盘磨损而缺乏经济上的竞争力，或由于岩石硬度和维修量增加而没有发挥充分的生产能力。

业界主流的两个钻井方式都在一定程度上存在难以突破的瓶颈，进而导致钻井成本高和钻井效率低等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微波破岩钻井装置，能够同时完成搅拌和注射操作，具有操作方便和充胶效率高等优点。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种微波破岩钻井装置，包括：

集成钻头组件，所述集成钻头组件包括钻头本体、刀盘和切削齿，所述刀盘和所述切削齿设置于所述钻头本体上；

微波发生组件，所述微波发生组件包括微波发射孔，所述微波发射孔位于所述钻头本体上并与外界连通；

射水除尘组件，所述射水除尘组件包括射水孔，所述射水孔位于所述钻头本体上并与外界连通。

与现有技术相比，本技术方案的有益效果是：一方面，当遇到硬岩钻探时，利用微波发生组件对岩石进行微波作用，改变岩石温度场软化岩石，降低了岩石强度，减少了钻头磨损，提高了破岩效率；另一方面，通过射水清洁系统有效解决泥浆灰尘等对于微波发射孔的影响，可以起到降低钻头温度的作用，同时增强岩石吸波能力，增大微波作用效果，提升效率，减少了钻具损耗。

进一步地，所述钻头本体的横截面为圆形，所述刀盘设置有若干个，若干所述刀盘沿周向等距设置于所述钻头本体上，所述切削齿设置于所述刀盘上；

所述微波发射孔设置有若干个，若干所述微波发射孔沿周向等距设置于所述钻头本体上，单个所述微波发射孔位于相邻两个所述刀盘之间；

所述射水孔设置有若干个，若干所述射水孔沿周向等距设置于所述钻头本体上，单个所述射水孔位于相邻两个所述刀盘之间。

采用上述方案的有益效果是：刀盘设置有若干个，能够提高钻井效率；微波发射孔设置有若干个，能够提高软化效率；射水孔设置有若干个，能够提高清理和降温效率。

进一步地，所述微波发射孔与所述钻头本体横截面的圆心之间的距离大于所述射水孔与所述钻头本体横截面的圆心之间的距离。

采用上述方案的有益效果是：简而言之，即是微波发射孔更远离中心，而射水孔更接近中心，如此结构能够进一步提高射水孔的清理和降温效果。

进一步地，所述刀盘、所述微波发射孔和所述射水孔分别设置有三个。

采用上述方案的有益效果是：具有结构合理的优点，同时兼顾了清理降温效果。

进一步地，所述微波发生组件还包括微波源、波导管、环形器、水负载以及微波发射棒；

所述微波源通过所述波导管与所述环形器相连接，所述环形器通过所述波导管与所述微波发射棒相连接，所述微波发射棒与所述微波发射孔相连通；所述水负载与所述环形器相连接。

采用上述方案的有益效果是：通过微波源、波导管、环形器、水负载以及微波发射棒等设备发出微波。

进一步地，所述微波源、所述环形器和所述水负载集成设置成一微波发生设备，所述微波发射棒位于所述微波发生组件上，所述微波发生设备与所述微波发射棒之间通过所述波导管相连接。

采用上述方案的有益效果是：将微波源、环形器和水负载一体化设置，形成一个独立的微波发生设备，使得本装置的各个部分实现模块化。

进一步地，所述微波发生设备与所述微波发射棒之间的所述微波发射棒包括内导体、外导体以及微波发射头，所述外导体同轴套设于所述内导体的外侧，所述微波发射头位于远离所述波导管的一端；

所述微波发射头和所述微波发射孔之间设置有玻璃钢。

采用上述方案的有益效果是：通过玻璃钢对微波发射棒上的微波发射头起到隔绝和保护作用。

进一步地，所述射水除尘组件还包括水箱、水压控制器、流量计、转换接头以及水管；

所述水箱通过所述水管与所述水压控制器相连通过，所述水压控制器通过所述水管与所述流量计相连通，所述流量计通过所述水管所述转换接头相连通，所述转换接头与所述射水孔相连通。

采用上述方案的有益效果是：通过上述组件提供喷射状的水，以实现清理和降温等功能。

进一步地，所述水箱、所述水压控制器、所述流量计以及所述转换接头集成设置成一射水除尘设备，所述射水除尘设备与所述射水孔之间通过水管相连通。

采用上述方案的有益效果是：将水箱、水压控制器、流量计以及转换接头一体化设置，形成一个独立的射水除尘设备，使得本装置的各个部分实现模块化。

进一步地，所述集成钻头组件还包括钻杆，所述钻头本体、所述刀盘和所述切削齿设置于所述钻杆上且位于所述钻杆的下端；所述钻杆通过一钻井支架设置于钻井内。

采用上述方案的有益效果是：将钻头本体、所述刀盘和切削齿等部件通过钻杆一体化设置，形成一个独立的集成钻头组件，使得本装置的各个部分实现模块化。

附图说明

图1是本发明一种微波破岩钻井装置的整体示意图。

图2是本发明一种微波破岩钻井装置中钻头本体的示意图。

图3是本发明一种微波破岩钻井装置中钻头本体的俯视图。

图4是本发明一种微波破岩钻井装置中钻头本体的截面图。

图5是本发明一种微波破岩钻井装置中微波发生组件的示意图。

图6是本发明一种微波破岩钻井装置中射水除尘组件的示意图。

图中，各标号所代表的部件列表如下：

集成钻头组件1、微波发生组件2、射水除尘组件3、钻井支架4；

钻头本体101、刀盘102、切削齿103、钻杆104；

微波发射孔201、微波源202、波导管203、环形器204、水负载205、微波发射棒206、玻璃钢207；

射水孔301、水箱302、水压控制器303、流量计304、转换接头305、水管306。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

现有技术中，业界主流的两个钻井方式为顿钻和旋转钻，虽说此两种钻井方式都能够实现基本的钻井功能，但都在一定程度上存在难以突破的瓶颈，导致钻井成本高和钻井效率低等问题。

微波作用通过被作用物体分子间激烈的摩擦产生热量，使得被作用物体整体温度升高，且升温速率快进而软化岩体，还具有体加热、选择性加热、无二次污染等优点而有望被用于工程岩体破碎领域，用以突破传统机械破岩的瓶颈，并已被证明在该领域技术上和经济上的可行性。因此，提出一种基于微波破岩的钻井原理与装置，该装置可以减小钻头的磨损，降低了钻井成本，提高了钻井工作效率。本发明基于微波对现有技术中的钻井装置进行改良。

如图1所示，为了解决现有技术中的钻井成本高和钻井效率低等问题，本发明提供一种微波破岩钻井装置，包括集成钻头组件1、微波发生组件2和射水除尘组件3。在本装置中，集成钻头组件1主要承担钻井工作，微波发生组件2的作用在于提供微波软化岩石，而射水除尘组件3则用于清除钻井过程中所产生的岩石碎屑。

所述集成钻头组件1包括钻头本体101、刀盘102和切削齿103，所述刀盘102和所述切削齿103设置于所述钻头本体101上；具体地，所述钻头本体101为PDC钻头体；所述微波发生组件2包括微波发射孔201，所述微波发射孔201位于所述钻头本体101上并与外界连通；所述射水除尘组件3包括射水孔301，所述射水孔301位于所述钻头本体101上并与外界连通。

现有技术中的钻头磨损大、钻井成本高和钻井工作效率低等问题，其一个重要影响因素是岩石强度过大，如何降低岩石强度，并解决岩石强度大所带来的后续影响，是解决上述问题的关键。

本发明基于上述技术方案，利用不同矿物的吸波能力不同，在微波作用下升温迅速，产生温度梯度，岩层裂缝生长发育，且高温下岩石中矿物融化或发生化学反应，以达到岩石软化的目的。在旋转钻机破岩的同时，辅助以微波作用，在对硬岩软化之后，对其进行切削，可以同时达到提高破岩速率和减少机械损耗的目的。

一方面，当遇到硬岩钻探时，利用微波发生组件2对岩石进行微波作用，改变岩石温度场软化岩石，降低了岩石强度，减少了钻头磨损，提高了破岩效率；另一方面，通过射水清洁系统有效解决泥浆灰尘等对于微波发射孔201的影响，可以起到降低钻头温度的作用，同时增强岩石吸波能力，增大微波作用效果，提升效率，减少了钻具损耗。

如图2所示，优选地，所述钻头本体101的横截面为圆形，所述刀盘102设置有若干个，若干所述刀盘102沿周向等距设置于所述钻头本体101上，所述切削齿103设置于所述刀盘102上；所述微波发射孔201设置有若干个，若干所述微波发射孔201沿周向等距设置于所述钻头本体101上，单个所述微波发射孔201位于相邻两个所述刀盘102之间；所述射水孔301设置有若干个，若干所述射水孔301沿周向等距设置于所述钻头本体101上，单个所述射水孔301位于相邻两个所述刀盘102之间。

简单地说，刀盘102、微波发射孔201和射水孔301都是按照中心对称的方式设置于钻头本体101的横截面的，其对称中心为横截面的圆心。这样的结构设计更加合理，而且，相比于单个设置，刀盘102设置有若干个，能够提高钻井效率；微波发射孔201设置有若干个，能够提高软化效率；射水孔301设置有若干个，能够提高清理和降温效率。

如图3所示，优选地，所述微波发射孔201与所述钻头本体101横截面的圆心之间的距离大于所述射水孔301与所述钻头本体101横截面的圆心之间的距离。

简而言之，即是微波发射孔201更远离中心，而射水孔301更接近中心。多个微波发射孔201之间的圆滑连线能够形成一个闭合的圆，同样地，多个射水孔301之间的圆滑连线也能够形成一个闭合的圆。微波发射孔201所组成的圆与射水孔301所组成的圆是同心圆，而且微波发射孔201所组成的圆在射水孔301所组成的圆以外。

如此结构，射水孔301位于更加中心的位置，能够进一步提高射水孔301的清理和降温效果。高压水柱从射水孔301处射出后，会撞击在岩石上，出现喷溅状的水花四向散开，能够更好地将堆积在钻头本体101中轴线处的岩石碎屑清理出来。

具体地，所述刀盘102、所述微波发射孔201和所述射水孔301分别设置有三个。具有结构合理的优点，同时兼顾了清理降温效果。

如图5所示，所述微波发生组件2还包括微波源202、波导管203、环形器204、水负载205以及微波发射棒206。所述微波源202通过所述波导管203与所述环形器204相连接，所述环形器204通过所述波导管203与所述微波发射棒206相连接，所述微波发射棒206与所述微波发射孔201相连通；所述水负载205与所述环形器204相连接。通过微波源202、波导管203、环形器204、水负载205以及微波发射棒206等设备发出微波。

所述微波发生设备与所述微波发射棒206之间的所述微波发射棒206包括内导体、外导体以及微波发射头，所述外导体同轴套设于所述内导体的外侧，所述微波发射头位于远离所述波导管203的一端。如图4所示，所述微波发射头和所述微波发射孔201之间设置有玻璃钢207，所述玻璃钢207为石英结构。通过玻璃钢207对微波发射棒206上的微波发射头起到隔绝和保护作用；同时，石英材料具有透波的特性，保证微波发射的有效性。

如图6所示，所述射水除尘组件3还包括水箱302、水压控制器303、流量计304、转换接头305以及水管306；所述水箱302通过所述水管306与所述水压控制器303相连通过，所述水压控制器303通过所述水管306与所述流量计304相连通，所述流量计304通过所述水管306所述转换接头305相连通，所述转换接头305与所述射水孔301相连通。通过上述组件提供喷射状的高压水柱，以实现清理和降温等功能。

本装置中的集成钻头组件1、微波发生组件2和射水除尘组件3均采用模块化设置。

结合图1和图5，所述微波源202、所述环形器204和所述水负载205集成设置成一微波发生设备，所述微波发射棒206位于所述微波发生组件2上，所述微波发生设备与所述微波发射棒206之间通过所述波导管203相连接。将微波源202、环形器204和水负载205一体化设置，形成一个独立的微波发生设备，使得本装置的各个部分实现模块化。

所述水箱302、所述水压控制器303、所述流量计304以及所述转换接头305集成设置成一射水除尘设备，所述射水除尘设备与所述射水孔301之间通过水管306相连通。将水箱302、水压控制器303、流量计304以及转换接头305一体化设置，形成一个独立的射水除尘设备，使得本装置的各个部分实现模块化。

如图1所示，所述集成钻头组件1还包括钻杆104，所述钻头本体101、所述刀盘102和所述切削齿103设置于所述钻杆104上且位于所述钻杆104的下端；所述钻杆104通过一钻井支架4设置于钻井内。将钻头本体101、所述刀盘102和切削齿103等部件通过钻杆104一体化设置，形成一个独立的集成钻头组件1，使得本装置的各个部分实现模块化。

本发明中的微波破岩钻井装置，包括集成钻头组件1、微波发生组件2和射水除尘组件3。根据PDC钻头的设计原理，三块刀盘102均匀布置在钻头上，微波发射孔201以及射水孔301均匀布置在刀盘102间隙中，钻头内部布置波导管203以及水管306，钻头外通过管道接连微波发生装置与射水除尘装置。

微波发生组件2包括外置的基础微波设备，由微波源202、波导管203、环形器204、水负载205以及微波发射棒206组成。所述微波源202一端与波导管203连接，波导管203将微波传递至水负载205、环形器204，环形器204一端连接微波发射棒206发射微波作用于岩石。其中微波源202由磁控管组成；微波发射棒206由内导体、外导体以及微波发射头组成，微波由内导体引出并由微波发射头引出作用岩石；所述微波发射头材料为石英等透波材料。

本发明中的微波破岩钻井装置，可根据钻探区域岩石的硬度来合理使用其功能，当岩石硬度较小时可仅钻头刀盘102的机械切削作用直接进行破岩；当岩石硬度较大时，可以打开微波发生装置对硬岩进行微波加热软化的同时，配合钻具的机械切削作用一同进行破岩钻进作业；当岩石硬度极大，钻具难以破岩推进严重影响其工作效率时，可以停止钻头作业，打开微波发射装置，对于硬岩进行微波作用，快速降低岩石的力学性能，再启用钻具进行破岩。

射水除尘装置由水箱302、水压控制器303、流量计304以及水管306组成。所述水箱302通过水管306与水压控制器303连接，水压控制器303通过水管306与流量计304连接，通过流量计304的示数显示，可以对水流压力和流量进行控制。在灰尘较大或者作用面温度较高时，可开启射水装置进行除尘降温，同时可增强岩石吸波能力，增大微波作用效果。

综上所述，本发明提供了一种微波破岩钻井装置，包括集成钻头组件1、微波发生装置和射水除尘装置；微波发生装置主要由微波源202、波导管203、水负载205、环形器204、微波发射棒206组成，利用其产生的微波作用硬岩，改变岩石力学特性，起到软化岩石、辅助破岩的作用；射水除尘装置由水箱302、水压控制器303、流量计304、水管306组成，具有除尘降温、增强岩石吸波能力，加大微波作用效果的功能。在深部岩石钻探破碎过程中，由于岩石的硬度大，容易导致钻头刀具磨损严重，降低作业效率以及钻井成本激增等问题，因而亟需对传统钻井设备进行升级改造，通过引入新型微波辅助破岩装置，利用微波作用的体加热、无需传热介质、升温快以及效率高等优势，作用于硬岩时使岩石强度减弱，可大大提高破岩效率，减少设备磨损，降低钻井成本。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，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，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 (10)

1.一种微波破岩钻井装置，其特征在于，包括：

集成钻头组件，所述集成钻头组件包括钻头本体、刀盘和切削齿，所述刀盘和所述切削齿设置于所述钻头本体上；

微波发生组件，所述微波发生组件包括微波发射孔，所述微波发射孔位于所述钻头本体上并与外界连通；

射水除尘组件，所述射水除尘组件包括射水孔，所述射水孔位于所述钻头本体上并与外界连通。

2.根据权利要求1所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述钻头本体的横截面为圆形，所述刀盘设置有若干个，若干所述刀盘沿周向等距设置于所述钻头本体上，所述切削齿设置于所述刀盘上；

所述微波发射孔设置有若干个，若干所述微波发射孔沿周向等距设置于所述钻头本体上，单个所述微波发射孔位于相邻两个所述刀盘之间；

所述射水孔设置有若干个，若干所述射水孔沿周向等距设置于所述钻头本体上，单个所述射水孔位于相邻两个所述刀盘之间。

3.根据权利要求2所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述微波发射孔与所述钻头本体横截面的圆心之间的距离大于所述射水孔与所述钻头本体横截面的圆心之间的距离。

4.根据权利要求2所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述刀盘、所述微波发射孔和所述射水孔分别设置有三个。

5.根据权利要求1所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述微波发生组件还包括微波源、波导管、环形器、水负载以及微波发射棒；

所述微波源通过所述波导管与所述环形器相连接，所述环形器通过所述波导管与所述微波发射棒相连接，所述微波发射棒与所述微波发射孔相连通；所述水负载与所述环形器相连接。

6.根据权利要求5所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述微波源、所述环形器和所述水负载集成设置成一微波发生设备，所述微波发射棒位于所述微波发生组件上，所述微波发生设备与所述微波发射棒之间通过所述波导管相连接。

7.根据权利要求5所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述微波发生设备与所述微波发射棒之间的所述微波发射棒包括内导体、外导体以及微波发射头，所述外导体同轴套设于所述内导体的外侧，所述微波发射头位于远离所述波导管的一端；

所述微波发射头和所述微波发射孔之间设置有玻璃钢。

8.根据权利要求1所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述射水除尘组件还包括水箱、水压控制器、流量计、转换接头以及水管；

所述水箱通过所述水管与所述水压控制器相连通过，所述水压控制器通过所述水管与所述流量计相连通，所述流量计通过所述水管所述转换接头相连通，所述转换接头与所述射水孔相连通。

9.根据权利要求8所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述水箱、所述水压控制器、所述流量计以及所述转换接头集成设置成一射水除尘设备，所述射水除尘设备与所述射水孔之间通过水管相连通。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种微波破岩钻井装置，其特征在于，所述集成钻头组件还包括钻杆，所述钻头本体、所述刀盘和所述切削齿设置于所述钻杆上且位于所述钻杆的下端；所述钻杆通过一钻井支架设置于钻井内。

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