[发明专利]一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置及方法

权利要求书

1.一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，包括钻头(6)、钻杆(1)和钻进动力组；所述钻头(6)，包括高功率微波发生系统(4)、旋转滑环电刷(3)、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)、数控阀门(4-8)；所述钻进动力组包括钻井支架(28)、液压钻机卡盘(30)、电动滑轮(29)、井口密封装置(11)、钻杆顶端进出液密封转盘(34)；其特征在于：

所述钻头(6)内设置有高功率微波发生系统(4)，其特征在于，高功率微波发生系统(4)中的内置水箱(4-4)同时和磁控管水冷系统进水通道(26)、磁控管水冷系统出水通道(27)、清洗装置水流通道(4-7)连通，清洗装置水流通道(4-7)上安装数控阀门(4-8)，微波导管(5)上端直接连接磁控管(4-1)，穿过环形器(4-6)后微波导管(5)出口处连接在微波馈波口(6-6)的十字滑轨(6-6-1)上，十字滑轨(6-6-1)上端在微波导管(5)出口侧壁外侧安装内置电池的微型电机(6-1)，滑轨下端设置聚四氟乙烯塑料(6-6-2)层；功率调节单元(4-3)、功率调节微型电机(4-2)、定时器微型电机(4-10)、磁控管(4-1)之间均由光纤和电缆(9)连接；所述高功率微波发生系统(4)周围被隔热层(4-5)包裹；

所述的钻杆之间采用螺纹连接，钻杆(1)轴线中心设有非转动穿线杆(10)，非转动穿线杆(10)与钻杆之间通过两个分别靠近钻杆(1)上下端口的轴承(1-4)连接在一起，非转动穿线杆(10)彼此之间采用啮齿啮合的方法相互连接，非转动穿线杆(10)内部中空自带光纤和电缆(9)，且每一节钻杆(1)螺纹连接处都有光纤和电缆(9)的插头或插口；此外钻杆(1)内设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)、磁控管水冷系统出水通道(27)，所述三通道彼此之间在空间上相互独立且同轴心设置，非转动穿线杆(10)内部的光纤和电缆(9)通过旋转滑环电刷(3)与高功率微波发生系统(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，其特征在于，所述的超临界二氧化碳流体通道(8)、磁控管水冷系统进水通道(26)、磁控管水冷系统出水通道(27)，所述三通道流体注入口均可沿着所述的钻杆顶端进出液密封转盘(34)中心轴分别沿着不同半径的圆环形滑轨转动，中心非转动穿线杆(10)固定，除所述三通道注入口和非转动穿线杆(10)外，所述的钻杆顶端进出液密封转盘(34)其他位置全部密封。

3.根据权利要求1所述的一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，其特征在于，所述的高压旋转射流喷嘴(6-2)内部安装的螺旋扇叶(6-2-1)由中心支撑杆(6-2-2)支撑，所述高压旋转射流喷嘴(6-2)底部射流喷口处安装有球阀(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)传动控制旋转；高压直射流喷嘴(6-3)和高压旋转射流(6-2)喷嘴在钻头(6)上相邻分布。

4.根据权利要求1所述的一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，其特征在于，所述的高压直射流喷嘴(6-3)底部射流喷口处安装有球阀(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)传动控制旋转。

5.根据权利要求1所述的一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，其特征在于，所述的高压旋转射流(6-2)喷嘴和所述的高压直射流喷嘴(6-3)在钻头(6)上相邻分布。

6.根据权利要求1所述的一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，其特征在于，所述磁控管水冷系统出水通道(27)连接高压水泵(23)后依次连接水箱(24)、制冷装置(25)后通向磁控管水冷系统进水通道(26)，以上所述装置之间均由耐热输水管道(22)连接。

7.一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进方法，其特征在于，基于一种微波辅助超临界二氧化碳射流的钻进装置，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，经超临界二氧化碳射流通道(8)注入的超临界二氧化碳流体分别由高压直射流喷嘴(6-3)和高压旋转射流喷嘴(6-2)喷出并在硬岩面上作用，钻头自转可以使高压直射流喷嘴(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，并带着岩屑从岩屑输出通道(7)排出；

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下降，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，以及可以通过根据权利要求2所述的微波馈波口处内置电池的微型电机(6-1)控制微波导管(5)出口沿着滑轨移动使微波能更有针对性的作用于强度大的岩体。当高功率微波发生装置(4)开始工作时，根据权利要求8所述的高压水泵(23)、水箱(24)和制冷装置(25)启动，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仍然不理想，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，产生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。