【CN109736710A】多路高低压复合等离子破岩钻头【专利】

附图说明 [0012] 图1是本发明的多路高低压复合等离子破岩钻头结构图； [0013] 图2是本发明的等离子发生器结构图。
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CN 109736710 A
说 百度文库 书
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[0014] 图中，101、钻头本体，102、绝缘体，103、等离子发生器，104、钻井液出口，105、等离 子综合管线 ，106、钻井液管 ，201 、阴极座 ，202、阳极座 ，203、冷却水心 ，204、绝缘陶瓷 ，205、 阴极，206、阳极，207、气电管，208、水电管，209、回水管。
权利要求书1页 说明书2页 附图2页
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权 利 要 求 书
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1 .一种多路高低压复合等离子破岩钻头，包括：钻头本体、绝缘体、等离子发生器、钻井 液出口 、等离子综合管线、钻井液管 ；其特征在于 ：同 一个钻头本体上分布有多个等离子发 生器 ；等离子发生器的 轴线与钻头本体的 轴线成一定夹 角 ；每一个等离子发生器都通过各 自的等离子综合管线独立地与地面相连，独立工作；钻井液由钻井液出口流出，带走等离子 发生器工作产生的热量，对等离子发生器进行冷却。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910019930 .4
(22)申请日 2019 .01 .09
(71)申请人 中国石油大学（华东） 地址 266580 山东省青岛市黄岛区长江西 路66号
(72)发明人 刘永红 孙强 纪仁杰 韩延聪 刘鹏 李德格 武鑫磊 张凡
种石油钻井领域中的多路高低压复合等离子破 岩钻头。多路高低压复合等离子破岩钻头，包括： 钻头本体 、绝缘体 、等离子发生器 、钻井液出口 、 等离子综合管线 、钻井液管 ；同 一个钻头本体上 分布有多个等离子发生器；等离子发生器的轴线 与钻头本体的轴线成一定夹角；每一个等离子发 生器都通过各自的等离子综合管线独立地与地 面相连，独立工作；钻井液由钻井液出口流出，带 走等离子发生器工作产生的热量，对等离子发生 器进行冷却；该钻头将多路等离子发生器集中于 一个钻头上 ，可以 显著提高 钻头功率 ，增大钻孔 直径 ；单个等离子发生器功率较小 ，阳极热烧蚀 作用小，可明显降低阳极损耗，提高钻头寿命；每 一组等离子发生器独立工作，单组等离子发生器 出现故障 ，钻头整体依然可以工作；等离子发生 器模块化设计，便于维护。
2 .根据权力要求1所述的多路高低压复合等离子破岩钻头，其特征在于：等离子发生 器，包括：阴极座、阳极座、冷却水心、绝缘陶瓷、阴极、阳极、等离子综合管线；其中等离子综 合管线包括气电管、水电管、回水管；气电管接等离子电源正极，管内通压缩气体；等离子电 源正极通过气电管、阳极座与阳极相连；压缩气体依次通过气电管、阳极座流入到阴极与阳 极之间的放电 间隙 ，并从阳极的喷嘴流出 ；水电 管接等离子电 源负极 ，管内通冷却水 ；等离 子电源负极通过水电管、阴极座与阴极相连；冷却水依次流经水电管、阴极座、冷却水心、阴 极之后由冷却水心的 外壁和阴极之间的空隙返回 ，带走阴极工作时 产生的热量 ，然后通过 阴极座的内部通道由回水管排出。
具体实施方式 [0015] 如图1所示，多路高低压复合等离子破岩钻头，包括：钻头本体101、绝缘体102、等 离子发生器103、钻井液出口104、等离子综合管线105、钻井液管106；绝缘体102安装在钻头 本体101上；等离子发生器103安装在绝缘体102上；等离子发生器103与钻头本体101之间通 过绝缘体102相互绝缘；同一个钻头本体101上分布有多个等离子发生器；等离子发生器103 的轴线与钻头本体101的轴线成一定夹角；等离子综合管线105连接等离子发生器103和地 面上部的等离子电源以及辅助设备；每一个等离子发生器都通过各自的等离子综合管线独 立地 与地面 相连 ，独立工 作 ；绝缘体1 02 与等离子发 生器1 03之间的 空隙 构成 钻井液出口 104 ；钻井液管106连接地面的 钻井液泵和绝缘体102 ；钻井液由 地面的 钻井液泵泵出 ，通过 钻井液管106流入绝缘体102上的钻井液通道，再由钻井液出口104流出；钻井液由钻井液出 口104流出时 ，带走等离子发生器103工作产生的热量 ，对等离子发生器103进行冷却 ；钻井 液由钻井液出口104流出至等离子钻头与岩石之间的间隙 ，带走破碎的岩石。 [0016] 如图2所示，等离子发生器，包括：阴极座201、阳极座202、冷却水心203、绝缘陶瓷 204、阴极205、阳极206、等离子综合管线105；其中等离子综合管线105包括气电管207、水电 管208、回水管209；阴极座201与冷却水心203通过螺纹连接；阴极205与阴极座201通过螺纹 连接；冷却水心203深入到阴极205内部；绝缘陶瓷204包裹在阴极座201外部；绝缘陶瓷204 的管壁内有均匀分布的气孔；绝缘陶瓷204外部粘接阳极座202；阳极206通过螺纹与阳极座 202连接；阳极座207尾部焊接有气电管207；阴极座201尾部焊接有水电管208、回水管209； 气电 管207 、水电 管208为外表面包裹绝缘材料的 金 属管 ；回水管209为非金 属材料管 ，不导 电 ；等离子发生器工作时，气电管207接等离子电源正极，管内通压缩气体；等离子电源正极 通过气电管207、阳极座202与阳极208相连；压缩气体依次通过气电管207、阳极座202流入 到阴极205与阳极206之间的放电 间隙 ，并从阳极206的喷嘴流出 ；水电 管208接等离子电 源 负极，管内通冷却水；等离子电源负极通过水电管208、阴极座201与阴极205相连；冷却水依 次流经水电管208、阴极座201、冷却水心203、阴极205之后由冷却水心203的外壁和阴极205 之间的空隙返回 ，带走阴极205工作时 产生的热量 ，然后通过阴极座201的内部通道由回水 管209排出 ；等离子发生器工作初始阶 段 ，等离子电 源在正负极之间 施 加高频高 压脉 冲信 号 ，该信号通过气电 管207和水电 管208分别加到等离子发生器的阳极206和阴极205之间 ， 阳极206 和阴极205之间的空气被击穿 ，形成等离子放电 通道 ，放电 通道产生的电阻 热持续 电离后续压缩气体，等离子发生器持续工作。
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说 明 书
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多路高低压复合等离子破岩钻头
技术领域 [0001] 本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种石油钻井领域中的多路高低压复合 等离子破岩钻头。
背景技术 [0002] 随着石油资源勘探开发的深度不断增加，地质条件变得越来越复杂，破岩难度日 益 增大 ，旋转机械钻井技术的 不适应性日益突出 ，主要表现为钻头磨损严重、破岩效率低、 钻井速度慢、成本高等。等离子破岩钻井是一种新型的钻井技术，它是利用等离子热能冲击 和熔化等作 用破碎岩石 ，该方法的 破岩效果不受岩石的 硬度和强度等的 影响 ，可以 克服传 统旋转机械破岩方法的缺陷，是一种高效、经济、环保的新型油气钻井方法。 [0003] 目前等离子破岩钻头分为高压脉冲等离子破岩钻头以及等离子电弧烧蚀破岩钻 头。前者的内外电 极之间产生高频脉冲电 弧 ，其内外电 极在脉冲电 弧的蚀除 作用下 ，损耗很 快。因此这种钻头寿命短 ，能耗大 ，工作不稳定。后者工作时 ，高温等离子体从阳极喷嘴中喷 射而出 ，这种钻头能承载的 功率不大 ，所钻井眼 小 ，且阳极容易被烧蚀。因此开发一 种新型 等离子破岩钻头尤为必要。
(51)Int .Cl . E21B 10/00(2006 .01) E21B 10/60(2006 .01) E21B 7/15(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109736710 A (43)申请公布日 2019.05.10
( 54 )发明 名称 多路高低压复合等离子破岩钻头
( 57 )摘要 本发明 属于石 油工程领域 ，具体地 ，涉及一
发明内容 [0004] 为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多路高低压复合等离子破岩钻头。 [0005] 为实现上述目的，本发明采用下述方案： [0006] 多路高低压复合等离子破岩钻头，包括：钻头本体、绝缘体、等离子发生器、钻井液 出口 、等离子综合管线、钻井液管 ；同 一个钻头本体上分布有多个等离子发生器 ；等离子发 生器的轴线与钻头本体的轴线成一定夹角；每一个等离子发生器都通过各自的等离子综合 管线独立地与地面相连，独立工作；钻井液由钻井液出口流出，带走等离子发生器工作产生 的热量，对等离子发生器进行冷却。 [0007] 本发明的有益效果在于： [0008] 1 .将多路等离子发生器集中于一个钻头上，可以显著提高钻头功率，增大钻孔直 径。 [0009] 2 .单个等离子发生器功率较小，阳极热烧蚀作用小，可明显降低阳极损耗，提高钻 头寿命。 [0010] 3 .每一组等离子发生器独立工作，单组等离子发生器出现故障 ，钻头整体依然可 以工作。 [0011] 4 .等离子发生器模块化设计，便于维护。