CN114174630A - 用于电脉冲镗孔的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电脉冲镗孔的钻头(1)。钻头(1)包括高压脉冲发生器和钻头尖，该高压脉冲发生器封围在气密密封的容器(10)中，该钻头尖机械联接到容器(10)。钻头尖包括电极(42)组件，该电极组件电联接到高压脉冲发生器。钻头(1)包括供应管(31)，该供应管(31)用于将钻液供应至钻头尖，使得在操作时，钻孔底部部分填充钻液，从而使钻头尖浸入在钻液中。钻头包括周向密封件(50)，该周向密封件(50)用于将钻孔底部部分中的钻液与填充钻孔(100)直至表面的稳定液分离。周向密封件的至少一部分围绕容器的周向壁(11)。钻头还包括一个或多个回流管(32a、32b)，该回流管(32a、32b)用于从钻孔底部部分排出与钻液混合的挖掘物质，且其中一个或多个回流管机械地联接到容器(10)。

Description

用于电脉冲镗孔的钻头

技术领域

本发明涉及到电脉冲镗孔(EPB)。更具体地说，它涉及一种适用于使用EPB钻大直径孔(即直径等于或大于40厘米)的钻头。

背景技术

EPB已被提议作为深孔旋转钻孔的替代方案。旋转钻孔技术的使用通常限于深度约为5千米的钻孔，而EPB可以从浅层钻孔到深层钻孔(即3-5千米)，并进一步到超深层钻孔(即5-10千米)。与旋转钻孔相比，EPB具有更高的钻穿硬岩层的性能，并且EPB钻头的寿命比旋转钻头尖更长。

鉴于正在从不可再生的一次能源向可再生的一次能源过渡，超深孔的钻探已经引起了兴趣。事实上，通过钻探超深孔，地热可以被回收并用于发电或用作热能供应。

EPB的原理是在高压电极和接地电极之间施加100至1000千伏范围内的电脉冲。每个脉冲代表在1到10千焦范围之间的能量。电极是钻头尖布置一部分，该钻头尖布置形成了钻头的一部分。电脉冲具有纳秒范围内的典型持续时间，例如200纳秒的脉冲持续时间，并且以毫秒范围内的间隔施加，例如100毫秒的脉冲间隔。例如，通过岩石的放电会导致岩体破裂成更小的碎片，即岩屑。电极和待挖掘的岩石部分一起浸入在钻液中，该钻液也称为放电液。钻液是电导率低于执行钻孔的材料的电导率的液体，使得所产生的电场被引导到电极区域内的岩石中。用作EPB钻液的典型液体的示例是变压器油。

对于新型地热应用，需要大直径孔。大直径孔必须解释为直径约为40厘米或更大的孔。

尽管已提出使用EPB钻超深孔，但尚未公开一种可对适用于新型地热应用的孔进行有效钻孔的设备的可行解决方案。开发用于钻千米深度的大直径孔的EPB设备是具有挑战性的，涉及许多待解决的问题。

与大直径孔相关的问题是可获得的钻孔速度，即每小时钻孔的米数。为了限制5至10千米孔的总钻孔时间，钻孔速度应在每小时数米至数十米的量级，并且在整个钻孔过程中应维持这种较高的钻孔速度。对于直径50厘米的孔，这相当于每小时挖掘几立方米的岩石，这对目前的技术来说是一个挑战。在环境条件变得更加恶劣的较深区域钻孔时，维持较高的钻孔速度也很重要。环境条件的例子包括压力、温度以及在较大深度可能出现的更硬的岩层。

为了维持较高的钻孔速度，有效地将诸如岩屑的挖掘物质向表面或地面排出也很重要。即使有足够的电力重复提供高能脉冲来粉碎岩石，岩石碎屑排出系统也应能够在从钻孔到表面的长距离内高速排出大量与钻液混合的岩屑。例如，如果岩石的排出速度太慢或效率太低，则在排出之前，岩石的主要块体可能会进一步破碎成越来越小的碎片，从而降低EPB操作的效率。理想情况下，初级岩屑的直径应在2至3厘米范围内，并且在形成岩屑后，应立即排出初级岩屑，以便不会形成二次较小的岩屑。

另一个问题与比如是变压器油的钻液的使用有关。将钻孔填充至表面需要大量钻液，因此钻液成为EPB系统不可忽略的成本。钻液也可能是潜在的污染风险。

已经描述了多个基于EPB概念的钻孔设备。然而，在用于大直径的EPB钻孔设备领域中的大多数出版物都是理论研究和设计，与深钻条件下的实际钻孔测试没有太多比较。到目前为止，还没有公布使用下孔脉冲发生器的基于EPB的钻孔设备的操作的详细设计，该设备可以在较大深度下对直径大于40厘米的孔进行钻孔。因此，为了解决上述问题和挑战，EPB设备的设计还有改进的空间。

在专利公开US164388中，公开了一种EPB设备，该设备包括由电绝缘体隔开的两个同心管，其中内管对应于联接到高压电极的高压管，而外管接地并联接到接地电极。高压管与位于表面(即钻孔外侧)的脉冲发生器联接。描述了一种碎屑收集装置，其中碎屑通过钻孔壁和钻孔设备的外壁的一部分之间的空间排出。

在专利公开EP1711679中，描述了使用下孔脉冲发生器的基于EPB的钻孔设备，且其中电极相对于彼此可移动以确保每个电极的底部接触。还描述了用于喷嘴喷射钻液，从而引导和提升岩屑的多个液压喷嘴。通过将钻液与岩屑一起泵送穿过在钻孔壁和钻井设备的外周缘之间的环形间距，将岩屑从底部孔的周边移除至表面。

在专利公开RU2477370中，提出了使用EPB钻直径为36厘米的钻孔的钻头，其中高压脉冲发生器集成在钻头中。钻液通过中心管供应到电极，岩屑和钻液通过钻头和钻孔壁之间的环形间距排出。

为了满足大直径钻孔的超深钻孔的需求，需要提供一种可靠、成本效益且工作可替代的EPB钻孔设备以克服上述问题和挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用EPB技术的钻孔设备，以每小时数米的速度钻直径至少40厘米、优选至少50厘米的钻孔，并同时以成本效益的方式进行钻孔。然而，尽管本发明的钻孔设备特别适用于钻这种大直径的钻孔，但它也适用于钻诸如5、10或20厘米等较小直径的钻孔。

本发明是基于发明人的见解和基于所做的实验。这些由实验支持的见解得出的结论是，通过限制循环钻液的体积，不仅可以节省诸如变压器油或生物油的钻液的成本价格，还可以通过提供专用的回流管，从钻孔的底部部分排出与钻液混合的岩屑，以更有效的方式排出诸如岩屑的挖掘物质。

本发明限定在所附的独立权利要求中。从属权利要求限定有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种用于电脉冲镗孔的钻头，其适用于钻直径等于或大于50厘米的钻孔。

根据本发明的用于电脉冲镗孔的钻头包括封围在气密密封的容器中的高压脉冲发生器，使得该容器可以填充电绝缘流体。该容器包括：i)周向壁，该圆周壁沿着与钻头的钻孔轴线同轴的中心轴线延伸；ii)第一和第二轴向覆盖件，该第一和第二轴向覆盖件分别用于密封地封闭周向壁的第一和第二端部。钻头尖机械地联接到容器，并且包括电极组件，该电极组件与高压脉冲发生器电联接以接收高压脉冲。供应管构造成用于向钻头尖供应钻液，使得在操作时，钻孔底部部分填充钻液，从而使钻头尖浸入在钻液中。

通常，供应管机械地联接到容器，并从第一轴覆盖件横穿通过容器到第二轴覆盖件。

在优选实施例中，供应管沿着中心轴线从供应管入口部分横穿容器到供应管出口部分，该供应管入口部分横穿通过第一轴向覆盖件，而该供应管出口部分横穿通过第二轴向覆盖件。

根据本发明的钻头包括周向密封件，该周向密封件用于将钻孔底部部分中的钻液与填充钻孔直至表面或地面的稳定液分离。周向密封件的至少一部分围绕容器的周向壁的一部分。

通常，周向密封件在与中心轴线平行的方向上延伸。容器的周向壁具有沿中心轴线测量的高度，该中心轴线在周向壁的第一和第二端部之间。因此，周向密封件也可解释为沿容器的部分高度在容器的高度方向上延伸，该容器的高度方向平行于中心轴线。

根据本发明的钻头还包括一个或多个回流管，该回流管用于从钻孔底部部分排出与钻液混合的挖掘物质。这些一个或多个回流管机械地联接到容器。挖掘物质包括例如当钻孔钻穿岩层时的岩屑。

有利地，通过提供围绕容器的周向壁的周向密封件，只有包括具有电极的钻头尖的钻孔底部部分需要浸入在钻液中，而直至表面的钻孔上部部分可以填充任何能用作稳定液的流体，例如水等稳定液。此外，由于减少了循环钻液的量，降低了钻液对污染环境的风险和/或影响。

有利地，通过提供一个或多个回流管来排出与钻液混合的挖掘物质，其与不使用回流管且挖掘物质将通过孔头和钻孔之间的环形间距排出的现有技术的钻头相比可获得更高的流速。

技术人员将能够构造相对于供应管的横截面积的回流管的横截面积，使得钻液的供应不受挖掘物质排出的阻碍，或者换句话说，钻液的供应和挖掘物质的排出是平衡的。

有利地，一个或多个回流管可联接到钻柱的回流通道，以将与钻液混合的挖掘物质从钻头输送到表面，从而维持增加的流速，以将挖掘物质从钻孔排出到表面。

通过使用回流管与用于密封钻头周围的空间的密封件的组合，不像现有技术的EPB机器那样在由钻孔壁形成的环和钻头的外壁之间冲洗与岩屑混合的钻液。由于岩屑与钻液的混合物通过管道返回，而不是通过绕钻头和钻柱的环形环返回，循环钻液的总体积可能进一步受到限制。环形件填充有稳定液，可选择稳定液以提供在成本和钻孔壁的最佳稳定之间的最佳折衷。

在一些实施例中，一个或多个回流管联接或部分联接到容器周向壁的内侧，而在其它实施例中，一个或多个回流管联接到容器周向壁的外侧。

在优选实施例中，一个或多个回流管横穿容器，并且每个回流管包括：i)管道入口部分，该管道入口部分横穿通过第二轴向覆盖件；以及ii)管端部部分，且其中回流管的管端部部分横穿通过第一轴向覆盖件。或者，管端部部分也可以联接到公共馈通以横穿通过第一轴向覆盖件。

有利地，通过提供具有管入口部分的一个或多个回流管，该管入口部分横穿容器的第二轴向覆盖件(即容器的底部凸缘)，回流管的入口位于电极区域的顶部以允许有效地排出岩屑。

此外，通过提供具有管道入口部分的回流管，该管道入口部分横穿容器的底部覆盖件，待填充钻液的钻孔的底部部分的高度可限制在严格的最小高度，该最小高度是在搁置有电极的钻孔底部与容器的底部覆盖件之间的距离。

根据本发明的第二方面，提供了一种电脉冲镗孔系统。电脉冲镗孔系统包括：如上所述用于电脉冲镗孔的钻头；提升装置，该提升装置位于表面处并构造成将钻头从钻孔中提升；钻柱组件；钻液循环系统。电脉冲镗孔系统还将包括技术人员已知的镗孔系统运行所需的任何附加部件，例如但不限于专用电源、用于稳定钻孔的泥浆供应系统、用于将钻液与挖掘物质分离的分离器等。

钻柱组件至少包括：i)馈送通道，该馈送通道用于将钻液从表面供应至钻头；ii)电力线缆，该电力线缆从表面延伸到钻头，用于向电脉冲发生器供电；以及iii)一个或多个回流通道，该回流通道用于将挖掘物质与钻液的混合物输送至表面。

钻液循环系统至少包括：i)钻液贮存器；ii)泵，该泵用于通过钻柱组件的馈送通道将钻液从钻液贮存器泵送至钻头；以及iii)钻液回收装置，该钻液回收装置构造成从钻柱组件的一个或多个回流通道接收挖掘物质与钻液的混合物，并构造成将挖掘物质从钻液中分离并将回收的钻液输送至贮存器。

附图说明

将通过示例并参照附图更详细地解释本发明的这些以及其它方面，其中：

图1示出了根据本发明的钻头的第一实施例的剖视图，

图2示出了根据本发明的钻头的第二实施例的一部分的剖视图，

图3示出了根据本发明的钻头的另一个示例的等距视图，

图4示出了钻头尖的示例的等距视图，该钻头尖包括由接地和高压电极末端形成的电极组件，

图5示出了钻头尖的又一个示例的投影，该钻头尖包括具有周向电极部件的电极组件，

图6示意性地示出了电脉冲发生器的容器的示例。

这些附图既没有按比例绘制，也没有成比例绘制。通常，相同的部件在附图中用相同的附图标记表示。

具体实施方式

本公开将根据特定实施例来进行描述，这些特定实施例是本公开的说明性实施例，而不应解释为限制性实施例。本领域技术人员将理解，本公开不受已特别示出和/或描述的内容的限制，并且可根据本公开的总体教导开发替代或修改的实施例。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。

动词“包括”的使用、以及相应的变体并不排除那些标明的元件以外的元件的存在。在元件前面使用的冠词“一”、“一个”或“该”并不排除存在多个这样的元件。

此外，说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等用于区分相似的元件并且不必一定用于在时间上、空间上、排序中或者以任何其它方式来描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中描述的本公开的实施例能够以不同于本文中描述或说明的顺序的其它顺序操作。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的引用意味着与该实施例描述相关的特定特点、结构或特征包括在本公开的一个或多个实施例中。因此，贯穿本说明书在各种地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的实施例，但有可能。此外，一个本领域普通技术人员从本公开中显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特点、结构或特征可以以任何合适的方式组合。

当使用“联接”、“机械联接”或“电联接”等词语时，应将其解释为直接或间接联接。例如，可以通过在第一和第二元件之间放置第三元件来实现第一和第二元件之间的间接联接。

本发明涉及一种钻头，该钻头用于对直径等于或大于40厘米、优选地等于或大于50厘米的钻孔进行电脉冲镗孔。钻头是部件，该部件是电脉冲镗孔系统的一部分。系统的一些部件位于表面，而一些部件位于钻孔的内侧。EPB镗孔系统通常至少包括提升装置、钻柱组件、高压电源、钻液循环系统以及钻头。钻头是降低到钻孔中的部件，且该钻头包括具有电极或钻头末端的钻头尖。对于EPB系统，需要高压发生器，且通常该发生器可以位于表面上，也可以是钻头的一部分并与钻头尖一起被提升到钻孔下。本发明的钻头是包括高压脉冲发生器的钻头构造，对于这些构造，高压脉冲发生器通常称为下孔发生器。

一般钻头

图1至图3示意性地示出了根据本发明的钻头1的示例。这些图上并未示出钻头的所有部件，仅示出了理解本发明所需的部件。作为示例，图1上的附图标记100示意性地示出了待钻孔穿过的岩层。

根据本公开的钻头1包括高压脉冲发生器，该高压脉冲发生器封围在气密密封容器10中，使得该容器10可以填充电绝缘流体90。电绝缘流体90例如是氮气或惰性气体。如图1所示，高压发生器的容器10包括沿中心轴线Z延伸的周向壁11。中心轴线Z与钻头1的钻孔轴线同轴。第一轴向覆盖件12和第二轴向覆盖件13分别密封地覆盖周向壁11的第一端部和第二端部。由于底部覆盖件在钻孔中的位置比顶部覆盖件更深，第一和第二轴向覆盖件也可分别命名为顶部覆盖件和底部覆盖件。图1中未示出封围在容器10内部的高压脉冲发生器。

在实施例中，周向壁11例如由空心管形成并因此具有圆筒体的形状。在其它实施例中，限定容器10的外壁的周向壁11可具有任何其它的形状，例如棱柱或正方形。容器的周向壁具有沿中心轴线Z测量的高度，该中心轴线Z在周向壁的第一和第二端部之间。对于一些实施例，容器的高度可以是几米，这取决于高压脉冲发生器的尺寸。

钻头1还包括钻头尖，该钻头尖机械地联接到容器10、优选地例如通过附接到轴向覆盖件12上而联接到周向壁的第二端部。换句话说，钻头尖通过容器、优选地通过容器10的底部侧而被机械地支撑。钻头尖包括电极组件40，该电极组件40与高压脉冲发生器电联接以接收高压脉冲。通常，电极组件40包括接地电极41和高压电极42，如图2和图3所示。

周向壁11以及第一12和第二13轴向覆盖件通常由不锈钢等金属制成或部分由不锈钢制成，并且是电气接地的。然后，电极组件40的接地电极与第二覆盖件或周向壁联接以形成接地连接。例如，接地电极焊接到第二覆盖板或焊接到周向壁的一部分。高压馈通穿过第二轴向覆盖件13并且构造成向高压电极42提供高压。

如上所述，为了操作EPB钻头，需要钻液，也称为放电液。根据本公开的钻头包括供应管31，该供应管31向钻头尖供应钻液，使得在操作时，钻孔底部部分70填充钻液，以便钻头尖浸入在钻液中。

为了将钻液带到钻孔底部部分，供应管从第一轴向覆盖件12横穿通过高压发生器的容器10到第二轴向覆盖件13。

通常，供应管31机械地联接到容器。在图1所示的实施例中，供应管31沿着中心轴线Z从供应管入口部分横穿容器10到供应管出口部分，该供应管入口部分横穿通过第一轴向覆盖件12，而该供应管出口部分横穿通过第二轴向覆盖件13。然而，也可以使用技术人员认为合适的与容器有关的供应管的任何其它布置。

如图1和图3中进一步所示，根据本公开的钻头1的特征在于，该钻头1包括周向密封件50，该周向密封件50将钻孔底部部分70中的钻液与填充钻孔直至表面的稳定液80分离。周向密封件50的至少一部分围绕周向壁11的一部分。

“围绕(surrounding)”这个词的使用必须解释为封围。例如，对于圆筒形周向壁11，如图1的实施例所示，围绕圆筒形周向壁的周向密封件50相当于360°环绕周向壁。如图1所示，围绕容器周向壁11的一部分的周向密封件50也在周向壁的高度方向上延伸，即在与中心轴线Z平行的方向上延伸。容器的高度方向也可以解释为容器的轴向方向，该轴向方向是与容器的中心轴线Z平行的方向。

在一些实施例中，例如图1所示，整个周向密封件50围绕着容器周向壁11的一部分。在图1所示的该示例中，靠近第二轴向覆盖件13所在的周向壁第二端部的周向壁下部被周向密封件50围绕。

在其它实施例中，例如图3所示，仅周向密封件50的第一部分围绕容器的周向壁的一部分，而周向密封件的第二部分围绕钻头尖。换句话说，当如图3所示的钻头的实施例在操作过程中，周向密封件的第二部分位于钻头尖所在的钻孔的底部部分。

稳定液80例如为水。稳定液稳定钻孔壁。由于提供了围绕高压脉冲发生器的容器周向壁的周向密封件，与钻液混合的挖掘物质不能再像现有技术的装置那样通过钻孔的环形件排出。因此，根据本公开的钻头的另一个特征在于，该钻头包括一个或多个回流管32a、32b，该回流管32a、32b用于从钻孔底部部分70排出与钻液混合的挖掘物质，例如岩屑。在优选实施例中，根据本公开的钻头包括机械地联接到容器10的两个或多个回流管。容器10与供应管31和回流管32a、32b一起在图6中更详细地示出。图6未示出封围在容器内部的电脉冲发生器。

根据本公开的钻头适用于钻穿岩石，例如砂岩、花岗岩和其它硬质岩石材料，并经由回流管排出岩屑。当然，钻头也适用于钻穿任何地下沉积物层，并通过回流管排出碎屑。

周向密封件例如由弹性材料和/或可压缩材料制成或部分制成。例如，密封件是由橡胶制成的。在一些实施例中，周向密封件50是可充气的，以便提供坚固的密封。

在实施例中，回流管32a、32b由诸如不锈钢的金属制成。

在实施例中，供应管31由电绝缘材料制成或部分由电绝缘材料制成，例如玻璃纤维或另一绝缘体。

为了将回流管机械地联接到高压脉冲发生器的容器10上，存在许多选项。将进一步讨论根据本公开的钻头的多个详细实施例。

在图1所示的实施例中，一个或多个回流管横穿容器10。因此，每个回流管32a、32b包括横穿通过第二轴向覆盖件13的管入口部分和横穿通过第一轴向覆盖件12的管端部部分。例如，可以通过第一和第二轴向覆盖件形成孔，以接收回流管的端部，且端部可以通过孔放置并焊接，使得容器的内部保持气密密封以接收电绝缘流体90。

如图1进一步所示，一个或多个回流管中的每一个联接或部分联接到周向壁11的内侧。在实施例中，回流管可焊接到周向壁11的内侧。

在图1所示的实施例中，周向密封件50的内周向侧附接到周向壁11的外侧。例如，周向密封件的内侧可通过使用图1中未示出的金属环连接器附接到周向壁。

在替代实施例中，类似于图1的实施例，回流管的管端部部分联接到公共馈通从而横穿通过第一轴向覆盖件12。然后，可将馈通进一步联接到单个回流通道，以将与钻液混合的岩屑输送至表面。有利地，在该替代实施例中，仅需要在第一轴向覆盖件中制作一个专用孔，用于接收公共馈通。

根据本发明的钻头的第二实施例的剖视图如图2所示。在该实施例中，回流管32a和32b安装在容器周向壁11的外侧。图2未示出周向密封件。

在图3中示出了钻头的等距视图，包括安装在容器10的周向壁外侧的回流管32a和32b。在图3所示的实施例中，周向延伸凸缘15围绕并附接到周向壁11，从而在周向壁11周围形成卡圈。例如，周向延伸凸缘焊接到周向壁。在容器具有圆筒形周向壁11的实施例中，周向延伸凸缘15例如是环形凸缘。

周向延伸凸缘15用于联接周向密封件50且用于联接如下所述的回流管。

如图3所示，周向密封件50的内周向侧的至少一部分附接到周向延伸凸缘15的外侧。换句话说，这是通过使用位于周向壁和周向密封件之间的周向延伸凸缘将周向密封件间接联接到周向壁的示例。如上所述，在该实施例中，圆周密封件50具有第一部分(即附接到延伸凸缘15的部分)以及围绕钻头尖的第二部分。

在图3所示的实施例中，一个或多个回流管32a、32b例如通过焊接附接到周向壁11的外侧。对于每个回流管，周向延伸凸缘包括相应的馈通开口，并且每个馈通开口接收相应的回流管入口部分。在将回流管入口部分穿过周向延伸凸缘的孔后，它可以焊接到周向延伸凸缘15。

本发明不限于回流管的数量，但是应该有至少一个回流管、优选地至少有两个管。原因是由于周向壁与钻孔之间没有太多空间，回流管32a、32b的直径受到限制，且需要一个以上的管来获得组合钻液排放能力，该组合钻液排放能力等于或大于通过供应管31的钻液供应能力。

通常，一个或多个回流管的横截面积构造成使得每个回流管的横截面积之和等于供应管的横截面积，精度在30％以内、优选地在25％以内、更优选地在20％以内。

高压脉冲发生器

电脉冲发生器包括多个电容器，这些电容器构成称为Marx发生器的一部分，该Marx发生器在本领域已知并且例如在RU2477370中公开。多个电容器反复地充电和放电，且输出的高压是电容器上电压的总和。这种发生器经过优化以产生脉冲持续时间短的高压脉冲，通常高达300纳秒，例如像EPB要求的那样在100到200纳秒的范围内或更低。

根据本发明的钻头的电脉冲发生器构造成用于产生电压在100千伏和1000千伏之间的范围内、优选地在300千伏和600千伏之间的范围内、更优选地在400到600千伏之间的范围内的高压脉冲。

在实施例中，供应管31沿着中心轴线Z从供应管入口部分横穿容器10到供应管出口部分，该供应管入口部分横穿通过第一轴向覆盖件12，而该供应管出口部分横穿通过第二轴向覆盖件13，电容器绕供应管31定位。或者，每个电容器具有环形的形状并包围供应管31。

电极组件

如上所述，钻头尖20包括电极组件40。然而，本发明不限于特定类型的电极组件40或电极组件40的特定形状或几何形状，如图4和图5所示。

在实施例中，电极组件具有例如圆形的周缘，外径D_E在垂直于中心轴线Z的平面上测量，其中D_E≥40厘米、优选地D_E≥50厘米。电极组件的该外径限定了可钻的钻孔的直径。

在实施例中，容器的周向壁11具有外径为D_PG的圆柱形形状，且其中通常是D_PG<D_E。实际上，外径D_PG必须小于D_E，以便至少有足够的空间放置周向密封件50。

电极组件40的周缘不限于圆形，但周缘也可以例如为椭圆形、方形或任何其它形状，取决于钻孔所需的横截面形状。

还可以对具有单区段电极或多区段电极的电极组件进行区分。单区段电极组件40是包括单个接地电极41和单个高压电极42的电极组件，如图3所示。

图4示出了包括单区段电极组件的钻头尖2的示例。图4所示的电极组件包括单一的接地电极和单一的高压电极，其分别由多个接地电极末端41a和多个高压电极末端42a形成。这些接地和高压电极末端相对于钻头的中心轴线在径向上定位。

在另一个实施例中，如图5所示，钻头尖20包括电极组件，其中接地电极和高压电极分别具有周向的接地电极部件41b和周向的高压电极部件42b。周向的接地电极部件41b和周向的高压电极部件42b分别形成接地和高压电极的外周缘。这些周向电极部件42b、42b具有例如圆形的形状，如图5所示。使用形成封闭的外周边的电极组件的优点是，一般来说获得的钻孔具有更平滑的表面。

在替代实施例中，电极组件40不是单区段电极组件，而是包括多个电极区段的多区段电极组件。在这些实施例中，每个电极区段具有接地电极41和高压电极42。例如，电极组件可包括两个、三个、四个或更多的电极区段。这些区段优选地彼此连接，以便能够作为一个整体进行钻孔。在示例中，电极组件是圆形的，并且可以包括两个、三个、四个或更多的电极区段，这些电极区段通过机械联接形成一体。电极区段可布置成单独可转向或可控制以允许定向镗孔，或者它们可作为整体可控制。

在包括多区段电极组件的实施例中，高压脉冲发生器构造成分别为每个电极区段供电。

使用分段式电极有许多优点。使用多区段电极的第一个优点是，高压脉冲发生器产生的功率脉冲可以顺序地应用于多个区段中的每一个，因此可以更有效地使用递送的功率，并更好地分布在待钻的钻孔的整个横截面积上。注意，如果钻孔直径增加，对于高压脉冲发生器的给定工作频率，挖掘钻孔所需的总功率在第一近似值下随钻孔直径二次增加。分段式电极的使用允许在各个区段之间分配输送的总功率。这在以下情况中可能是有利的：预期对诸如50厘米或100厘米直径的大直径孔进行镗孔，并且设想的钻孔速度接近或等于对直径较小钻孔进行镗孔的常规钻孔速度。分段式钻头的使用允许对供应给每个区段的电功率以及脉冲频率在常规使用时的值进行限制。否则，随着钻孔直径的增加，高压脉冲发生器所提供的电功率将几乎呈指数级增加。

使用多区段电极组件的第二个优点是，可以通过对各个电极区段的适当控制来改变或校正钻孔方向。例如，可以通过向其中一个区段递送比其它区段更多的脉冲来改变钻头方向。

在特定实施例中，电极组件是分段式的，且其中一个电极区段构造成对局部扩大的钻孔进行钻孔，从而形成在钻孔壁上具有纵向槽或通道的钻孔。这使得本发明的装置也适用于水平镗孔。事实上，局部的扩大可作为排空与钻液混合的挖掘物质的通道。

在实施例中，如图1所示，电极组件40包括接地电极41和高压电极42，该高压电极42构造成放置在钻孔底部部分的表面上。这样，电极形成了在对钻孔进行镗孔时用于支撑钻头的支撑结构。通常，接地和/或高压电极包括电极末端，该电极末端构造成放置在钻孔底部部分的表面上。

岩石排出测试

发明人用根据本发明的钻头进行了一系列测试，以研究岩屑的排出效率。图3所示的原型钻头用于测试目的。所使用的供应管31的直径为10.16厘米，即4英寸，而两个回流管的直径为6.35厘米，即2.5英寸。钻头的尺寸设定成钻50厘米的钻孔，这导致钻孔底部部分具有54977立方厘米的体积并充满54升钻液。优化了钻液供应速率，以便通过两个回流管最大程度地抽吸岩屑。当钻液供应速率为1000升/分钟时，可获得最佳岩屑回收率，即每小时可回收2.35立方米的岩屑。

用于测试的钻头使用Marx型高压发生器，该高压发生器以1至25赫兹的速率提供500千伏的脉冲。进一步的试验表明，具有与高压发生器结合使用的钻头尖的钻头能够以2.35立方米/小时打碎岩石，该钻头尖具有50厘米直径的电极构造。因此，根据本发明的排出系统能够以等于岩屑产生速率的速率有效地排出岩屑，该排放系统使用与密封件相结合的回流管，以减少总的钻液体积。使用这样的系统，钻孔速度可以达到12米/小时或更高。

电脉冲镗孔系统

如上所述，钻头是EPB系统的部件。EPB系统除钻头外还包括提升装置，该提升装置位于表面并构造成将钻头从钻孔中提升。EPB系统还包括钻柱组件，该钻柱组件包括：i)馈送通道，该馈送通道从表面向钻头供应钻液；ii)电力线缆，该电力线缆可例如从表面延伸钻头从而向电脉冲发生器供电；以及iii)一个或多个回流通道，该回流通道用于将挖掘物质与钻液的混合物输送至表面。

EPB系统还包括钻液循环系统，该系统至少包括：i)钻液贮存器，ii)泵，该泵用于通过钻柱组件的所述馈送通道将钻液从所述钻液贮存器泵送至钻头；以及iii)钻液回收装置，该钻液回收装置构造成用于接收来自钻柱组件的所述一个或多个回流通道的挖掘物质与钻液的所述混合物，并构造成从钻液中分离挖掘物质并将回收的钻液输送至贮存器。

在实施例中，供应管的供应管入口部分包括第一联接装置，该第一联接装置构造成与钻柱的馈送通道联接，该钻柱将钻液从表面输送到钻头。联接装置可以例如是联接凸缘。

在实施例中，穿过第一轴向覆盖件的回流管的每个管端部部分包括第二联接装置，且其中第二联接装置构造成与钻柱的回流通道联接，该钻柱将与钻液混合的挖掘物质从钻头输送到表面。在包括有横穿第一轴向覆盖件的公共馈通的替代实施例中，如上所述，公共馈通包括第二联接装置，该第二联接装置构造成与钻柱的回流通道联接。

Claims (20)

1.一种用于对钻孔进行电脉冲镗孔的钻头(1)，包括

·高压脉冲发生器，所述高压脉冲发生器封围在气密密封的容器(10)中，使得所述容器(10)能填充电绝缘流体，且其中所述容器(10)包括：i)周向壁(11)，所述周向壁(11)沿中心轴线(Z)延伸，所述中心轴线(Z)与所述钻头(1)的钻孔轴线同轴；以及ii)第一(12)和第二(13)轴向覆盖件，所述第一和第二轴向覆盖件分别用于密封地封闭所述周向壁(11)的第一端部和第二端部，

·钻头尖(20)，所述钻头尖(20)机械联接到所述容器(10)，且其中所述钻头尖包括电极组件(40)，所述电极组件(40)与所述高压脉冲发生器电联接以接收高压脉冲，

·供应管(31)，所述供应管(31)用于向钻头尖供应钻液，使得在操作时，钻孔底部部分填充钻液，从而使所述钻头尖浸入在钻液中，

其特征在于，所述钻头(1)包括：

·周向密封件(50)，所述周向密封件(50)用于将所述钻孔底部部分中的钻液与填充所述钻孔直至表面的稳定液分离，且其中所述周向密封件(50)的至少一部分围绕所述周向壁(11)的一部分，

·一个或多个回流管(32a、32b)，所述回流管(32a、32b)用于从所述钻孔底部部分排出与钻液混合的挖掘物质，且其中一个或多个回流管机械地联接到所述容器(10)。

2.根据权利要求1所述的钻头(1)，其特征在于，所述一个或多个回流管横穿所述容器(10)，且其中每个所述回流管(32a、32b)包括：i)管道入口部分，所述管道入口部分横穿通过所述第二轴向覆盖件(13)；以及ii)管端部部分，且其中所述回流管的管端部部分横穿通过所述第一轴向覆盖件(12)，或者管端部部分联接到用于横穿通过第一轴向覆盖件(12)的公共馈通。

3.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述一个或多个回流管中的每一个联接或部分联接到所述周向壁(11)的内侧。

4.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述周向密封件(50)的内周向侧的至少一部分附接到所述周向壁(11)的外侧。

5.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，周向延伸凸缘(15)围绕并附接到所述周向壁(11)，从而在所述周向壁(11)周围形成凸环，并且其中所述周向密封件(50)的内周向侧的至少一部分附接到所述周向延伸凸缘(15)的外侧，并且

其中，所述一个或多个回流管(32a、32b)附接到所述周向壁(11)的外侧，并且

其中，所述周向延伸凸缘(15)对于每个所述回流管包括相应的馈通开口，且其中每个馈通开口接收相应的回流管入口部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述一个或多个回流管的横截面积构造成使得每个所述回流管的横截面积之和等于所述供应管的横截面积，精度在30％以内、优选地在25％以内、更优选地在20％以内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述周向密封件(50)是能膨胀的和/或其中所述周向密封间(50)由可压缩材料或弹性材料制成。

8.根据前述任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极组件具有圆形的周缘，所述圆形周边的外径D_E在垂直于中心轴线(Z)的平面内测量，且其中D_E≥40厘米、优选地为D_E≥50厘米，其中所述周向壁(11)具有外径为D_PG的圆柱形形状，其中D_PG<D_E。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极组件(40)为包括多个电极区段的分段电极组件，其中每个电极区段具有接地(41)和高压(42)电极，且其中高压脉冲发生器构造成分别为每个电极区段供电。

10.根据权利要求9所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极区段中的一个构造成钻局部扩大的钻孔，从而形成在钻孔壁上具有纵向槽或通道的钻孔。

11.根据前述权利要求1至7中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极组件(40)包括接地电极(41)和高压电极(42)，且其中所述周向壁以及所述第一和第二覆盖件是由金属制成的，并且被电气接地并与所述接地电极(41)联接，且其中穿过所述第二轴向覆盖件(13)的高压馈通构造成向所述高压电极(42)提供高压。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极组件(40)包括多个接地电极末端(41a)和多个高压电极末端(42a)，并且其中所述接地和高压电极末端相对于所述钻头的所述中心轴线(Z)径向定位。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极组件(40)包括接地电极(41)和高压电极(42)，所述接地电极(41)和高压电极(42)分别具有周向接地电极部件(41b)和周向高压电极部件(42b)。

14.根据权利要求1至10中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电极组件(40)包括接地电极(41)和高压电极(42)，所述接地电极(41)和高压电极(42)构造成搁置在钻孔底部部分的表面上，以便在对钻孔进行镗孔时支撑钻头。

15.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述供应管(31)从所述第一轴向覆盖件(12)横穿通过所述容器(10)到所述第二轴向覆盖件(13)。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述供应管(31)沿着所述中心轴线(Z)从供应管入口部分横穿所述容器(10)到供应管出口部分，所述供应管入口部分横穿通过所述第一轴向覆盖件(12)，所述供应管出口部分横穿通过所述第二轴向覆盖件(13)，所述电脉冲发生器优选地包括多个电容器，其中所述电容器位于所述供应管(31)周围，或者其中每个电容器是环形的并且包围所述供应管(31)。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述供应管(31)的供应管入口部分包括第一联接装置，所述第一联接装置构造成与钻柱的馈送通道联接，所述钻柱将钻液从所述表面输送至所述钻头。

18.根据权利要求2至17中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，横穿通过第一轴向覆盖件(12)的所述回流管的每个所述管端部部分包括第二联接装置，或其中横穿通过第一轴向覆盖件(12)的所述公共馈通包括第二联接装置，且其中第二联接装置构造成与钻柱的回流通道联接，所述钻柱将与所述钻液混合的所述挖掘物质从所述钻头输送至所述表面。

19.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述电脉冲发生器构造成产生电压在100千伏和1000千伏的范围之间、优选地在300千伏和600千伏的范围之间、更优选地在400千伏和600千伏的范围之间的高压脉冲。

20.一种电脉冲镗孔系统，包括

·根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，

·提升装置，所述提升装置位于所述表面处并构造成将所述钻头(1)从所述钻孔中提升，

·钻柱组件，包括：

i)馈送通道，所述馈送通道用于将所述钻液从所述表面供应至所述钻头，

ii)电力线缆，所述电力线缆延伸到所述钻头，用于向所述电脉冲发生器供电，

iii)一个或多个回流通道，所述一个或多个回流通道用于将挖掘物质与钻液的混合物输送至表面，

·钻液循环系统至少包括：

i)钻液贮存器；

ii)泵，所述泵用于通过所述钻柱组件的所述馈送通道将所述钻液从所述钻液贮存器泵送至所述钻头，以及

iii)钻液回收装置，所述钻液回收装置构造成从所述钻柱组件的所述一个或多个回流通道接收挖掘物质与钻液的所述混合物，并构造成将所述挖掘物质与所述钻液分离并将所述回收的钻液输送至所述贮存器。

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