CN111119739A - 一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置 - Google Patents

一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置 Download PDF

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CN111119739A CN202010033264.2A CN202010033264A CN111119739A CN 111119739 A CN111119739 A CN 111119739A CN 202010033264 A CN202010033264 A CN 202010033264A CN 111119739 A CN111119739 A CN 111119739A
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Abstract

本发明提供了一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置，一种高压电脉冲钻头，位于岩石正上方；包括若干负电极、用于固定负电极的固定负电极套筒、正电极、绝缘套、弹簧和绝缘手柄和电缆线；所述正电极分为正电极上半部分和正电极下半部分，正电极上半部分和正电极下半部分之间螺纹连接；一种破岩实验装置，包括：伺服电动缸、控制组件、所述的高压电脉冲钻头、高压脉冲电源、材料容器组件、铝型材支架和铝材底座；用来击破岩石。本发明的有益效果是：岩石破碎钻进效率高，井壁质量高；遇到不规则岩石时，可通过正电极的伸缩调节使电极与岩石接触更加紧密，更加有效破岩；降低噪音和震动，钻头磨损小，能耗小。

Description

一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置
技术领域
本发明涉及岩石工程领域，尤其涉及一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置。
背景技术
21世纪是开发利用地下空间的世纪，地下空间革命已成为前沿性的国际战略主张，向地下要空间、要资源已成为世界各国的国家战略，建设超级地下工程，离不开超级装备，需要依靠装备制造业的高质量发展。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。石油、天然气、地热井等勘探开发钻井深度不断增加，传统机械钻具在深孔、超深孔及硬岩钻进时，具有钻探效率低、钻井费用高、钻头磨损大等缺点。当钻进深度超过5000m，传统旋转钻进成本将呈指数增长，而电脉冲破岩钻进(Electro-Pulse-Boring，EPB)的钻进成本不受钻进深度的限制。
等离子破岩可分为液电破岩和电脉冲破。电极与岩石不接触，放电通道直接发生在液体介质中，利用放电产生的冲击波或者水射流对岩石进行破碎，这种效应称液电破岩；放电等离子体主要发生在岩石内部，岩石破碎的动力来自于等离子体通道膨胀时产生的应力，这种破碎方法称为电破碎，即电脉冲破岩。电脉冲破岩的工作原理为：施加高压短脉冲(上升沿＜500ns)，岩石被电击穿；岩石内部形成细小的放电先导，电极上电压下降较小；当先导发展到对电极，形成等离子通道；高压电极上电压快速下降，回路电流快速增加；等离子通道受热膨胀，对周围的岩石做功，应力超过岩石的强度时，岩石被击碎。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种破岩效率高和井壁质量高的高压电脉冲钻头及破岩实验装置，用来实现岩石的电脉冲破碎钻进工作。脉冲放电技术是一种在较长时间内低功率水平下将能量“慢”储存起来，然后在短时间内以很高的功率释放给负载的电物理技术。在击穿电压上升时间＜500ns时，岩石的击穿场强小于水的击穿场强，可以直接击穿岩石。电极与岩石接触，击穿时，以放电通道形成于岩石内部，直接破岩，破岩效率高，可实现充分破碎。通过对钻头电极、绝缘材料、钻进参数及多物理场的岩石破碎机理等的研究，具有操作简单、可靠性高等特点，电脉冲破岩钻进也称之为EPB(Electro-Pulse-Boring)，可用于隧道钻进、采矿、油气钻探、地热开发、循环经济和其他工程领域。
一种高压电脉冲钻头，位于岩石正上方；包括负电极、用于固定负电极的固定负电极套筒、正电极、绝缘套、弹簧和绝缘手柄和电缆线；所述正电极分为正电极上半部分和正电极下半部分，正电极上半部分和正电极下半部分之间螺纹连接；
正电极上半部分外设有倒T形的绝缘套，所述绝缘套外面设置有弹簧，所述绝缘套用来隔离正电极上半部分与所述弹簧；
所述绝缘套顶端内嵌于绝缘手柄内，且该绝缘套顶端安装有正电极上半部分连接电缆线螺母，所述正电极连接电缆线螺母用来连接所述正电极上半部分与电缆线；
所述弹簧顶端连接于绝缘手柄的中空壁底端，该弹簧底端连接固定负电极套筒，所述固定负电极套筒套设于绝缘套外侧并可沿着绝缘套的轴向进行相对运动；正电极下半部分位于绝缘套下方，螺纹连接于正电极上半部分；通过M4螺钉，将若干负电极固定于所述所述固定负电极套筒，使若干负电极布设在所述正电极下半部分周围，其中某一负电极上设置有负电极连接电缆线螺栓，所述负电极连接电缆线螺栓用来连接所述某一负电极与电缆线，以便持续放电，击碎岩石。
进一步地，所述绝缘手柄为中空的T形装置，其材料选用聚四氟乙烯。
进一步地，若干负电极等间距设置在正电极下半部分周围，其中一个负电极上焊有的螺栓选用M6螺栓。
进一步地，所述绝缘套选用聚四氟乙烯材料。
进一步地，所述正电极下半部分与负电极的中心间距为25mm；该正电极下半部分的顶端设有M8螺纹孔，用来与所述正电极上半部分进行螺纹连接，该正电极下半部分的中间位置部分设有一个5mm通孔，用来通液体绝缘介质，以达到循环排渣的目的。
一种破岩实验装置，包括：伺服电动缸、控制组件、如权利要求1～5任一所述的高压电脉冲钻头、高压脉冲电源、材料容器组件、铝型材支架和铝材底座；
所述铝材底座上设置有材料容器组件和铝型材支架；
所述铝型材支架上设置伺服电动缸和控制组件；所述伺服电动缸内设置有伺服电机和丝杆，所述伺服电机与丝杆连接，所述丝杆底端连接所述高压电脉冲钻头；所述伺服电动缸用于提升和下放所述高压电脉冲钻头，所述控制组件用于控制所述伺服电动缸的启停；
所述材料容器组件包括通过螺母固定在铝材底座上的中空倒T形的材料容器，所述材料容器用于放置某岩石，所述某岩石位于所述高压电脉冲钻头正下方；
所述高压脉冲电源通过两根电缆线分别连接于所述正电极上半部分和所述某一负电极，用来给所述高压电脉冲钻头供电；
所述控制组件启动所述伺服电动缸进行工作，进而伺服电机转动，伺服电机的转动驱动了所述丝杆推动所述高压电脉冲钻头向下运动；当所述高压电脉冲钻头与所述某岩石接触的压力达到预设压力值时，所述伺服电机和丝杆停止工作，所述高压电脉冲钻头停止下放，此时，弹簧被压缩；当遇到不规则岩石或者破碎岩石之后，丝杆会继续推动所述高压电脉冲钻头，弹簧继续被压缩，丝杆推动正电极继续下压直至与岩石完全接触后停止；钻进工作完成上行时，通过弹簧的弹力将正电极及绝缘手柄恢复至初始位置；
某岩石破碎后，当所述高压电脉冲钻头与该某岩石接触的压力小于所述预设压力值时，所述伺服电机又开始工作，驱动所述丝杆推动所述高压电脉冲钻头向下运动，直至完全击碎所述某岩石。
进一步地，所述绝缘手柄顶端为法兰接口，周围均布4*7mm通孔，以便所述高压电脉冲钻头与所述伺服电动缸紧密连接。
进一步地，所述控制组件包括一个双向开关和一个急停开关按钮，所述双向开关用来实现手动控制方式和自动控制方式的切换，所述急停开关按钮用来控制所述伺服电动缸紧急停止工作；所述手动控制方式是指手动控制所述伺服电动缸，所述自动控制方式采用速度控制模式的控制所述伺服电动缸。
进一步地，所述高压脉冲电源具有多通道电火花开关，可以输出多通道的高电压脉冲，通过电缆线传输至所述高压电脉冲钻头中的正负电极对，用来实现同时多高压脉冲放电。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)岩石破碎钻进效率高，井壁质量高；
(2)高压电脉冲钻头采用弹簧可伸缩模式，遇到不规则岩石时，可通过正电极的伸缩调节使电极与岩石接触更加紧密，更加有效破岩；
(3)通过放电能量的调节，能够对岩石破碎过程进行控制，且能耗小；
(4)相对于传统钻进方法，电脉冲钻进时噪音和震动水平低，非机械式钻进，钻头磨损小；
(5)进行高压电脉冲破碎岩石的钻进影响因素的实验分析。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中高压电脉冲钻头及破岩实验装置轴测结构图；
图2是本发明实施例中高压电脉冲钻头外部结构图；
图3是本发明实施例中高压电脉冲钻头内部结构图；
图4是本发明实施例中高压脉冲电源等效电路图。
上述图中：1-伺服电动缸，2-高压电脉冲钻头，2.1-绝缘手柄，2.2-弹簧，2.3-负电极，2.4-固定负电极的M4螺钉，2.5-负电极连接电缆线螺栓，2.6-正电极连接电缆线螺母，2.7-绝缘套，2.8-正电极下半部分，2.9-固定负电极套筒，2.10-正电极上半部分，3-某岩石，4-材料容器，5-铝材底座，6-固定螺栓，7-控制组件，8-铝型材支架。
具体实施方式
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。
本发明的实施例提供了一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置。
请参考图1～4，图1是本发明实施例中高压电脉冲钻头及破岩实验装置轴测结构图，图2是本发明实施例中高压电脉冲钻头外部结构图，图3是本发明实施例中高压电脉冲钻头内部结构图，图4是本发明实施例中高压脉冲电源等效电路图；
一种破岩实验装置，包括：伺服电动缸1、高压电脉冲钻头2、高压脉冲电源、材料容器组件4、铝材底座5、控制组件7和铝型材支架8；所述的伺服电动缸1用于提升和下放高压电脉冲钻头2；
所述铝材底座5上设置有材料容器组件4和铝型材支架8；
所述铝型材支架8上安装有伺服电动缸1和控制组件7，其采用铝型材搭建，结构简单，可重复利用；所述伺服电动缸1内设置有伺服电机和丝杆，所述伺服电机与丝杆连接，所述丝杆底端连接所述高压电脉冲钻头2；所述伺服电动缸1用于提升和下放所述高压电脉冲钻头2，所述控制组件7用于控制所述伺服电动缸1的启停；
所述材料容器组件4包括通过螺母固定在铝材底座5上的中空的材料容器，所述材料容器用于放置某岩石3和盛放绝缘油介质，所述材料容器上还设置有固定螺栓6，当岩石放置在所述材料容器内时，采用所述固定螺栓6将岩石固定在该材料容器中，所述某岩石3位于所述高压电脉冲钻头2正下方，所述绝缘油介质浸过某岩石3的顶端，用来绝缘高低压电极对；
所述的高压电脉冲钻头2包括绝缘手柄2.1、弹簧2.2、若干负电极2.3、固定负电极的M4螺钉2.4、负电极连接电缆线螺栓2.5、正电极连接电缆线螺母2.6、绝缘套2.7、正电极下半部分2.8、用于固定负电极的固定负电极套筒2.9和正电极上半部分2.10，在正电极下半部分的顶端设有M8螺纹孔，用来与所述正电极上半部分进行螺纹连接，该正电极下半部分的中间位置部分设有一个5mm通孔，用来通液体绝缘介质，以达到循环排渣的目的。本实施例中，负电极2.3有6个。
正电极上半部分2.10外设有倒T形的绝缘套2.7，该绝缘套选用聚四氟乙烯材料；所述绝缘套2.7外面设置有弹簧2.2，所述绝缘套2.7用来隔离正电极上半部分2.10与所述弹簧2.2；
所述绝缘套2.7顶端内嵌于绝缘手柄2.1内，所述绝缘手柄2.1为中空的T形装置，所述绝缘手柄2.1的材料选用聚四氟乙烯；且该绝缘套2.7顶端安装有正电极连接电缆线螺母2.6，所述正电极连接电缆线螺母2.6用来连接所述正电极上半部分2.10与电缆线；
所述弹簧2.2顶端连接于绝缘手柄2.1的中空壁底端，该弹簧2.2底端连接固定负电极套筒2.9，所述固定负电极套筒2.9套设于绝缘套2.7外侧并可沿着绝缘套2.7的轴向进行相对运动，不工作时，绝缘手柄2.1底端与固定负电极套筒2.9顶端的距离和弹簧2.2的自然长度相等；正电极下半部分2.8位于绝缘套2.7下方，通过螺纹连接于正电极上半部分2.10；通过M4螺钉2.4，将若干负电极2.3固定于所述固定负电极套筒2.9，使若干负电极2.3等间距地布设在该正电极下半部分2.8周围，所述正电极下半部分与若干负电极2.3的中心间距为25mm；所述固定负电极套筒2.9可以固定负电极2.3，使负电极围成一个圆环状；其中某一负电极上焊接有负电极连接电缆线螺栓2.5，所述负电极连接电缆线螺栓2.5用来连接所述某一负电极与电缆线，以便持续放电，击碎岩石。本实施例中，所述负电极连接电缆线螺栓2.5为M6螺栓。
所述高压脉冲电源通过两根电缆线分别连接于所述正电极上半部分和所述某一负电极，用来给所述高压电脉冲钻头供电；图4为高压脉冲电源等效电路，所述高压脉冲电源包括储能电容、电火花开关、整流器等组成，该高压脉冲电源为高压电脉冲钻头提供电压上升时间＜500ns的高压电脉冲。工频电经升压后得到高压交流电，通过高压硅堆整流器，将交流电经整流器后获得高压直流电。当电火花开关断开时，储能电容对电源能量进行储存；当电火花开关闭合时，能量极短的时间内通过传输电缆注入到高压电脉冲钻头高低压电极，实现单次脉冲放电破岩。
所述高压脉冲电源具有多通道电火花开关，可以输出多通道的高电压脉冲，通过电缆线传输至所述高压电脉冲钻头中的正负电极对，用来实现同时多高压脉冲放电。
所述绝缘手柄2.1顶端为法兰接口，周围均布4*7mm通孔，以便所述高压电脉冲钻头2与所述伺服电动缸1紧密连接。
所述控制组件7包括一个双向开关和一个急停开关按钮，所述双向开关用来实现手动控制方式和自动控制方式的切换，所述急停开关按钮用来控制所述伺服电动缸紧急停止工作；所述手动控制方式是指手动控制所述伺服电动缸，所述自动控制方式采用速度控制模式的控制所述伺服电动缸，内部速度大小的选择通过PLC I/O点的输出开关进行选择。
所述控制组件7启动所述伺服电动缸1进行工作，进而伺服电机转动，伺服电机的转动驱动了所述丝杆推动所述高压电脉冲钻头2向下运动；所述高压电脉冲钻头2上的负电极2.3与某岩石3先接触，为了使正电极下半部分2.8、负电极2.3与某岩石3接触更加紧密，以便更加有效破碎某岩石3，伺服电动缸1的丝杆继续推动绝缘手柄2.1、正电极下半部分2.8和正电极上半部分2.10向下运动，此时弹簧2.2被压缩，当正电极下半部分2.8压紧某岩石3达到一定扭矩时，所述高压电脉冲钻头1与所述某岩石接触的压力达到预设压力值时，所述伺服电机和丝杆停止工作，所述高压电脉冲钻头2停止下放，正电极下半部分2.8停止下行；当遇到不规则岩石或者破碎岩石之后，丝杆会继续推动所述高压电脉冲钻头1，此时，弹簧2.2继续被压缩，所述伺服电机和丝杆继续推动正电极继续下压，直至正电极与岩石完全接触后停止；钻进工作完成后，需要上行时，可通过弹簧的弹力将正电极及绝缘手柄恢复至初始位置；
所述高压电脉冲钻头2为多电极对高压电脉冲钻头，钻进时，高压脉冲电源供电，高压脉冲电源具有多通道电火花开关，能输出多通道的高电压脉冲，通过电缆传输至高低压电极对，输出多通道高压电脉冲，其上升沿时间为50ns-500ns。当高压脉冲电源输出高压电脉冲时，电缆线分别与正电极上半部分2.10及负电极连接电缆线螺栓2.5相连，高压脉冲电源多通道电火花开关开启，正电极下半部分2.8与负电极2.3之间产生高压，由于在该高压脉冲电源的高压脉冲下，岩石的击穿频率小于电离水介质，高低压电场击穿岩石，在岩石内部产生等离子体放电通道，高压脉冲电源上的能量释放到等离子体放电通道中，并对通道加热。等离子通道受热膨胀，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。某岩石3破碎之后，所述高压电脉冲钻头2对某岩石3的压力值小于预设压力值，所述伺服电动缸1的伺服电机继续工作，驱动丝杆继续推动绝缘手柄2.1及正电极下半部分2.8和正电极上半部分2.10下行，当正电极下半部分2.8压紧岩石达到一定扭矩时会停止下行，高压脉冲继续对岩石做功使岩石破碎，以此循环，直至完全击碎所述某岩石。通过上述方式能够实现多截面破岩钻进，且钻进效率高，井壁质量高。采用高压电脉冲钻头2破岩，相对于机械钻井的不同之处在于，钻进过程中高压电脉冲钻头2不转动，也不冲击岩石而只是紧紧压在岩石上面。
本发明的有益效果是：
(1)采用电脉冲破岩钻进，岩石破碎钻进效率高，井壁质量高；
(2)高压电脉冲钻头采用弹簧可伸缩模式，遇到不规则岩石时，可通过正电极的伸缩调节使电极与岩石接触更加紧密，更加有效破岩；
(3)通过放电能量的调节，能够对岩石破碎过程进行控制，且能耗小；
(4)相对于传统钻进方法电脉冲钻进时噪音和震动水平低，非机械式钻进，钻头磨损小；
(5)进行高压电脉冲破碎岩石的钻进影响因素的实验分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压电脉冲钻头，位于岩石正上方；其特征在于：包括若干负电极、用于固定负电极的固定负电极套筒、正电极、绝缘套、弹簧和绝缘手柄和电缆线；所述正电极分为正电极上半部分和正电极下半部分，正电极上半部分和正电极下半部分之间螺纹连接；
正电极上半部分外设有倒T形的绝缘套，所述绝缘套外面设置有弹簧，所述绝缘套用来隔离正电极上半部分与所述弹簧；
所述绝缘套顶端内嵌于绝缘手柄内，且该绝缘套顶端安装有正电极上半部分连接电缆线螺母，所述正电极连接电缆线螺母用来连接所述正电极上半部分与电缆线；
所述弹簧顶端连接于绝缘手柄的中空壁底端，该弹簧底端连接固定负电极套筒，所述固定负电极套筒套设于绝缘套外侧并可沿着绝缘套的轴向进行相对运动；正电极下半部分位于绝缘套下方，螺纹连接于正电极上半部分；通过M4螺钉，将若干负电极固定于所述固定负电极套筒，使若干负电极布设在所述正电极下半部分周围，其中某一负电极上设置有负电极连接电缆线螺栓，所述负电极连接电缆线螺栓用来连接所述某一负电极与电缆线，以便持续放电，击碎岩石。
2.如权利要求1所述的一种高压电脉冲钻头，其特征在于：所述绝缘手柄为中空的T形装置，其材料选用聚四氟乙烯。
3.如权利要求1所述的一种高压电脉冲钻头，其特征在于：若干负电极等间距设置在正电极下半部分周围，其中一个负电极上焊有的螺栓选用M6螺栓。
4.如权利要求1所述的一种高压电脉冲钻头，其特征在于：所述绝缘套选用聚四氟乙烯材料。
5.如权利要求1所述的一种高压电脉冲钻头，其特征在于：所述正电极下半部分与负电极的中心间距为25mm；该正电极下半部分的顶端设有M8螺纹孔，用来与所述正电极上半部分进行螺纹连接，该正电极下半部分的中间位置部分设有一个5mm通孔，用来通液体绝缘介质，以达到循环排渣的目的。
6.一种破岩实验装置，其特征在于：包括：伺服电动缸、控制组件、如权利要求1～5任一所述的高压电脉冲钻头、高压脉冲电源、材料容器组件、铝型材支架和铝材底座；
所述铝材底座上设置有材料容器组件和铝型材支架；
所述铝型材支架上设置伺服电动缸和控制组件；所述伺服电动缸内设置有伺服电机和丝杆，所述伺服电机与丝杆连接，所述丝杆底端连接所述高压电脉冲钻头；所述伺服电动缸用于提升和下放所述高压电脉冲钻头，所述控制组件用于控制所述伺服电动缸的启停；
所述材料容器组件包括通过螺母固定在铝材底座上的中空倒T形的材料容器，所述材料容器用于放置某岩石，所述某岩石位于所述高压电脉冲钻头正下方；
所述高压脉冲电源通过两根电缆线分别连接于所述正电极上半部分和所述某一负电极，用来给所述高压电脉冲钻头供电；
所述控制组件启动所述伺服电动缸进行工作，进而伺服电机转动，伺服电机的转动驱动了所述丝杆推动所述高压电脉冲钻头向下运动；当所述高压电脉冲钻头与所述某岩石接触的压力达到预设压力值时，所述伺服电机和丝杆停止工作，所述高压电脉冲钻头停止下放；此时，弹簧被压缩，通过弹簧的弹力将正电极及绝缘手柄恢复至初始位置；
某岩石破碎后，当所述高压电脉冲钻头与该某岩石接触的压力小于所述预设压力值时，所述伺服电机又开始工作，驱动所述丝杆推动所述高压电脉冲钻头向下运动，直至完全击碎所述某岩石。
7.如权利要求6所述的一种破岩实验装置，其特征在于：所述绝缘手柄顶端为法兰接口，周围均布4*7mm通孔，以便所述高压电脉冲钻头与所述伺服电动缸紧密连接。
8.如权利要求6所述的一种破岩实验装置，其特征在于：所述控制组件包括一个双向开关和一个急停开关按钮，所述双向开关用来实现手动控制方式和自动控制方式的切换，所述急停开关按钮用来控制所述伺服电动缸紧急停止工作；所述手动控制方式是指手动控制所述伺服电动缸，所述自动控制方式采用速度控制模式的控制所述伺服电动缸。
9.如权利要求6所述的一种破岩实验装置，其特征在于：所述高压脉冲电源具有多通道电火花开关，可以输出多通道的高电压脉冲，通过电缆线传输至所述高压电脉冲钻头中的正负电极对，用来实现同时多高压脉冲放电。
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