微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿以及微波輔助破巖裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及破巖裝置技術(shù)領(lǐng)域中的微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿以及微波輔助破巖裝置，主要應(yīng)用于石油天然氣鉆井、地質(zhì)勘探以及礦山鉆探、開(kāi)采等行業(yè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前旋轉(zhuǎn)鉆井條件下，高效輔助破巖技術(shù)主要通過(guò)增加井底水功率和增加鉆頭能量的機(jī)械破巖，其使用壽命和破巖效果均有待于新的突破。至今，國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)微波輔助破巖技術(shù)產(chǎn)品在鉆井工程領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了提高機(jī)械鉆速，降低鉆井或破巖成本，提供一種微波輔助破巖鉆頭、一種導(dǎo)電鉆桿以及一種微波輔助破巖裝置。其共同點(diǎn)是應(yīng)用微波福射產(chǎn)生的熱量，降低巖石強(qiáng)度或直接破碎巖石，不僅能夠提高機(jī)械鉆速，還能夠有效降低鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，降低了鉆井和破巖成本。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下系列技術(shù)方案:
首先，一種微波輔助破巖鉆頭，包括鉆頭鑲體以及分布在鉆頭鑲體上的刀翼、切削齒、接頭，其特征是:每個(gè)刀翼內(nèi)部嵌入輔助破巖微波發(fā)生器，鉆頭鑲體內(nèi)部嵌入線纜，在接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈，線纜連接在導(dǎo)電線圈和輔助破巖微波發(fā)生器之間。
[0005]前述的微波輔助破巖鉆頭進(jìn)一步包括:所述鉆頭為PDC鉆頭。
[0006]井底輔助破巖微波發(fā)生器包括由磁控管、矩形波導(dǎo)管、同軸波導(dǎo)管、調(diào)諧反射鏡和電極針組成，其中同軸波導(dǎo)管由外部導(dǎo)電殼和絕緣套筒組成。
[0007]電極針連接有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括單一電機(jī)或者電機(jī)與變速器結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0008]電極針橫向尺寸小于微波輻射的波長(zhǎng)。
[0009]其次，一種導(dǎo)電鉆桿，包括鉆桿本體和連接在鉆桿本體兩端的接頭,其中，鉆桿本體內(nèi)嵌入線纜，鉆桿接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈。
[0010]本發(fā)明還給出了一種利用前述微波輔助破巖鉆頭的微波輔助破巖裝置是:包括鉆機(jī)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括微波發(fā)生控制器，微波輔助破巖鉆頭與鉆機(jī)連接，這其中包括通過(guò)微波輔助破巖鉆頭與鉆機(jī)建立的機(jī)械連接，以及通過(guò)微波輔助破巖鉆頭的線纜、獨(dú)立導(dǎo)電線圈與供電系統(tǒng)和微波發(fā)生控制器建立的線路連接。
[0011]同時(shí)，本發(fā)明還給出了一種利用前述微波輔助破巖鉆頭和導(dǎo)電鉆桿的微波輔助破巖裝置是:包括鉆機(jī)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)包括微波發(fā)生控制器；微波輔助破巖鉆頭通過(guò)導(dǎo)電鉆桿與鉆機(jī)連接，這其中包括通過(guò)微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿的接頭與鉆機(jī)建立的機(jī)械連接，以及通過(guò)微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿的線纜、獨(dú)立導(dǎo)電線圈與供電系統(tǒng)和微波發(fā)生控制器建立的線路連接。
[0012]微波破巖屬于一種熱能破巖裝置，本發(fā)明的微波輔助破巖鉆頭和的微波輔助破巖裝置創(chuàng)新之處在于將微波能量集中于一個(gè)比微波的波長(zhǎng)小的多的區(qū)域，微波能量聚集在材料表面之下，產(chǎn)生一個(gè)小的熱點(diǎn)，使材料變軟乃至熔化。微波破巖不會(huì)給鉆頭帶來(lái)新的沖擊、磨損等附加損害；相反，使用微波對(duì)巖石進(jìn)行預(yù)處理，降低鉆頭的破巖難度，延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命。
[0013]本發(fā)明給出的一種微波輔助破巖鉆頭單獨(dú)配合本發(fā)明的微波輔助破巖裝置作為破巖機(jī)使用，如果再配合導(dǎo)電鉆桿，作為鉆井機(jī)械使用。當(dāng)然本發(fā)明的微波輔助破巖鉆頭配合其它鉆機(jī)，也可以起到上述效果。
[0014]本發(fā)明的微波輔助破巖裝置的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用微波輻射產(chǎn)生的熱量，降低巖石強(qiáng)度或直接破碎巖石，不僅能夠提高機(jī)械鉆速和破巖效率，還能夠有效降低鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，降低了鉆井或破巖的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1、微波輔助破巖PDC鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖圖2、微波輔助破巖PDC鉆頭底部結(jié)構(gòu)示意圖圖3、輔助破巖微波發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖
圖4、導(dǎo)電鉆桿剖面示意圖圖中:
6導(dǎo)電鉆桿7線纜(或稱(chēng)電纜)8 (獨(dú)立)導(dǎo)電線圈
9輔助破巖微波發(fā)生器 10磁控管11矩形波導(dǎo)管
12同軸波導(dǎo)管13調(diào)諧反射鏡 14電極針
15旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)16外部導(dǎo)電殼 17絕緣套筒
18鉆頭鑲體19刀翼20切削齒。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0017]實(shí)施例1,結(jié)合附圖1、2，一種微波輔助破巖鉆頭,包括:
鉆頭鑲體18以及分布在鉆頭鑲體18上的刀翼19、切削齒20、接頭。每個(gè)刀翼19內(nèi)部嵌入輔助破巖微波發(fā)生器9，鉆頭鑲體19內(nèi)部嵌入線纜7，在接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈8，線纜7連接在導(dǎo)電線圈8和輔助破巖微波發(fā)生器9之間。
[0018]基于上述實(shí)施例的微波輔助破巖鉆頭進(jìn)一步包括:
所述鉆頭為PDC鉆頭。
[0019]參見(jiàn)附圖3，井底輔助破巖微波發(fā)生，9包括由磁控管10、矩形波導(dǎo)管11、同軸波導(dǎo)管12、調(diào)諧反射鏡13和電極針14組成，其中同軸波導(dǎo)管12由外部導(dǎo)電殼16和絕緣套筒17組成。
[0020]電極針14連接有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單一電機(jī)或者采用電機(jī)與變速器結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0021]電極針14橫向尺寸小于微波輻射的波長(zhǎng)。
[0022]實(shí)施例2，結(jié)合附圖4，一種導(dǎo)電鉆桿6，包括鉆桿本體和連接在鉆桿本體兩端的接頭，其中，鉆桿本體內(nèi)嵌入線纜7，鉆桿兩個(gè)接頭處分別嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈8。
[0023]實(shí)施例3，一種利用前述微波輔助破巖鉆頭的微波輔助破巖裝置包括鉆機(jī)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括微波發(fā)生控制器，微波輔助破巖鉆頭與鉆機(jī)連接，這其中包括通過(guò)微波輔助破巖鉆頭與鉆機(jī)建立的機(jī)械連接，以及通過(guò)微波輔助破巖鉆頭的線纜、獨(dú)立導(dǎo)電線圈與供電系統(tǒng)和微波發(fā)生控制器建立的線路連接。
[0024]實(shí)施例4, 一種利用前述微波輔助破巖鉆頭和導(dǎo)電鉆桿6的微波輔助破巖裝置:
(1)將輔助破巖微波發(fā)生器9嵌入PDC鉆頭的每個(gè)刀翼19內(nèi)部，將電纜7嵌入PDC鉆頭鑲體18內(nèi)部，在PDC接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈8，組成微波輔助破巖PDC鉆頭；
(2)通過(guò)地面發(fā)電機(jī)組組成的供電系統(tǒng)提供井底輔助破巖微波發(fā)生裝置9所需的電倉(cāng)泛;
(3)將電纜7嵌入導(dǎo)電鉆桿壁內(nèi)，并在鉆桿接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈8組成導(dǎo)電鉆桿，用其傳輸輔助破巖微波發(fā)生器9所需的電能；
(4)司鉆控制臺(tái)加裝微波發(fā)生控制器，通過(guò)微波發(fā)生控制器間歇性的開(kāi)啟輔助破巖微波發(fā)生器9,向井底福射微波；
(5)產(chǎn)生的微波福射加熱巖石，降低巖石強(qiáng)度；
(6)通過(guò)PDC鉆頭切削齒20的切削作用將巖石切削磨碎，通過(guò)鉆井液循環(huán)體系將磨碎的巖屑攜出井眼。
[0025]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，通過(guò)磁控管10產(chǎn)生微波輻射；
進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)矩形波導(dǎo)管11上的調(diào)諧反射鏡13，使微波聚集于電極針14傳導(dǎo)；
進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，同軸波導(dǎo)管12由外部導(dǎo)電殼16和絕緣套筒17組成。
[0026]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15使得電極針14自轉(zhuǎn)，以防止巖屑阻塞電極針。
[0027]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，微波輻射的波長(zhǎng)一定，電極針14橫向尺寸需要小于微波輻射的波長(zhǎng)。
[0028]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，電極針14從微波輔助破巖PDC鉆頭18切削齒20的后部伸出。
[0029]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，電極針14和外部導(dǎo)電鞘16是同軸的。
[0030]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，電極針14加熱形成的孔洞為圓對(duì)稱(chēng)。
[0031]進(jìn)一步的，所述的微波輔助破巖裝置，電極針14加熱形成的孔洞橫向尺寸小于微波輻射的波長(zhǎng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微波輔助破巖鉆頭，包括鉆頭鑲體以及分布在鉆頭鑲體上的刀翼、切削齒、接頭，其特征是:每個(gè)刀翼內(nèi)部嵌入輔助破巖微波發(fā)生器，鉆頭鑲體內(nèi)部嵌入線纜，在接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈，線纜連接在導(dǎo)電線圈和輔助破巖微波發(fā)生器之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輔助破巖鉆頭，其特征是:所述鉆頭為PDC鉆頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波輔助破巖鉆頭，其特征是:井底輔助破巖微波發(fā)生器包括由磁控管、矩形波導(dǎo)管、同軸波導(dǎo)管、調(diào)諧反射鏡和電極針組成，其中同軸波導(dǎo)管由外部導(dǎo)電殼和絕緣套筒組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波輔助破巖鉆頭，其特征是:電極針連接有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括單一電機(jī)或者電機(jī)與變速器結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波輔助破巖鉆頭,其特征是:電極針橫向尺寸小于微波福射的波長(zhǎng)。
6.一種導(dǎo)電鉆桿,包括鉆桿本體和連接在鉆桿本體兩端的接頭,其特征是:鉆桿本體內(nèi)嵌入線纜，鉆桿接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈。
7.一種利用1-5任一權(quán)利要求所述的微波輔助破巖鉆頭的微波輔助破巖裝置，其特征是:包括鉆機(jī)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括微波發(fā)生控制器，微波輔助破巖鉆頭與鉆機(jī)連接，這其中包括通過(guò)微波輔助破巖鉆頭與鉆機(jī)建立的機(jī)械連接，以及通過(guò)微波輔助破巖鉆頭的線纜、獨(dú)立導(dǎo)電線圈與供電系統(tǒng)和微波發(fā)生控制器建立的線路連接。
8.—種利用權(quán)利要求1-5任一所述的微波輔助破巖鉆頭和權(quán)利要求6所述的導(dǎo)電鉆桿的微波輔助破巖裝置，其特征是:包括鉆機(jī)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)包括微波發(fā)生控制器；微波輔助破巖鉆頭通過(guò)導(dǎo)電鉆桿與鉆機(jī)連接，這其中包括通過(guò)微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿的接頭與鉆機(jī)建立的機(jī)械連接，以及通過(guò)微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿的線纜、獨(dú)立導(dǎo)電線圈與供電系統(tǒng)和微波發(fā)生控制器建立的線路連接。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了微波輔助破巖鉆頭、導(dǎo)電鉆桿以及微波輔助破巖裝置。其中微波輔助破巖鉆頭，包括鉆頭鑲體以及分布在鉆頭鑲體上的刀翼、切削齒、接頭，刀翼內(nèi)部嵌入輔助破巖微波發(fā)生器，鉆頭鑲體內(nèi)部嵌入線纜，在接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈，線纜連接在導(dǎo)電線圈和輔助破巖微波發(fā)生器之間。導(dǎo)電鉆桿，包括鉆桿本體和連接在鉆桿本體兩端的接頭，鉆桿本體內(nèi)嵌入線纜，鉆桿接頭處嵌入獨(dú)立導(dǎo)電線圈。微波輔助破巖裝置包括鉆機(jī)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括微波發(fā)生控制器。其共同點(diǎn)是應(yīng)用微波輻射產(chǎn)生的熱量，降低巖石強(qiáng)度或直接破碎巖石，不僅能夠提高機(jī)械鉆速，還能夠有效降低鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，降低了鉆井和破巖成本。
【IPC分類(lèi)】E21B10-00, E21B17-00, E21B7-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104563883
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310515240
【發(fā)明人】王宗剛, 韓來(lái)聚, 李作會(huì), 孫銘新, 周延軍, 王智鋒, 馮光通, 牛洪波, 魏振, 孫連坡
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油化工集團(tuán)公司, 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月28日