技术领域
[0001] 本
发明涉及石油钻井工程技术领域，尤其涉及一种适用于深部硬
地层和
研磨性地层钻井的液相
放电等离子体冲击波PDC钻头。
背景技术
[0002] 我国油气勘探开发已从中浅层转向深层油气资源，而在深井和超深井钻井过程中的地层致密、强度大、研磨性强，常规PDC钻头采用机械破岩的方式，其机械
能量利用率低、导致钻速慢、周期长、成本高。因此急需寻找新的钻井方式提高钻井破岩效率，实现油气藏的快速、低成本开发。
[0003] 由此，本
发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种液相放电等离子体冲击波PDC钻头，以克服
现有技术中存在的
缺陷。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种液相放电等离子体冲击波PDC钻头，克服现有PDC钻头对深部复杂难钻地层钻进的不适应性、钻井速度慢、效率低、钻头寿命低的问题，该钻头以液相放电等离子体冲击波破岩为主，机械破岩为辅，改善
岩石可钻性，加快钻井速度，提高硬地层破岩效率，钻头寿命高，有利于推广使用。
[0005] 本发明的目的是这样实现的，一种液相放电等离子体冲击波PDC钻头，包括钻头本体，所述钻头本体的一端沿周向间隔设置钻头刀翼，所述钻头刀翼上设置能机械切削岩石的切削齿，所述钻头本体的中心处设置
钻井液流道，所述钻头本体的一端的中心处贯通设置与所述钻井液流道连通的中心
水眼，所述中心水眼内连接设置中心冲击波发生器，所述钻头本体的一端的
侧壁上贯通设置与所述钻井液流道连通的边水眼，所述边水眼内连接设置边冲击波发生器，所述中心冲击波发生器和所述边冲击波发生器用于产生能
冲击破碎岩石的液相放电等离子体冲击波。
[0006] 在本发明的一较佳实施方式中，所述中心冲击波发生器包括第一发生器壳体，所述第一发生器壳体的一端向内设置第一旋转半椭球型槽，所述第一发生器壳体的另一端向内设置能连通所述第一旋转半椭球型槽的第一发生器流道孔；所述第一旋转半椭球型槽具有第一焦点和第二焦点，所述第一焦点位于所述第一旋转半椭球型槽内，所述第二焦点位于所述钻头刀翼的最低点与岩石
接触的面上；所述第一旋转半椭球型槽的侧壁上与所述第一焦点对应的
位置设有第一高压
电极和第一
接地电极，所述第一高压电极和所述第一接地电极沿所述第一发生器壳体的径向设置，所述第一高压电极和所述第一接地电极能作用于钻井液形成液相放电等离子体冲击波，所述第一高压电极和所述第一接地电极之间设置第一电极间隙，所述第一电极间隙的中心与所述第一焦点重合，液相放电等离子体冲击波能产生于所述第一焦点处且能汇聚于所述第二焦点处；所述第一高压电极和所述第一接地电极通过第一
电缆与供电装置电连接。
[0007] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第一电缆的一端绝缘穿过所述第一发生器壳体的侧壁分别与所述第一高压电极和所述第一接地电极电连接，所述第一电缆的另一端与供电装置电连接。
[0008] 在本发明的一较佳实施方式中，所述边冲击波发生器包括第二发生器壳体，所述第二发生器壳体的一端向内设置第二旋转半椭球型槽，所述第二发生器壳体的另一端向内设置能连通所述第二旋转半椭球型槽的第二发生器流道孔；所述第二旋转半椭球型槽具有第三焦点和第四焦点，所述第三焦点位于所述第二旋转半椭球型槽内，所述第四焦点位于所述钻头刀翼的最低点与岩石接触的面上；所述第二旋转半椭球型槽的侧壁上与所述第三焦点对应的位置设有第二高压电极和第二接地电极，所述第二高压电极和所述第二接地电极沿所述第二发生器壳体的径向设置，所述第二高压电极和所述第二接地电极能作用于钻井液形成液相放电等离子体冲击波，所述第二高压电极和所述第二接地电极之间设置第二电极间隙，所述第二电极间隙的中心与所述第三焦点重合，液相放电等离子体冲击波能产生于所述第三焦点处且能汇聚于所述第四焦点处；所述第二高压电极和所述第二接地电极通过第二电缆与供电装置电连接。
[0009] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第二电缆的一端绝缘穿过所述第二发生器壳体的侧壁分别与所述第二高压电极和所述第二接地电极电连接，所述第二电缆的另一端与供电装置电连接。
[0010] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第一发生器流道孔和所述第二发生器流道孔均为直径自端部向内渐缩的锥孔。
[0011] 在本发明的一较佳实施方式中，相邻所述钻头刀翼之间设置排屑槽。
[0012] 在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头刀翼的端面上排列设置多个所述切削齿，所述钻头刀翼的圆周侧面上排列设置多个保径齿。
[0013] 在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头本体的一端沿周向间隔设置5个钻头刀翼，相邻两个所述钻头刀翼之间分别设置一所述边水眼，各所述边水眼内分别连接设置一所述边冲击波发生器；所述钻头本体的一端的中心处设置两个中心水眼，各所述中心水眼内分别连接设置一所述中心冲击波发生器。
[0014] 在本发明的一较佳实施方式中，所述中心水眼和所述边水眼的内壁上均设置内
螺纹部，所述中心冲击波发生器和所述边冲击波发生器的外壁上均设置能与所述
内螺纹部密封连接的
外螺纹部。
[0015] 由上所述，本发明提供的液相放电等离子体冲击波PDC钻头具有如下有益效果：
[0016] 本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头以液相放电等离子体冲击波破岩为主，机械破岩为辅，冲击波发生器内部的电极间隙之间发生液电效应，产生液相放电等离子体冲击波，经过冲击波发生器内部椭球面的反射作用，汇聚于钻头刀翼底端与岩石接触的面上的焦点附近，形成一个高压冲击区，通过冲击波破碎岩石形成破碎坑和裂缝，改善岩石可钻性，降低岩石可钻性级值，钻头上的切削齿进一步切削改善过可钻性的岩石和切削井壁，保护钻头本体，在深井硬地层中，井底能量利用率高，产生的冲击波压
力大，加快钻井速度，提高硬地层破岩效率，钻头寿命高；边冲击波发生器与中心冲击波发生器共同配合，通过在钻头本体的适合位置上合理布置多个不同几何参数的边冲击波发生器与中心冲击波发生器，使高压冲击区
覆盖井底，提高破岩效率；通过改变电极间隙长度、电极两端
电压、各发生器壳体内腔几何结构可以控制冲击波发生器外部的焦点处冲击波强度，以适应不同岩层的需求，提高破岩速度和效率；本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头工艺简单，钻井过程安全可靠，有利于推广使用。
附图说明
[0017] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
[0018] 图1：为本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头的仰视图。
[0019] 图2：为本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头的主视图。
[0020] 图3：为本发明的中心冲击波发生器的剖视图。
[0021] 图4：为本发明的中心冲击波发生器的仰视图。
[0022] 图5：为本发明的中心冲击波发生器的等轴测图。
[0023] 图中：
[0024] 100、液相放电等离子体冲击波PDC钻头；
[0025] 1、钻头本体；
[0026] 2、钻头刀翼；
[0027] 21、切削齿；22、保径齿；
[0028] 3、中心冲击波发生器；
[0029] 31、第一发生器壳体；32、第一旋转半椭球型槽；33、第一发生器流道孔；34、外螺纹部；
[0030] 4、边冲击波发生器；
[0031] 51、第一高压电极；52、第一接地电极；53、第一电缆；
[0032] 6、排屑槽。
具体实施方式
[0033] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0034] 如图1至图5所示，本发明提供一种液相放电等离子体冲击波PDC钻头100，包括钻头本体1，钻头本体1的一端沿周向间隔设置钻头刀翼2，钻头刀翼2上设置能机械切削岩石的切削齿21，钻头本体1的中心处设置钻井液流道，钻头本体1的一端的中心处贯通设置与钻井液流道连通的中心水眼，中心水眼内连接设置中心冲击波发生器3，钻头本体1的一端的侧壁上贯通设置与钻井液流道连通的边水眼，边水眼内连接设置边冲击波发生器4，中心冲击波发生器3和边冲击波发生器4用于产生能冲击破碎岩石的液相放电等离子体冲击波。
[0035] 液相放电等离子体冲击波破岩的原理如下：中心冲击波发生器3和边冲击波发生器4内脉冲高压放电作用于钻井液，形成等离子体放电通道的瞬时高温(数万度)加热周围液体，导致放电通道内的压力急剧升高，在钻井液中产生压力高达103～104MPa的冲击波作用于岩石，当岩石受到的
应力超过其抗压强度时岩石表面产生破碎坑，之后在岩石内部形成应力波，应力波传播过程中产生拉应力，当拉应力大于岩石
抗拉强度时，岩石内部产生大量裂纹，液相放电等离子体冲击波钻井技术可以直接破碎岩石，也可以改善岩石的可钻性。
[0036] 本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头100以液相放电等离子体冲击波破岩为主，机械破岩为辅，通过冲击波破碎岩石形成破碎坑和裂缝，改善岩石可钻性，降低岩石可钻性级值，钻头上的切削齿进一步切削改善过可钻性的岩石和切削井壁，保护钻头本体，在深井硬地层中，井底能量利用率高，产生的冲击波压力大，加快钻井速度，提高硬地层破岩效率，钻头寿命高；边冲击波发生器与中心冲击波发生器共同配合，通过在钻头本体的适合位置上合理布置多个不同几何参数的边冲击波发生器与中心冲击波发生器，使高压冲击区覆盖井底，提高破岩效率；本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头100工艺简单，钻井过程安全可靠，有利于推广使用。
[0037] 进一步，如图3、图4和图5所示，中心冲击波发生器3包括第一发生器壳体31，第一发生器壳体31的一端向内设置第一旋转半椭球型槽32，第一发生器壳体31的另一端向内设置能连通第一旋转半椭球型槽32的第一发生器流道孔33；第一旋转半椭球型槽32具有第一焦点F1和第二焦点F2，第一焦点F1位于第一旋转半椭球型槽32内，第二焦点F2位于钻头刀翼的最低点(钻头刀翼的最低点在钻进中最先吃入地层)与岩石接触的面上，第一焦点F1和第二焦点F2位于第一旋转半椭球型槽32的长轴上，第一焦点F1和第二焦点F2的位置可以通过调整长轴的尺寸进行调整，调整第一旋转半椭球型槽32的几何参数，使第二焦点F2的焦区位于钻头刀翼的最低点与岩石接触的面上，可使汇聚后的冲击波破坏岩石。第一旋转半椭球型槽32的侧壁上与所述第一焦点对应的位置设有第一高压电极51和第一接地电极52，第一高压电极51和第一接地电极52沿第一发生器壳体31的径向设置，第一高压电极51和第一接地电极52能作用于钻井液形成液相放电等离子体冲击波，第一高压电极51和第一接地电极52之间设置第一电极间隙，第一电极间隙的中心与第一焦点F1重合，液相放电等离子体冲击波能产生于第一焦点处且能汇聚于第二焦点处；第一高压电极51和第一接地电极52通过第一电缆53与供电装置(井下发
电机或井上供电设备，现有技术)电连接。第一高压电极51和第一接地电极52置于第一旋转半椭球型槽32的第一焦点F1处，钻井作业时，钻井液经钻井液流道、第一发生器流道孔33流入第一旋转半椭球型槽32，利用第一高压电极51和第一接地电极52(高压电极和接地电极)在钻井液中进行脉冲高压放电，形成等离子体放电通道的瞬时高温(数万度)加热周围液体，导致放电通道内的压力急剧升高，在钻井液中产生压力高达103～104MPa的冲击波，冲击波经球形反射罩反射后在第二焦点F2处附近区域(焦区)汇聚，提高冲击波峰值压力，形成强大的高压冲击区，当岩石受到的应力超过其抗压强度时岩石表面产生破碎坑，之后在岩石内部形成应力波，应力波传播过程中产生拉应力，当拉应力大于岩石抗拉强度时，岩石内部产生大量裂纹，液相放电等离子体冲击波钻井技术可以直接破碎岩石，也可以改善岩石的可钻性。通过改变第一电极间隙长度、电极两端电压、第一发生器壳体31内腔几何结构(第一旋转半椭球型槽32的长轴和短轴)可以控制第二焦点F2处的冲击波强度，以适应不同岩层的需求，提高破岩速度和效率。
[0038] 如图3所示，在本实施方式中，第一电缆53的一端绝缘穿过第一发生器壳体31的侧壁分别与第一高压电极51和第一接地电极52电连接，第一电缆53的另一端与供电装置电连接。
[0039] 进一步，边冲击波发生器(与中心冲击波发生器3结构形式相同，但是存在几何参数区别，可参考图3至图5的结构)包括第二发生器壳体，第二发生器壳体的一端向内设置第二旋转半椭球型槽，第二发生器壳体的另一端向内设置能连通第二旋转半椭球型槽的第二发生器流道孔；第二旋转半椭球型槽具有第三焦点和第四焦点，第三焦点位于第二旋转半椭球型槽内，第四焦点位于钻头刀翼的最低点与岩石接触的面上；第三焦点和第四焦点位于第二旋转半椭球型槽的长轴上，第三焦点和第四焦点的位置可以通过调整长轴的尺寸进行调整，调整第二旋转半椭球型槽的几何参数，使第四焦点的焦区位于钻头刀翼的最低点与岩石接触的面上，可使汇聚后的冲击波破坏岩石。第二旋转半椭球型槽的长轴尺寸大于第一旋转半椭球型槽32的长轴尺寸，以使第四焦点能够到达钻头刀翼的最低点与岩石接触的面上。第二旋转半椭球型槽的侧壁上与第三焦点对应的位置设有第二高压电极和第二接地电极，第二高压电极和第二接地电极沿第二发生器壳体的径向设置，第二高压电极和第二接地电极能作用于钻井液形成液相放电等离子体冲击波，第二高压电极和第二接地电极之间设置第二电极间隙，第二电极间隙的中心与第三焦点重合，液相放电等离子体冲击波能产生于第三焦点处且能汇聚于第四焦点处；第二高压电极和所述第二接地电极通过第二电缆与供电装置电连接。第二高压电极和所述第二接地电极置于第二旋转半椭球型槽的第三焦点处，钻井作业时，钻井液经钻井液流道、第二发生器流道孔流入第二旋转半椭球型槽，利用第二高压电极和所述第二接地电极(高压电极和接地电极)在钻井液中进行脉冲高压放电，形成等离子体放电通道的瞬时高温(数万度)加热周围液体，导致放电通道内的压力急剧升高，在钻井液中产生压力高达103～104MPa的冲击波，冲击波经球形反射罩反射后在第四焦点处附近区域(焦区)汇聚，提高冲击波峰值压力，形成强大的高压冲击区，当岩石受到的应力超过其抗压强度时岩石表面产生破碎坑，之后在岩石内部形成应力波，应力波传播过程中产生拉应力，当拉应力大于岩石抗拉强度时，岩石内部产生大量裂纹，液相放电等离子体冲击波钻井技术可以直接破碎岩石，也可以改善岩石的可钻性。通过改变第二电极间隙长度、电极两端电压、第二发生器壳体内腔几何结构(第二旋转半椭球型槽的长轴和短轴)可以控制第四焦点处的冲击波强度，以适应不同岩层的需求，提高破岩速度和效率。边冲击波发生器4与中心冲击波发生器3共同配合，通过在钻头本体的适合位置上合理布置多个不同几何参数的边冲击波发生器4与中心冲击波发生器3，使高压冲击区覆盖井底，提高破岩效率。
[0040] 在本实施方式中，第二电缆的一端绝缘穿过第二发生器壳体的侧壁分别与第二高压电极和第二接地电极电连接，第二电缆的另一端与供电装置电连接。
[0041] 在本发明的一具体
实施例中，第一发生器流道孔和第二发生器流道孔均为直径自端部向内渐缩的锥孔。
[0042] 进一步，如图2所示，相邻钻头刀翼2之间设置排屑槽6，便于钻井过程中岩石碎屑的排出，避免岩石碎屑阻滞岩石钻削。
[0043] 进一步，如图2所示，钻头刀翼2的端面上排列设置多个切削齿21，多个切削齿21按照一定规则分布在钻头刀翼2的端面；钻头刀翼2的圆周侧面上排列设置多个保径齿22，多个保径齿22按照一定规则分布在钻头刀翼2外侧表面。钻头刀翼2随钻头本体1转动，其切削齿21和保径齿22共同切削刮切岩石，达到机械钻进的目的。
[0044] 在本发明的一具体实施例中，钻头本体的一端沿周向间隔设置5个钻头刀翼，相邻两个钻头刀翼之间分别设置一边水眼，各边水眼内分别连接设置一边冲击波发生器；钻头本体的一端的中心处设置两个中心水眼，各中心水眼内分别连接设置一中心冲击波发生器。
[0045] 如图3、图5所示，在本实施方式中，中心水眼和边水眼的内壁上均设置内螺纹部，中心冲击波发生器3和边冲击波发生器4的外壁上均设置能与内螺纹部密封连接的外螺纹部34。
[0046] 使用本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头100进行岩石钻削时，部分钻井液经钻井液流道、第一发生器流道孔33流入第一旋转半椭球型槽32，第一高压电极51和第一接地电极52之间(第一焦点处)通过液电效应产生液相放电等离子体球面冲击波，冲击波在第一旋转半椭球型槽32内部反射(利用椭球面的反射作用)，汇聚于第二焦点F2附近区域，形成高压冲击区；部分钻井液经钻井液流道、第二发生器流道孔流入第二旋转半椭球型槽，第二高压电极和第二接地电极之间(第三焦点处)通过液电效应产生液相放电等离子体球面冲击波，冲击波在第二旋转半椭球型槽内部反射，汇聚于第四焦点附近区域，形成高压冲击区；中心冲击波发生器3和边冲击波发生器4产生的液相放电等离子体冲击波破碎岩石形成破碎坑和裂缝，改善岩石可钻性；同时，钻头刀翼2随钻头本体1转动，其切削齿21和保径齿22共同切削刮切岩石，完成机械辅助破岩。
[0047] 由上所述，本发明提供的液相放电等离子体冲击波PDC钻头具有如下有益效果：
[0048] 本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头以液相放电等离子体冲击波破岩为主，机械破岩为辅，冲击波发生器内部的电极间隙之间发生液电效应，产生液相放电等离子体冲击波，经过冲击波发生器内部椭球面的反射作用，汇聚于钻头刀翼底端与岩石接触的面上的焦点附近，形成一个高压冲击区，通过冲击波破碎岩石形成破碎坑和裂缝，改善岩石可钻性，降低岩石可钻性级值，钻头上的切削齿进一步切削改善过可钻性的岩石和切削井壁，保护钻头本体，在深井硬地层中，井底能量利用率高，产生的冲击波压力大，加快钻井速度，提高硬地层破岩效率，钻头寿命高；边冲击波发生器与中心冲击波发生器共同配合，通过在钻头本体的适合位置上合理布置多个不同几何参数的边冲击波发生器与中心冲击波发生器，使高压冲击区覆盖井底，提高破岩效率；通过改变电极间隙长度、电极两端电压、各发生器壳体内腔几何结构可以控制冲击波发生器外部的焦点处冲击波强度，以适应不同岩层的需求，提高破岩速度和效率；本发明的液相放电等离子体冲击波PDC钻头工艺简单，钻井过程安全可靠，有利于推广使用。
[0049] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与
修改，均应属于本发明保护的范围。
