电脉冲破岩钻头的破岩实验装置

411 编辑：中冶有色技术网来源：中国地质大学(武汉)

2023-12-08 16:09:56

权利要求书： 1.一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，其特征在于，包括：

电脉冲破岩钻头，其包括绝缘管，绝缘管上套设有外管，绝缘管空心，所述空心内布置有电缆，所述电缆分别电性连接位于所述电脉冲破岩钻头下端的高压电极以及低压电极，并从所述绝缘管的上端穿出，所述电脉冲破岩钻头的下端还具有绝缘块，低压电极设置于绝缘块上，绝缘块位于所述外管上，将所述外管与低压电极隔离开来；

围压缸组件，包括围压缸、电离水钻井液、岩石样品，围压缸为所述岩石样品提供围压，电离水钻井液为所述电脉冲破岩钻头的高压电极与低压电极间提供绝缘介质，并携带走破碎岩屑，所述岩石样品的上部形成一凹槽，所述电离水钻井液位于所述凹槽内，在钻进时，所述电脉冲破岩钻头的下端位于也位于所述凹槽内；

围压泵站，为所述围压缸组件提供压油，实现通过围压缸组件模拟岩石的压力环境；

脉冲电源，与所述电脉冲破岩钻头的电缆电性连接，为所述电脉冲破岩钻头提供脉冲电；

围压缸水平移动装置，所述围压缸位于所述围压缸水平移动装置上且可在围压缸水平移动装置上水平移动；

进出水泵，实现对电脉冲破碎钻进实验时提供所述电离水钻井液及所述电离水钻井液的循环；

钢丝绳，连接吊耳；

排绳电葫芦，排绳电葫芦的滚筒上缠绕所述钢丝绳及所述电缆，实现所述钢丝绳与所述电缆的同步下放与回收，进而实现提升和下放所述电脉冲破岩钻头以及通过所述电缆传输脉冲电；

PLC控制装置，用于控制围压泵站、进出水泵及排绳电葫芦、围压缸水平移动装置，实现对围压泵站、进出水泵的启停控制，排绳电葫芦的排绳下放与回收，围压缸水平移动装置的水平移动；

以及支架，所述排绳电葫芦位于所述支架的上部，围压缸水平移动装置位于所述支架的下部，所述电脉冲破岩钻头通过所述钢丝绳吊设在所述支架的上部与下部之间；所述支架的下部具有导轨，所述围压缸水平移动装置上具有滑动槽，所述导轨可以沿着所述滑动槽进行水平滑动。

2.根据权利要求1所述的一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，其特征在于，所述电脉冲破岩钻头的上端上具有吊耳。

3.根据权利要求1所述的一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，其特征在于，所述高压电极固定于绝缘管的下端，所述电脉冲破岩钻头具有多组所述绝缘块与所述低压电极。

说明书：一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置技术领域[0001] 本发明涉及钻进领域，更具体地说，涉及一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置。背景技术[0002] 电脉冲破岩钻头的主要功能是通过高压短脉冲供电给高压电脉冲破岩钻头，在岩石体内产生放电通道，使岩石体击穿，实现快速、高效、绿色破碎岩石，该钻头及破岩方式能适应5km以上深井的破岩钻进，相比于普通的机械旋转钻进，具有花费低、井壁质量高等特点；电脉冲破岩实验装置，主要功能是通过电脉冲破碎实验，实现对电极的几何形状、分布、间距及电极材料等的研究，电脉冲破岩钻头及电脉冲破岩实验装置有重要的应用及科研价值。[0003] 国际能源机构预测2030年近50％的原油、天然气等产量要靠深井、超深井及深海、极地等新领域和油砂等非常规井进行生产；地球内部99％的部分超过了1000℃，地球5?10公里内拥有可开采利用(现有技术)且取之不尽地热能，是一种储量巨大的再生能源，地球7km下的10x10x10km立方体中所包含的地热能相当于一年全球各领域消耗的总能量。因此原油、天然气及地热能的获取，需打深井、超深井等非常规井。地壳的平均厚度约33km，地球有“地温梯度”，地壳温升一般为20～30℃/km。地球内部10km处温度约为300℃。地壳内部压力随深度而增大，深度每增1km，压力增加27.5MPa，地下10km处压力约为304MPa，即5km上井属于高温高压井。

[0004] 采用机械旋转钻进钻高温高压井存在以下问题：目前碎岩工具受深孔温度增高和驱动动力的限制，其使用范围和性能受到了影响；高温高压深井和超深井钻进的地质条件复杂，可能导致钻井事故和钻进效率降低等不利后果；深孔不同温度和压力条件下，岩石的物理力学性质发生变化，从而使切削具在高的地应力、较高的温度下切削性能发生变化；随着钻井深度加大，井斜一般也会加大，井斜加大后，会给钻井施工带来很多困难，施工难度大；高温高压井采用传统的回转钻进方式具有钻进效率低、钻井费用高及井身质量没法保证等缺点，需依靠新破岩技术。高压电脉冲可实现快速、高效、绿色破碎岩石，具有花费低、井壁质量高等特点。国内外学者对高压电脉冲破岩进行了广泛研究，主要研究了高压电脉冲破岩传输电缆、高压电脉冲电源、电火花开关等，取得了较好的破岩效果，对高压电脉冲破岩钻头、钻头电极材料、电极的几何形状、分布及间距等的研究较少，高压电脉冲破岩钻头、钻头电极材料、电极的几何形状、分布及间距对破岩效率、能量损耗等有较大的影响，目前高压电脉冲破岩钻头的研制成为限制高压电脉冲破岩技术发展的主要攻关技术。发明内容[0005] 本发明提出了一种高压电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，实现对电极的几何形状、分布、间距及电极材料等的研究，在此研究的基础上开发出高效的高压电脉冲破岩钻头，实现对非常规井的高效率、低花费的钻进。[0006] 根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种电脉冲破岩钻头，包括绝缘管，绝缘管上套设有外管，绝缘管空心，所述空心内布置有电缆，电缆分别电性连接位于所述电脉冲破岩钻头下端的高压电极以及低压电极，并从所述绝缘管的上端穿出，所述电脉冲破岩钻头的下端还具有绝缘块，低压电极设置于绝缘块上，绝缘块位于所述外管上，将所述外管与低压电极隔离开来。[0007] 优选地，在本发明的电脉冲破岩钻头中，所述电脉冲破岩钻头的上端上具有吊耳。[0008] 优选地，在本发明的电脉冲破岩钻头中，所述高压电极固定于绝缘管的下端，所述电脉冲破岩钻头具有多组所述绝缘块与所述低压电极。[0009] 根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种电脉冲破岩实验装置，该电脉冲破岩实验装置包括：[0010] 如上述任一项电脉冲破岩钻头；[0011] 围压缸组件，包括围压缸、电离水钻井液、岩石样品，围压缸为所述岩石样品提供围压，电离水钻井液为所述电脉冲破岩钻头的高压电极与低压电极间提供绝缘介质，并携带走破碎岩屑；[0012] 围压泵站，为所述围压缸组件提供压油，实现通过围压缸组件模拟岩石的压力环境；[0013] 脉冲电源，与所述电脉冲破岩钻头的电缆电性连接，为所述电脉冲破岩钻头提供脉冲电；[0014] 围压缸水平移动装置，所述围压缸位于所述围压缸水平移动装置上且可在围压缸水平移动装置上水平移动；[0015] 进出水泵，实现对电脉冲破碎钻进实验时提供所述电离水钻井液及所述电离水钻井液的循环；[0016] 钢丝绳，连接吊耳；[0017] 排绳电葫芦，排绳电葫芦的滚筒上缠绕所述钢丝绳及所述电缆，实现所述钢丝绳与所述电缆的同步下放与回收，进而实现提升和下放所述电脉冲破岩钻头以及通过所述电缆传输脉冲电；[0018] PLC控制装置，用于控制围压泵站、进出水泵及排绳电葫芦、围压缸水平移动装置，实现对围压泵站、进出水泵的启停控制，排绳电葫芦的排绳下放与回收，围压缸水平移动装置的水平移动。[0019] 优选地，在本发明的电脉冲破岩实验装置中，还包括：[0020] 支架，所述排绳电葫芦位于所述支架的上部，围压缸水平移动装置位于所述支架的下部，所述电脉冲破岩钻头通过所述钢丝绳吊设在所述支架的上部与下部之间。[0021] 优选地，在本发明的电脉冲破岩实验装置中，所述支架的下部具有导轨，所述围压缸水平移动装置上具有滑动槽，所述导轨可以沿着所述滑动槽进行水平滑动。[0022] 优选地，在本发明的电脉冲破岩实验装置中，所述岩石样品的上部形成一凹槽，所述电离水钻井液位于所述凹槽内；在钻进时，所述电脉冲破岩钻头的下端位于也位于所述凹槽内。[0023] 本发明的电脉冲破岩钻头采用高压电脉冲破碎岩石，无需其他动力头装置，整个碎岩工具不受孔温增高及驱动动力的限制，能完全适应高温高压深井、超深井的钻井，是一种新兴高效的破岩方式；采用电脉冲钻进，能量利用效率高，高压电脉冲破岩钻头具有多个地电极，在各地电极与高压电极面上形成放电通道，进而形成等离子通道网，从而快速破碎岩石，其破岩效率远大于机械破岩效率；高温高压深井和超深井钻进的地质条件复杂，传统的机械钻进容易导致钻井事故，尤其钻软硬交替的地层时，传统的机械钻进无法钻进，被认定为不可钻地层，但采用电脉冲钻进适应范围广，不受岩石特性等地质条件的限制；高压电脉冲破岩钻头钻进其钻井质量高，避免随着井深的加大，井斜加大。[0024] 本发明的电脉冲破岩实验装置具有围压装置能模拟地球内部的压力环境，对高温高压深井及超深井中进行电脉冲钻井实验更接近实际钻井环境，能实现对深井、超深井中高压电脉冲破岩钻头电极的几何形状、分布、间距及电极材料等的实验研究；电脉冲破岩实验装置具有围压缸水平移动装置，方便岩石样品的装拆；电脉冲破岩实验装置采用模块化设计，拆装方便，且脉冲电源与PLC控制装置隔离，避免电磁干扰，装置可靠性高。附图说明[0025] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：[0026] 图1为本发明的电脉冲破岩实验装置结构图；[0027] 图2为本发明的电脉冲破岩钻头外部结构示意图；[0028] 图3为本发明的电脉冲破岩钻头内部结构示意图；[0029] 图4为本发明的电脉冲破岩钻头岩石钻进示意图；[0030] 上述图中：1—围压泵站，2—脉冲电源，3—PLC控制装置，4—围压缸水平移动装置，5—进出水泵，6—围压缸组件，6.1—围压缸，6.2—电离水钻井液，6.3—岩石样品，7—电脉冲破岩钻头，7.1—吊耳，7.2—金属外管，7.3—绝缘块，7.4—低压电极，7.5—高压电极，7.6—绝缘管，7.7—电缆，8—钢丝绳，9—排绳电葫芦，10—铝型材支架。具体实施方式[0031] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。[0032] 实施例1：本发明一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，其结构如图1、2、3、4所示，所述电脉冲破岩钻头包括围压泵站1、脉冲电源2、PLC控制装置3、围压缸水平移动装置4、进出水泵5、围压缸组件6、电脉冲破岩钻头7、钢丝绳8、排绳电葫芦9、铝型材支架10。围压泵站1，主要为围压缸组件6提供高压油，实现通过围压缸组件6模拟岩石的高压环境；脉冲电源

2，是将高压高频电源通过升压、整流后得到高压脉冲电，为电脉冲破岩钻头7提供高压脉冲电；PLC控制装置3，主要控制围压泵站1、进出水泵5及排绳电葫芦9、围压缸水平移动装置4，实现对围压泵站1、进出水泵5的启停控制，排绳电葫芦9的排绳下放与回收，围压缸水平移动装置4的水平移动，铝型材支架10的下部具有水平布置的导轨，围压缸水平移动装置上4具有滑动槽，导轨可以沿着滑动槽进行水平滑动；进出水泵5，采用一根管道送水(电离水钻井液)、一根管道抽水的方式实现对电脉冲破碎钻进实验时提供电离水钻井液6.2及电离水钻井液6.2的循环；围压缸组件6，包括围压缸6.1、电离水钻井液6.2、岩石样品6.3，围压缸

6.1内部空心，岩石样品6.1为块状，上部形成一凹槽，电离水钻井液6.2位于凹槽内；岩石样品6.3位于围压缸6.1内部，围压泵站连通围压缸6.1实现为岩石样品6.3提供围压，模拟其高压环境，电离水钻井液6.2为高压电极与低压电极间提供绝缘介质，并携带走钻进时产生的破碎岩屑；在钻进时，电脉冲破岩钻头的下端位于也位于上述凹槽内。

[0033] 电脉冲破岩钻头7，包括吊耳7.1、金属外管7.2、绝缘块7.3、低压电极7.4(地电极)、高压电极7.5、绝缘管7.6、电缆7.7。绝缘管7.3上套设上述金属外管7.2，绝缘管7.3空心，电缆7.7布置于该空心内，分别电性连接位于电脉冲破岩钻头下端的高压电极7.5以及低压电极7.4，并从绝缘管7.6的上端穿出，绝缘块7.3位于电脉冲破岩钻头的下端，低压电极7.4设置于绝缘块上，绝缘块7.3位于金属外管7.2上，将金属外管7.2与低压电极7.4隔离开来，绝缘管7.6及金属管7.3上具有开孔，以连接电缆与低压电极7.4。高压脉冲电通过电缆7.7分别传输至高压电极7.5及低压电极7.4，由于电离水钻井液6.2的击穿电压高于岩石，满足一定条件的高压脉冲电先击穿岩石，产生放电通道，等离子通道受热膨胀，并对周围的岩体做功。采用电脉冲钻进，能量利用效率高，在各地电极与高压电极面上形成放电通道，进而形成等离子通道网，从而快速破碎岩石，当应力超过岩石的应力强度时，岩石破碎，其破岩效率远大于机械破岩效率。钢丝绳8，连接吊耳7.1，实现提升和下放电脉冲破岩钻头7；排绳电葫芦9，其滚筒上缠绕钢丝绳8及电缆7.7，实现钢丝绳8与电缆7.7的同步下放与回收，进而实现提升和下放电脉冲破岩钻头7以及通过电缆7.7传输高压脉冲电；铝型材支架

10，用于支撑围压缸组件6、电脉冲破岩钻头7、排绳电葫芦9等。

[0034] 高压电脉冲破岩实验装置进行电脉冲破岩实验前，PLC控制装置3控制围压缸水平移动装置4将围压缸组件6移出铝型材支架10，在围压缸组件6上装岩石样品6.3，PLC控制装置3控制围压缸水平移动装置4将围压缸组件6移送进铝型材支架10，PLC控制装置3控制进出水泵5启动，电离水钻井液6.2开始循环，PLC控制装置3控制排绳电葫芦9的排绳下放钢丝绳8及电缆7.7，进而带动电脉冲破岩钻头7下降，当电脉冲破岩钻头7的低压电极7.4及高压电极7.5被电离水钻井液6.2完全淹没直至电脉冲破岩钻头7接触岩石样品6.3表面，脉冲电源2开始给高压电极7.5供电，进而进行高压电脉冲放电实验，完成高压脉冲放电破岩实验后，各子系统复位到初始状态。电离水钻井液6.2开始循环时，从左侧注入凹槽内，右侧抽出。[0035] 实施例2：本发明一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，其结构与实施例1相同，电脉冲破岩钻头7接触岩石样品6.3表面，脉冲电源2给低压电极7.4及高压电极7.5供电，满足一定条件时，岩石的击穿电压比电离水的击穿电压低，高压电脉冲首先击穿岩石，在岩石内部产生放电的等离子通道，高压电脉冲的能量释放到等离子体通道中，并对通道加热，等离子通道受热膨胀，并对周围的岩体做功。当应力超过岩石的应力强度时，岩石破碎。电脉冲破岩钻头7含有多个低压电极7.4，高压电极7.5同时沿不同的截面在岩石样品6.3内部产生放电通道，本发明的电脉冲破岩钻头7具有破岩效率高、适应范围广等特点。[0036] 本发明涉及一种电脉冲破岩钻头的破岩实验装置，设有围压泵站、脉冲电源、PLC控制装置、围压缸水平移动装置、进出水泵、围压缸组件、高压电脉冲破岩钻头等，高压脉冲电源供高压脉冲电通过电缆传输至高压电极及低压电极，满足一定条件的高压脉冲电先击穿岩石，产生放电通道，等离子通道受热膨胀，当应力超过岩石的应力强度时，岩石破碎，实现高压脉冲放电钻进；高压电脉冲破岩实验装置能模拟地球内部深部钻进的高压环境，对高温高压深井及超深井中进行电脉冲钻井实验更接近实际钻井环境，能实现对深井、超深井中高压电脉冲破岩钻头电极的几何形状、分布、间距及电极材料等的实验研究，高压脉冲放电破岩钻进有广阔的发展前景。[0037] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。