本发明公开了一种利用液体空化效应的辅助碎岩装置和方法，是由驱动电源、振动系统和传动系统三部分组成，振动系统包括有兰杰文振子、下钻头体、上钻头体、隔水槽和切削齿；传动系统包括有托板、钻杆防水接头、电缆和钻头防水接头；所述下钻头体的上端面对称布置六个兰杰文振子，隔水槽密封罩设在兰杰文振子上，钻杆内的电缆通过钻杆第一防水接头连接在一起，钻头内的电缆通过第二钻头防水接头与兰杰文振子的电线连接在一起；驱动电源与电缆电连接，驱动电源通过电缆给兰杰文振子供电，驱动其进行工作。本发明不仅将振动系统放置于钻头体的下部，提高了振动传递效率，而且超声振动碎岩将空化效应破碎、疲劳破碎及钻具回转三者合一，提高了碎岩效果，提高了钻进效率。
1.一种利用液体空化效应的辅助碎岩装置，其特征在于:是由驱动电源(12)、振动系统 和传动系统三部分组成，振动系统包括有兰杰文振子(9)、下钻头体(1)、上钻头体(4)、隔水 槽(3)和切削齿(14);传动系统包括有托板(6)、第一钻杆防水接头(7)、电缆(11)和第二钻 头防水接头(13);所述下钻头体(1)的上端面对称布置多个兰杰文振子(9)，隔水槽(3)为圆环形凹槽，隔 水槽(3)密封罩设在兰杰文振子(9)上，每节钻杆(5)的外螺纹附近都装有第二托板(6)，第 二托板(6)位于钻杆(5)内部和螺纹的下端，第二托板(6)用于支撑第一钻杆防水接头(7)， 上钻头体(4)的内部和外螺纹下端处设有第一托板(2)，第一托板(2)用于支撑第二钻头防 水接头(13);第二托板(6)和第一托板(2)中间均具有圆环，电缆(11)穿过该圆环，第一支撑钻杆防 水接头(7)套在电缆(11)外并位于第二托板(6)上，第二钻头防水接头(13)套在电缆(11)外 并位于第一托板(2)上；钻杆(5)内的电缆(11)通过钻杆第一防水接头(7)连接在一起，钻头内的电缆(11)通过 第二钻头防水接头(13)与兰杰文振子(9)的电线连接在一起；驱动电源(12)与电缆(11)电连接，驱动电源(12)通过电缆(11)给兰杰文振子(9)供电， 驱动其进行工作。
2.根据权利要求1所述的一种利用液体空化效应的辅助碎岩装置，其特征在于:所述的 兰杰文振子(9)是由上端盖(16)、压电陶瓷片(17)、铜片(18)、下端盖(19)和预应力螺钉 (20)组成，预应力螺钉(20)将上端盖(16)、压电陶瓷片(17)和下端盖(19)依次固定在一起， 上端盖(16)与压电陶瓷片(17)之间以及压电陶瓷片(17)与下端盖(19)之间均夹设铜片 (18)〇
3.根据权利要求2所述的一种利用液体空化效应的辅助碎岩装置，其特征在于:所述的 上端盖(16)采用不锈钢材料，下端盖(19)采用铝合金材料，下端盖(19)为喇叭形或圆柱形。
4.一种权利要求1所述利用液体空化效应的辅助装置的碎岩方法，该方法包括以下步 骤:a、 连接好上钻头体(4)和下钻头体(1)，将上钻头体(4)内的第二钻头防水接头(13)与 第一托板(2)固定；b、 连接钻杆(5)时，先将电缆(11)的第一钻杆防水接头(7)连接好，再连接钻杆(5);c、 驱动电源(12)接电，驱动兰杰文振子(9)工作；d、 针对较软地层选择驱动一至二组兰杰文振子(9)工作，针对较硬或复杂地层驱动三 组兰杰文振子(9) 一同工作；e、 卸钻杆(5)时，驱动电源(12)调至关闭状态，先将钻杆(5)拧开，再将第一钻杆防水接 头(7)拧开，之后卸下钻杆(5)并放置于规定位置；f、 泥浆通过钻杆(5)的中心通道运输至钻头底部，接通驱动电源(12)，兰杰文振子(9) 开始工作，结合钻具自身的回转钻进，再加上利用超声波使液体产生的空化效应及高频振 动对岩石的疲劳破碎效果，起到高效钻进的效果。
利用液体空化效应的辅助碎岩装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种利用超声振动产生的空化效应辅助破碎岩石，提高碎岩速度，并促进岩肩上返的钻井技术，该技术主要应用于石油钻井、地质钻探、水文水井、工程施工、矿山竖井、隧道开挖施工等领域。具体地说是一压电陶瓷式超声波振动辅助装置及其使用方法。背景技术
[0002] 液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程为超声波空化现象。超声波能够引起质点振动，质点振动的加速度与超声频率的平方成正比。几十千赫兹的超声在正常温度与压力的液体中会产生瞬时的高温 (高于5000K)和高压(50GPa)，加上液体中微量溶解的氧对岩石的化学腐蚀作用，对岩石产生极强的汽蚀作用。一方面破坏岩石颗粒间的吸附力，另一方面也会引起岩石表层的的破坏而脱落。气泡还能“钻入”裂缝中做振动，加速岩石的破碎。这种对岩石的破坏作用称为空化效应。
[0003] 空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流，即所谓声流。它可使振动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力，促进岩石的破坏和岩石表层的脱落，超声空化在固体和液体表面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界岩层，腐蚀岩层表面，增加搅拌作用，加速岩层表面与岩层本体的剥离速度。此外，超声振动引起质点很大的振动速度和加速度，使岩粉、岩肩受到频繁而激烈的冲击不易附着在钻具表面，很好的解决了钻具的泥包问题。
[0004] 钻头的材料采用韧性高、稳定性高的钛合金或铬钢，可使钻头本体不受空化效应的影响。
[0005] 超声波空化效应的应用范围很广，涉及到超声清洗、矿物化学处理、萃取与分离、 合成与降解等领域。发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种利用液体空化效应的辅助碎岩装置，该装置利用超声波尚频振动及液体广生的空化效应加速岩石的破碎，提尚钻进效率。
[0007] 本发明的另一个目的是提供一种利用液体空化效应的辅助碎岩方法。
[0008] 本发明之利用液体空化效应的辅助碎岩装置是由驱动电源、振动系统和传动系统三部分组成，振动系统包括有兰杰文振子、下钻头体、上钻头体、隔水槽和切削齿;传动系统包括有托板、第一钻杆防水接头、电缆和第二钻头防水接头；
[0009] 所述下钻头体的上端面对称布置多个兰杰文振子，通过螺钉将兰杰文振子和下钻头体连接起来，每两个连线通过下钻头体上表面圆心的兰杰文振子为一组，驱动电源可驱动单组兰杰文振子独立工作，亦可多组并联使用。每组兰杰文振子的驱动相位角相差90°。 针对不同硬度的地层，选择驱动兰杰文振子的组数。
[0010] 下钻头体和上钻头体通过螺纹连接的方式连接在一起。
[0011] 隔水槽为圆环形凹槽，隔水槽密封罩设在兰杰文振子上，具体安装结构是，隔水槽通过法兰盘用固定螺钉连接在下钻头体的上表面上，隔水槽与下钻头体的上表面之间放有密封垫圈，防止漏水，隔水槽对应的兰杰文振子位置的内表面开有通孔，并安装机械密封件，用于布置电线，通孔位于隔水槽内表面的中间水平面位置。隔水槽一方面能将兰杰文振子与液体隔开防止漏电，另一方面还可以防止液体及杂质对兰杰文振子的冲击作用，进而保护兰杰文振子。
[0012] 每节钻杆的外螺纹附近都装有第二托板，第二托板位于钻杆内部和螺纹的下端， 第二托板用于支撑第一钻杆防水接头，上钻头体的内部和外螺纹下端处设有第一托板，第一托板用于支撑第二钻头防水接头。
[0013] 第二托板和第一托板中间均具有圆环，电缆穿过该圆环，第一支撑钻杆防水接头套在电缆外并位于第二托板上，第二钻头防水接头套在电缆外并位于第一托板上。
[0014] 兰杰文振子是由上端盖、压电陶瓷片、铜片、下端盖和预应力螺钉组成，预应力螺钉将上端盖、压电陶瓷片和下端盖依次固定在一起，上端盖与压电陶瓷片之间以及压电陶瓷片与下端盖之间均夹设铜片。
[0015] 所述的上端盖采用不锈钢材料，下端盖采用铝合金材料，下端盖为喇叭形或圆柱形。
[0016] 钻杆内的电缆通过钻杆第一防水接头连接在一起，钻头内的电缆通过第二钻头防水接头与兰杰文振子的电线连接在一起。
[0017] 驱动电源与电缆电连接，驱动电源通过电缆给兰杰文振子供电，驱动其进行工作。 下钻头体具有切削齿。
[0018] 本发明之一种利用液体空化效应的辅助碎岩方法，该方法包括以下步骤:[〇〇19] a、连接好上钻头体和下钻头体，将上钻头体内的第二钻头防水接头与第一托板固定。
[0020] b、连接钻杆时，先将电缆的第一钻杆防水接头连接好，再连接钻杆。
[0021] c、驱动电源接电，驱动兰杰文振子工作。[〇〇22] d、针对较软地层选择驱动一至二组兰杰文振子工作，针对较硬或复杂地层驱动三组兰杰文振子一同工作。
[0023] e、卸钻杆时，驱动电源调至关闭状态，先将钻杆拧开，再将第一钻杆防水接头拧开，之后卸下钻杆并放置于规定位置。
[0024] f、泥浆通过钻杆的中心通道运输至钻头底部，接通驱动电源，兰杰文振子开始工作，结合钻具自身的回转钻进，再加上利用超声波使液体产生的空化效应及高频振动对岩石的疲劳破碎效果，起到高效钻进的效果。[〇〇25]本发明的有益效果:
[0026] 1、本发明不仅将振动系统放置于钻头体的下部，提高了振动传递效率，而且超声振动碎岩将空化效应破碎、疲劳破碎及钻具回转三者合一，很大程度的提高了碎岩效果，提高了钻进效率。[〇〇27] 2、解决了钻具的泥包问题。[〇〇28] 3、提高了泥浆携削上返的能力。附图说明
[0029] 图1为本发明的碎岩装置剖视图。
[0030] 图2为兰杰文振子的剖视图。[〇〇31]图3为钻杆的俯视图。
[0032] 1-下钻头体;2_第一托板;3_隔水槽;4_上钻头体;5_钻杆;6_第二托板;7_第一钻杆防水接头;8-密封垫圈；9-兰杰文振子；10-机械密封件；11-电缆；12-驱动电源；13-第二钻头防水接头；14-切削齿；15-固定螺钉;16-上端盖;17-压电陶瓷片；18-铜片；19-下端盖； 20-预应力螺钉;21-螺钉。具体实施方式
[0033] 本发明之利用液体空化效应的辅助碎岩装置是由驱动电源12、振动系统和传动系统三部分组成，振动系统包括有兰杰文振子9、下钻头体1、上钻头体4、隔水槽3和切削齿14; 传动系统包括有托板6、第一钻杆防水接头7、电缆11和第二钻头防水接头13;
[0034] 所述下钻头体1的上端面对称布置多个兰杰文振子9,通过螺钉21将兰杰文振子9 和下钻头体1连接起来，每两个连线通过下钻头体1上表面圆心的兰杰文振子9为一组，驱动电源12可驱动单组兰杰文振子9独立工作，亦可多组并联使用。每组兰杰文振子9的驱动相位角相差90°。针对不同硬度的地层，选择驱动兰杰文振子9的组数。
[0035] 下钻头体1和上钻头体4通过螺纹连接的方式连接在一起。
[0036] 隔水槽3为圆环形凹槽，隔水槽3密封罩设在兰杰文振子9上，具体安装结构是，隔水槽3通过法兰盘用固定螺钉15连接在下钻头体1的上表面上，隔水槽3与下钻头体1的上表面之间放有密封垫圈8,防止漏水，隔水槽3对应的兰杰文振子9位置的内表面开有通孔，并安装机械密封件10,用于布置电线，通孔位于隔水槽3内表面的中间水平面位置。隔水槽3— 方面能将兰杰文振子9与液体隔开防止漏电，另一方面还可以防止液体及杂质对兰杰文振子9的冲击作用，进而保护兰杰文振子9。
[0037] 每节钻杆5的外螺纹附近都装有第二托板6,第二托板6位于钻杆5内部和螺纹的下端，第二托板6用于支撑第一钻杆防水接头7,上钻头体4的内部和外螺纹下端处设有第一托板2,第一托板2用于支撑第二钻头防水接头13。
[0038] 第二托板6和第一托板2中间均具有圆环，电缆11穿过该圆环，第一支撑钻杆防水接头7套在电缆11外并位于第二托板6上，第二钻头防水接头13套在电缆11外并位于第一托板2上。[〇〇39] 兰杰文振子9是由上端盖16、压电陶瓷片17、铜片18、下端盖19和预应力螺钉20组成，预应力螺钉20将上端盖16、压电陶瓷片17和下端盖19依次固定在一起，上端盖16与压电陶瓷片17之间以及压电陶瓷片17与下端盖19之间均夹设铜片18。
[0040] 所述的上端盖16采用不锈钢材料，下端盖19采用铝合金材料，下端盖19为喇叭形或圆柱形。
[0041] 钻杆5内的电缆11通过钻杆第一防水接头7连接在一起，钻头内的电缆11通过第二钻头防水接头13与兰杰文振子9的电线连接在一起。[〇〇42] 驱动电源12与电缆11电连接，驱动电源12通过电缆11给兰杰文振子9供电，驱动其进行工作。下钻头体1具有切削齿14。
[0043]本发明之一种利用液体空化效应的辅助碎岩方法，该方法包括以下步骤:[〇〇44] a、连接好上钻头体4和下钻头体1，将上钻头体4内的第二钻头防水接头13与第一托板2固定。
[0045] b、连接钻杆5时，先将电缆11的第一钻杆防水接头7连接好，再连接钻杆5。[〇〇46] c、驱动电源12接电，驱动兰杰文振子9工作。
[0047] d、针对较软地层选择驱动一至二组兰杰文振子9工作，针对较硬或复杂地层驱动三组兰杰文振子9 一同工作。
[0048] e、卸钻杆5时，驱动电源12调至关闭状态，先将钻杆5拧开，再将第一钻杆防水接头 7拧开，之后卸下钻杆5并放置于规定位置。
[0049] f、泥浆通过钻杆5的中心通道运输至钻头底部，接通驱动电源12,兰杰文振子9开始工作，结合钻具自身的回转钻进，再加上利用超声波使液体产生的空化效应及高频振动对岩石的疲劳破碎效果，起到高效钻进的效果。
