一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置及方法
阅读说明：本技术 一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置及方法 (Microwave-assisted supercritical carbon dioxide jet drilling device and method ) 是由 杨晓峰 杜宇飞 简权 曲展慧 周家恒 聂爱国 于 2021-02-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置及方法,针对传统机械破岩法钻头磨损严重,起下更换钻头频繁,严重影响钻井时效。本发明利用微波照射和超临界二氧化碳射流两种输入能量相互有机配合的工艺提高钻进效率；提供的钻进装置具有旋转射流和直射流交替作用的方式对岩石进行冲蚀破坏；射流流体喷口采用球阀控制射流速度,提高钻进效率；利用超临界二氧化碳的渗透作用和微波照射下其膨胀作用,有效降低岩石的强度。本装置与常规钻进装置相比,可以大幅度提高应对不同强度下岩体的钻进能力,很大提高了钻进效率。(The invention relates to a microwave-assisted supercritical carbon dioxide jet drilling device and method, which aim at solving the problems that a drill bit is seriously worn, the drill bit is frequently replaced when being taken off and put down and the drilling time efficiency is seriously influenced in the traditional mechanical rock breaking method. The invention utilizes the technology that two input energies of microwave irradiation and supercritical carbon dioxide jet flow are mutually and organically matched to improve the drilling efficiency; the provided drilling device has the mode of alternately acting rotary jet flow and direct flow to erode and destroy the rock; the jet flow fluid nozzle adopts a ball valve to control the jet flow speed, so that the drilling efficiency is improved; the strength of the rock is effectively reduced by utilizing the permeation action of the supercritical carbon dioxide and the expansion action of the supercritical carbon dioxide under microwave irradiation. Compared with the conventional drilling device, the device can greatly improve the drilling capability of dealing with rock masses under different strengths, and greatly improve the drilling efficiency.)
技术领域
本发明涉及岩石钻进领域，具体而言涉及的是一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置及方法。
背景技术
硬岩的破碎方法与技术研究一直是矿业、土木、军事等行业长期关心的问题。对于坚硬岩类的非煤类矿山，如果我们利用传统的机械破岩法钻探，会造成钻头磨损严重，起下更换钻头频繁而缺乏经济上的竞争力，或者由于维修量的增加而不能实现足够的产能，即便我们采用冲击水压破岩也同样存在破岩极限，但是同时采用两种或多种输入能量组合的工艺就可以突破单用一种能量输入时工艺上的破岩极限。
微波由于具有加热不需要介质、传热升温速度快、穿透性强、过程易于控制等特点，成为一种重要的辅助破岩手段，而超临界二氧化碳流体既具有接近于气体的粘度和高渗透能力，又具有接近于液体的高密度和强溶解能力，其所具有的优异特性非常适用于矿物以及非常规油气藏的开发。
发明内容
本发明的目的在于解决在硬岩地段钻进时普通机械钻进刀具磨损严重，钻进效率低的问题，提供了一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，主要包括：供电箱、计算机数控系统、钻杆顶端进出液密封转盘、液压钻机卡盘、高功率微波发生系统、钻杆、钻头、旋转滑环电刷、光纤和电缆、抗压管道、耐热输水管道、高压旋转射流喷嘴、高压直射流喷嘴、压力计、温度传感器、扭矩传感器、微型电机、杂质分离装置、高压冷箱、阀门、液态二氧化碳储罐、压力缓冲罐、高压泵、水箱、制冷装置等；高功率微波发生系统产生微波，经微波导管传输后对岩石进行加热作用，辅助超临界二氧化碳流体射流，产生高效率破岩的效果；钻进动力组包括：液压钻机卡盘、电动滑轮及钻井支架，液压钻机卡盘提供旋转动力和推进力，钻井支架和电动滑轮分别用于固定设备和提供推进轨道；非转动穿线杆焊接在钻井支架上；钻杆采用螺纹连接，内部非转动穿线杆通过啮齿啮合连接，钻杆连接处装有密封胶圈防止钻进过程中漏液；钻头钻翼内镶嵌温度传感器，用来传达钻头处温度数据，以便根据需要调整微波输出功率的大小，微波功率调整由功率调节电动机控制，扭矩传感器在钻机卡盘以下的钻杆上安装，负责测量钻进过程中钻杆扭矩的大小，数据传回至计算机数控系统；外接发生装置内包括计算机数控系统用于控制微波的功率大小，高压冷箱、高压泵、压力缓冲罐、杂质分离装置用于制备可以循环使用的超临界二氧化碳流体，其中，抗压管道连接各个设备，组成预备流体输运通路，压力计连接在管道适当位置用于监测管道各处压力的大小；高压水泵、水箱、磁控管水冷系统进水通道、磁控管水冷系统出水通道、制冷装置、用耐热输水管道连接各个设备，这些为高功率微波发生系统内的磁控管提供散热以及吸收多余反射回来的微波，此外内置水箱中的水可以通过清洗喷嘴喷射用来清洗微波馈波口下端聚四氟乙烯塑料层的泥浆，微波馈波口下方有圆盘形的聚四氟乙烯塑料可以阻止钻进过程中泥浆通过微波导管反流入高功率微波发生系统。一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进方法，其基于一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，所述方法主要包括以下步骤：
步骤1：开启钻进动力机组，实施钻进，同时，超临界二氧化碳流体分别由钻头(6)上的高压直射流喷嘴(6-3)和高压旋转射流喷嘴(6-2)喷出并在硬岩面上作用，钻头(6)自转使高压直射流喷嘴(6-3)喷出的流体和高压旋转射流喷嘴(6-2)喷出的流体先后交替作用于岩石。
步骤2：当钻进过程中扭矩传感器(31)测量数值明显增加或数据显示一定功率下钻机推进速度明显降低，此时单一的超临界二氧化碳射流破岩效过不是很好，此时计算机数控系统(21)控制高功率微波发生系统(4)启动，钻头(6)边钻进，微波边照射，此外根据镶嵌在钻翼内的温度传感器(6-4)传来的温度数据随时利用功率调节微型电机(4-2)调整微波照射功率的大小，以及通过微波馈波口处内置电池的微型电机(6-1)控制微波导管(5)出口沿着滑轨(6-6-1)移动使微波能更有针对性的作用于强度大的岩石；当高功率微波发生系统(4)开始工作时，外接的磁控管水冷保护装置也同时启动，高压水泵(23)、水箱(24)和制冷装置(25)正常工作为磁控管(4-1)起保护作用，以及利用内置水箱(4-4)中的水充当水负载吸收多余的反射回来的微波，保护微波源。
步骤3：当步骤2过程实施后钻进推进效果改变仍然不明显，或者针对强度超大的岩体，可以控制钻头(6)先停止钻进，让高功率微波发生系统(4)单独工作，微波持续照射一段时间(40s)后，钻头(6)再启动钻进一段深度，然后钻头(6)再停止钻进，让高功率微波发生系统(4)继续单独工作……如此循环，使得即将被钻进的岩石都受到微波持续一段时间的加热作用，岩石强度显著降低后再继续实施钻进。
本发明的有益效果在于：
1.本发明装置具有保护钻头的效果。微波辅助机械破岩是微波加热技术和机械破岩技术相结合的一种混合型破岩方法。岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性。各矿物不同的热膨胀产生内应力，使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，使试样产生损伤和微裂纹，这会使岩石点载荷强度、单轴抗压强度、抗拉强度发生显著降低，这就能够显著提高机械破岩设备刀具的侵入率和刀具寿命，解决机械刀具的磨损问题，从而实现提高岩石破碎的效率和降低岩石破碎的成本的目的。
2.本发明装置利用超临界二氧化碳射流，可以很大提高钻进效率，以及保护环境。实验表明，超临界二氧化碳射流相对于水射流的破岩范围更大，效果也更好。超临界态的二氧化碳兼具了气体低黏度、易扩散的特点和液态二氧化碳高密度的特点，在射流破岩过程中极易进入岩石内部的裂缝和孔隙中，使微波照射引起的损伤继续扩展，降低了破岩的门限压力，有利于破岩。
3.本发明装置采用了直射流和旋转射流交替作用的方式，该方式综合了直射流破岩深度大与旋转射流破岩面积大的优势,通过多种破坏方式交替对岩石进行冲蚀破碎,降低破岩门限压力,大幅提高射流的破岩效率，此外射流喷嘴部位球阀的设计可以控制射流速度，这样可以很大程度针对不同岩体去设置不同速度的射流，可以提高钻进针对性，并防止钻头磨损，提高刀具寿命。
4.本发明装置采用了超临界态二氧化碳射流和微波照射相互配合的方式，可以应对多种不同强度的岩体进行钻探，钻探过程中不用频繁起换钻头，钻探效率更高。
5.钻杆内部自带光纤与电缆，加装钻杆时不用频繁重新穿线，可以直接加装，使钻进过程中更加便捷的加装钻杆。
附图说明
图1为本发明的总体示意图。
图2为图1中钻杆A-A截面俯视图。
图3为图1中钻头部位放大的剖视图。
图4为图1中钻头仰视图。
图5为图1中高功率微波发生系统内部结构剖面图。
图6为高压旋转射流喷嘴和高压直射流喷嘴结构放大图。
图7为微波导波口结构放大示意图。
图8为钻杆顶端进出液密封转盘俯视图。
图9为钻杆螺纹连接剖面图及非转动穿线杆示意图。
图10为钻杆自带光纤电缆示意图。
图1中：1为钻杆、2为钻杆螺纹连接处、3为旋转滑环电刷、4为高功率微波发生系统、5为微波导管、6为钻头、7为岩屑输出通道、8为超临界二氧化碳射流通道、9为光纤和电缆、10为非转动穿线杆、11为井口密封装置、12为杂质分离装置、13为高压冷箱、14为阀门、15为液态二氧化碳储罐、16为高压泵、17为抗压管道、18为压力缓冲罐、19为压力计、20为供电箱、21为计算机数控系统、22为耐热输水管道、23为高压水泵、24为水箱、25为制冷装置、26为磁控管水冷系统进水通道、27为磁控管水冷系统出水通道、28为钻井支架、29为电动滑轮、30为液压钻机卡盘、31为扭矩传感器、32为非转动穿线杆与支架焊接点、33为钻杆与非转动穿线杆之间间隙、34为钻杆顶端进出液密封转盘；图2中：9为光纤和电缆、10为非转动穿线杆、33为钻杆与非转动穿线杆之间间隙、27为磁控管水冷系统出水通道、26为磁控管水冷系统进水通道、1-4为轴承；图3中：3为旋转滑环电刷、4为高功率微波发生系统、6-1为微型电机、6-2为高压旋转射流喷嘴、6-3为高压直射流喷嘴、4-7为清洗装置水流通道、6-4为温度传感器、6-5为内走线微型电机支撑杆、6-6为微波馈波口；图4中：6-2为高压旋转射流喷嘴、6-3为高压直射流喷嘴、6-6为微波馈波口；图5中：9为光纤和电缆、20为供电箱、21为计算机数控系统、26为磁控管水冷系统进水通道、27为磁控管水冷系统出水通道、22为耐热输水管道、23为高压水泵、24为水箱、25为制冷装置、4-1为磁控管、4-2为功率调节微型电机、4-3为功率调节单元、4-4为内置水箱、4-5为隔热层、4-6为环形器、5为微波导管、4-7为清洗装置水流通道、4-8为数控阀门、4-9为磁控管水冷系统进出水隔离板、4-10为定时器微型电机；图6中：6-2-1为螺旋扇叶、6-2-2为中心支撑杆、6-2-3为阀杆、6-2-4为齿轮、6-2-5为球阀、6-2-6为微型电机；图7中：6-6-1为滑轨、6-1为内置电池的微型电机、6-6-2为聚四氟乙烯塑料层、6-6-3为清洗喷嘴；图8中：34-1为磁控管水冷系统出水管、34-2为磁控管水冷系统进水口、34-3为超临界二氧化碳流体注入口、34-4为通道隔离板、34-5为可转动封闭圆环、34-6为光滑滚珠、32为非转动穿线杆与支架焊接点；图9中：1-1为钻杆外螺纹、1-2为钻杆内螺纹、1-3为密封胶圈、1-4为轴承、10-1为非转动穿线杆啮齿；图10中：1-5为钻杆内置光纤电缆插头、1-6为钻杆内置光纤电缆插口、9为光纤和电缆、1为钻杆、10为非转动穿线杆。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
参见图1-10，一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，其主要包括钻头(6)、钻杆(1)与外接发生装置和钻进动力组。钻头主要包括高功率微波发生系统(4)、旋转滑环电刷(3)、微波导管(5)、高压直射流喷嘴(6-3)、高压旋转射流喷嘴(6-2)、清洗装置水流通道(4-7)、温度传感器(6-4)、内走线微型电机支撑杆(6-5)、微波馈波口(6-6)等；外接装置主要包括：压力计(19)、压力缓冲罐(18)、高压泵(16)、抗压管道(17)、液态二氧化碳储罐(15)、高压冷箱(13)、杂质分离装置(12)、耐热输水管道(22)、高压水泵(23)、水箱(24)、制冷装置(25)、供电箱(20)、计算机数控系统(21)、扭矩传感器(31)，供电箱(20)为高功率微波发生系统(4)和计算机数控系统(21)以及整个系统通过电缆提供电力，计算机数控系统(21)接收镶嵌在钻翼上的温度传感器(6-4)的温度数据，扭矩传感器(31)测量钻杆推进过程中扭矩的大小，根据不同岩类的强度调节微波功率大小和超临界二氧化碳流体射流速度大小，图1中所示为输出的岩屑和二氧化碳经杂质分离装置(12)过滤分离后，二氧化碳经过高压冷箱(13)内的高压与低温水浴循环,使进入的二氧化碳变成液态并储存在液态二氧化碳储罐(15)中，便于高压泵(16)的泵送；液态二氧化碳泵送到压力缓冲罐(18)中的盘管中,压力不断上升,并在高温水浴循环加热下转变为超临界态，压力计(19)安装在抗压管道(17)上，用于监测各处压力的大小；压力缓冲罐(18)与超临界二氧化碳流体通道(8)连接,超临界二氧化碳流体通过高压旋转射流喷嘴(6-2)和高压直射流喷嘴(6-3)形成射流冲击在岩石上，当超临界态的二氧化碳流体变成气体后随岩屑输出通道(7)经过杂质分离装置(12)重新进入高压冷箱(13)再次冷却形成液态二氧化碳,实现循环利用；钻进动力组包括钻井支架(28)、液压钻机卡盘(30)、电动滑轮(29)、非转动穿线杆与支架焊接点(32)、井口密封装置(11)、钻杆顶端进出液密封转盘(34)等；钻杆(1)与钻杆(1)之间采用螺纹连接，钻杆(1)轴线中心设有非转动穿线杆(10)，非转动穿线杆(10)与钻杆之间的间隙中加有滚珠和润滑油，非转动穿线杆(10)靠近上下端口处各安装有一个轴承(1-4)，非转动穿线杆(10)彼此之间采用啮齿啮合的方法互相连接，非转动穿线杆(10)内部自带光纤和电缆(9)，且每一节钻杆(1)连接处都有光纤和电缆(9)的插头或插口，此外钻杆(1)内有超临界二氧化碳流体通道(8)，磁控管水冷系统进水通道(26)和磁控管水冷系统出水通道(27)，非转动穿线杆(10)和高功率微波发生系统(4)的连接处由旋转滑环电刷(3)连接，避免钻杆钻进过程中光纤和电缆(9)绞线：钻杆(1)中的超临界二氧化碳射流通道(8)直通岩石表面，微波通过微波导管(5)传递后，通过微波馈波口(6-6)穿透聚四氟乙烯塑料层(6-6-2)作用于岩石表面，在微波作用于岩石后由超临界二氧化碳流体和产生的二氧化碳气体带走岩屑，使岩屑从岩屑输出通道(7)运送至外接装置中的杂质分离装置(12)；高功率微波发生系统(4)主要由系统内的内置水箱(4-4)、磁控管(4-1)、功率调节单元(4-3)、功率调节微型电机(4-2)、隔热层(4-5)、环形器(4-6)、微波导管(5)、清洗装置水流通道(4-7)、数控阀门(4-8)、磁控管水冷系统进出水隔离板(4-9)、定时器微型电机(4-10)组成，以及外接的耐热输水管道(22)、高压水泵(23)、水箱(24)、制冷装置(25)，相应钻杆(1)中磁控管水冷系统进水通道(26)和磁控管水冷系统出水通道(27)，是为了采用水冷装置给磁控管(4-1)用冷却水内部循环来解决自身发热的问题，保护微波系统正常工作。微波的高频特性意味着在普通金属线上传输向周围空间辐射其能量而使波动传输很快衰减，此外，微波频段工作波长与其电路尺寸可比拟或更小，其相位滞后现象不能忽略，所以我采用了不同于普通导线的圆形截面波导管(5)来传输微波，环行器(4-6)是另一种微波传输器件，部分反射微波通过不可逆的环行器可以进入高功率微波发生系统(4)中的内置水箱(4-4)以避免多余的微波反射进入微波源而损坏磁控管(4-1)，内置水箱(4-4)中的水也可以通过清洗装置水流通道(4-7)由清洗喷嘴(6-6-3)喷出对微波馈波口(6-6)进行不定时的清洗；如图6：钻头(6)在钻翼上镶嵌了温度传感器(6-4)，由光纤和电缆(9)连接在高功率微波发生装置(4)上进而连接在计算机数控系统(21)，高压旋转射流喷嘴(6-2)内部有螺旋扇叶(6-2-1)由中心支撑杆(6-2-2)支撑，利用射流压力迫使螺旋扇叶(6-2-1)自转使射流流体形成旋转的射流流体，底部射流出水口加装有球阀(6-2-5)，球阀(6-2-5)连接阀杆(6-2-3)，阀杆(6-2-3)由微型电机(6-2-6)通过齿轮(6-2-4)控制旋转，从而可以控制内部球阀(6-2-5)旋转，直射流喷嘴(6-3)底部射流出水口也加装球阀(6-2-5)，球阀(6-2-5)连接阀杆(6-2-3)，阀杆(6-2-3)由微型电机(6-2-6)控制齿轮(6-2-4)旋转，从而可以控制内部球阀(6-2-5)旋转，可以根据不同强度岩石针对性调整射流速度；高压旋转射流喷嘴(6-2)内有中心支撑杆(6-2-2)负责支撑螺旋扇叶(6-2-1),当超临界二氧化碳流体进入高压旋转射流喷嘴(6-2)后，利用冲击力迫使螺旋扇叶(6-2-1)转动形成旋转射流，此外高压直射流喷嘴(6-3)和高压旋转射流(6-2)喷嘴相间分布，当钻头转动时，使岩体交替受到高压直射流和高压旋转射流的射流冲击。
所述一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置工作过程如下：
供电箱(20)通过电缆给高功率微波发生系统(4)供电，使产生的微波作用于岩体，微波照射和超临界态二氧化碳射流相互有机配合，降低了钻进破岩门槛，也使整个钻进装置可以在不同强度岩体上高效率的钻进。
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