一种复合钻头及岩石钻进装置的制作方法

本发明属于钻进技术领域，特别涉及一种复合钻头及岩石钻进装置。

背景技术：

随着人类对资源开采的深度和广度的加深，面临日益复杂的地质条件，岩石硬度高，温度和压力也更高，岩石破碎的难度逐渐加大，而传统钻井方法(机械齿轮、传动装置、钻头等)基本已经发展到极限状态，效率提升空间很小，在深井、超深井的钻进中，普遍存在速度慢和周期长等问题。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种钻进速度快、周期短的复合钻头及岩石钻进装置。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种复合钻头，包括：钻头本体，所述钻头本体具有多个刀翼，所述钻头本体用于旋转破碎岩石；脉冲电极单元，固定于所述钻头本体上，用于降低所述岩石强度；所述脉冲电极单元包括高压电极和接地电极，所述接地电极设置于所述高压电极的外侧。

进一步地，所述脉冲电极单元还包括：第一绝缘套，套设于所述高压电极的外侧，且与所述高压电极固定连接，用于使所述高压电极和所述接地电极之间绝缘，所述第一绝缘套的外侧套设有所述接地电极，且所述第一绝缘套与所述接地电极活动连接；第一弹簧，一端与所述第一绝缘套的一端连接；第二弹簧，套设于所述第一绝缘套的外侧，且所述第二弹簧一端与所述接地电极的一端连接；第一底座，与所述第一弹簧的另一端连接，且所述第一底座与所述钻头本体固定连接。

进一步地，所述第一绝缘套的一端沿所述第一绝缘套的长度方向延伸有筒体，所述筒体罩设于所述第一弹簧外侧；所述第一底座为凹槽状，所述第一弹簧的另一端与所述第一底座的底部固定连接，所述第二弹簧的另一端与所述第一底座的槽壁的远离所述底部的一端固定连接；所述筒体的外径小于所述槽壁的内径；所述第一弹簧在压缩状态下的长度大于等于所述筒体的长度。

进一步地，所述高压电极和所述接地电极设置有多对，且设置于相邻所述刀翼之间

进一步地，多个所述脉冲电极单元的多个所述高压电极的一端向所述钻头本体中心延伸并连接在一起；多个所述脉冲电极单元的多个所述高压电极的另一端向相邻刀翼之间延伸；所述接地电极设置于所述高压电极的两侧。

进一步地，多个所述脉冲电极单元的多个所述高压电极设置于第一圆周上；多个所述脉冲电极单元的多个所述接地电极设置于第二圆周上；所述第一圆周的轴线、所述第二圆周的轴线与所述钻头本体的轴线重合。

进一步地，所述高压电极设置于相邻所述刀翼之间；所述接地电极设置于每个所述刀翼靠近所述钻头本体中心的部位。

进一步地，所述钻头本体中心还设置有所述高压电极和所述接地电极；所述接地电极套设于所述高压电极的外侧；所述高压电极设置于所述钻头本体的轴线处。

本发明的另一方面提供了一种岩石钻进装置，包括上述复合钻头，还包括钻铤和钻杆；所述钻杆的一端与所述钻铤的一端固定连接，用于将动力传递给所述钻铤；所述钻铤的另一端与所述复合钻头固定连接，用于将动力传递给所述复合钻头。

进一步地，上述岩石钻进装置还包括井下供电系统；所述井下供电系统设置于所述钻铤内，且与所述脉冲电极单元电连接，用于给所述脉冲电极单元供电。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

1.通过将高压电脉冲技术与传统钻头切削技术相结合，脉冲电极单元产生高压脉冲来降低岩石强度，再通过钻头本体对岩石进行破碎，能够有效降低钻头本体的磨损，延长钻头寿命，减少了提钻次数，节省无效作业时间，并且与高压电脉冲破岩相比，能够大幅度减少用电功率，节省能源并降低电路标准；

2.通过将井下供电系统设置于钻铤上，一方面避免深井高压传输电缆造成的能耗损失和施加在复合钻头上的脉冲电压不稳定等问题，另一方面降低电力传输成本。

附图说明

图1是实施例1的复合钻头的结构示意图；

图2是实施例1的复合钻头的端面结构示意图；

图3是实施例1的脉冲电极单元的截面结构示意图；

图4是实施例1的脉冲电极单元的端面结构示意图；

图5是实施例2的复合钻头的端面结构示意图；

图6是实施例2的脉冲电极单元的截面结构示意图；

图7是实施例3的复合钻头的端面结构示意图；

图8是实施例3的脉冲电极单元的截面结构示意图；

图9是实施例4的复合钻头的端面结构示意图；

图10是实施例4的脉冲电极单元的截面结构示意图；

图11是实施例5的岩石钻进装置的结构示意图。

附图标记：

100：钻头本体；110：刀翼；

200：脉冲电极单元；201：高压电极；202：接地电极；203：第一绝缘套；2031：第一筒体；204：第一弹簧；205：第二弹簧；206：第一底座；

207：第二绝缘套；2071：第二筒体；208：第三弹簧；209：第四弹簧；210：第二底座；

211：第三绝缘套；2111：第三筒体；212：第五弹簧；213：第四绝缘套；2131：第四筒体；214：第六弹簧；215：第三底座；

216：第五绝缘套；2161：第五筒体；217：第七弹簧；218：第四底座；

300：钻铤；

400：钻杆；

500：水眼。

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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在介绍本发明之前，先对一些技术术语进行解释：

1、电脉冲：脉冲电压在几百伏到几万伏，脉冲宽度在微妙级或毫秒级的脉冲电压，其上升沿时间通常小于500ns，一般由高压脉冲发生器产生，用于需要电压脉冲的应用。电脉冲破岩通常可以分为液电效应破岩和等离子通道钻井(也称等离子脉冲)两种。

2、能量钻井：采用能量束对地层进行加热至熔化或者使其气化而进行钻井的方式。如等离子炬、电脉冲、毫米波钻井、激光钻井等。

3、液电效应破岩：液电效应破岩其放电通道在液体介质中，高压电极和接地电极与岩石不直接接触，岩石破岩的主要动力来自于放电产生冲击波、气泡溃灭和压力波等机械力。

4、等离子通道钻井(plasmachanneldrilling，pcd)：高压电极和接地电极与岩石直接接触，高压电脉冲施加在高压电极上，电极之间放电，在岩石体内产生等离子通道，不断升温、膨胀，通道内压力不断增加，应力足够高时，致使岩石破碎。因为等离子通道由高电压脉冲产生，因此也称作等离子脉冲钻井。

本发明的复合钻头，包括：钻头本体100，钻头本体100具有多个刀翼110，钻头本体100用于旋转破碎岩石；脉冲电极单元200，固定于钻头本体100上，用于降低岩石强度；脉冲电极单元200包括高压电极201和接地电极202；接地电极202设置于高压电极201的外侧。

脉冲电极单元200布置在钻头本体100上，与钻头本体100一起旋转，当复合钻头钻进时，高压电极201与接地电极202可以在自来水、去离子水、水基泥浆和油基泥浆中产生液电效应或在岩石中产生等离子通道，产生放电对岩石进行弱化，降低岩石的强度，当钻头本体100的刀翼110转过相同位置又马上对岩石进行破碎，极大的提高了破岩效率。脉冲电极单元200用于预先弱化岩石，以便于钻头本体100更好的钻进破岩。

本发明通过将高压电脉冲技术与传统钻头切削技术相结合，通过控制脉冲电极单元200产生高压脉冲的强度，来降低岩石强度，再通过钻头本体100对岩石进行破碎，能够有效降低钻头本体100的磨损，延长钻头寿命，减少了提钻次数，节省无效作业时间，提高作业效率，并且与高压电脉冲破岩相比，能够大幅度减少用电功率，节省能源并降低电路标准，此外，先降低岩石的强度，再进行破碎能够减少刀翼与岩石之间作用力，减少对未破碎部分的影响，极大程度的保留井身的原始结构，使井身质量好。并且高压电脉冲可以通过功率表的调节对破岩过程进行控制。

具体地，钻头本体100上还设置有水眼500，钻井液通过水眼500流出。

具体地，脉冲电极单元200所需功率是跟岩石的种类或硬度有关，岩石硬度越高，所需功率越大。脉冲电极单元200所需功率还与钻进速度有关，钻进速度越大所需功率越大。整体功率范围为：几kw～几百kw。

具体地，高压电极的电压具体与岩石的种类或硬度、高压电极与接地电极的距离有关，具体来说，高压电极的电压不小于20kv。

优选地，在工作时，高压电极201和接地电极202与岩石直接接触，产生等离子通道弱化岩石。使用等离子通道弱化岩石，效果更好，所需功率更低。

优选地，本申请的钻头本体100采用聚晶金刚石复合片钻头，聚晶金刚石复合片钻头硬度高，岩石的破碎效果更好。

实施例1

图1是实施例1的复合钻头的结构示意图；图2是实施例1的复合钻头的端面结构示意图。

如图1和图2所示，本实施例的脉冲电极单元200绕钻头本体100均匀设置，且高压电极201和接地电极202同心设置形成同心电极对。高压电极201和接地电极202设置有多对，且设置于相邻刀翼110之间。

图3是实施例1的脉冲电极单元的截面结构示意图；图4是实施例1的脉冲电极单元的端面结构示意图。

如图3和图4所示，脉冲电极单元200还包括：第一绝缘套203，套设于高压电极201的外侧，且与高压电极201固定连接，用于使高压电极201和接地电极202之间绝缘，第一绝缘套203的外侧套设有接地电极202，且第一绝缘套203与接地电极202活动连接；第一弹簧204，一端与第一绝缘套203的一端连接；第二弹簧205，套设于第一绝缘套203的外侧，且第二弹簧205一端与接地电极202的一端连接；第一底座206，与第一弹簧204的另一端连接，且第一底座与钻头本体100固定连接。

具体地，第一绝缘套203的一端沿第一绝缘套203的长度方向延伸有第一筒体2031，筒体2031罩设于第一弹簧204外侧；第一底座206为凹槽状，第一弹簧204的另一端与第一底座206的底部固定连接，第二弹簧205的另一端与第一底座206的槽壁的远离底部的一端固定连接；筒体的外径小于槽壁的内径；第一弹簧204在压缩状态下的长度大于等于筒体2031的长度，以保证第一弹簧204可以为第一绝缘套203提供从第一绝缘套203一端至另一端的力，便于复合钻头使用时第一绝缘套203内的高压电极201能够紧贴待破碎的岩石。

设置第一弹簧204、第二弹簧205和第一底座206，可以保证即使高压电极201和接地电极202意外撞击上岩石，高压电极201和接地电极202有一定的压缩空间，以避免高压电极201和接地电极202突然撞击到岩石时受到损害，延长高压电极201和接地电极202的使用寿命，并保证高压电极201和接地电极202之间电压的稳定性。

实施例2

图5是实施例2的复合钻头的端面结构示意图。

如图5所示，本实施例的复合钻头，其脉冲电极单元200绕钻头本体100均匀设置。多个脉冲电极单元200的多个高压电极201的一端向钻头本体100中心延伸并连接在一起；多个脉冲电极单元200的多个高压电极201的另一端向相邻刀翼110之间延伸；每个高压电极201的两侧分别设置有一个接地电极202。

图6是实施例2的脉冲电极单元的截面结构示意图。

如图6所示，脉冲电极单元200还包括：第二绝缘套207，设置于高压电极201接地电极202之间，第二绝缘套207与高压电极201固定连接，用于使高压电极201和接地电极202之间绝缘，第二绝缘套207与接地电极202活动连接；第三弹簧208，一端与第二绝缘套207的一端连接；第四弹簧209，套设于第二绝缘套207的外侧，且第四弹簧209一端与接地电极202的一端连接；第二底座210，与第三弹簧208的另一端连接，且第二底座210与钻头本体100固定连接。

具体地，第二绝缘套207的一端沿第二绝缘套207的长度方向延伸有第二筒体2071，第二筒体2071罩设于第三弹簧209外侧；第二底座210为凹槽状，第三弹簧208的另一端与第二底座210的底部固定连接，第四弹簧209的另一端与第二底座210的槽壁的远离底部的一端固定连接；第二筒体2071的外径小于槽壁的内径；第三弹簧209在压缩状态下的长度大于等于第二筒体2071的长度，以保证第三弹簧209可以为第二绝缘套207提供从第二绝缘套207一端至另一端的力，便于复合钻头使用时第二绝缘套207内的高压电极201能够紧贴待破碎的岩石。

设置第三弹簧208、第四弹簧209和第二底座210，可以保证即使高压电极201和接地电极202意外撞击上岩石，高压电极201和接地电极202有一定的压缩空间，以避免高压电极201和接地电极202突然撞击到岩石时受到损害，延长高压电极201和接地电极202的使用寿命，并保证高压电极201和接地电极202之间电压的稳定性。

此实施例的布置方式放电面积较大，弱化岩石的体积更大，更便于刀翼110对岩石进行破碎，此外脉冲电极单元200会对钻头本体中心处的岩石放电，使钻头本体中心处的岩石弱化，更易破碎，对钻头本体中心有一定的保护作用。

实施例3

图7是实施例3的复合钻头的端面结构示意图。

如图7所示，本实施例的复合钻头，其脉冲电极单元200绕钻头本体100均匀设置。多个脉冲电极单元200的多个高压电极201设置于第一圆周上；多个脉冲电极单元200的多个接地电极202设置于第二圆周上；第一圆周的轴线、第二圆周的轴线与钻头本体100的轴线重合。高压电极201和接地电极202为圆弧形。高压电极201和接地电极202沿钻头本体100的周向设置，方向与钻头本体100的旋转方向相同，可以减少高压电极201和接地电极202与岩石的摩擦损耗，以增加高压电极201和接地电极202的使用寿命。

图8是实施例3的脉冲电极单元的截面结构示意图。

如图8所示，脉冲电极单元200还包括：第三绝缘套211，设置于高压电极201外侧，第三绝缘套211与高压电极201固定连接，第三绝缘套211与接地电极202活动连接，用于使高压电极201和接地电极202之间绝缘；第五弹簧212，一端与第三绝缘套211的一端连接；第四绝缘套213，设置于接地电极202和第三绝缘套211外侧，第四绝缘套213与第三绝缘套211固定连接，第三绝缘套211与接地电极202活动连接；第五弹簧212另一端与第四绝缘套213连接；第六弹簧214，一端与第四绝缘套213的一端连接；第三底座215，与第六弹簧214的另一端连接，且第三底座215与钻头本体100固定连接。

具体地，第三绝缘套211的一端沿第三绝缘套211的长度方向延伸有第三筒体2111，第三筒体2111罩设于第五弹簧212外侧；第四绝缘套213的一端沿第四绝缘套213的长度方向延伸有第四筒体2131，第四筒体2131罩设于第六弹簧214外侧；第三底座215为凹槽状，第六弹簧214的另一端与第三底座215的底部固定连接。

设置第五弹簧212、第六弹簧214和第三底座215，可以保证即使高压电极201和接地电极202意外撞击上岩石，高压电极201和接地电极202有一定的压缩空间，以避免高压电极201和接地电极202突然撞击到岩石时受到损害，延长高压电极201和接地电极202的使用寿命，并保证高压电极201和接地电极202之间电压的稳定性。

实施例4

图9是实施例4的复合钻头的端面结构示意图。

如图9所示，本实施例的复合钻头，其脉冲电极单元200绕钻头本体100均匀设置，高压电极201设置于相邻刀翼110之间；接地电极202设置于刀翼110靠近钻头本体100中心的部位。

在本实施例的可选实施方式中，钻头本体100中心还设置有高压电极201和接地电极202；接地电极202套设于高压电极201的外侧；高压电极201设置于钻头本体100的轴线处。关于此设置的脉冲电极单元的截面结构示意图可参照实施例1，此处不多做赘述。

具体地，高压电极201和接地电极202均设置有多个；其中，一个高压电极201和一个接地电极202设置与钻头本体100中心处，接地电极202套设于高压电极201的外侧，高压电极201设置于钻头本体100的轴线处；其余高压电极201设置于相邻刀翼110之间；其余接地电极202设置于每个刀翼110靠近钻头本体100中心的部位。

图10是实施例4的脉冲电极单元的截面结构示意图。

如图10所示，由于接地电极202设置于刀翼110上，脉冲电极单元的截面结构示意图省略接地电极202。

脉冲电极单元200还包括：第五绝缘套216，设置于高压电极201外侧，第五绝缘套216与高压电极201固定连接；第七弹簧217，一端与第五绝缘套216的一端连接；第四底座218，与第七弹簧217的另一端连接，且第四底座218与钻头本体100固定连接。

具体地，第五绝缘套216的一端沿第五绝缘套216的长度方向延伸有第五筒体2161，第五筒体2161罩设于第七弹簧217外侧；第四底座218为凹槽状，第七弹簧217的另一端与第四底座218的底部固定连接。

设置第七弹簧217和第四底座218，可以保证即使高压电极201意外撞击上岩石时，高压电极201有一定的压缩空间，以避免高压电极201突然撞击到岩石时受到损害，延长高压电极201的使用寿命，并保证高压电极201和接地电极202之间电压的稳定性。

本实施例的这种高低压电极对的设置方式，更加高效的利用了复合钻头的结构，刀翼110起切削岩石作用的同时，还能有一部分充当接地电极202，节约了布置低压接地电极202的空间，整体放电总面积大，可适用于多刀翼110的钻头，而且中心设置了同心圆形式的电极对，在中心有放电范围，可对钻头中心下部的岩石进行有效的初步弱化，能够更好的保护钻头本体100的中心。

实施例5

图11是实施例5的岩石钻进装置的结构示意图。

如图11所示，本实施例的岩石钻进装置，包括上述复合钻头，还包括钻铤300和钻杆400；钻杆400的一端与钻铤300的一端固定连接，用于将动力传递给钻铤300；钻铤300的另一端与复合钻头固定连接，用于将动力传递给复合钻头。

优选地，岩石钻进装置还包括井下供电系统；井下供电系统设置于钻铤300内，且与脉冲电极单元200电连接，用于给脉冲电极单元200供电。井下供电系统直接与脉冲电极单元200单元相连，避免了高压电缆长距离电力输送的能耗损失、阻抗匹配等问题。一方面避免深井高压传输电缆造成的能耗损失和施加在复合钻头上的脉冲电压不稳定等问题，另一方面降低电力传输成本。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。