CN115263178A - 一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具。所述一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具的结构包括高压电缆、上接头、高压电极头、壳体、冲击缸、冲击活塞、接地电缆、接地电极头、上密封圈、下密封圈。该冲击器通过高压电脉冲在液体介质中发生的液电效应产生脉冲机械波，再通过冲击活塞将脉冲机械波传递至钻头，实现对岩石的冲击。所述一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具结构简单，操作方便，原理可靠，能够通过改变电压、放电频率等电学参数以改变冲击幅度和冲击频率，便于现场的使用和维护，工作寿命长，安全高效。

Description

一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，具体是一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具。
背景技术
作为世界能源结构的主体，石油、天然气的消耗量随着世界经济不断发展而日益增加。由于多年来不断的开采，浅层容易被开发的常规油气资源越来越少，剩余油气资源的钻探难度越来越大，深部油气资源逐渐成为勘探开发的重点。因此，高效开发深层超深层油气资源成为我国实现能源接替战略的重大需求，也是当前和未来油气勘探开发的重点和热点。油气资源的勘探开发从浅层向深层、超深层发展的过程中，钻遇硬度高、研磨性强、可钻性级值大的岩石概率变大，只依靠常规破岩钻头的刮挤剪切与研磨作用难以高效破碎岩石，需要在钻井过程中利用冲击提速钻具辅助破岩，以提高破岩效率。然而，现有的冲击提速钻具结构都较为复杂，冲击能量弱，冲击参数不可调节，现场安装和维护都较为繁琐，降低了钻井工作的效率。
液电效应是指对液体中存在一定间隙的高压电极与接地电极施加高压脉冲电，液体间隙瞬间被击穿形成等离子体电弧通道，强电能释放入离子通道，形成放电通路，高压脉冲电源中电容器储存的剩余电能通过等离子体通道与液体进行一系列的化学、生物、力学作用。电弧放电时，电极间隙的液体介质在高电能作用下瞬间被分解、电离形成高温、高压的等离子体通道，内部形成巨大的压力梯度和温度梯度，引起通道膨胀、扩张，挤压周围液体，生成迅速径向传播的脉冲机械波。液电效应产生的脉冲机械波可以通过改变液体电学性质、脉冲电压的峰值和频率等参数进行调节。
在冲击提速钻具中利用液电效应，不仅能够简化整体结构，便于现场安装和维护，而且针对不同地层能够通过直接调节相关电学参数从而获得钻井过程需要的冲击器的力学参数，使其具有广泛的地层适应性，进而提高钻井效率。
发明内容
本发明的目的在于简化现有冲击提速钻具的机械结构，便于作业现场的安装和维护，以及拓宽冲击提速钻具的地层适用性，进而提高钻井效率。
为了实现上述目的，本发明的提供了一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具。所述的一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具包括高压电缆、上接头、冲击缸、高压电极头、壳体、冲击活塞、接地电缆、接地电极头、上密封圈、下密封圈。在该冲击器中，所述上接头上部外侧有锥螺纹；所述上接头上部内侧开有圆柱形凹槽，并在上接头内部设有4～6个钻井液流道，钻井液流道与上接头上部圆柱形凹槽相连通；所述上接头在其中心轴线附近有两个通孔，用于放置高压电缆与接地电缆；所述上接头下部内外侧为两个锥度方向相反的锥螺纹，内侧的锥螺纹用于与下方的冲击缸之间的连接，外侧的锥螺纹用于与壳体之间的连接；所述冲击缸内部为一腔体，腔体下部开有一个圆形台阶，与冲击活塞上部的圆形阶梯相配合；所述冲击缸在中心轴线附近开有两个通孔，用于放置高压电缆与接地电缆；所述冲击活塞头部置于所述冲击缸内部腔体中；所述冲击活塞的最下端开有用于连接钻头的锥螺纹；所述冲击活塞头部下方开有一圆形台阶，其与所述冲击缸内部腔体下部的圆形台阶相配合；所述冲击活塞中部开有2～4个垂直于其中心轴线的钻井液流孔，用于流通钻井液；所述冲击活塞在所述钻井液流孔下方开有一圆形台阶，在圆形台阶与所述钻井液流孔之间的外圆柱面上开有2～5个环形槽，用于安装中上密封圈；所述冲击活塞在下部花键结构与圆形台阶之间开有2～5个环形槽，用于安装下密封圈；所述冲击活塞在其中心轴线上开有贯穿整体并与钻井液流孔相连通的钻井液通道；所述冲击活塞下部外侧通过矩形花键与壳体内侧圆柱面上的花键相配合；所述壳体上部通过内锥螺纹与上接头连接，下端开有圆形通孔，并且圆形通孔的内圆柱面上有花键结构，钻头穿过该圆形通孔与冲击活塞通过锥螺纹相连；所述壳体内部有两个圆形台阶，所述壳体在与冲击活塞上位于上密封圈之上的圆形台阶上开有6～8个往复孔；在所述高压电极头与接地电极头分别与穿过上接头、冲击缸中间通孔的高压电缆、接地电缆固连；所述高压电极头与接地电极头位于冲击活塞上部腔体中。
进一步地，所述上接头中心轴线附近开设的通孔与所述冲击缸中心轴线附近开设的通孔相互对应、同轴同径。
进一步地，所述高压电极头与接地电极头之间保持有一定的间隙，而非直接接触。
进一步地，所述冲击活塞的外圆柱面与所述冲击缸腔体的内圆柱面、所述壳体的内圆柱面均为间隙配合。
进一步地，所述上接头的圆柱形凹槽、所述上接头内部的钻井液流道、所述壳体和所述冲击缸之间的间隙、所述冲击活塞的钻井液流孔、所述冲击活塞的钻井液通道以及钻头内部的流道构成钻井液的内部流通路径。
进一步地，所述钻头可以是PDC钻头、牙轮钻头、冲击锤等。
与现有钻井冲击器相比，本发明的特点和优势是：
1.包含的机械部件少，结构简单可靠，便于现场安装和维护；
2.采用液电效应作为冲击提速钻具的脉冲发生原理，针对不同地层，能通过改变电源的各种电学参数直接改变冲击提速钻具的力学参数，因而本发明的地层适应范围广，钻井过程的作业效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作过程示意图；
图3为上接头结构示意图；
图4为冲击缸结构示意图；
图5为壳体结构示意图；
图6为冲击活塞结构示意图；
图中：1.高压电缆；2.上接头；3.冲击缸；101.高压电极头；4.壳体；5.冲击活塞；6.接地电缆；601.接地电极头；7.上密封圈；8.下密封圈；9.钻头；2-A.圆柱形凹槽；2-B.钻井液流道；4-A.往复孔；5-A.钻井液流孔；5-B.钻井液通道。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，需要说明的是，在本文中，诸如“上”、“下”等词语，仅仅用于方便对附图进行描述，并非限制实际使用中的方向，且不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
下面结合附图描述本发明一些实施例的基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具：
本发明主要针对所述基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，如图1所示，该冲击器包括：高压电缆(1)、上接头(2)、冲击缸(3)、高压电极头(101)、壳体(4)、冲击活塞(5)、接地电缆(6)、接地电极头(601)、上密封圈(7)、下密封圈(8)。所述上接头(2)上部外侧有锥螺纹；所述上接头(2)上部内侧开有圆柱形凹槽(2-A)，并在上接头(2)内部设有4～6个钻井液流道(2-B)，钻井液流道(2-B)与上接头(2)上部圆柱形凹槽(2-A)相连通；所述上接头(2)在其中心轴线附近有两个通孔，用于放置高压电缆(1)与接地电缆(6)；所述上接头(2)下部内外侧为两个锥度方向相反的锥螺纹，内侧的锥螺纹用于与下方的冲击缸(3)之间的连接，外侧的锥螺纹用于与壳体(4)之间的连接；所述冲击缸(3)内部为一腔体，腔体下部开有一个圆形台阶，与冲击活塞(5)上部的圆形阶梯相配合；所述冲击缸(3)在中心轴线附近开有两个通孔，用于放置高压电缆(1)与接地电缆(6)；所述冲击活塞(5)头部置于所述冲击缸(3)内部腔体中；所述冲击活塞(5)的最下端开有用于连接钻头(9)的锥螺纹；所述冲击活塞(5)头部下方开有一圆形台阶，其与所述冲击缸(3)内部腔体下部的圆形台阶相配合；所述冲击活塞(5)中部开有2～4个垂直于其中心轴线的钻井液流孔(5-A)，用于流通钻井液；所述冲击活塞(5)在所述钻井液流孔(5-A)下方开有一圆形台阶，在圆形台阶与所述钻井液流孔(5-A)之间的外圆柱面上开有2～5个环形槽，用于安装中上密封圈(7)；所述冲击活塞(5)在下部花键结构与圆形台阶之间开有2～5个环形槽，用于安装下密封圈(8)；所述冲击活塞(5)在其中心轴线上开有贯穿整体并与钻井液流孔(5-A)相连通的钻井液通道(5-B)；所述冲击活塞(5)下部外侧通过矩形花键与壳体(4)内侧圆柱面上的花键相配合；所述壳体(4)上部通过内锥螺纹与上接头(2)连接，下端开有圆形通孔，并且圆形通孔的内圆柱面上有花键结构，钻头(9)穿过该圆形通孔与冲击活塞(5)通过锥螺纹相连；所述壳体(4)内部有两个圆形台阶，所述壳体(4)在与冲击活塞(5)上位于上密封圈(7)之上的圆形台阶上开有6～8个往复孔(4-A)；在所述高压电极头(101)与接地电极头(601)分别与穿过上接头(2)、冲击缸(3)中间通孔的高压电缆(1)、接地电缆(6)固连；所述高压电极头(101)与接地电极头(601)位于冲击活塞(5)上部腔体中。
进一步地，所述上接头(2)中心轴线附近开设的通孔与所述冲击缸(3)中心轴线附近开设的通孔相互对应、同轴同径。
进一步地，所述高压电极头(101)与接地电极头(601)之间保持有一定的间隙，而非直接接触。
进一步地，所述冲击活塞(5)的外圆柱面与所述冲击缸(3)腔体的内圆柱面、所述壳体(4)的内圆柱面均为间隙配合。
进一步地，所述上接头(2)的圆柱形凹槽(2-A)、所述上接头(2)内部的钻井液流道(2-B)、所述壳体(4)和所述冲击缸(3)之间的间隙、所述冲击活塞(5)的钻井液流孔(5-A)、所述冲击活塞(5)的钻井液通道(5-B)以及钻头(9)内部的流道构成钻井液的内部流通路径。
进一步地，所述钻头(9)可以是PDC钻头、牙轮钻头、冲击锤等。
本发明在钻井作业中的工作过程如下：
首先，上接头(2)通过上部的锥螺纹与钻柱相连，上接头(2)与壳体(4)通过锥螺纹连接，壳体(4)与冲击活塞(5)之间是可以沿中心轴向发生相对滑动的花键结构，钻头(9)与冲击活塞(5)通过锥螺纹相连。于是，钻柱的旋转带动上接头(2)同步旋转，进而带动壳体(4)同步旋转，进一步地，壳体(4)通过花键带动冲击活塞(5)旋转，进一步地，冲击活塞(5)通过锥螺纹连接带动钻头(9)的同步旋转。于是，在钻井过程中，整个冲击器将始终与钻头(9)保持同步转动。
在高压电脉冲传导至高压电极头(101)与接地电极头(601)之前：冲击缸(3)腔体与冲击活塞(5)头部端面之间的空间、冲击活塞(5)中的钻井液流孔(5-A)与钻井液通道(5-B)以及上密封圈(7)、下密封圈(8)、冲击活塞(5)外圆柱面与壳体(4)内圆柱面中形成的密闭空间中充满了钻井液，并且上接头(2)的圆柱形凹槽(2-A)、钻井液流道(2-B)、壳体(4)与所述冲击缸(3)之间的间隙、钻井液流孔(5-A)、钻井液通道(5-B)以及钻头(9)内部的流道构成钻井液的内部流通路径。
当高压电脉冲通过高压电缆(1)、接地电缆(6)传导至浸没在钻井液中的高压电极头(101)与接地电极头(601)上时：高压电极头(101)与接地电极头(601)间隙间的钻井液被瞬间击穿，并分解、电离形成高温、高压的等离子体通道，内部形成巨大的压力梯度和温度梯度，引起通道膨胀、扩张，挤压周围液体，生成迅速径向传播的脉冲机械波。脉冲机械波推动冲击活塞(5)向下移动，存在于中下密封圈(9)与下密封圈(10)、冲击活塞(5)外圆柱面与壳体(4)内圆柱面中形成的密闭空间中的钻井液通过往复孔(4-A)被压出，钻头(9)向下运动，对地层岩石造成冲击。高压电脉冲的能量释放完毕后，冲击活塞(5)上的钻井液流孔(5-A)被壳体(4)堵塞，此时冲击缸(3)腔体与冲击活塞(5)头部端面之间的空间中的钻井液通过钻井液通道(5-B)向下进入钻头(9)的内部流道中；同时，壳体(4)与冲击缸(3)之间的间隙中的钻井液只能通过往复孔(4-A)进入上密封圈(7)与下密封圈(8)、冲击活塞(5)外圆柱面与壳体(4)内圆柱面中形成的密闭空间中，在钻井液的压力下，冲击活塞(5)将推回初始位置。钻井液将再次进入钻井液流孔(5-A)，进而通过钻井液通道(5-B)进入冲击缸(3)腔体与冲击活塞(5)头部端面之间的空间以及钻头(9)的内部流道中，完成一个工作周期。等到高压电脉冲再次传导至高压电极头(101)与接地电极头(601)时下一个工作周期开始，如此往复。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，其特征在于，其结构包括高压电缆(1)、上接头(2)、冲击缸(3)、高压电极头(101)、壳体(4)、冲击活塞(5)、接地电缆(6)、接地电极头(601)、上密封圈(7)、下密封圈(8)；所述上接头(2)上部外侧有锥螺纹；所述上接头(2)上部内侧开有圆柱形凹槽(2-A)，并在上接头(2)内部设有4～6个钻井液流道(2-B)，钻井液流道(2-B)与上接头(2)上部圆柱形凹槽(2-A)相连通；所述上接头(2)在其中心轴线附近有两个通孔，用于放置高压电缆(1)与接地电缆(6)；所述上接头(2)下部内外侧为两个锥度方向相反的锥螺纹，内侧的锥螺纹用于与下方的冲击缸(3)之间的连接，外侧的锥螺纹用于与壳体(4)之间的连接；所述冲击缸(3)内部为一腔体，腔体下部开有一个圆形台阶，与冲击活塞(5)上部的圆形阶梯相配合；所述冲击缸(3)在中心轴线附近开有两个通孔，用于放置高压电缆(1)与接地电缆(6)；所述冲击活塞(5)头部置于所述冲击缸(3)内部腔体中；所述冲击活塞(5)的最下端开有用于连接钻头(9)的锥螺纹；所述冲击活塞(5)头部下方开有一圆形台阶，其与所述冲击缸(3)内部腔体下部的圆形台阶相配合；所述冲击活塞(5)中部开有2～4个垂直于其中心轴线的钻井液流孔(5-A)，用于流通钻井液；所述冲击活塞(5)在所述钻井液流孔(5-A)下方开有一圆形台阶，在圆形台阶与所述钻井液流孔(5-A)之间的外圆柱面上开有2～5个环形槽，用于安装中上密封圈(7)；所述冲击活塞(5)在下部花键结构与圆形台阶之间开有2～5个环形槽，用于安装下密封圈(8)；所述冲击活塞(5)在其中心轴线上开有贯穿整体并与钻井液流孔(5-A)相连通的钻井液通道(5-B)；所述冲击活塞(5)下部外侧通过矩形花键与壳体(4)内侧圆柱面上的花键相配合；所述壳体(4)上部通过内锥螺纹与上接头(2)连接，下端开有圆形通孔，并且圆形通孔的内圆柱面上有花键结构，钻头(9)穿过该圆形通孔与冲击活塞(5)通过锥螺纹相连；所述壳体(4)内部有两个圆形台阶，所述壳体(4)在与冲击活塞(5)上位于上密封圈(7)之上的圆形台阶上开有6～8个往复孔(4-A)；在所述高压电极头(101)与接地电极头(601)分别与穿过上接头(2)、冲击缸(3)中间通孔的高压电缆(1)、接地电缆(6)固连；所述高压电极头(101)与接地电极头(601)位于冲击活塞(5)上部腔体中。
2.根据权利要求1所述的一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，其特征在于，所述上接头(2)中心轴线附近开设的通孔与所述冲击缸(3)中心轴线附近开设的通孔相互对应、同轴同径。
3.根据权利要求1所述的一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，其特征在于，所述高压电极头(101)与接地电极头(601)之间保持有一定的间隙，而非直接接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，其特征在于，所述冲击活塞(5)的外圆柱面与所述冲击缸(3)腔体的内圆柱面、所述壳体(4)的内圆柱面均为间隙配合。
5.根据权利要求1所述的一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，其特征在于，所述上接头(2)的圆柱形凹槽(2-A)、所述上接头(2)内部的钻井液流道(2-B)、所述壳体(4)和所述冲击缸(3)之间的间隙、所述冲击活塞(5)的钻井液流孔(5-A)、所述冲击活塞(5)的钻井液通道(5-B)以及钻头(9)内部的流道构成钻井液的内部流通路径。
6.根据权利要求1所述的一种基于高压电脉冲液电效应的冲击提速钻具，其特征在于，所述钻头(9)可以是PDC钻头、牙轮钻头、冲击锤等。
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