[发明专利]一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头

说明书

本发明涉及一种用于深部难钻地层的电脉冲‑机械复合破岩钻头。所述用于深部难钻地层的电脉冲‑机械复合破岩钻头的结构包括外圈PDC钻头、同轴电缆、接头、绝缘套筒、弹簧、电缆连接杆、套体、低压接地电极和高压中心电极等。该复合钻头将传统机械钻头与电极钻头相结合，实现电脉冲破岩与机械破岩同步进行，不仅提高了破岩效率，而且岩屑随钻井液排出更加容易；同时，还具有易控制钻井轨迹、深井钻进成本低等优点。

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气钻采开发过程中的一种高效破岩钻头，尤指一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头。

背景技术

近年来，中国石油和天然气进口量持续增长，为了减少我国油气资源对国外的依存度，保障国家能源安全，需要持续加大油气勘探开发力度。我国目前开采的主要是浅部油气资源，浅部油气资源由于大量开采而日渐枯竭，而深层油气资源还非常丰富，其中石油资源量占比为 40 %，天然气资源量占比为60 %，是陆上剩余资源量最多、发展潜力最大的领域。因此向地球深部进军、开采深层油气资源，对于实现我国能源接替、筑牢我国能源安全的资源基础具有重要的现实与战略意义。然而，在我国的深井钻完井技术中一直存在着深部地层钻速慢的问题，深部地层钻速慢的主要原因就是破岩效率低，为了解决破岩效率低的问题，研究新的高效破岩钻井技术和与之匹配的高效破岩钻头势在必行。

钻头在深井钻井中的地位非常明显，由于钻头与地层的适应性直接可以决定钻井效率的高低。目前深井钻井多采用PDC钻头，PDC钻头依靠钻柱机械带动进行旋转，通过PDC齿与岩石之间的刮挤剪切作用对岩石进行破碎。随着钻井深度的增加，深层次的地质岩石上覆压力逐步增大，其岩石的硬度、抗压强度、抗剪强度和研磨性成倍增加，钻进过程中PDC钻头极易磨损和损坏，导致钻井成本大大增加。同时，随着钻井深度的增加，钻柱会容易扭曲，一旦钻柱扭曲就会导致钻井出现扭曲，而钻井的扭曲又会造成钻井的倾斜，从而会使得钻压的传递性变差，导致机械的钻速极大的降低，岩石破碎效率受到极大的限制。

利用高压电脉冲对岩石进行破碎，具有破岩效率高、深井钻进成本低等优点，是目前为止极具发展潜力、接近工业化的破岩方式。高压电脉冲破岩技术源于“闪电”原理，按脉冲放电的所处的介质可将其分为两种类型：即电脉冲破岩和液电破岩。电脉冲破岩的原理为：将高压短脉冲电压（电压上升时间 500 ns）在液体介质（如电导率小于300 μS/cm的水或油）中作用于矿石，使矿石内部被击穿并产生放电通道，在通道内会瞬间集中10 ~100 J/cm³的能量，从而产生高温、高压，温度可达到104 ℃，压力达1000 ~ 10000 MPa，最终通道在高温、高压的作用下产生压力波，当冲击应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏。液电破岩的原理为：当放电等离子体产生在液体介质时，会在液体介质中产生放电的压力波；同时液体介质会产生气泡，气泡的溃灭会产生另一部分压力波。当这两部分机械压力波超过岩石的自身强度时，岩石就发生破坏。

针对深部难钻地层，将目前常用的PDC钻头与电极钻头结合起来是一种很好的破岩提速方法。目前也有人提出采用电极钻头+电极孕镶齿进行深井钻探，该种钻头虽然能利用高压电脉冲进行破岩，但是电极钻头需要通过钻杆带动进行机械旋转对岩屑造成进一步破碎，在旋转过程中井底岩屑对电极钻头的磨损较为严重，这对电极材料的性能提出了很高的要求，无法有效降低钻井成本。此外，井底岩屑由于电极钻头的结构不易被钻井液携出。因此，需要设计和构思适用于高压电脉冲-机械钻井方法的复合钻头。

发明内容

基于以上工程背景,本发明提供了一种用于深部难钻地层的电脉冲-机械复合破岩钻头。这种复合钻头基于高压电脉冲-机械旋转复合钻井方法：其破岩原理采用电脉冲破岩和传统破岩相结合的方法—井底中心处破碎岩石的动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波、靠近井壁处破碎岩石的动力为外圈PDC钻头机械旋转钻进运动。这种方法将高压电脉冲钻井与传统机械破岩钻井相结合，使得井底中心部岩石受高压电脉冲产生的瞬时高温和冲击波而破碎形成破碎坑，释放一部分岩石应力，对外圈机械钻头破岩有积极作用，而外圈机械钻头的旋转能对岩屑进一步破碎，使岩屑更容易排出破岩效率大大提高。