一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头

摘要

本发明涉及一种用于深部难钻地层的电脉冲‑机械复合破岩钻头。所述用于深部难钻地层的电脉冲‑机械复合破岩钻头的结构包括外圈PDC钻头、同轴电缆、接头、绝缘套筒、弹簧、电缆连接杆、套体、低压接地电极和高压中心电极等。该复合钻头将传统机械钻头与电极钻头相结合，实现电脉冲破岩与机械破岩同步进行，不仅提高了破岩效率，而且岩屑随钻井液排出更加容易；同时，还具有易控制钻井轨迹、深井钻进成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气钻采开发过程中的一种高效破岩钻头，尤指一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头。

背景技术

近年来，中国石油和天然气进口量持续增长，为了减少我国油气资源对国外的依存度，保障国家能源安全，需要持续加大油气勘探开发力度。我国目前开采的主要是浅部油气资源，浅部油气资源由于大量开采而日渐枯竭，而深层油气资源还非常丰富，其中石油资源量占比为40％，天然气资源量占比为60％，是陆上剩余资源量最多、发展潜力最大的领域。因此向地球深部进军、开采深层油气资源，对于实现我国能源接替、筑牢我国能源安全的资源基础具有重要的现实与战略意义。然而，在我国的深井钻完井技术中一直存在着深部地层钻速慢的问题，深部地层钻速慢的主要原因就是破岩效率低，为了解决破岩效率低的问题，研究新的高效破岩钻井技术和与之匹配的高效破岩钻头势在必行。

钻头在深井钻井中的地位非常明显，由于钻头与地层的适应性直接可以决定钻井效率的高低。目前深井钻井多采用PDC钻头，PDC钻头依靠钻柱机械带动进行旋转，通过PDC齿与岩石之间的刮挤剪切作用对岩石进行破碎。随着钻井深度的增加，深层次的地质岩石上覆压力逐步增大，其岩石的硬度、抗压强度、抗剪强度和研磨性成倍增加，钻进过程中PDC钻头极易磨损和损坏，导致钻井成本大大增加。同时，随着钻井深度的增加，钻柱会容易扭曲，一旦钻柱扭曲就会导致钻井出现扭曲，而钻井的扭曲又会造成钻井的倾斜，从而会使得钻压的传递性变差，导致机械的钻速极大的降低，岩石破碎效率受到极大的限制。

利用高压电脉冲对岩石进行破碎，具有破岩效率高、深井钻进成本低等优点，是目前为止极具发展潜力、接近工业化的破岩方式。高压电脉冲破岩技术源于“闪电”原理，按脉冲放电的所处的介质可将其分为两种类型：即电脉冲破岩和液电破岩。电脉冲破岩的原理为：将高压短脉冲电压(电压上升时间<500ns)在液体介质(如电导率小于300μS/cm的水或油)中作用于矿石，使矿石内部被击穿并产生放电通道，在通道内会瞬间集中10～100J/cm

针对深部难钻地层，将目前常用的PDC钻头与电极钻头结合起来是一种很好的破岩提速方法。目前也有人提出采用电极钻头+电极孕镶齿进行深井钻探，该种钻头虽然能利用高压电脉冲进行破岩，但是电极钻头需要通过钻杆带动进行机械旋转对岩屑造成进一步破碎，在旋转过程中井底岩屑对电极钻头的磨损较为严重，这对电极材料的性能提出了很高的要求，无法有效降低钻井成本。此外，井底岩屑由于电极钻头的结构不易被钻井液携出。因此，需要设计和构思适用于高压电脉冲-机械钻井方法的复合钻头。

发明内容

基于以上工程背景,本发明提供了一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头。这种复合钻头基于高压电脉冲-机械旋转复合钻井方法：其破岩原理采用电脉冲破岩和传统破岩相结合的方法—井底中心处破碎岩石的动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波、靠近井壁处破碎岩石的动力为外圈PDC钻头机械旋转钻进运动。这种方法将高压电脉冲钻井与传统机械破岩钻井相结合，使得井底中心部岩石受高压电脉冲产生的瞬时高温和冲击波而破碎形成破碎坑，释放一部分岩石应力，对外圈机械钻头破岩有积极作用，而外圈机械钻头的旋转能对岩屑进一步破碎，使岩屑更容易排出破岩效率大大提高。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头。所述的复合钻头包括：连接盘、外圈PDC钻头、套体、接地极连接盘、低电压接地极、同轴电缆、接头、电缆连接杆、弹簧、绝缘套筒、高压中心电极、绝缘体等。在复合钻头中，低电压接地极与接地极连接盘通过焊接固连，接地极连接盘通过上部的锥形螺纹与套体下部固连；绝缘套筒穿过接地极连接盘中间通道，通过螺纹与高压中心电极固连，其圆柱面上开有小孔，用于电缆与接地极连接盘的连接；绝缘套筒上部与套体固连(螺纹连接或者焊接)；电缆连接杆穿过绝缘套筒中间通道，下部插入所述高压中心电极顶部凹槽中，上部位于套体与绝缘体共同形成的上部凹槽中，其中心孔用于安装和固定同轴电缆，圆柱面上开有小孔用于电缆与接地极连接盘的连接；所述套体上部开有三个矩形凹槽，中间凹槽用于填充绝缘体与安装电缆连接杆，另外两个凹槽内有用于流通钻井液的套体钻井液流道；所述绝缘体填充在套体中间凹槽中，用于隔绝套体与电缆连接杆之间的电力传导；连接盘下部圆筒结构设置有用于流入钻井液的中心通道，底部通过焊接与套体固连，其上部具有盘状结构，盘状结构上下两面均有弧形凹槽，弧形凹槽中放有滚珠，连接盘通过滚珠与接头底部、钻头顶部的弧形凹槽相互配合，形成压力滚动轴承；所述连接盘顶部盘状结构开有若干钻井液流孔，用于流通钻井液；外圈PDC钻头为多刀翼钻头，顶部为一内台阶，平台中心开有与连接盘相配合的通孔，并有开有若干钻井液流孔，用于流通钻井液；外圈PDC钻头顶部有弧形凹槽，用于放置滚珠，并且顶部边缘通过焊接与接头固连；接头下部开有弧形凹槽，用于滚珠的配合，其底部通过焊接与外圈PDC钻头固连。弹簧通过焊接与套体、外圈PDC钻头固连，位于限位筒内圆柱面。

在所述的一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头中，接头内腔、连接盘中间通道、套体内钻井液流道与接地极连接盘内的钻井液流道构成了钻井液内流路径Ⅰ；接头内腔、连接盘上的所述钻井液流孔与外圈PDC钻头顶部的钻井液流孔构成了钻井液内流路径Ⅱ；外圈PDC钻头外壁与已经成形的钻井液形成了钻井液的外流路径；内流路径Ⅰ和Ⅱ钻井液流向自上而下，外流路径自下而上；内流路径Ⅰ、内流路径Ⅱ与外流路径构成了钻井液的循环通道。同轴电缆的高电压线与电缆连接杆连接，高压电经电缆连接杆传导至高压中心电极；同轴电缆的低电压线通过电缆连接杆侧边小孔与绝缘套筒侧边小孔引出，与接地极连接盘连接。外圈PDC钻头顶部、连接盘盘状结构的上下表面以及接头下部开有弧形凹槽，在凹槽中放置所述滚珠，以在旋转时实现中心电极钻头结构与外圈PDC钻头的相对静止。接地极连接盘的内孔台阶周围沿圆周方向均布有6～8个用于流通钻井液的电极钻井液流孔。

与现有钻井钻头相比,本发明具有以下特点和优势：

1)传统旋转钻井破岩与高压电脉冲钻井破岩相结合，钻井效率大大提高；

2)将复合钻头与井下动力钻具相结合，可钻各种类型的井(直井、定向井等)，更符合石油钻井发展需要；

3)无论是地层水，还是钻井液，均能为高压电脉冲钻井技术提供良好的液体条件；

4)电极钻头的安装采用“弹簧+限位筒的方式”，能满足钻进过程中电极钻头的轴向振动，使得电极钻头与岩石表面的接触增加，同时弹簧结构也可减缓电极钻头的周向振动，最终减少由于电极与岩石机械作用导致的电极损耗；

5)滚动轴承结构不仅能实现中心电极钻头与外圈PDC钻头工作时的相对静止，同时能实现连接盘上的钻井液流孔与外圈PDC钻头顶部内台阶上的钻井液流孔的交互重合与错开，有助于增加井底流场的紊乱程度，更有利于通过液力脉冲排出岩屑。

附图说明

图1为用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头外形图；

图2为用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头结构示意图；

图3为用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头工作原理图；

图4为接地极连接盘结构示意图；

图5为电缆连接杆结构示意图；

图6为连接盘结构示意图；

图7为套体结构示意图；

图2中：101.连接盘；102.外圈PDC钻头；103.套体；104.接地极连接盘；105.低电压接地极；106.同轴电缆；107.接头；108.滚珠；109.电缆连接杆；110.绝缘套筒；111.高压中心电极；112.绝缘体；10-B.连接盘钻井液流孔；10-C.电极钻井液流孔；10-D.同轴电缆安装孔；10-E.接地极连接盘钻井液流道；10-F.套体钻井液流道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施。因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图描述本发明一些实施例的用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头。

本发明主要针对所述用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头1，如图2所示，该钻头结构包括：连接盘101、外圈PDC钻头102、套体103、接地极连接盘104、低电压接地极105、同轴电缆106、接头107、滚珠108、电缆连接杆109、绝缘套筒110、高压中心电极111、绝缘体112、限位筒113、弹簧114等。所述低电压接地极105与接地极连接盘104通过焊接固连，接地极连接盘104通过上部的锥形螺纹与套体103下部固连；所述绝缘套筒110用于隔绝高压中心电极与低压接地极之间的电力传导，其穿过接地极连接盘104中间通道，通过螺纹与高压中心电极111固连，其圆柱面上开有小孔，用于电缆与接地极连接盘104的连接；所述绝缘套筒110上部与套体103固连；所述电缆连接杆109穿过绝缘套筒110中间通道，下部插入所述高压中心电极顶部凹槽中，上部位于套体103与绝缘体112共同形成的上部凹槽中，其中心孔10-D用于安装和固定所述同轴电缆106，圆柱面上开有小孔用于电缆与接地极连接盘104的连接；所述套体103顶部通过焊接与限位筒113、弹簧114固连，其上部开有三个矩形凹槽，中间凹槽用于填充绝缘体112与安装电缆连接杆109，另外两个凹槽内有用于流通钻井液的套体钻井液流道10-F；所述绝缘体112填充在套体103中间凹槽中，用于隔绝套体103与电缆连接杆109之间的电力传导；所述连接盘101下部圆筒结构穿过钻头顶部中间通道，底部通过焊接与限位筒113固连，其上部具有盘状结构，盘状结构上下两面均有弧形凹槽，弧形凹槽中放有滚珠108，连接盘101通过滚珠与接头107底部、外圈PDC钻头102顶部的弧形凹槽相互配合，形成压力滚动轴承；所述连接盘101顶部盘状结构开有若干钻井液流孔10-B，用于流通钻井液；所述外圈PDC钻头102为多刀翼钻头，顶部为一平台，平台中心开有与连接盘101相配合的通孔，并在通孔外圈开有若干钻井液流孔10-C，用于流通钻井液；所述外圈PDC钻头102顶部有弧形凹槽，用于放置滚珠，并且顶部通过焊接与接头107固连；所述接头107下部开有弧形凹槽，用于与滚珠配合，其底部通过焊接与外圈PDC钻头102固连。所述弹簧114通过焊接与套体103、外圈PDC钻头102固连，位于限位筒113内圆柱面。

在该复合钻头中，所述接头107内腔、所述连接盘101中间通道、所述套体103内钻井液流道10-F与接地极连接盘104内的钻井液流道10-E构成钻井液内流路径Ⅰ；所述接头107内腔、所述连接盘101上的所述钻井液流孔10-B与所述外圈PDC钻头102顶部的钻井液流孔10-C构成钻井液内流路径Ⅱ；所述外圈PDC钻头102外壁与已经成形的钻井液形成了钻井液的外流路径；内流路径Ⅰ、内流路径Ⅱ与外流路径构成了钻井液的循环通道。所述同轴电缆106的高电压线与电缆连接杆109连接，高压电经电缆连接杆109传导至高压中心电极；所述同轴电缆106的低电压线通过电缆连接杆109侧边小孔与绝缘套筒侧边小孔引出，与接地极连接盘104连接。所述外圈PDC钻头102顶部、所述连接盘101盘状结构的上下表面、所述接头107下部开有弧形凹槽，在凹槽中放置所述滚珠108，旋转时实现中心电极钻头结构与外圈PDC钻头102的相对静止。所述接地极连接盘104的内孔台阶周围沿圆周方向均布有6～8个用于流通钻井液的电极钻井液流孔10-E。

所述复合钻头1的工作原理如图3所示，其破岩原理分为电脉冲破岩与机械破岩两部分。电脉冲破岩过程为：首先，所述高压中心电极111和低压接地电极105与井底岩石接触，如图3(a)中所示。然后，电流经所述地面电源、电缆传到所述低压接地电极105与所述高压中心电极111两端。高压短脉冲放电电压下(电压上升时间<500ns)，岩石的击穿场强小于去离子钻井液(电导率小于300μS/cm)，放电等离子体通道在岩石内部形成，如图3(b)所示。等离子通道形成后，高压电脉冲电源中的能量释放到等离子体通道中，并对通道加热；等离子体通道受热膨胀，产生冲击应力波并对周围岩石做功，使得岩石内部产生“内伤”；当冲击应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏，如图3(c)所示。同时，电脉冲岩石破碎圈外未被破坏的岩石通过外圈PDC钻头的机械旋转被破碎，在钻井液的压力作用下，电脉冲破岩与机械破岩形成的岩屑通过外圈PDC钻头刀翼间的缺口被上排出井底，使得新形成的井底岩石面与所述接地极105与所述高压中心电极111充分接触，完成新一轮的破岩工作。

与传统的破岩方式不同，复合钻头破碎岩石的动力来源于两部分——井底中心处破碎岩石的动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波、靠近井壁处破碎岩石的动力为外圈PDC钻头机械旋转钻进运动。井底中心部岩石受高压电脉冲产生的瞬时高温和冲击波而破碎形成破碎坑，释放一部分井底岩石应力，对外圈机械钻头破岩有促进作用，破岩效率大大提高。同时，外圈PDC钻头刀翼间的缺口能加快岩屑的排出，从而充分增加电极钻头与岩石的接触；此外，外圈PDC钻头能规整井壁、保证井壁光滑、降低钻杆与井壁的摩阻扭矩。在钻井时，外圈PDC钻头的机械旋转能有效地校正钻进方向，保证钻井轨迹。