高溫熱液分裂輔助鑽的製造方法
2023-07-28 20:10:11
高溫熱液分裂輔助鑽的製造方法
【專利摘要】高溫熱液分裂輔助鑽機，提供了一種利用高溫熱液使巖石自行分裂這一原理的深層地熱鑽探鑽機，包括鑽頭、鑽頭臺和鑽杆，所述鑽頭和鑽頭臺位於鑽杆的下端，鑽頭安裝在鑽頭臺上，所述鑽頭、鑽杆和鑽頭臺為中空結構，鑽頭臺內設置有反應室，鑽頭表面設置有噴焰口，所述噴焰口與反應室連通，鑽杆內設有管道，與反應室連通。本發明利用超臨界水的特性使巖層由溫度梯度過大而破裂，破解巖層的硬度，利用阿基米德螺旋的原理，將巖石碎片帶出鑽井，本發明能快速的鑽透硬度很高的巖層，避免頻繁更換鑽頭帶來的時間和經濟損失。
【專利說明】高溫熱液分裂輔助鑽機
【技術領域】
[0001]本發明涉及鑽探領域，具體為一種用於深層地熱鑽探的鑽機。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，自然能源的環保高效利用成為社會新的熱點，地熱因其分布廣泛、能量高、開採簡單方便、使用無汙染等優點而成為能源業的新秀。地熱能有一個特點:蘊藏越深，開發潛力就越大。然而，如果採用傳統的旋轉鑽井技術開採地熱能，隨著地熱井深度的增加，成本會呈指數上漲。
[0003]按照傳統的鑽頭進行鑽探時，鑽頭遇到地下堅硬、乾燥的巖層時，往往會出現鑽不動的情況，這會對鑽頭造成極大的摩擦消耗，鑽頭很快就會損毀，有的鑽探工程會因為該巖層無法穿透為放棄。這些巖層通常位於地下3公裡甚至更深的位置，巖層下面就是極其豐富的地熱資源。
[0004]現有的鑽探技術都是採用冷鑽頭硬摩擦來穿透巖層，面對硬度過高的巖層時往往無法鑽進，只有更換硬度更高的鑽頭來重新鑽進，但對於有些巖層而言，採用金剛石鑽進也有著不小的困難。
【發明內容】
[0005]本發明所解決的技術問題在於提供一種高溫熱液分裂輔助鑽機，以解決上述【背景技術】中的缺點。
[0006]本發明所解決的技術問題採用以下技術方案來實現:
高溫熱液分裂輔助鑽機，是一種利用高溫熱液使巖石自行分裂這一原理的鑽機，包括鑽頭、鑽頭臺和鑽杆，所述鑽頭和鑽頭臺位於鑽杆的下端，鑽頭安裝在鑽頭臺上，所述鑽頭、鑽杆和鑽頭臺為中空結構，鑽頭臺內設置有反應室，反應室內設有加熱裝置，鑽頭表面設置有噴焰口，所述噴焰口與反應室連通，鑽杆內設有管道，與反應室連通。
[0007]所述鑽杆的中空結構為雙層套管結構，包括運輸水和燃料的混合物的內層管道和運輸氧氣的外層管道，所述水和燃料的混合物與氧氣在反應室內混合，燃料和氧氣在水形成的超臨界水中燃燒。
[0008]所述鑽杆的中空結構與反應室的連接處設置有單向閥門，保證反應室內高壓的同時防止回流。
[0009]所述加熱裝置為加熱點火電阻，設置在反應室內側壁，能夠對反應室進行加熱，反應室與鑽頭的連接處設置有壓力調節閥，用於對反應室內的壓力進行調節，保持反應室內的聞溫聞壓環境。
[0010]所述噴焰口有若干個，均勻分布在鑽頭的表面，所述鑽頭表面上設置有可更換的合金齒，合金齒均勻分布在鑽頭表面。
[0011]所述鑽杆的外表設置有與井壁形成阿基米德螺旋的螺旋結構，將鑽頭處的碎石帶出鑽井。[0012]所述鑽頭臺的反應室與鑽頭採用的材料是以金屬基添加碳化物和氮化物的合金，其中金屬基為鉻、鎳、鎢、鉭、錸、鉿、鈷、鈦中一種或幾種的合金，碳化物為碳化鎢、碳化鉭、碳化鈮中的一種，氮化物為氮化鎢、氮化鉭中的一種，碳化物和氮化物能有效的抵抗超臨界水對材料的腐蝕，整體材料硬度高、抗高溫、耐腐蝕、抗強衝擊，保證鑽頭能承受高溫，保證反應室的聞溫聞壓環境。
[0013]在所述鑽杆的上端，設有井上設施，包括電控部分、動力部分和配料部分，配料部分根據實際需要來配比燃料、氧氣和水，動力部分帶動鑽杆的旋轉，並給水、燃料和氧氣提供必要的壓力，電控部分對整體進行調節和控制。
[0014]在本發明中，採用超臨界水來作為溶劑，超臨界水是在374.3°C和22.05MPa的環境時，因高溫而膨脹的水的密度與因高壓而壓縮的水蒸氣的密度相當，形成的一種特殊狀態下的水，此時的水沒有氣態和液態的相態區別，具有極強的輔助氧化能力和溶解能力，能夠與氮氣、氧氣等無極性氣體以任意比例混合，可以與乙醇等物質混合；許多物質都可以在其中燃燒，冒出火焰；與氧氣和過氧化氫混合，能夠發生氧化的鏈式反應，具有極強的氧化性等。
[0015]在本發明中，所選的燃料可選為乙醇，乙醇和氧氣在超臨界水的狀態下，於450°C自燃，放出大量的熱，同時將來自中空結構的水通過高溫高壓形成更多的超臨界水，高溫高壓狀態的超臨界水配合燃料自燃的火焰，從反應室內衝出鑽頭，衝擊在巖層上，使巖層的表面迅速升溫，進而使整個巖層產生明顯的溫度梯度，此時巖層表面會因熱膨脹而破裂，形成大量毫米級的圓盤狀巖石碎片，鑽頭在這些已經初步碎裂的巖層中鑽探會容易的多，巖石的碎片也會隨著流體在阿基米德螺旋的帶動下被送到離地面較近的地方。巖石的溫度梯度越大，開採鑽探的速度就會越快。
[0016]有益效果:在本發明中，利用超臨界水的特性使巖層由溫度梯度過大而破裂，破解巖層的硬度，利用阿基米德螺旋的原理，將巖石碎片帶出鑽井，本發明能快速的鑽透硬度很高的巖層，避免頻繁更換鑽頭帶來的時間和經濟損失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的結構示意圖。
[0018]圖中:鑽杆1、單向閥門2、鑽頭臺3、反應室4、壓力調節閥5、鑽頭6、噴焰口 7、合金齒8、加熱點火電阻9。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
[0020]參見圖1的高溫熱液分裂輔助鑽機的鑽頭6、鑽頭臺3和鑽杆I的結構，所述鑽頭6和鑽頭臺3位於鑽杆I的下端，鑽頭6安裝在鑽頭臺3上，所述鑽頭6、鑽杆I和鑽頭臺3為中空結構，鑽頭臺3內設置有反應室4，鑽頭6表面設置有噴焰口 7，所述噴焰口 7與反應室4連通，鑽杆I內設有管道，與反應室4連通；所述鑽杆I的中空管道與反應室4的連接處設置有單向閥門2 ;所述反應室4內設有加熱點火電阻9，反應室4與鑽頭6的連接處設置有壓力調節閥5; 所述鑽杆I的中空管道為雙層套管結構，內層管道運輸水和燃料的混合物，外層管道運輸氧氣，所述水和燃料的混合物與氧氣在反應室4內混合，燃料和氧氣在水形成的超臨界水中燃燒。
[0021]所述噴焰口 7有若干個，均勻分布在鑽頭6的表面，所述鑽頭6表面上設置有可更換的合金齒8,合金齒8均勻分布在鑽頭6表面。
[0022]所述鑽杆I的外表設置有與井壁形成阿基米德螺旋的螺旋結構，將鑽頭處的碎石帶出鑽井。
[0023]在所述鑽杆的上端，設有井上設施，包括電控部分、動力部分和配料部分，配料部分根據實際需要來配比燃料、氧氣和水，動力部分帶動鑽杆的旋轉，並給水、燃料和氧氣提供必要的壓力，電控部分對整體進行調節和控制。
[0024]本發明在鑽探時，鑽頭6、鑽頭臺3和鑽杆I在動力部分的帶動下旋轉，高溫高壓的燃料與氧氣在超臨界水的環境下自燃，放出大量的熱，同時將來自中空管道的水通過高溫高壓形成更多的超臨界水，高溫高壓狀態的超臨界水配合燃料自燃的火焰，從反應室4內衝出鑽頭6,衝擊在巖層上,使巖層表面的巖石由過大的溫度梯度而破裂，此時鑽頭6即可輕易穿透這部分巖層，源源不斷的重複這個過程，即能快速的鑽透硬度很高的巖層。
[0025]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.高溫熱液分裂輔助鑽機，包括鑽頭、鑽頭臺和鑽杆，所述鑽頭和鑽頭臺位於鑽杆的下端，鑽頭安裝在鑽頭臺上，其特徵在於，所述鑽頭、鑽杆和鑽頭臺為中空結構，鑽頭臺內設置有反應室，反應室內設有加熱裝置，鑽頭表面設置有噴焰口，所述噴焰口與反應室連通，鑽杆內設有管道，與反應室連通。
2.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述鑽杆的中空結構為雙層套管結構，包括運輸水和燃料的混合物的內層管道和運輸氧氣的外層管道。
3.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述鑽杆的中空結構與反應室的連接處設置有單向閥門。
4.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述加熱裝置為加熱點火電阻，設置在反應室內側壁。
5.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述反應室與鑽頭的連接處設置有壓力調節閥。
6.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述噴焰口有若干個，均勻分布在鑽頭的表面，所述鑽頭表面上設置有可更換的合金齒，合金齒均勻分布在鑽頭表面。
7.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述鑽杆的外表設置有與井壁形成阿基米德螺旋的螺旋結構。
8.根據權利要求1所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述鑽頭臺的反應室與鑽頭採用的材料是以金屬基添加碳化物和氮化物的合金。
9.根據權利要求8所述的高溫熱液分裂輔助鑽機，其特徵在於，所述金屬基為鉻、鎳、鎢、鉭、錸、鉿、鈷、鈦中一種或幾種的合金，所述碳化物為碳化鎢、碳化鉭、碳化鈮中的一種，所述氮化物為氮化鎢、氮化鉭中的一種。
【文檔編號】E21B17/18GK103485720SQ201310486270
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】趙晴堂 申請人:趙晴堂