CN113187398B - 新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法，其中新型磁力连续脉冲等离子钻头包括主钻杆、主钻头、大套管、等离子破岩装置、水驱动钻头、水驱动螺旋梯、多个充电电机、多个充电电池、多个储能电容、压力盘组、多个磁力触发开关、多个小磁力螺旋桨、水驱动螺旋桨，大套管同轴设置于主钻杆内，大套管下端外部固定安装有主驱动齿轮，多个副驱动齿轮均匀分布于主驱动齿轮外且均与主驱动齿轮啮合，每个副驱动齿轮与一个充电电机的齿轮转子啮合，各小磁力螺旋桨均匀分布于同一圆周上，小磁力螺旋桨具有N极叶片和S极叶片，水驱动螺旋桨连接水驱动钻头。本发明采用等离子通道钻井和机械钻具钻井配合的方式，提高钻井工程效率。

Description

新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法
技术领域：
本发明涉及钻井工程技术领域，具体涉及一种新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法。
背景技术：
钻井是石油勘探和油田开发的重要环节，破岩技术是钻井工程的核心内容，提高钻井破岩效率能够经济高效地开发油气藏。等离子体被称为除固态、液态和气态之外的第４种物质存在形式，是由电子、离子、自由基和中性粒子等组成的导电性流体，整体保持电中性，具有特殊的化学反应活性。等离子通道钻井技术是一种利用高电压脉冲能量发生器装置产生高能等离子体形成的等离子通道破碎岩石，实现钻井的新技术。随着我国中浅层油气勘探储量增长越来越缓慢，未来勘探开发的重点将会转向深层油气资源。而在深井、超深井开发过程中由于地层致密、硬度高且研磨性强，传统机械钻井方式钻速低、钻头寿命短、钻井周期长、成本高，因此针对以上问题，设计一种新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法就显得很有必要。
发明内容：
本发明的一个目的使提供一种新型磁力连续脉冲等离子钻头，这种新型磁力连续脉冲等离子钻头用于解决传统机械钻井方式钻速低、钻头寿命短、钻井周期长、成本高的问题，本发明的另一个目的是提供新型磁力连续脉冲等离子钻头的钻井方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法包括主钻杆、主钻头、大套管、等离子破岩装置、水驱动钻头、水驱动螺旋梯、多个充电电机、多个充电电池、多个储能电容、压力盘组、多个磁力触发开关、多个小磁力螺旋桨、水驱动螺旋桨，大套管同轴设置于主钻杆内，大套管下端外部固定安装有主驱动齿轮，多个副驱动齿轮均匀分布于主驱动齿轮外且均与主驱动齿轮啮合，每个副驱动齿轮与一个充电电机的齿轮转子啮合，电机动力腔室为环形的，电机动力腔室固定于大套管下端与主钻杆之间，主驱动齿轮、各副驱动齿轮均设置于电机动力腔室内，大套管内部安装水驱动螺旋梯，每个充电电机通过电缆分别连接相应的充电电池、储能电容、磁力触发开关；副驱动齿轮环绕在小套管外，副驱动齿轮与小套管之间设置轴承，小套管固定在电机动力腔室内且两端与主钻杆内腔相通；压力盘组水平安装在主钻杆内腔，压力盘组上设置水驱动螺旋桨和多个小磁力螺旋桨，水驱动螺旋桨位于大套管的正下方，各小磁力螺旋桨均匀分布于同一圆周上，小磁力螺旋桨具有N极叶片和S极叶片，水驱动螺旋桨连接小钻杆，小钻杆连接水驱动钻头，水驱动钻头裸露在主钻头底部中心处；主钻杆内部安装有电缆通道，各充电电池、各充电电机、各磁力触发开关、电缆均安装在电缆通道内，每个充电电池及相应的储能电容均通过电缆连接一对接地电极和高压电极，每对接地电极和高压电极外部安装绝缘层，每对接地电极和高压电极均裸露在主钻头外。
上述方案中钻井液从主钻杆内部流入大套管中，驱动水驱动螺旋梯，通过水驱动螺旋梯带动主驱动齿轮旋转，主驱动齿轮旋转带动副驱动齿轮旋转，副驱动齿轮旋转带动充电电机工作，充电电机产生电能储存在充电电池和储能电容中，给等离子破岩装置放电提供能量。
上述方案中接地电极和高压电极的上端与储能电容连接，接地电极和高压电极的下端延伸至主钻头外，电缆通道为主钻杆上设置的环形腔体。
上述方案中钻井液流动带动小磁力螺旋桨进行旋转，小磁力螺旋桨上N极叶片和S极叶片旋转控制磁力触发开关进行工作，当小磁力螺旋桨的S极叶片转到正对磁力触发开关时，磁力触发开关闭合到磁力触发开关底座，把充电电机、充电电池、储能电容、接地电极和高压电极通过电缆连接，形成一个闭合回路，钻头上的接地电极和高压电极进行等离子放电，反之，当小磁力螺旋桨的N极叶片转到正对磁力触发开关时，磁力触发开关与磁力触发开关底座断开连接，没有形成闭合回路，主钻头上的接地电极和高压电极不进行等离子放电。
上述方案中钻井液流动带动水驱动螺旋桨进行转动，水驱动螺旋桨通过小钻杆连接水驱动钻头，带动水驱动钻头转动进行工作破岩。
上述方案中副驱动齿轮有六个，充电电机有六个，小磁力螺旋桨有六个，接地电极和高压电极有六对。
上述新型磁力连续脉冲等离子钻头的钻井方法：
钻井液从主钻杆内部流动，通过水驱动螺旋梯带动主驱动齿轮旋转，主驱动齿轮旋转带动副驱动齿轮旋转，副驱动齿轮旋转带动充电电机工作，充电电机产生电能储存在充电电池和储能电容中，给等离子破岩装置放电提供能量；同时，钻井液流动带动小磁力螺旋桨进行旋转，小磁力螺旋桨上N极叶片和S极叶片旋转控制磁力触发开关进行工作，当小磁力螺旋桨的S极叶片转到正对磁力触发开关时，磁力触发开关和磁力触发开关底座闭合，把充电电机、充电电池、储能电容、接地电极和高压电极通过电缆连接，形成一个闭合回路，主钻头上的接地电极和高压电极进行等离子放电，反之，当小磁力螺旋桨的N极叶片转到正对磁力触发开关时，磁力触发开关和磁力触发开关底座断开连接，没有形成闭合回路，主钻头上的接地电极和高压电极不进行等离子放电，如此循环，就形成了连续脉冲等离子破岩。同时，钻井液流动带动水驱动螺旋桨进行转动，水驱动螺旋桨通过小钻杆连接水驱动钻头，带动水驱动钻头转动进行破岩，从而形成了等离子破岩和机械破岩的有效组合。
本发明具有以下有益效果：
1．本发明是一种新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法，采用等离子通道钻井和机械钻具钻井配合的方式，互相弥补各自的缺点，减少能耗，大幅度提高钻井的速度，同时可以降低钻头的磨损，减少起下钻的时间，该结构的钻井方式合理、工作可靠、使用方便。
2．本发明中通过钻井液经过水驱动螺旋梯带动主驱动齿轮旋转，主驱动齿轮旋转带动副驱动齿轮旋转，副驱动齿轮旋转带动充电电机工作，充电电机产生电能储存在充电电池和储能电容中，给等离子放电提供能量，提高钻井工作效率，同时还优化了钻井速度。
3本发明通过磁力N极和S极交替控制等离子放电，简化了等离子开关装置，在高压放电破岩过程中，岩石会在高压电极和接地电极之间形成多条裂缝，能量以脉冲方式向岩石内部传递，裂缝不断加深，再配合机械破岩钻进，岩石更容易破碎，提高钻井工程效率。
附图说明：
图1为本发明中整体装置示意图。
图2为本发明中装置内部示意图。
图3为本发明中整体装置侧面示意图。
图4为本发明中动力驱动示意图。
图中：1.主钻杆；2.主钻头；3.接地电极；4.高压电极；5.水驱动钻头；6.大套管；7.水驱动螺旋梯；8.主驱动齿轮；9.副驱动齿轮；10.充电电机；11.轴承；12.小套管；13.电机动力腔室；14.充电电池；15.磁力触发开关；16.小磁力螺旋桨；17.水驱动螺旋桨；18.小钻杆；19.电缆；20.储能电容；21.绝缘层；22.压力盘组；23.水眼；24.磁力触发开关底座；25.N极叶片；26.S极叶片；27.电缆通道。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1、图2、图3、图4所示，这种新型磁力连续脉冲等离子钻头包括主钻杆1、主钻头2、接地电极3、高压电极4、水驱动钻头5、大套管6、水驱动螺旋梯7、主驱动齿轮8、副驱动齿轮9、充电电机10、轴承11、小套管12、电机动力腔室13、充电电池14、磁力触发开关静触点15、小磁力螺旋桨16、水驱动螺旋桨17、小钻杆18、电缆19、储能电容20、绝缘层21、压力盘组22、水眼23、磁力触发开关底座24、N极叶片25、S极叶片26、电缆通道27，电机动力腔室13连接大套管6，大套管6内部安装水驱动螺旋梯7，大套管6外部安装有主驱动齿轮8，主驱动齿轮8连接副驱动齿轮9，副驱动齿轮9设置于小套管12外，小套管12与副驱动齿轮9之间安装轴承11，小套管12给钻井液提供向下流动的通道；副驱动齿轮9连接充电电机10，充电电机10通过电缆19连接充电电池14、磁力触发开关15、储能电容20和磁力触发开关底座24，压力盘组22上连接小磁力螺旋桨16和水驱动螺旋桨17，小磁力螺旋桨16上安装有N极叶片25和S极叶片26，水驱动螺旋桨17通过小钻杆18连接水驱动钻头5，主钻杆1内部安装有电缆通道27，电缆通道27中的电缆19连接接地电极3和高压电极4，接地电极3和高压电极4外部安装绝缘层21，一对接地电极3和高压电极4构成一个等离子破岩装置，主钻杆1下部连接主钻头2。
本发明通过钻井液进行驱动，齿轮之间相互配合给充电电池进行充电，同时小磁力螺旋桨16控制磁力触发开15关让接地电极3和高压电极4进行等离子连续脉冲破岩，提高钻井工程钻进的速率，减小钻头的磨损，钻井装置可实现的功能更具有多样性。
本实施方式中，大套管6同轴设置于主钻杆1内，大套管6下端外部固定安装有主驱动齿轮8，六个副驱动齿轮9均匀分布于主驱动齿轮8外且均与主驱动齿轮8啮合，每个副驱动齿轮9与一个充电电机10的齿轮转子啮合，电机动力腔室13为环形的，电机动力腔室13固定于大套管6下端与主钻杆1之间，主驱动齿轮8、各副驱动齿轮9均设置于电机动力腔室13内，大套管6内部安装水驱动螺旋梯7，每个充电电机10通过电缆分别连接相应的充电电池14、储能电容20、磁力触发开关15；副驱动齿轮9环绕在小套管12外，小套管12固定在电机动力腔室13内且两端与主钻杆1内腔相通；压力盘组22水平安装在主钻杆1内腔，压力盘组22上设置水驱动螺旋桨17和六个小磁力螺旋桨16，水驱动螺旋桨17位于大套管6的正下方，六个小磁力螺旋桨16均匀分布于同一圆周上，每个小磁力螺旋桨具有N极叶片25和S极叶片26，水驱动螺旋桨17连接小钻杆18，小钻杆18连接水驱动钻头5，水驱动钻头5裸露在主钻头2底部中心处；主钻杆1内部安装有电缆通道27，六个充电电池14、六个充电电机10、六个磁力触发开关15、电缆19均安装在电缆通道27内，电缆通道27为主钻杆上设置的环形腔体，每个充电电池14及相应的储能电容20均通过电缆19连接一对接地电极3和高压电极4，每对接地电极3和高压电极4外部安装绝缘层21，六对接地电极3和高压电极均4裸露在主钻头2外。
参阅图2、图3和图4，钻井液从主钻杆1内部流动通过水驱动螺旋梯7带动主驱动齿轮8旋转，主驱动齿轮8旋转带动副驱动齿轮旋转9，副驱动齿轮9旋转带动充电电机10工作，充电电机10产生电能储存在充电电池14和储能电容20中，给等离子放电提供能量。
钻井液流动带动小磁力螺旋桨16进行旋转，小磁力螺旋桨16上N极叶片25和S极叶片26旋转控制磁力触发开关底座24进行工作，当小磁力螺旋桨16的S极叶片26转到正对磁力触发开关底座24时，与磁力触发开关15相斥，磁力触发开关底座24与磁力触发开关15闭合，充电电机10、充电电池14、储能电容20、接地电极3和高压电极4通过电缆19连接形成一个闭合回路，主钻头2上的接地电极3和高压电极4进行等离子放电，进行等离子破岩，反之，当小磁力螺旋桨16的N极叶片25转到正对磁力触发开关底座24时，磁力触发开关底座24与磁力触发开关15断开连接，没有形成闭合回路，主钻头2上的接地电极3和高压电极4不进行等离子放电，停止等离子破岩，如此循环，形成连续脉冲式等离子破岩。
同时，钻井液从主钻杆1中流动带动水驱动螺旋桨17进行转动，水驱动螺旋桨17通过小钻杆18连接水驱动钻头5，带动水驱动钻头5转动进行工作破岩。
小磁力螺旋桨16控制磁力触发开关底座24与磁力触发开关15闭合或断开，让等离子进行连续脉冲破岩，同时水驱动螺旋桨17带动水驱动钻头5进行工作破岩，此外主钻杆1带动主钻头2旋转进行破岩，多种破岩工作相互配合，提高钻井工程进度，提高工作效率。
本发明通过钻井液带动水驱动螺旋梯7进行旋转，水驱动螺旋梯7外部的主驱动齿轮8旋转带动副驱动齿轮9，副驱动齿轮9带动充电电机10进行充电，给等离子破碎提供能量，钻井液流动带动小磁力螺旋桨16旋转，小磁力螺旋桨16上的N极叶片25和S极叶片26旋转控制磁力触发开关底座24与磁力触发开关15断开或者闭合，来控制高压电极4和接地电极3进行放电，实现等离子的连续脉冲破岩，是一种新型磁力连续脉冲等离子钻头及钻井方法。

Claims (7)

1.一种新型磁力连续脉冲等离子钻头，其特征在于：这种新型磁力连续脉冲等离子钻头包括主钻杆(1)、主钻头(2)、大套管(6)、等离子破岩装置、水驱动钻头(5)、水驱动螺旋梯(7)、多个充电电机(10)、多个充电电池(14)、多个储能电容(20)、压力盘组(22)、多个磁力触发开关(15)、多个小磁力螺旋桨(16)、水驱动螺旋桨(17)，大套管(6)同轴设置于主钻杆(1)内，大套管(6)下端外部固定安装有主驱动齿轮(8)，多个副驱动齿轮(9)均匀分布于主驱动齿轮(8)外且均与主驱动齿轮(8)啮合，每个副驱动齿轮(9)与一个充电电机(10)的齿轮转子啮合，电机动力腔室(13)为环形的，电机动力腔室(13)固定于大套管(6)下端与主钻杆(1)之间，主驱动齿轮(8)、各副驱动齿轮(9)均设置于电机动力腔室(13)内，大套管(6)内部安装水驱动螺旋梯(7)，每个充电电机(10)通过电缆(19)分别连接相应的充电电池(14)、储能电容(20)、磁力触发开关(15)；副驱动齿轮(9)环绕在小套管(12)外，副驱动齿轮(9)与小套管(12)之间设置轴承(11)，小套管(12)固定在电机动力腔室(13)内且两端与主钻杆(1)内腔相通；压力盘组(22)水平安装在主钻杆(1)内腔，压力盘组(22)上设置水驱动螺旋桨(17)和多个小磁力螺旋桨(16)，水驱动螺旋桨(17)位于大套管(6)的正下方，各小磁力螺旋桨(16)均匀分布于同一圆周上，小磁力螺旋桨具有N极叶片(25)和S极叶片(26)，水驱动螺旋桨(17)连接小钻杆(18)，小钻杆(18)连接水驱动钻头(5)，水驱动钻头(5)裸露在主钻头(2)底部中心处；主钻杆(1)内部安装有电缆通道(27)，各充电电池(14)、各充电电机(10)、各磁力触发开关(15)、电缆(19)均安装在电缆通道(27)内，每个充电电池(14)及相应的储能电容(20)均通过电缆(19)连接一对接地电极(3)和高压电极(4)，每对接地电极(3)和高压电极(4)外部安装绝缘层(21)，每对接地电极(3)和高压电极(4)均裸露在主钻头外。
2.根据权利要求1所述的新型磁力连续脉冲等离子钻头，其特征在于：所述的接地电极(3)和高压电极(4)的上端与储能电容(20)连接，接地电极(3)和高压电极(4)的下端延伸至主钻头(2)外，电缆通道(27)为主钻杆(1)上设置的环形腔体。
3.根据权利要求2所述的新型磁力连续脉冲等离子钻头，其特征在于：钻井液从主钻杆(1)内部流入大套管(6)中，驱动水驱动螺旋梯(7)，通过水驱动螺旋梯(7)带动主驱动齿轮(8)旋转，主驱动齿轮(8)旋转带动副驱动齿轮(9)旋转，副驱动齿轮(9)旋转带动充电电机(10)工作，充电电机(10)产生电能储存在充电电池(14)和储能电容(20)中，给等离子破岩装置放电提供能量。
4.根据权利要求3所述的新型磁力连续脉冲等离子钻头，其特征在于：钻井液流动带动小磁力螺旋桨(16)进行旋转，小磁力螺旋桨上N极叶片(25)和S极叶片(26)旋转控制磁力触发开关(15)进行工作，当小磁力螺旋桨的S极叶片(26)转到正对磁力触发开关(15)时，磁力触发开关(15)闭合到磁力触发开关底座(24)，把充电电机(10)、充电电池(14)、储能电容(20)、接地电极(3)和高压电极(4)通过电缆连接，形成一个闭合回路，钻头上的接地电极(3)和高压电极(4)进行等离子放电，反之，当小磁力螺旋桨的N极叶片(25)转到正对磁力触发开关(15)时，磁力触发开关(15)与磁力触发开关底座(24)断开连接，没有形成闭合回路，主钻头上的接地电极(3)和高压电极(4)不进行等离子放电。
5.根据权利要求4所述的新型磁力连续脉冲等离子钻头，其特征在于：钻井液流动带动水驱动螺旋桨(17)进行转动，水驱动螺旋桨(17)通过小钻杆(18)连接水驱动钻头(5)，带动水驱动钻头(5)转动进行工作破岩。
6.根据权利要求5所述的新型磁力连续脉冲等离子钻头，其特征在于：所述的副驱动齿轮(9)有六个，充电电机(10)有六个，小磁力螺旋桨(16)有六个，接地电极(3)和高压电极(4)有六对。
7.一种权利要求6所述的新型磁力连续脉冲等离子钻头的钻井方法，其特征在于：钻井液从主钻杆(1)内部流动，通过水驱动螺旋梯(7)带动主驱动齿轮(8)旋转，主驱动齿轮(8)旋转带动副驱动齿轮(9)旋转，副驱动齿轮(9)旋转带动充电电机(10)工作，充电电机(10)产生电能储存在充电电池(14)和储能电容(20)中，给等离子破岩装置放电提供能量；同时，钻井液流动带动小磁力螺旋桨(16)进行旋转，小磁力螺旋桨上N极叶片(25)和S极叶片(26)旋转控制磁力触发开关(15)进行工作，当小磁力螺旋桨的S极叶片(26)转到正对磁力触发开关(15)时，磁力触发开关(15)和磁力触发开关底座(24)闭合，把充电电机(10)、充电电池(14)、储能电容(20)、接地电极(3)和高压电极(4)通过电缆连接，形成一个闭合回路，主钻头(2)上的接地电极(3)和高压电极(4)进行等离子放电，反之，当小磁力螺旋桨的N极叶片(25)转到正对磁力触发开关(15)时，磁力触发开关(15)和磁力触发开关底座(24)断开连接，没有形成闭合回路，主钻头(2)上的接地电极(3)和高压电极(4)不进行等离子放电，如此循环，就形成了连续脉冲等离子破岩。同时，钻井液流动带动水驱动螺旋桨(17)进行转动，水驱动螺旋桨(17)通过小钻杆(18)连接水驱动钻头(5)，带动水驱动钻头(5)转动进行破岩，从而形成了等离子破岩和机械破岩的有效组合。
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