[实用新型]一种等离子体液动动力旋转钻具

说明书

技术领域

本实用新型涉及地质勘探、石油、天然气、油页岩等钻井工具领域，特别是一种等离子体液动动力旋转钻具。

背景技术

水中高压脉冲放电是指目前已在铸件清砂和铸件冲压成型等工程领域，通过电极间击穿产生高温高密度的等离子体，在通道内形成电弧放电，利用其液电效应达到目的。CN104563882A提出一种等离子钻井钻头，该钻头通过利用高压脉冲液相微放电作用直接破碎岩石，钻头无需与岩石表面接触；专利CN105284712A公开了一种水产养殖用高压脉冲电场杀菌装置，通过高压脉冲电路产生的高压脉冲电场杀灭送入水处理室内的养殖池塘水的细菌等有害杂质。虽然水中高压脉冲液相放电作用在其他领域应用广泛，但是在钻井领域应用较少。

多年来，液动动力旋转钻具的发展为我国油气井钻进带来了很大的收益。液动动力旋转钻具是将钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具，可以使钻头获得较高的机械转速，常用的液动动力旋转钻具有两种，一种为叶片式涡轮钻具，一种是容积式螺杆钻具。常规螺杆马达驱动和涡轮驱动钻进的缺点是：(1)需要提供很高的钻井液压力；(2)钻进地层很深时，钻井液压力沿程损失增大，需要地面提供更高的钻井液压力，对泥浆泵等地面设备提出更高的要求，增加了钻进成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种可使用低压钻井液，提高钻井效率，降低钻进成本的等离子体液动动力旋转钻具。

本实用新型利用高压脉冲的液相放电作用间接驱动钻头旋转，从而达到破碎岩石的效果，工作原理是：一种等离子体液动动力旋转钻具，利用高压脉冲放电系统通过放电电极对极间间隙中的钻井液进行放电，电极间击穿产生高温高压等离子体流体通道，形成放电回路，电容器的储能快速释放，使得通道内的温度压力快速升高，等离子体的膨胀势能和热辐射的压力能压缩周围的钻井液形成冲击波，通入液动动力旋转钻具中驱动中心轴进行旋转，最终驱动钻头回转破碎岩石。

本实用新型包括液电效应产生装置、液动动力旋转钻具。

所述的液电效应产生装置包括上接头、外壳、下接头、单向阀体、密封圈、弹簧、负极接线柱、正极接线柱、高压正电极、负电极、螺栓、中心轴、压帽、绝缘隔环、绝缘隔套、下端盖、空心腔、极间间隙；其中外壳为圆柱形结构，上端车制内螺纹形成上接头，下端车制外螺纹形成下接头；下端盖带有中心孔和环形通孔，通过台阶固定在外壳下端；高压正电极为铜质环棒，由预制有台阶的绝缘隔套和设有凹槽的绝缘隔环固定；所述的低压电极由环状的不锈钢材质的钢管制成，其上下端通过设有凹槽的绝缘隔环固定；压帽预制有凸台，设有中心通孔和环形通孔，通过中心轴将电极、绝缘隔环、绝缘隔套整体与下端盖固定；单向阀体安装在压帽上端；所述空心腔为外壳的下端预留的钻井液流动空间；所述的极间间隙为两个电极之间形成的环形间隙；所述的外壳、下端盖、压帽为不锈钢材料制造；所述的中心轴为尼龙材料，上下端车制螺纹，分别穿过下端盖和压帽的中心孔后用螺栓固定；所述的绝缘隔套和绝缘隔环为尼龙材料，用于电极与外壳之间，保证整个系统的绝缘性；所述的压帽两侧设有两个接线柱，两个电缆分别从两个接线柱穿过；

所述的地面高压脉冲放电系统由三组高压脉冲放电电源和蓄能器并联组成，工作由开关控制。

采用上述方案的等离子体液动动力旋转钻具应用在钻井中，将等离子体液动动力旋转钻具与钻头相连接，并通过高压电缆与地面高压脉冲电源以及其他钻井设备相连。

该等离子体液动动力旋转钻具的工作原理是：

地面高压脉冲放电系统产生的高压通过高压电缆传输到高压正电极与负电极，在极间间隙充满钻井液，正负电极尖端在外加电场的作用下，钻井液的液体介质受到激烈的电子碰撞发生电离，击穿形成高温高密度的等离子通道，由于瞬间放电作用，造成通道内的压力迅速增大，等离子通道发生剧烈膨胀，对周围的钻井液介质进行压缩，形成压力脉冲波，并且超声速向外传播，经过空心腔，减少冲击波的扰动作用，较为稳定地进入液动动力旋转钻具，作用在定子和转子上，将压力能转变为机械能，从而驱动传动轴并带动钻头旋转，最终达到碎岩的目的。钻井液通过钻杆从地面通入极间间隙，通过击穿作用产生脉冲波后进入液动动力旋转钻具驱动钻具旋转，最终通过流体通道进入钻头，冷却钻头，并将破碎的岩屑从孔壁与外管的间隙送到地表。

本实用新型的优点是：