CN112983283A - 等离子炬破岩复合钻头和等离子炬破岩复合钻 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子炬破岩复合钻头和等离子炬破岩复合钻，等离子炬破岩复合钻头包括：钻头本体(10)和等离子发生装置(20)；钻头本体(10)的一端为连接部(11)，另一端为钻进部(12)，钻进部(12)形成有多个均布的刀翼(121)；钻头本体(10)内部形成有容纳腔，容纳腔在钻进部(12)具有开口(14)，等离子发生装置(20)设置于容纳腔内；等离子发生装置(20)的喷射口朝向开口(14)，多个均布的刀翼(121)围绕在等离子发生装置(20)的喷射口外侧。通过钻头本体和等离子发生装置的结合，等离子发生装置利用电弧放电产生的等离子体高温射流，预先破环岩石内应力，使岩石硬度降低，裂岩成孔，以便于钻头本体更好的切削破岩。

Description

等离子炬破岩复合钻头和等离子炬破岩复合钻

技术领域

本发明涉及深层钻进领域，具体涉及一种等离子炬破岩复合钻头。

背景技术

随着人类对资源开采的深度和广度的加深，面临日益复杂的地质条件，地层越深，岩石硬度越高，温度和压力也更高，岩石破碎的难度逐渐加大，传统的机械旋转钻井方法基本已经发展到极限状态，效率提升空间很小，在深井、超深井的钻进中，主要表现为钻井速度慢、周期长、成本高和钻头磨损严重等问题。近年来，国内外开始尝试将等离子炬技术应用于石油钻井工程上，经过实验发现等离子炬破岩是一种有很好应用前景的破岩技术，现有的等离子炬破岩技术存在耗能高、熔融后岩石易玻璃化等问题。因此等离子炬技术在深层钻进领域的应用尚不成熟。

为了更好的利用等离子炬技术，亟待提供一种等离子炬破岩复合钻头，提高破岩效率，减低耗能。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子炬破岩复合钻头和等离子炬破岩复合钻，以解决现有技术中钻头破岩效率低、耗能高的问题。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种等离子炬破岩复合钻头，包括：钻头本体和等离子发生装置；

所述钻头本体的一端为连接部，另一端为钻进部，所述钻进部形成有多个均布的刀翼；

所述钻头本体内部形成有容纳腔，所述容纳腔在所述钻进部具有开口，所述等离子发生装置设置于所述容纳腔内，用于产生射流，弱化岩层强度；所述等离子发生装置的喷射口朝向所述开口，所述多个均布的刀翼围绕在所述等离子发生装置的喷射口外侧。

可选地，所述等离子发生装置的喷射口外侧形成有磁场，所述磁场用于控制所述射流的形态和功率。

可选地，所述钻进部具有磁性，所述磁场由所述钻进部形成；

或者，

所述等离子发生装置的喷射口外侧设置有电磁线圈，且所述电磁线圈围绕在所述等离子发生装置的喷射口外侧，所述磁场由所述电磁线圈形成。

可选地，所述开口的外壁上形成有一层耐高温涂层。

可选地，所述等离子发生装置包括：阳极管、阴极、进气环以及封装体；

所述阳极管形成有中心通孔，所述阴极位于所述中心通孔的进气口一侧，并与所述阳极管间隔分布，所述中心通孔的出气口为所述等离子发生装置的喷射口；

所述进气环设置于所述阳极管的进气口外，用于向所述中心通孔输送气体，所述进气环与进气通道连通；

所述封装体将所述阳极管、阴极以及进气环封装在一起。

可选地，所述等离子发生装置还包括设置于所述封装体内的阴极水冷套，所述阴极水冷套与所述阴极连接，用于冷却所述阴极。

可选地，所述进气环形成有中心气室，并与所述封装体内壁形成封闭的缓冲室，所述缓冲室与所述进气通道连通，所述中心气室与所述缓冲室之间开设有多个均布的布气孔，所述中心通孔的进气口通向所述中心气室。

可选地，所述阴极包括铜阴极和嵌在所述铜阴极上的铪阴极；

所述铪阴极位于所述中心通孔的进气口一侧，并与所述阳极管间隔分布，所述铜阴极与所述阴极水冷套连接。

可选地，所述阳极管与所述封装体之间形成有水冷腔，所述水冷腔与进水通道连通，所述封装体上形成有出水口，所述出水口位于所述中心通孔出气口的周围。

本发明另一方面提供一种等离子炬破岩复合钻，包括本发明提供的等离子炬破岩复合钻头，还包括钻杆；

所述钻杆内设置有供电系统和供气系统，所述供电系统与所述等离子发生装置电连接，用于给所述等离子发生装置提供电能，所述供气系统与所述等离子发生装置连接，用于向所述等离子发生装置输送气体。

本发明提供的等离子炬破岩复合钻头，通过将等离子炬破岩技术与传统钻头结合，形成一种新型复合破岩钻头，等离子发生装置利用电弧放电产生的等离子体高温射流，预先破环岩石内应力，使岩石硬度降低，裂岩成孔，以便于钻头本体更好的切削破岩。该等离子炬破岩复合钻头可以更好的进行高温高压深层岩石地层的钻进工作，大大提高了钻深井的效率，降低了钻井成本，有效减少钻头磨损，延长了钻头寿命。

附图说明

图1是本发明一实施方式中等离子体弱化岩石的工作原理示意图；

图2是本发明一实施方式中等离子炬破岩复合钻头的立体示意图；

图3是图2的剖面视图；

图4是本发明一实施方式中等离子发生装置的立体剖切示意图；

图5是图4中等离子发生装置的中心轴剖面示意图；

图6是本发明一实施方式中等离子炬破岩复合钻的示意图；

图7是封装体在中心通孔位置的正视图。

附图标记：

10-钻头本体；11-连接部；12-钻进部；121-刀翼；13-钻头水眼；14-开口；

20-等离子发生装置；21-阳极管；211-中心通孔；22-阴极；221-铜阴极；222-铪阴极；23-进气环；231-中心气室；232-缓冲室；24-封装体；241-水冷腔；242-封装端盖；243-封装套筒；244-绝缘法兰；245-出水口；25-阴极水冷套；251-进水管；252-出水管；

30-钻杆；31-供电系统；32-供气系统；

40-水基钻井液。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

常规意义上的等离子体态是中性气体中产生了相当数量的电离，当气体温度升高到其粒子的热运动动能与气体的电离能可以比拟时，粒子之间通过碰撞就可以产生大量的电离过程。因此，等离子体也通常被理解为导电气体。并非只有完全电离的气体才是等离子体，但需要有足够高电离度的电离气体才具有等离子体性质。

等离子体的产生方法有很多，最重要和最普遍的是气体放电法，简单来讲就是电流通过气体的现象，基本过程都是基于汤生过程，从气体击穿发展到稳定放电，基本工作原理如图1所示，两电极接高压电源(直流或低频)，电极间通入工作气体(可采用的气体有氩气、氮气、空气、水蒸气等)，在电极间会产生放电，形成放电区，由于电离气体的导电性，使电弧能量迅速转移并变成气体的热能，气体与电弧接触而产生的一种高温、离子化和传导性的气体状态，并形成等离子体气流，其是一种高温射流和高强度热源。

本实施方式所涉及的等离子炬破岩技术便是应用了气体放电法，利用阴极与阳极喷嘴形成短路产生电弧，向电极间通入工作气体在压力的作用下向阳极喷嘴的出口运动，当穿过电弧区域时，将电弧从喷嘴的内表面带出；在喷嘴出口处，工作气体在各个方向压缩电弧，使电弧能量集中，形成高热能的等离子体，利用这种高温气体便可以达到破裂高硬度岩石的目的。

基于上述原理，本实施方式提出了一种将等离子炬破岩与传统PDC钻头切削破岩两种方式相结合的高效破岩的复合钻头，其中，等离子炬主要是利用电弧放电的高温等离子射流，通过控制电功率和等离子炬出口与岩石距离，使用合理的射流温度区域，破坏高硬度岩石内应力，以降低岩石强度，裂岩成孔，再配合PDC钻头的切削作用，从而提高坚硬岩石破碎效率，缩短钻井周期，降低钻井成本。

具体地，参阅图1和图2，本实施方式提供的等离子炬破岩复合钻头包括：钻头本体10和等离子发生装置20；所述钻头本体10的一端为连接部11，另一端为钻进部12，所述钻进部12形成有多个刀翼121，较佳地，多个刀翼121均匀分布；所述钻头本体10内部形成有容纳腔，所述容纳腔在所述钻进部12具有开口14，所述等离子发生装置20设置于所述容纳腔内，用于产生能够弱化岩层强度的射流；所述等离子发生装置20的喷射口朝向所述开口14，所述多个均布的刀翼121围绕在所述等离子发生装置20的喷射口外侧。这里所述的“能够弱化岩层强度的射流”是一种高温射流，因此也可以称为高温射流。

工作时，等离子发生装置20随钻头本体10一起旋转，当钻头钻进时，等离子发生装置20中阴阳极通电，并向其中通入高压热水蒸气工质，等离子发生装置20放电产生高温射流，在喷射口喷出。通过控制电功率和喷射口与岩石距离，使用合理的射流温度区域，破坏高硬度岩石内应力，对岩石进行烧蚀破裂，以降低岩石的硬度，接着钻头本体10对强度弱化后的破裂岩石进行二次破碎，极大的提高了破岩效率；有效弥补了钻头钻高硬度岩石难的问题。

本实施方式中的等离子发生装置20只需对岩石进行加热，并弱化其强度，并没有达到完全破碎的程度，因此所消耗的功率较小。

为了便于控制等离子发生装置20所发射的高温射流，在等离子发生装置20的喷射口外侧设置磁场，磁场用于控制所述高温射流的形态和功率。等离子发生装置20所发射的高温射流为等离子状态，磁场能够对等离子体中的电子、离子等进行加速，从而改变高温射流的形态以及功率。

具体地，所述钻进部12具有磁性，所述磁场由所述钻进部12形成。这种方式只需将钻进部12进行磁化即可，磁化区域主要是靠近等离子发生装置20的喷射口周围。

在另一个实施例中，所述等离子发生装置20的喷射口外侧设置有电磁线圈，且所述电磁线圈围绕在所述等离子发生装置20的喷射口外侧，所述磁场由所述电磁线圈形成。电磁线圈产生的磁场强度容易控制，可更为有效的控制高温射流的形态和功率。

为了避免高温射流对钻头本体10的烧熔，在本实施方式中，在所述开口14的外壁上形成有一层耐高温涂层。也可以通过控制高温射流的形态，减小高温射流与钻头本体10的距离来保护钻头本体10。

其中，相邻的刀翼121之间设置有钻头水眼13，所采用的钻头本体10为PDC钻头本体。为了方便安装，控制等离子炬体积，将等离子发生装置20设计成封装形式，直接安装在钻头10的容纳腔内。

参阅图4和图5，在一个具体的实施例中，等离子发生装置20包括：阳极管21、阴极22、进气环23以及封装体24；所述阳极管21形成有中心通孔211，所述阴极22位于所述中心通孔211的进气口一侧，并与所述阳极管21间隔分布，所述中心通孔211的出气口为所述等离子发生装置20的喷射口；所述进气环23设置于所述阳极管21的进气口外，用于向所述中心通孔211输送气体，所述进气环23与进气通道连通；所述封装体24将所述阳极管21、阴极22以及进气环23封装在一起。其中，封装体24包括封装套筒243、封装端盖242以及绝缘法兰244，阳极管21和阴极22均能与供电系统连接，阳极管21、阴极22、进气环23以及封装体24均为旋转体，且四者同轴设置。在本实施方式中，所输送的气体为水蒸气。

进一步，所述等离子发生装置20还包括设置于所述封装体24内的阴极水冷套25，所述阴极水冷套25与所述阴极22连接，用于冷却所述阴极22。阴极水冷套25设置有进水管251和出水管252，通过持续的通入冷却水来达到给阴极22降温的目的。

其中，进气环23为环形结构，其形成有中心气室231，进气环23与所述封装体24内壁形成封闭的缓冲室232，所述缓冲室232与所述进气通道连通，所述中心气室231与所述缓冲室232之间开设有多个布气孔，所述中心通孔211的进气口通向所述中心气室231。水蒸汽从进气通道进入缓冲室232，然后经多个布气孔流向中心气室231，并在中心气室231形成旋转的气流，在阳极管21和阴极22之间加压后形成电弧，从阳极管21的中心通孔211的出气口喷出。旋转的气流可通过控制布气孔的开设方向形成，多个布气孔均匀分布，以使所形成的气流稳定的旋转。

较佳地，所述阴极22包括铜阴极221和嵌在所述铜阴极221上的铪阴极222；所述铪阴极222位于所述中心通孔211的进气口一侧，并与所述阳极管21间隔分布，所述铜阴极221与所述阴极水冷套25连接。铪具有高熔点和高发射能力，因为铪材料很软，所以采取与其他金属阴极结合的形式；当铪阴极222被烧完，固定铪阴极222的铜阴极221还可以继续充当阴极使用。

进一步，所述阳极管21与所述封装体24之间形成有水冷腔241，所述水冷腔241与进水通道连通，所述封装体24上形成有出水口245，所述出水口245位于所述中心通孔211出气口的周围。当阳极冷却水从弧形出水口245排出时，一方面稳定电弧形状，避免高温射流烧蚀钻头本体10的碳钢结构；另一方面从出水口245流出的冷却水还可以起到辅助排岩的作用。

出水口245可设置多个，具体可参阅图7，图7中三个弧状的出水口245围绕着中心通孔211。出水口245也可以设置为圆孔，可以增加圆孔的数量，并使圆孔均匀分布在中心通孔211周围。

等离子发生装置20封装时，首先将阳极管21装进封装套筒243内，然后将进气环23装在阳极管21之上，绝缘法兰244和封装套筒21将阳极管21和进气环23固定住，阴极水冷套25与封装端盖242螺纹连接，阴极水冷套25下端与阴极22上端螺纹相连，阴极水冷套25上端有进水管和出水管。另外，在阳极管21与封装套筒243之间、阳极管21与进气环23之间、阴极22与阴极水冷套25之间、阴极水冷套25与封装端盖242之间、绝缘法兰244与进气环23之间、绝缘法兰244与封装端盖242之间均加装密封圈，以防止水气的串流，影响等离子炬放电工作。

工作时，阴阳电极(阳极管21和阴极22)通高压直流电，通过进气管通入工作气体，流到进气环23，首先经过缓冲室232，然后通过进气环23周向上的若干切向布气孔进入环内中心气室231，气体形成旋流。阴极22直接与气体接触，而且接受正离子或中性粒子的撞击(阳极材料满足低电子逸出功和高抗氧化的能力)。阴阳极放电起弧，将气体电离成等离子体，持续从阳极管21中心下端口吹出，因为气旋的缘故，能保证阴阳极尽量均匀起弧放电，电弧能在局部区域产生各向同性热流，其热流作用面积大，且各向同性，作用更加均匀，等离子体中心温度达6000～10000℃的局部高温，等离子体持续从阳极管21中的心通孔211喷嘴喷射而出。另外工作时，持续对阴阳极进行水冷，通过进水通道持续通入冷却水，进水通道与水冷腔241连通，持续冷却阳极，进水通道可以设置在封装套筒243筒壁内。另外从阴极水冷套25中心进水管251持续通入冷却水，用以冷却阴极，冷却水会从上端出水管流出。

参阅图6，本实施方式还提供一种等离子炬破岩复合钻，包括本实施方式提供的等离子炬破岩复合钻头，还包括钻杆30；所述钻杆30内设置有供电系统31和供气系统32，所述供电系统31与所述等离子发生装置20电连接，用于给所述等离子发生装置20提供电能，所述供气系统32与所述等离子发生装置20连接，用于向所述等离子发生装置20输送气体。具体地，供电系统31与阳极管21、阴极22电连接，供气系统32通过进气管连通缓冲室232。钻杆30内通水基钻井液40，水基钻井液40的一部分流入供气系统32，另一部分流进钻头，经钻头水眼13喷出。

供电系统31直接集成在钻杆30内，一方面避免深井高压传输电缆造成的能耗损失和施加在钻头上的电压不稳定等问题，另一方面降低电力传输成本。等离子炬中的工质采用高温水蒸气，集成一套供气系统32置于钻杆30中，包括过滤器、去离子器、高温蒸汽发生器和压缩机，将水基钻井液引入该设备，首先经过过滤器和去离子器，得到去离子水，然后经过高温蒸汽发生器和压缩机，得到适用于高压井下等离子炬的高压热水蒸气工质。

本实施方式提供的等离子炬破岩复合钻相比现有的钻岩设备，耗能低、钻岩效率高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，包括：钻头本体(10)和等离子发生装置(20)；

所述钻头本体(10)的一端为连接部(11)，另一端为钻进部(12)，所述钻进部(12)形成有多个刀翼(121)；

所述钻头本体(10)内部形成有容纳腔，所述容纳腔在所述钻进部(12)具有开口(14)，所述等离子发生装置(20)设置于所述容纳腔内，用于产生能够弱化岩层强度的射流；所述等离子发生装置(20)的喷射口朝向所述开口(14)，所述多个均布的刀翼(121)围绕在所述等离子发生装置(20)的喷射口外侧。

2.根据权利要求1所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述等离子发生装置(20)的喷射口外侧形成有磁场，所述磁场用于控制所述射流的形态和功率。

3.根据权利要求2所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述钻进部(12)具有磁性，所述磁场由所述钻进部(12)形成；

或者，

所述等离子发生装置(20)的喷射口外侧设置有电磁线圈，且所述电磁线圈围绕在所述等离子发生装置(20)的喷射口外侧，所述磁场由所述电磁线圈形成。

4.根据权利要求1所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述开口(14)的外壁上形成有一层耐高温涂层。

5.根据权利要求1所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述等离子发生装置(20)包括：阳极管(21)、阴极(22)、进气环(23)以及封装体(24)；

所述阳极管(21)形成有中心通孔(211)，所述阴极(22)位于所述中心通孔(211)的进气口一侧，并与所述阳极管(21)间隔分布，所述中心通孔(211)的出气口为所述等离子发生装置(20)的喷射口；

所述进气环(23)设置于所述阳极管(21)的进气口外，用于向所述中心通孔(211)输送气体，所述进气环(23)与进气通道连通；

所述封装体(24)将所述阳极管(21)、阴极(22)以及进气环(23)封装在一起。

6.根据权利要求5所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述等离子发生装置(20)还包括设置于所述封装体(24)内的阴极水冷套(25)，所述阴极水冷套(25)与所述阴极(22)连接，用于冷却所述阴极(22)。

7.根据权利要求6所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述进气环(23)形成有中心气室(231)，并与所述封装体(24)内壁形成封闭的缓冲室(232)，所述缓冲室(232)与所述进气通道连通，所述中心气室(231)与所述缓冲室(232)之间开设有多个布气孔，所述中心通孔(211)的进气口通向所述中心气室(231)。

8.根据权利要求7所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述阴极(22)包括铜阴极(221)和嵌在所述铜阴极(221)上的铪阴极(222)；

所述铪阴极(222)位于所述中心通孔(211)的进气口一侧，并与所述阳极管(21)间隔分布，所述铜阴极(221)与所述阴极水冷套(25)连接。

9.根据权利要求8所述的等离子炬破岩复合钻头，其特征在于，所述阳极管(21)与所述封装体(24)之间形成有水冷腔(241)，所述水冷腔(241)与进水通道连通，所述封装体(24)上形成有出水口(245)，所述出水口(245)位于所述中心通孔(211)出气口的周围。

10.一种等离子炬破岩复合钻，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的等离子炬破岩复合钻头，还包括钻杆(30)；

所述钻杆(30)内设置有供电系统(31)和供气系统(32)，所述供电系统(31)与所述等离子发生装置(20)电连接，用于给所述等离子发生装置(20)提供电能，所述供气系统(32)与所述等离子发生装置(20)连接，用于向所述等离子发生装置(20)输送气体。

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