一种井下动力钻头装置的制作方法
本发明关于能源钻探技术领域，特别是关于石油工程钻井技术，具体的讲是一种井下动力钻头装置。
背景技术：
随着浅层油气资源的勘探开发程度越来越高，深层油气资源成为我国油气资源战略接替的重要领域。我国剩余油气资源中约40％处于深部地层(≥4500m)，深层油气资源勘探开发已成为我国油气发展的重大需求。因此，如何对深层油气资源进行开采是当前的研究重点。
传统的钻头装置在深井、超深井的钻井勘探过程中，地面能量由地面向井底传输的过程中存在较大损失，因而导致井底压力不足、钻速较慢、钻井的效率低下。倘若加大地面能量的压力，虽然会提升传输到井底的能量，但是过高的圧力又会使钻头装置的钻杆屈服变形甚至挤毁。此外，传统的钻头装置中的液返排系统出于安全因素的考虑，地面无法提供过高的泵压，而在深井、超深井中钻井液沿程压力损失较大，导致井底水力能量不足，携岩效率不高。
同时，深层油气资源多埋藏在盆地、山区，钻井勘探的电力供应依赖于发电厂架设的电网，用电成本较高，而传统的发电厂利用化石能源发电，能量利用率较低，同时还会放出有毒有害颗粒物及温室气体，严重污染环境，加剧温室效应。此外，由于深部地层岩石的硬度高、可钻性差，传统的水射流钻井在深部硬地层钻进效率低、周期长、成本高。
因此，如何研究和开发出一种新的设备，其能够应用于深层油气资源是本领域亟待解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明提供了一种井下动力钻头装置，采用燃料电池将化学能转化为电能进而直接为井下钻头装置供能，由于沿程能量损失小，井底压力充足，因此实现了高效快速钻进，可达到更大的钻井井深，满足深层目前钻探的需求。
本发明的目的是，提供一种下动力钻头装置，燃料电池、加热装置、加压装置以及钻头，
其中，其中，所述燃料电池，用于接收外部传输的氢气以及氧气，使所述氢气与所述氧气发生反应并释放出热量与电能；
所述加热装置，用于吸收所述热量以对钻井液进行加热气化；
所述加压装置，用于在所述电能的作用下对所述气化后的钻井液进行加压，将加压后的钻井液经过所述钻头喷出以进行射流钻井。
在本发明的优选实施方式中，所述燃料电池包括相对结合的空气流场板以及氢气流场板。
在本发明的优选实施方式中，所述空气流场板为圆环形，包括空气圆孔流道、空气气体扩散腔以及空气冷却流道。
在本发明的优选实施方式中，所述氢气流场板为圆环形，包括氢气圆孔流道、氢气气体扩散腔以及氢气冷却流道，所述空气冷却流道与所述氢气冷却流道相互对应形成环状流道。
在本发明的优选实施方式中，所述燃料电池上设置有多个焊接脚，通过所述焊接脚将所述燃料电池与所述钻头进行固定连接。
在本发明的优选实施方式中，所述钻头装置还包括钻头钻井液回收管、钻头钻井液回收集箱、外壳以及钻头钻井液输送集箱；所述钻头钻井液输送集箱焊接于所述外壳的表面，所述钻头钻井液回收管的弯管段与所述钻头钻井液回收集箱的外圆环面焊接，所述钻头钻井液回收管的直段位于所述外壳外侧环空间隙中。
在本发明的优选实施方式中，所述加热装置包括加热翅片以及加热管，所述加热管点焊于所述燃料电池上，所述加热翅片点焊于所述燃料电池及所述加热管上。
在本发明的优选实施方式中，所述加压装置包括防爆旋转电机、电机固定盘、叶片固定盘以及加压叶片，所述防爆旋转电机通过螺钉固定于所述电机固定盘上，所述电机固定盘焊接于所述外壳内环面内壁，所述防爆旋转电机的主轴与所述叶片固定盘上表面进行承插焊，所述加压叶片通过高强度螺钉固定于所述叶片固定盘上，所述钻头与所述叶片固定盘下表面进行承插焊，所述防爆旋转电机通电转动并带动所述加压叶片及所述钻头转动。
在本发明的优选实施方式中，所述钻头装置还包括弓簧扶正器，所述弓簧扶正器的两端焊接于所述外壳的外环面。
在本发明的优选实施方式中，所述钻头为牙轮钻头。
本发明的有益效果在于，提供了一种井下动力钻头装置，由燃料电池将化学能转化为电能进而直接为井下钻头装置供能，由于沿程能量损失小，井底压力充足，因此实现了高效快速钻进，可达到更大的钻井井深，满足深层目前钻探的需求。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种井下动力钻头装置的结构框图；
图2本发明提供的具体实施例中钻头装置的主视图；
图3本发明提供的具体实施例中钻头装置的剖面图；
图4本发明提供的具体实施例中钻头装置的内部示意图。
图5为本发明提供的具体实施例中井下动力钻头装置的实际应用示意图。
附图标号：
1 氢气储气箱
2 氧气储气箱
3 氢气加压输送泵
4 氧气加压输送泵
5 绞盘
6 连续油管
7 钻井液回收管线
8 钻井液输送管线
9 钻井液抽取泵
10 钻井液加压输送泵
11 钻井液储箱
12 氢气输送管线
13 氧气输送管线
14 弓簧扶正器
15 钻头钻井液回收管
16 钻头钻井液回收集箱
17 外壳
18 钻头钻井液输送集箱
19 燃料电池
20 加热翅片
21 加热管
22 防爆旋转电机
23 电机固定盘
24 叶片固定盘
25 加压叶片
26 钻头
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。首先介绍本发明的技术理论。结合高压水射流方法和岩石热裂解破岩方法，本发明提出高温射流高效破岩的新方案，高压水射流方案主要利用水射流冲击力对井底岩石进行破碎，岩石热裂解利用热空气、火焰等高温介质加热岩石，让其内部产生非均匀膨胀的热应力，使岩石裂解破碎。高温射流数学模型包括：
(1)连续性方程
式中，ux、uy、uz分别为X、Y、Z三个方向的速度分量，m/s；t为时间，s；ρ为密度，kg/m3。
式中：为流体速度矢量，单位m/s。
(2)动量方程
式中，p为流体微元体上的压强，Pa；μ为动力粘度，Pa·s；fx、fy、fz为三个方向的单位质量力，m/s2。
(3)能量方程
式中：E为流体微团的总能，J/kg，包含内能、势能和动能之和，E＝h-p/ρ+u2/2；h为焓，J/kg；hj为组分j的焓，J/kg；keff为有效热传导系数，W/(m·K)，keff＝k+kt，kt为湍流热传导系数，根据所用的湍流模型来定义；Jj为组分j的扩散通量；Sh为包含了化学反应热及其它用户定义的体积热源项。
(4)气体状态方程
实际气体若考虑压缩性，状态方程为p＝ZρRT,Z为实际气体的压缩系数。R为普适气体常数，J·mol1·K1。
可实现k-ε模型的输运方程为：
其中：
式中，Gk和Gb是由湍动能产生；C1ε、C2ε、C3ε、C2、和A0为经验常数，C1ε＝1.44、C2ε＝1.9、C3ε＝0.09、C2＝0.9、A0＝4.0；σk、σε分别为湍动能与湍动耗散率相对应的普朗特数。
根据上述原理，本发明提供了一种井下动力钻头装置，请参阅图1，所述钻头装置包括燃料电池19、加热装置、加压装置以及钻头26；
所述燃料电池19，用于接收外部传输的氢气以及氧气，使所述氢气与所述氧气发生反应并释放出热量与电能。
在本发明的其他实施方式中，燃料电池19中可设置氢气口、氧气口，用于实现氢气、氧气的输送。
所述加热装置，用于吸收所述热量以对钻井液进行加热气化；
所述加压装置，用于在所述电能的作用下对所述气化后的钻井液进行加压，将加压后的钻井液经过所述钻头26喷出以进行射流钻井。
在本发明的一种实施方式中，所述燃料电池19包括相对结合的空气流场板以及氢气流场板。所述空气流场板为圆环形，包括空气圆孔流道、空气气体扩散腔以及空气冷却流道，所述氢气流场板为圆环形，包括氢气圆孔流道、氢气气体扩散腔以及氢气冷却流道，所述空气冷却流道与所述氢气冷却流道相互对应形成环状流道，所述燃料电池19采用金属材料制成。
在图3所示的具体实施例中，燃料电池采用一种圆环形燃料电池双极板，空气流场板和氢气流场板与膜电极接触的圆孔流道相互对应。由于双极板采用金属材料制成，与普通石墨双极板相比具有良好的机械性能，不易损坏，易加工且厚度薄，因而可以减小电堆的体积，且采用圆点流道其膜电极所受到的剪切力相对传统的平行流道、蛇形流道以及交指流道要小，因而可以提高电堆的抗冲击能力。
在本发明的一种实施方式中，所述钻头装置还包括钻头钻井液回收管15、钻头钻井液回收集箱16、外壳17以及钻头钻井液输送集箱18；
所述加热装置包括加热翅片20以及加热管21；
所述加压装置包括防爆旋转电机22、电机固定盘23、叶片固定盘24以及加压叶片25。
在图2所示的具体实施例中的钻头装置的主视图以及图3所示的具体实施例中的钻头装置的剖面图中可见，所述钻头钻井液输送集箱18焊接于所述外壳17的表面，所述钻头钻井液回收管15的弯管段与所述钻头钻井液回收集箱16的外圆环面焊接，所述钻头钻井液回收管15的直段位于所述外壳17外侧环空间隙中，所述加热管21点焊于所述燃料电池19的外壳环形面上，所述加热翅片20点焊于所述燃料电池19的外壳及所述加热管21上，所述防爆旋转电机22通过螺钉固定于所述电机固定盘23上，所述电机固定盘23焊接于所述外壳17内环面内壁，所述防爆旋转电机22主轴与所述叶片固定盘24上表面进行承插焊，所述加压叶片25通过高强度螺钉固定于所述叶片固定盘24上，所述钻头26与所述叶片固定盘24下表面进行承插焊，所述防爆旋转电机22通电转动并带动所述加压叶片25及所述钻头26转动。
在图2、图3所示的具体实施例中，所述钻头为牙轮钻头，加热管21沿圆周方向均布多个，加热翅片20沿燃料电池19外壳径向均布多个。通过耐高温高压航空插头将燃料电池19所释放的电能引入到防爆旋转电机22上使电机转动，钻头26在该实施例中为牙轮钻头，其与气化钻井液加压叶片固定盘24下表面进行承插焊，防爆旋转电机22通电转动并带动气化钻井液加压叶片25及牙轮钻头转动。经加热管21及加热翅片20进行高温加热气化后的钻井液，通过气化钻井液加压叶片25旋转进行加压从而制得高温高压的气化钻井液，高温高压气化钻井液经过牙轮钻头中心空洞喷出进行射流钻井。
在本发明的一种实施方式中，所述燃料电池19的外壳体设置有多个焊接脚，通过焊接脚将所述燃料电池19与所述钻头的外壳17进行固定连接。
在具体的实施例中，如图4所示，燃料电池19外壳体可加工四个焊接脚，通过焊接脚将燃料电池19与外壳内环面侧壁进行固定连接，将氢气与氧气输入到新型燃料电池19内部，氢气与氧气在燃料电池19内部催化剂作用下发生化学反应产生巨大的电能及热能。
在本发明的一种实施方式中，所述钻头装置400还包括弓簧扶正器14，所述弓簧扶正器14的两端焊接于所述外壳17外环面。
在具体的实施例中，弓簧扶正器14圆周方向均布多个，弓簧扶正器14主要作用为在钻井过程中对钻头进行扶正防止偏心钻井出现，弓簧扶正器14中间直段外侧表面焊接有三个凸出的钢球，防止整个头部装置在钻头旋转过程中出现随转情况，导致上部管线发生缠绕。
下面结合具体的实施例，详细介绍本发明提供的钻头装置。如图5所示，在该实施例中，将钻头装置设置于具体的钻井系统中，如图5所示，该钻井系统中设置了氢气储气箱1、氧气储气箱2、氢气加压输送泵3、氧气加压输送泵4、连续油管输送绞盘5、连续油管6、钻井液回收管线7、钻井液输送管线8、钻井液抽取泵9、钻井液加压输送泵10、钻井液储箱11、氢气输送管线12、氧气输送管线13，与钻头装置协调工作，进行钻井工作。具体的：
氢气储气箱1通过氢气输送管线12与燃料电池19的氢气口连接实现氢气输送，氢气加压输送泵3提供氢气输送动力源，氢气输送管线12采用高强度耐高温耐高压软管制备。
氧气储气箱2通过氧气输送管线13与燃料电池19的氧气进行口连接实现氧气输送，氧气加压输送泵4提供氧气输送动力源，氧气输送管线13采用高强度耐高温耐高压软管制备。
连续油管6上端通过连续油管输送绞盘5进行牵引，下端焊接于钻头外壳17上表面上，通过连续油管6实现对整个钻机的牵引，钻井液回收管线7、钻井液输送管线8、氢气输送管线12、氧气输送管线13随同连续油管6一起下入实现介质传输。
钻井液输送管线8分别与钻井液储箱11、钻井液加压输送泵10、钻头钻井液输送集箱18进行焊接，通过钻井液加压输送泵10对钻井液进行抽取加压将其输送至钻头钻井液输送集箱18中，钻头钻井液输送集箱18焊接于钻头外壳17上表面，钻头钻井液输送集箱18下端为环空使钻井液进入到钻头内部，钻井液输送管线8采用高强度耐高温耐高压软管制备。
钻井液回收管线7分别与钻井液储箱11、钻井液抽取泵9、钻头钻井液回收集箱16进行焊接，钻头钻井液回收管15圆周方向均布多个，钻头钻井液回收管15弯管段与钻头钻井液回收集箱16外圆环面进行焊接，钻头钻井液回收管15直段位于钻头外壳17外侧环空间隙中，通过钻头钻井液回收管15对钻井液进行回收，钻井液回收管线7采用高强度耐高温耐高压软管制备。
弓簧扶正器14两端焊接于钻头外壳17外环面，弓簧扶正器14圆周方向均布多个，弓簧扶正器14主要作用为在钻井过程中对钻头进行扶正防止偏心钻井出现，弓簧扶正器14中间直段外侧表面焊接有三个凸出的钢球，防止整个头部装置在钻头旋转过程中出现随转情况，导致上部管线发生缠绕。
燃料电池19外壳体加工有四个焊接脚，通过焊接脚将燃料电池19与钻头外壳内环面侧壁进行固定连接，氢气输送管线12与氧气输送管线13分别将氢气与氧气输入到新型燃料电池19内部，氢气与氧气在燃料电池19内部催化剂作用下发生化学反应产生巨大的电能及热能。
加热管21点焊于燃料电池19外壳环形面上并沿圆周方向均布多个，加热翅片20沿新型燃料电池19外壳径向均布多个并点焊于新型燃料电池19外壳及加热管21上，加热管21及加热翅片20吸收新型燃料电池内部化学反应所释放的热量，并将钻头钻井液输送集箱18输出的钻井液进行加热并气化。
防爆旋转电机22通过螺钉固定于电机固定盘23上，电机固定盘23焊接于钻头外壳17内环面内壁，通过耐高温高压航空插头将新型燃料电池19所释放的电能引入到防爆旋转电机22上使电机转动，防爆旋转电机22主轴与气化钻井液加压叶片固定盘24上表面进行承插焊，气化钻井液加压叶片25通过高强度螺钉固定于气化钻井液加压叶片固定盘24上，钻头26与气化钻井液加压叶片固定盘24下表面进行承插焊，防爆旋转电机22通电转动并带动气化钻井液加压叶片25及钻头26转动。
经加热管21及加热翅片20进行高温加热气化后的钻井液，通过气化钻井液加压叶片25旋转进行加压从而制得高温高压的气化钻井液，高温高压气化钻井液经过牙轮钻头26中心空洞喷出进行射流钻井。
综上所述，本发明提供了一种井下动力钻头装置，具有以下优点：
1.钻头装置中燃料电池作为供电系统为井下电机提供动力，直接井底供能，沿程能量损失更小，井底压力充足，保证高效快速钻进，可达到更大的钻井井深；
2.钻头装置中，可将井底的钻井液抽到地面上，在地面提供相同泵压的情况下，井底的水力能量更高，携岩效率更高，有效防止井底岩屑卡钻，使钻速增大，提高钻井效率；
3.钻头装置利用燃料电池和变压器直接将燃料的化学能转化为电能，避免了化学能到热能，再到机械能、电能过程中的能量损失，具有高达45％～60％的能量转化率，同时污染物的排放降低了几个数量级，大大降低了环境污染；
4.钻头装置将燃烧后的液体通过底部出口转移到升温装置中，再通过连接管注入到加压装置中，加压装置通过三通阀将这种高温高压流体注入到井底，形成高温高压射流冲击深层硬岩石；
5.由于本方案基于热裂解，并结合高温射流钻井的新型钻头可达常规钻井方法钻速的五倍以上，有利于快速钻井，满足深层目前钻探的需求。
6.将燃料电池应用到钻井行业，特别是设计井下供能供热系统的钻头，可完美解决井下动力钻具的供能问题，并且将燃料电池的高温特性创新性地进行高温射流破岩，可起到变废为宝的作用。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。
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