[實用新型]電脈沖硬巖鉆頭

有效

• 申請號: 201520039563.1
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN204511302U
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 李欣;李宏達;王軍;孟憲江;趙紅陽;車龍
• 申請（專利權）人: 沈陽理工大學
• 主分類號: E21B10/00
• 分類號: E21B10/00
• 代理公司: 沈陽火炬專利事務所(普通合伙) 21228
• 代理人: 李福義

技術領域

本實用新型涉及一種利用高電壓脈沖技術破碎巖石的鉆頭裝置，其特征是該裝置區別于現有的鉆頭裝置而能夠節能、經濟的破碎硬巖。

背景技術

目前，巖石破碎方法主要為機械破碎法，采用牙輪鉆頭或金剛石鉆頭鉆進方式，其中牙輪鉆頭結構特點為：鉆頭由本體、牙輪和牙輪上鑲裝的硬質合金齒、軸承、油杯和噴嘴等組成，牙輪與本體由軸承連接，牙輪有超頂、復錐和移軸3種組裝形式。牙輪為可動部件，有一定的相對位移量。金剛石鉆頭結構特點為：無軸承之類的運行件，它以耐沖蝕及耐磨損的碳化鎢為胎體，碳化鎢胎體對在硬及研磨性地層鉆進有較長壽命。此外，這種碳化鎢胎體可以將冠部做成各種形狀并使切削刃作任意排列。

但兩種鉆頭的共同缺點為鉆頭必須與巖石接觸，存在的缺陷為鉆頭工具易磨損、沖擊性大、污染大、危險系數大，除此之外，還存在著較低的經濟性，相比而言，電脈沖碎巖的方法具有工具磨損小、沖擊性小、節能、環保、安全、效率高等特點。

發明內容

為了克服現有技術中高能耗、成本高、效率低的等缺點，本實用新型提供了一種電脈沖碎巖的鉆頭裝置，該裝置能夠達到經濟節能地碎巖鉆孔的目的。

本實用新型是這樣實現的，該鉆頭包括：輸入電極、一級輸出電極、二級輸出電極和三級輸出電極；輸入電極位于中心，一級輸出電極位于輸入電極的外側，二級輸出電極位于一級輸出電極的外側，三級輸出電極位于二級輸出電極的外側。

所述的一級輸出電極、二級輸出電極和三級輸出電極均為圓筒形。

所述的一級輸出電極、二級輸出電極和三級輸出電極均以輸入電極為軸心同軸連接。

所述的一級輸出電極和三級輸出電極的圓柱一端均為環形鋸齒。

本實用新型的有益效果是：高電壓脈沖應用于硬巖鉆井及石油開采方面具有明顯優勢。傳統鉆探設備通長體積龐大且造價高昂，設備鉆具一般為高硬質合金刀頭或者工業金剛石合金刀頭，通過對硬巖高強度作用進行破壞對鉆頭磨損劇烈，需經常更換鉆頭，使其作業成本大，經濟效益差。而本實用新型鉆頭使用普通不銹鋼電極就滿足使用要求，許多工作情況下不需要旋轉，只需與巖石接觸即可工作，對電極裝置消耗小、使用成本低，可降低成本30%以上。

傳統巖石鉆孔鉆頭為硬質合金或金剛石合金鉆頭，通過旋轉方式，通過壓應力來破碎巖石，需經常更換鉆頭，磨損很大，具有高能耗，高成本，低效率的缺點。

電脈沖破碎巖石原理為：是利用納秒級數百千伏高功率脈沖通過電極輸入表面被水絕緣的巖石，使巖石內部建立微米徑的樹枝狀等離子體通道，同時高功率脈沖發生器向通道瞬間釋放一定能量，使其劇烈擴展并克服拉應力做功，形成復雜應力波沿裂隙發展并利用巖石耐壓不耐拉的性質造成破壞。

附圖說明

圖1為本實用新型結構示意圖；

圖2為圖1的左視圖；

圖3為圖1的立體圖；

圖中：1輸入電極、2一級輸出電極、3二級輸出電極、4三級輸出電極。

具體實施方式

本實用新型結合具體實施方式和附圖進一步說明。

如圖1和2所示，本鉆孔電極設計為多級薄壁圓筒結構，包括輸入電極1、一級輸出電極2、二級輸出電極3和三級輸出電極4；輸入電極1位于圓筒最中心，一級輸出電極2位于輸入電極1的外側，二級輸出電極3位于一級輸出電極2的外側，三級輸出電極4位于二級輸出電極3的外側。

所述的一級輸出電極2、二級輸出電極3和三級輸出電極4均為圓筒形。

所述的一級輸出電極2、二級輸出電極3和三級輸出電極4均以輸入電極2為軸心同軸連接。

所述的一級輸出電極2和三級輸出電極4的圓柱一端均為環形鋸齒。

本實用新型的工作過程：如圖3所示，電脈沖鉆頭與主軸相連，通過主軸水循環系統，控制系統與鉆頭相連。工作前在孔中充滿水，將電極頭放入水環境中，接通電源，鉆頭開始工作，首先為具有彈性的輸入電極1與硬巖接觸，輸入電極1具有一定的彈性，當一級輸出電極2與硬巖接觸時，整個鉆頭靜止，此時輸入電極1與一級輸出電極2配合，系統進行阻抗匹配，自動選擇合適極間距，當輸入電極1與一級輸出電極2都接觸到硬巖時自動發生擊發，此時，輸入電極1為負極，一級輸出電極2為正極。產生的高壓脈沖放電通過等離子爆炸對巖石產生破碎作用，正負極之間距離正好保證巖石破碎尺寸合適，保證通過水循環系統將破碎后的巖石抽出，此時兩電極之間出現空隙，當具有彈性的輸入電極升到最深時還不能接觸到巖石時，此時二級輸出電極3正好與巖石接觸，此時一級輸出電極2自動切換為新的輸入電極，二級輸出電極3作為輸出電極，同理繼續工作，當三級輸出電極4接觸到巖石時，此時二級輸出電極3無法接觸到巖石，當二級輸出電極3與三級輸出電極4之間的巖石被擊穿破碎，水循環系統帶走以后，此時陰極電極正好接觸到巖石。由此類推，鉆頭向下運動，達到鉆進的目的。