本發(fā)明屬于鉆井工程，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭及鉆井方法。
背景技術(shù)：
1、隨著全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，油氣資源開(kāi)發(fā)正逐步向深層、超深層地層拓展。但深部地層普遍存在巖石強(qiáng)度高（單軸抗壓強(qiáng)度＞160?mpa）、非均質(zhì)性強(qiáng)（如花崗巖與燧石互層）等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機(jī)械鉆探技術(shù)依賴牙輪鉆頭或pdc切削齒的機(jī)械破碎作用，在硬巖層中面臨很多瓶頸，如鉆頭損耗嚴(yán)重、鉆進(jìn)效率低、井眼質(zhì)量難以控制等。為此，熱能破巖技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，其中非轉(zhuǎn)移弧等離子體射流通過(guò)高溫（＞8000?k）、高速（＞500?m/s）射流的熱熔蝕與熱沖擊耦合作用，可有效破碎硬巖。
2、然而，現(xiàn)有等離子破巖裝置存在根本性缺陷，受陽(yáng)極噴嘴物理尺寸約束，射流直徑通常不大于30?mm，形成的破碎坑直徑僅20~40?mm，無(wú)法滿足鉆頭持續(xù)進(jìn)給的孔徑需求；靜態(tài)射流長(zhǎng)時(shí)間作用局部區(qū)域，不僅會(huì)造成噴嘴過(guò)熱損毀而且會(huì)增大破巖比能，破巖比能為去除單位體積巖石所需的能量。
3、因此，開(kāi)發(fā)一種能夠增大破巖直徑且能保護(hù)噴嘴的新型等離子破巖鉆頭，已成為深層資源開(kāi)發(fā)裝備升級(jí)的迫切需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
3、一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，包括沿軸向依次同軸固定連接的等離子射流鉆頭本體、導(dǎo)電滑環(huán)、空心軸，所述空心軸的另一端與電機(jī)的輸出端進(jìn)行同軸固定連接；
4、所述等離子射流鉆頭本體包括陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極內(nèi)部設(shè)置貫通的放電腔室；
5、所述陽(yáng)極電極面向?qū)щ娀h(huán)的一端與陽(yáng)極基座固連，所述陽(yáng)極基座的徑向內(nèi)側(cè)與陰極基座進(jìn)行絕緣連接，所述陰極基座內(nèi)部固定設(shè)置有伸入到放電腔室內(nèi)的陰極電極；
6、所述陰極電極的中心軸線與放電腔室的中心軸線共線；
7、所述放電腔室遠(yuǎn)離陰極電極的一端貫通陽(yáng)極電極的射流端形成陽(yáng)極噴嘴；
8、所述陰極電極遠(yuǎn)離陽(yáng)極噴嘴的端部中心點(diǎn)位于等離子射流鉆頭本體的中心軸線上；
9、所述放電腔室的中心軸線與等離子射流鉆頭本體的中心軸線之間存在傾斜夾角。
10、優(yōu)選的，所述傾斜夾角的范圍為15°～45°。
11、優(yōu)選的，所述放電腔室的中心軸線與陽(yáng)極電極射流端的交點(diǎn)、陽(yáng)極電極射流端中心點(diǎn)之間的距離是l1，所述放電腔室的長(zhǎng)度為l2，l1與l2比值的范圍為1:8~1:6。
12、優(yōu)選的，所述放電腔室包括依次同軸相接的第一圓柱面通道、圓臺(tái)面通道、第二圓柱面通道，所述圓臺(tái)面通道的大頭端遠(yuǎn)離陽(yáng)極噴嘴且與第一圓柱面通道相接；
13、所述陰極電極由第一圓柱面通道伸入到圓臺(tái)面通道內(nèi)。
14、優(yōu)選的，所述陽(yáng)極基座的徑向內(nèi)側(cè)與陰極基座之間通過(guò)呈環(huán)形結(jié)構(gòu)的絕緣陶瓷進(jìn)行絕緣連接。
15、優(yōu)選的，所述陰極電極的內(nèi)部設(shè)置冷卻腔，所述陰極基座上設(shè)置有連通至冷卻腔內(nèi)的冷卻水通道、回水通道。
16、優(yōu)選的，所述絕緣陶瓷上設(shè)置有連通至放電腔室的氣體通道。
17、本發(fā)明還提供一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆井方法。
18、一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆井方法，基于旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭進(jìn)行實(shí)施，包括以下步驟：
19、向放電腔室內(nèi)輸入工作介質(zhì)，工作介質(zhì)在放電腔室內(nèi)電離為等離子體，等離子體經(jīng)陽(yáng)極噴嘴噴射形成傾斜射流；
20、電機(jī)通過(guò)空心軸、導(dǎo)電滑環(huán)驅(qū)動(dòng)等離子射流鉆頭本體旋轉(zhuǎn)，使傾斜射流旋轉(zhuǎn)畫圓形成動(dòng)態(tài)射流，在巖石表面形成圓形燒蝕軌跡，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖，增大破巖孔徑。
21、本發(fā)明的有益效果是：
22、（1）本發(fā)明通過(guò)放電腔室、陰極電極相對(duì)于等離子射流鉆頭本體中心軸線的傾斜設(shè)置，使放電腔室的中心軸線與陽(yáng)極電極射流端的交點(diǎn)偏離陽(yáng)極電極射流端中心點(diǎn)，結(jié)合電機(jī)對(duì)等離子射流鉆頭本體旋轉(zhuǎn)的控制，在鉆井過(guò)程中，使由陽(yáng)極噴嘴噴射的等離子體旋轉(zhuǎn)畫圓形成動(dòng)態(tài)射流，在巖石表面形成圓形燒蝕軌跡，與現(xiàn)有的將陽(yáng)極噴嘴與鉆頭本體進(jìn)行同軸設(shè)置相比，在陽(yáng)極噴嘴尺寸相同的情況下，本申請(qǐng)圓形燒蝕軌跡的形成增大了破巖孔徑；動(dòng)態(tài)射流避免了對(duì)破碎坑內(nèi)已經(jīng)融化的巖漿進(jìn)行反復(fù)加熱，減少了能量的浪費(fèi)，同時(shí)熱應(yīng)力作用范圍擴(kuò)大，增大了對(duì)花崗巖、玄武巖等脆性巖石內(nèi)部的裂縫生長(zhǎng)，對(duì)劣化損傷巖石有明顯效果。
23、（2）本發(fā)明中等離子射流鉆頭本體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力會(huì)分散射流熱負(fù)荷，使得弧根附著點(diǎn)不斷跳躍移動(dòng)，無(wú)法固定在某個(gè)位置加重?zé)g，從而延長(zhǎng)陽(yáng)極噴嘴壽命；同時(shí)在破巖過(guò)程中，同軸靜態(tài)等離子射流在沖擊巖石表面后會(huì)反射作用于鉆頭端面，造成端面燒蝕嚴(yán)重，而傾斜的動(dòng)態(tài)等離子射流可以極大減弱射流反蝕，從而延長(zhǎng)等離子鉆頭的壽命。
1.一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，包括沿軸向依次同軸固定連接的等離子射流鉆頭本體、導(dǎo)電滑環(huán)、空心軸，所述空心軸的另一端與電機(jī)的輸出端進(jìn)行同軸固定連接；
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，所述傾斜夾角的范圍為15°～45°。
3.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，所述放電腔室的中心軸線與陽(yáng)極電極射流端的交點(diǎn)、陽(yáng)極電極射流端中心點(diǎn)之間的距離是l1，所述放電腔室的長(zhǎng)度為l2，l1與l2比值的范圍為1:8~1:6。
4.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，所述放電腔室包括依次同軸相接的第一圓柱面通道、圓臺(tái)面通道、第二圓柱面通道，所述圓臺(tái)面通道的大頭端遠(yuǎn)離陽(yáng)極噴嘴且與第一圓柱面通道相接；
5.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，所述陽(yáng)極基座的徑向內(nèi)側(cè)與陰極基座之間通過(guò)呈環(huán)形結(jié)構(gòu)的絕緣陶瓷進(jìn)行絕緣連接。
6.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，所述陰極電極的內(nèi)部設(shè)置冷卻腔，所述陰極基座上設(shè)置有連通至冷卻腔內(nèi)的冷卻水通道、回水通道。
7.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭，其特征在于，所述絕緣陶瓷上設(shè)置有連通至放電腔室的氣體通道。
8.一種旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆井方法，基于如權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)掃掠式等離子射流破巖鉆頭進(jìn)行實(shí)施，其特征在于，包括以下步驟：