等離子鉆井鉆頭制造技術

本發(fā)明專利技術涉及鉆井鉆頭工具領域的一種等離子鉆井鉆頭，其技術方案是在鉆頭本體預置有軸向貫通的流體通道和電極通孔，電極通孔內固連高壓正電極和絕緣體，在鉆頭本體底部固連杯形地電極，高壓正電極底部為高壓盤裝電極，高壓盤裝電極與杯形地電極之間預留環(huán)形極間間隙。該鉆頭利用高壓脈沖液相微放電作用在待鉆巖石前形成的等離子通道擊穿破碎巖石，無需與巖石表面接觸，無需機械研磨。本發(fā)明專利技術可降低鉆頭磨損，提高機械鉆速，所需能量低，與常規(guī)機械旋轉鉆頭相比，成本低且效率高，也可應用于采礦等行業(yè)。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及石油天然氣鉆井工具領域，尤其是一種等離子鉆井鉆頭。
技術介紹
多年以來，機械旋轉鉆井技術為全球鉆井工業(yè)的快速發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。近年來，隨著深井、超深井及地熱井鉆井力度的加大，常規(guī)機械旋轉鉆井技術已經不是“包治百病的良藥”，由于巖石堅硬、地層復雜，深井、超深井鉆井施工不僅機械鉆速慢、卡噴塌漏等井壁不穩(wěn)定問題突出，嚴重影響了鉆井失效，而且消耗能量大、二氧化碳等氣體釋放物多嚴重污染環(huán)境。自高壓噴射鉆井于上世紀60年代開始推廣應用以來，機械破巖+水力輔助破巖這種聯合破巖方式就占絕對統(tǒng)治地位，而且研發(fā)了許多新型鉆頭，提高了機械鉆速。為進一步提高機械鉆速，降低施工成本，近些年國外各大高校、石油公司和鉆井科技工作者正在探索激光鉆井、電火花鉆井等新型熱能鉆井方法進行破巖，但仍存在許多技術問題得不到解決。
技術實現思路
本專利技術目的是針對現有技術的不足，提供一種可避免鉆頭嚴重磨損、提高機械鉆速、降低施工成本、效能高的等離子鉆井鉆頭。本專利技術為解決上述技術問題通過以下技術方案實現的：一種等離子鉆井鉆頭，在鉆頭本體預置有軸向貫通的流體通道和電極通孔，電極通孔內固連高壓正電極和絕緣體，在鉆頭本體底部固連杯形地電極，高壓正電極底部為高壓盤裝電極，高壓盤裝電極與杯形地電極之間預留環(huán)形極間間隙。上述方案一種細化方案包括：所述的鉆頭本體包括，由外管上接頭、外管本體、外管下接頭組成的外管，由內管上接頭、內管本體、內管下接頭組成的內管，以及固連在內、外管之間的上、下扶正塊；所述的流體通道即為內外管之間的環(huán)形間隙；所述的電極通孔即為內管的內腔通孔；所述的高壓正電極是由電纜芯、連接器、高壓柄和高壓盤裝電極自上而下依次連接組成，其外部由絕緣體固連在內管的內腔；所述杯形地電極固連在外管下接頭底部，并由外管作為杯形地電極的導電體。上述方案另一種細化方案包括：所述的鉆頭本體包括，由外管上接頭、外管本體、外管下接頭組成的外管，由內管上接頭、內管本體、內管下接頭組成的內管，以及固連在內、外管之間的上、下扶正塊；所述的流體通道即為內外管之間的環(huán)形間隙；所述的電極通孔即為內管的內腔通孔；在內管內壁設置絕緣層后套入金屬管，金屬管頂部接入地電極電纜；所述杯形地電極固連在外管和內管下接頭底部，且預制有與流體通道貫通的的弧形狹槽，金屬管與杯形地電極連接后作為杯形地電極的導電體；所述的高壓正電極是由電纜芯、連接器、高壓柄和高壓盤裝電極自上而下依次連接組成，其外部由絕緣體固連在金屬管和杯形地電極的內腔。上述方案的進一步包括：金屬管底部通過導電套與杯形地電極連接。所述的連接器軸向預制有上下凹槽，分別與電纜芯、高壓柄插接配合后由螺絲固定。設在內管和外觀之間的扶正塊為3個，并沿圓周相隔120°。杯形地電極上部沿圓周相隔120°設有3個弧形狹槽。所述扶正塊和杯形地電極的弧形狹槽縱向一一對應。在內管頂部設有壓帽，壓帽與內管上接頭螺紋連接，壓帽上縱向設有兩個個通孔，兩個電纜分別從兩通孔穿過。所述的杯形地電極環(huán)形底部端面與高壓盤裝電極底部端面處在同一個平面上。所述外管上接頭內側和上扶正塊外側、外管下接頭內側和下扶正塊外側均通過絲扣臺階用絲扣連接。所述外管下接頭和內管下接頭與杯形地電極通過焊接連接。所述外管由外管上接頭、外管本體和外管下接頭摩擦對焊順序連接構成；所述內管由內管上接頭、內管本體和內管下接頭通過絲扣順序連接構成。采用上述方案的等離子鉆頭應用在鉆井施工中，將等離子鉆頭及相應的底部鉆具組合與敷纜連續(xù)管或其它可傳輸電能至井下的鉆具相連，地面設有脈沖發(fā)生電路及其它相關鉆井設備。該鉆頭的工作原理是：地面脈沖電路產生的高強度電壓通過高壓電纜傳輸加到杯形地電極與高壓盤裝電極的間隙內，間隙內充滿鉆井液液體介質，在高電壓和脈沖電流的作用下，極間間隙里的介質出現解離和碰撞電離變?yōu)榈入x子態(tài)，從而極間間隙內由稠密的等離子體所充滿即形成等離子通道。由于瞬間高溫加熱的結果，等離子通道內壓力急劇升高，可達到3~10GPa，遠大于巖石的拉伸強度，從而使等離子體通道以極快的速度膨脹并擊穿巖石，使周圍的巖石碎裂，產生一圓形孔道，這一現象類似于樹木遭雷擊，但雷擊閃電的長度一般在3000m以上，而高壓脈沖放電技術能使放電長度縮小到1-2cm，且在1s內連續(xù)放電（形成等離子）20～30次，通過這些重復動作來沖蝕巖石，形成高效、控制狀態(tài)下的鉆井過程。地面泵入的鉆井液流經敷纜連續(xù)管或其它可傳輸電能至井下的鉆具進入等離子鉆頭內外管之間形成的環(huán)形空隙，繼續(xù)下行通過杯形地電極上部的3個弧形狹槽進入杯形地電極與高壓盤裝電極的間隙內，從而將等離子通道擊穿破碎巖石產生的巖屑沿著外管外壁與井眼之間的環(huán)空運移到地面。本專利技術的優(yōu)點是其克服了現有破巖工具的不足，利用高壓脈沖液相微放電作用在待鉆巖石前形成的等離子通道擊穿破碎巖石，無需與巖石表面接觸，無需機械研磨，能夠避免鉆頭嚴重磨損、提高機械鉆速，而且需要的能量較低，與常規(guī)機械旋轉鉆頭相比，成本低且效率高，也可以在采礦等其它行業(yè)推廣使用。附圖說明圖1是本專利技術結構剖視示意圖。圖2是圖1沿A-A線的剖視示意圖。圖3是圖1沿B-B線的剖視示意圖。圖4是本專利技術鉆井過程剖視示意圖。圖中：1?外管上接頭，2內管上接頭，3絕緣體，4絕緣體（層），5外管本體，6內管本體，7金屬管，8?螺絲，9內管下接頭，10外管下接頭，11杯形地電極，12絕緣體，13高壓盤裝電極，14?螺絲，15極間間隙，16弧形狹槽，17?下扶正塊，18導電套，19高壓柄，20?螺紋，21?連接器，22?孔眼，23上扶正塊，24壓帽，25電纜芯，26電纜芯，27?環(huán)形空隙，28?等離子通道，29?地層，30?鉆井液。具體實施方式下面結合說明書附圖和具體實施例，對本專利技術作進一步描述。實施例1一種等離子鉆井鉆頭，在鉆頭本體預置有軸向貫通的流體通道和電極通孔，電極通孔內固連高壓正電極和絕緣體，在鉆頭本體底部固連杯形地電極，高壓正電極底部為高壓盤裝電極，高壓盤裝電極與杯形地電極之間預留環(huán)形極間間隙。該實施例給出的是基本技術路線，在滿足有流體通道和高壓正電極和杯形地電極等基本條件后，配合地面設備即可完成等離子鉆井工作。優(yōu)化實施例2參照說明書附圖1、圖2和圖3，一種等離子鉆井鉆頭，包括外管上接頭1、外管本體5、外管下接頭10、內管上接頭2、內管本體6、內管下接頭9、上扶正塊23、下扶正塊17、高壓盤裝電極13、杯形地電極11、高壓柄19、導電套18、連接器21、金屬管7、壓帽24、電纜芯25、26、絕緣體3、4、12。外管上接頭1、外管本體5和外管下接頭10順序摩擦對焊成外管；內管上接頭2、內管本體6和內管下接頭9順序絲扣連接而成內管；內管上接頭2和下接頭9外側沿圓周相隔120°均設有3個扶正塊23、17；外管上接頭1內側和內管上接頭2上扶正塊23外側、外管下接頭10內側和內管下接頭9下扶正塊17外側均設有絲扣臺階用絲扣連接而成雙壁本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種等離子鉆井鉆頭，其特征在于：在鉆頭本體預置有軸向貫通的流體通道和電極通孔，電極通孔內固連高壓正電極和絕緣體，在鉆頭本體底部固連杯形地電極，高壓正電極底部為高壓盤裝電極，高壓盤裝電極與杯形地電極之間預留環(huán)形極間間隙。

【技術特征摘要】
1.一種等離子鉆井鉆頭，其特征在于：在鉆頭本體預置有軸向貫通的流體通道和電極通孔，電極通孔內固連高壓正電極和絕緣體，在鉆頭本體底部固連杯形地電極，高壓正電極底部為高壓盤裝電極，高壓盤裝電極與杯形地電極之間預留環(huán)形極間間隙。
2.根據權利要求1所述的等離子鉆井鉆頭，其特征在于：所述的鉆頭本體包括，由外管上接頭、外管本體、外管下接頭組成的外管，由內管上接頭、內管本體、內管下接頭組成的內管，以及固連在內、外管之間的上、下扶正塊；所述的流體通道即為內外管之間的環(huán)形間隙；所述的電極通孔即為內管的內腔通孔；所述的高壓正電極是由電纜芯、連接器、高壓柄和高壓盤裝電極自上而下依次連接組成，其外部由絕緣體固連在內管的內腔；所述杯形地電極固連在外管下接頭底部，并由外管作為杯形地電極的導電體。
3.根據權利要求1所述的等離子鉆井鉆頭，其特征在于：所述的鉆頭本體包括，由外管上接頭、外管本體、外管下接頭組成的外管，由內管上接頭、內管本體、內管下接頭組成的內管，以及固連在內、外管之間的上、下扶正塊；所述的流體通道即為內外管之間的環(huán)形間隙；所述的電極通孔即為內管的內腔通孔；在內管內壁設置絕緣層后套入金屬管，金屬管頂部接入地電極電纜；所述杯形地電極固連在外管和內管下接頭底部，且預制有與流體通道貫通的的弧形狹槽，金屬管與杯形地電極連接后作為杯形地電極的導電體；所述的高壓正電極是由電纜芯、連接器、高壓柄和高壓盤裝電極自上而下依次連接組成，其外部由絕緣體固連在金屬管和杯形地電極的內腔。
4.根據權利要求3所述的...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：郭先敏，蔡西茂，楊利，楊寧寧，曲剛，候芳，張林偉，
申請(專利權)人：中國石油化工集團公司，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11