等离子炬破岩复合钻头和等离子炬破岩复合钻制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
等离子炬破岩复合钻头和等离子炬破岩复合钻
本专利技术涉及深层钻进领域，具体涉及一种等离子炬破岩复合钻头。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术另一方面提供一种等离子炬破岩复合钻，包括本专利技术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。本专利技术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是本专利技术一实施方式中等离子体弱化岩石的工作原理示意图；图2是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，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专利技术，而非对本专利技术的限定。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。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，从而提高坚硬岩本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)；/n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)；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：高锐，贾玉丹，朱宏峰，陈培培，
申请(专利权)人：新奥科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13