[發明專利]一種電脈沖破巖鉆頭的破巖實驗裝置

有效

• 申請號: 201810050668.5
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108222838B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 段隆臣;李昌平;譚現鋒;宋明春
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）;山東省地質礦產勘查開發局第三水文地質工程地質大隊（山東省魯南地質工程勘察院）
• 主分類號: E21B10/00
• 分類號: E21B10/00;E21B4/04;G01R31/00;G01M13/00
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 曹雄;金慧君

本發明涉及一種電脈沖破巖鉆頭的破巖實驗裝置，設有圍壓泵站、脈沖電源、PLC控制裝置、圍壓缸水平移動裝置、進出水泵、圍壓缸組件、高壓電脈沖破巖鉆頭等，高壓脈沖電源供高壓脈沖電通過電纜傳輸至高壓電極及低壓電極，滿足一定條件的高壓脈沖電先擊穿巖石，產生放電通道，等離子通道受熱膨脹，當應力超過巖石的應力強度時，巖石破碎，實現高壓脈沖放電鉆進；高壓電脈沖破巖實驗裝置能模擬地球內部深部鉆進的高壓環境，對高溫高壓深井及超深井中進行電脈沖鉆井實驗更接近實際鉆井環境，能實現對深井、超深井中高壓電脈沖破巖鉆頭電極的幾何形狀、分布、間距及電極材料等的實驗研究，高壓脈沖放電破巖鉆進有廣闊的發展前景。

技術領域

本發明涉及鉆進領域，更具體地說，涉及一種電脈沖破巖鉆頭的破巖實驗裝置。

背景技術

電脈沖破巖鉆頭的主要功能是通過高壓短脈沖供電給高壓電脈沖破巖鉆頭，在巖石體內產生放電通道，使巖石體擊穿，實現快速、高效、綠色破碎巖石，該鉆頭及破巖方式能適應5km以上深井的破巖鉆進，相比于普通的機械旋轉鉆進，具有花費低、井壁質量高等特點；電脈沖破巖實驗裝置，主要功能是通過電脈沖破碎實驗，實現對電極的幾何形狀、分布、間距及電極材料等的研究，電脈沖破巖鉆頭及電脈沖破巖實驗裝置有重要的應用及科研價值。

國際能源機構預測2030年近50％的原油、天然氣等產量要靠深井、超深井及深海、極地等新領域和油砂等非常規井進行生產；地球內部99％的部分超過了1000℃，地球5-10公里內擁有可開采利用(現有技術)且取之不盡地熱能，是一種儲量巨大的再生能源，地球7km下的10x10x10km立方體中所包含的地熱能相當于一年全球各領域消耗的總能量。因此原油、天然氣及地熱能的獲取，需打深井、超深井等非常規井。地殼的平均厚度約33km，地球有“地溫梯度”，地殼溫升一般為20～30℃/km。地球內部10km處溫度約為300℃。地殼內部壓力隨深度而增大，深度每增1km，壓力增加27.5MPa，地下10km處壓力約為304MPa，即5km上井屬于高溫高壓井。

采用機械旋轉鉆進鉆高溫高壓井存在以下問題：目前碎巖工具受深孔溫度增高和驅動動力的限制，其使用范圍和性能受到了影響；高溫高壓深井和超深井鉆進的地質條件復雜，可能導致鉆井事故和鉆進效率降低等不利后果；深孔不同溫度和壓力條件下，巖石的物理力學性質發生變化，從而使切削具在高的地應力、較高的溫度下切削性能發生變化；隨著鉆井深度加大，井斜一般也會加大，井斜加大后，會給鉆井施工帶來很多困難，施工難度大；高溫高壓井采用傳統的回轉鉆進方式具有鉆進效率低、鉆井費用高及井身質量沒法保證等缺點，需依靠新破巖技術。高壓電脈沖可實現快速、高效、綠色破碎巖石，具有花費低、井壁質量高等特點。國內外學者對高壓電脈沖破巖進行了廣泛研究，主要研究了高壓電脈沖破巖傳輸電纜、高壓電脈沖電源、電火花開關等，取得了較好的破巖效果，對高壓電脈沖破巖鉆頭、鉆頭電極材料、電極的幾何形狀、分布及間距等的研究較少，高壓電脈沖破巖鉆頭、鉆頭電極材料、電極的幾何形狀、分布及間距對破巖效率、能量損耗等有較大的影響，目前高壓電脈沖破巖鉆頭的研制成為限制高壓電脈沖破巖技術發展的主要攻關技術。

發明內容

本發明提出了一種高壓電脈沖破巖鉆頭的破巖實驗裝置，實現對電極的幾何形狀、分布、間距及電極材料等的研究，在此研究的基礎上開發出高效的高壓電脈沖破巖鉆頭，實現對非常規井的高效率、低花費的鉆進。

根據本發明的其中一方面，本發明為解決其技術問題，提供了一種電脈沖破巖鉆頭，包括絕緣管，絕緣管上套設有外管，絕緣管空心，所述空心內布置有電纜，電纜分別電性連接位于所述電脈沖破巖鉆頭下端的高壓電極以及低壓電極，并從所述絕緣管的上端穿出，所述電脈沖破巖鉆頭的下端還具有絕緣塊，低壓電極設置于絕緣塊上，絕緣塊位于所述外管上，將所述外管與低壓電極隔離開來。

優選地，在本發明的電脈沖破巖鉆頭中，所述電脈沖破巖鉆頭的上端上具有吊耳。

優選地，在本發明的電脈沖破巖鉆頭中，所述高壓電極固定于絕緣管的下端，所述電脈沖破巖鉆頭具有多組所述絕緣塊與所述低壓電極。