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CN108222839A - 一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置 - Google Patents

一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置 Download PDF

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CN108222839A CN201810057146.8A CN201810057146A CN108222839A CN 108222839 A CN108222839 A CN 108222839A CN 201810057146 A CN201810057146 A CN 201810057146A CN 108222839 A CN108222839 A CN 108222839A
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Abstract

本发明涉及一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置，采用电脉冲供电，其输出脉冲电源上升沿时间为50ns‑500ns，在岩石中首先击穿产生等离子通道，电破碎岩石，钻头有多个电极对，且电极与岩石间接触为点接触，具有破岩效率高、破碎能耗低的特点；电破碎实验装置能模拟高压环境下的岩石，进行电脉冲破碎钻进实验，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研究，具有结构简单、可靠性高等特点。电脉冲破岩钻进是目前为止具有潜力和接近工业化破岩钻进方式。

Description

一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置
技术领域
本发明涉及钻进领域，更具体地说，涉及一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置。
背景技术
石油天然气等勘探开发钻井领域不断扩展，高效破岩钻井技术的研究势在必行，提高钻井效率。传统的机械钻进在钻高温高压的深孔、超深孔时，具有钻探效率低、钻井费用高等缺点。目前较为前沿的非机械式破岩方式主要有：水射流破岩、粒子射流破岩、激光钻井破岩、等离子破岩、超声波破岩及热能破岩等，水射流破岩对喷嘴的要求和设备的工艺要求高；激光钻井破岩受激光器功率的限制，目前还处于实验室探索阶段；超声波破岩使用时很有局限性，要求岩石是脆性的。水射流破岩、激光钻井破岩、超声波破岩等尚处于实验验证阶段，用于钻井中的可行性还有待进一步验证。
等离子破岩可分为液电破岩和电脉冲破碎，放电等离子体产生在液体介质时，岩石破岩的主要动力来自于放电产生冲击波、气泡溃灭和压力波等机械力，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EPB破岩。液电效应破碎为间接破岩；电破碎为直接破岩，同功率下电破碎效果更好；电脉冲在岩石中传播速度比在水中快，电脉冲破碎效率更高；液电效应破碎固体是以压缩破坏为主，电破碎过程中形成的拉张应力使岩石更易破碎；电破碎比液电效应破碎能耗低。EPB钻进已经被很多国家证实了其可行性，EPB(电脉冲钻进)具有破岩效率高、井壁质量高等优点，是目前为止最具有潜力，最接近工业化的破岩方式。回转钻进费用随着深度的增加直线上升，在钻进深度超过5000m，其钻进费用超过2000€/m，超过8000m，其钻进费用超过30000€/m，EPB钻进不受钻进深度的限制，其钻进费用约为100€/m。
发明内容
本发明的目的是设计出破岩效率高、井壁质量高的一种多电极对高压电破碎钻头，以及电破碎实验装置，实现模拟高压环境下的岩石，进行电脉冲破碎钻进实验。
根据本发明的其中方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种多电极对电破碎钻头，包括绝缘管，绝缘管上套设有钻头臂外管，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多个高低压电极对，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，高低压电极对均设置于绝缘块上，绝缘块位于所述多电极对电破碎钻头的下端上，将钻头臂外管与各高低压电极对隔离开来。
优选地，在本发明的多电极对电破碎钻头中，所述高低压电极对包括一绝缘环，沿所述绝缘环的轴向设置有多个金属辐条，各金属辐条沿着绝缘环的环形相对设置，相对的设置的两个金属辐条一个从所述电缆接入正极、一个接入负极。
优选地，在本发明的多电极对电破碎钻头中，所述电脉冲破岩钻头的上端上具有吊耳。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种电破碎实验装置，包括：
如上述任一项的多电极对电破碎钻头；
排绳装置；
钢丝绳，连接所述多电极对电破碎钻头，以提升和下放所述多电极对电破碎钻头；
导向辊，所述钢丝绳以及所述多电极对电破碎钻头的电缆经过导向辊导向后连接至所述排绳装置；
脉冲电源，用于输出电脉冲，电脉冲上升沿时间为50ns-500ns，所述脉冲电源电性连接所述电缆，具有多通道的电缆分别与各个高低压电极对相连；
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高低压电极对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；
液压泵站，连通所述围压缸组件，为所述围压缸提供液压压力；
进出水泵，连通所述围压缸组件，以实现所述电离水介质的循环；
控制装置，用于控制所述液压泵站、所述进出水泵及所述排绳装置的启停。
优选地，在本发明的多电极对电破碎钻头中，还包括：
实验装置铝型材支架，用于支撑所述液压泵站及所述多电极对电破碎钻头，所述排绳装置安装在所述实验装置铝型材支架上，实现钢丝绳及电缆的下放与回收。
优选地，在本发明的电破碎实验装置中，所述的脉冲电源包括工频电经升压后得到的工频电源、两个硅堆整流器、多通道电火花开关、储能电容及高低压电缆对；所述升压后得到的工频电源具有两个输出端，工频电源的其中一个输出端连接其中一个硅堆整流器的阳极，另一个硅堆整流器、储能电容均并联在所述其中一个硅堆整流器的阴极与工频电源的另一输出端之间，所述其中一个硅堆整流器的的阴极与所述另一个硅堆整流器阴极连接，多通道电火花开关的每个通道：每个通道分别串联一个高低压电缆对后并连在所述储能电容的两端，各个高低压电缆对分别电性连接所述电缆。
优选地，在本发明的电破碎实验装置中，钻进时，所述多电极对电破碎钻头的高低压电极对与岩石接触为点-面接触。
优选地，在本发明的电破碎实验装置中，多电极对高压电破碎钻头采用多高低压电极对放电破碎。
多电极对电破碎钻头采用脉冲电源供电，脉冲电源具有多通道电火花开关，能输出多通道的脉冲，通过电缆传输至高低压电极对，实现同时多脉冲放电，岩石破碎钻进效率高，且采用电脉冲破岩井壁质量高；多电极对高压电破碎钻头的高低压电极对与岩石接触为点-面接触，能极大减少能量的浪费，能量损耗小；多电极对电破碎钻头采用多高低压电极对放电破碎，避免单个高低压电极对放电时由于放电电压高引起电极绝缘块的烧蚀，降低对绝缘块材料的要求。电破碎实验装置可进行电脉冲破碎钻进实验，能模拟地球内部高压环境，从而对钻头电极、绝缘材料、钻进参数及多物理场的岩石破碎机理等研究，且能实现钢丝绳与电缆同步，具有结构简单、可靠性高等特点。
本发明的一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置具有如下优点：
(1)多电极对电破碎钻头采用多高低压电极对，岩石破碎钻进效率高；
(2)多电极对电破碎钻头采用电脉冲破岩钻进，井壁质量高；
(3)多电极对电破碎钻头高低压电极对与岩石接触为点-面接触，能量损耗低；
(4)多电极对电破碎钻头对绝缘块材料要求相比于单电极电破碎钻头低；
(5)电破碎实验装置可模拟地球内部高压环境，能进行多电脉冲破碎钻进多影响因素实验分析。
附图说明
图1为本发明的一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置轴测结构图；
图2为本发明的一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置正视结构图；
图3为本发明的多电极对电破碎钻头外部结构图；
图4为本发明的多电极对电破碎钻头内部结构图；
图5为本发明的多电极对电破碎钻头钻进结构示意图；
图6为本发明的脉冲电源等效电路图；
图7是本发明的高低压脉冲对的结构示意图；
上述图中：1—导向辊，2—钢丝绳，3—控制装置，4—多电极对电破碎钻头，4.1—吊耳，4.2—钻头臂外管，4.3—绝缘块，4.4—高低压电极对，4.4.1—绝缘环，4.4.2—电极，4.5—绝缘管，4.6—电缆，5—脉冲电源，5.1—工频电源，5.2—硅堆整流器，5.3—储能电容，5.4—多通道电火花开关，5.5—高低压电缆对，6—围压缸组件，6.1—围压缸，6.2—电离水介质，6.3—岩石样品，7—液压泵站，8—进出水泵，9—实验装置铝型材支架，10—排绳装置。
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。
实施例1：本发明一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置，其结构如图1、2、3、4、5、6所示，电破碎实验装置包括导向辊1、钢丝绳2、控制装置3、多电极对电破碎钻头4、脉冲电源5、围压缸组件6、液压泵站7、进出水泵8、实验装置铝型材支架9、排绳装置10，导向辊1用于实现钢丝绳2及电缆4.6的导向，钢丝绳2及电缆4.6在多电极对电破碎钻头4重力的作用下始终处于张紧状态；钢丝绳2用于提升和下放多电极对电破碎钻头；控制装置3用于控制液压泵站、进出水泵及排绳装置的启停；多电极对电破碎钻头4包括吊耳4.1、钻头臂外管4.2、绝缘块4.3、高低压电极对4.4、绝缘管4.5、电缆4.6，当脉冲电源5输出电脉冲，其上升沿时间为50ns-500ns，具有多通道的电缆4.6分别与高低压电极对4.4相连，当多通道电火花开关5.4开启，高低压电极对4.4之间产生电压，由于该电源脉冲下，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，脉冲电源上的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，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。多电极对电破碎钻头4具有多电极对，能实现同时沿岩石的不同界面多次放电破碎岩石，提高其破岩效率，多电极对电破碎钻头4电极与岩石间接触为点接触，能量损耗小，绝缘管4.5用于电缆4.6与钻头臂外管4.2完全绝缘隔离，防止漏电或出现电磁串扰，多电极对同时放电能减小对电极绝缘块4.3的烧蚀，降低对绝缘块4.3材料的要求。
脉冲电源5包括工频电经升压后得到的工频电源5.1、两个硅堆整流器5.2、多通道电火花开关5.4、储能电容5.3及高低压电缆对5.5；升压后得到的工频电源具有两个输出端，工频电源的其中一个输出端连接其中一个硅堆整流器5.2的阳极，另一个硅堆整流器5.2、储能电容5.3均并联在所述其中一个硅堆整流器5.2的阴极与升压后的工频电源的另一输出端之间，所述其中一个硅堆整流器5.2的的阴极与所述另一个硅堆整流器5.2阴极连接，多通道电火花开关5.4的每个通道：每个通道分别串联一个高低压电缆对5.5后并连在所述储能电容的两端，各个高低压电缆对分别电性连接所述电缆。220V/380V工频电经升压后得到工频电源5.1，工频电源经硅堆整流器5.2整流后获得直流电，储能电容5.3对直流电进行储存，多通道电火花开关5.4断开，放电回路中的储能电容5.3充电，多通道电火花开关5.4闭合，能量极短的时间内注入到负载中，实现单次脉冲放电，当多通道电火花开关5.4中的多通道开关同时打开，则多电极对电破碎钻头4高低压电极对4.4间同时放电，实现同时多截面破碎岩石。
围压缸组件6包括围压缸6.1、岩石样品6.3、电离水介质6.2，围压缸6.1提供的最大围压为350MPa，能模拟地球10km内的高压环境，电离水介质6.2主要起到高低压电极对4.4的绝缘以及通过电离水介质6.2的循环携带岩屑。
液压泵站7为围压缸6.1提供液压压力。
进出水泵8实现电离水介质6.2的循环。
实验装置铝型材支架9用于支撑液压泵站7、多电极对电破碎钻头4，其采用铝型材搭建，结构简单，可重复利用；
排绳装置10安装在实验装置铝型材支架上，实现钢丝绳2及电缆4.6的下放与回收。
参考图7，其为本发明的高低压脉冲对的结构示意图，所述高低压电极对包括一绝缘环4.4.1，沿绝缘环4.4.1的轴向设置有多个金属辐条4.4.2(图仅标示出一个金属辐条)，各金属辐条沿着绝缘环的环形相对设置，相对的设置的两个金属辐条一个从所述电缆接入正极(+)、一个接入负极(-)，相对的两个金属辐条的末端之间相隔一定距离。
本发明的多电极对电破碎钻头4钻进时，脉冲电源5供电，脉冲电源5具有多通道电火花开关5.4，能输出多通道的电压脉冲，通过电缆4.6传输至高低压电极对4.4，输出多通道电脉冲，其上升沿时间为50ns-500ns，该电源脉冲下，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，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，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，实现多截面破岩钻进，钻进效率高。
实施例2：本发明一种多电极对电破碎钻头及电破碎实验装置，其结构与实施例1相同，进行电脉冲破岩实验时，控制装置3控制液压泵站7给围压缸6.1供油，给岩石样品6.3加围压，控制装置3控制排绳装置10下放钢丝绳2和电缆4.6，多电极对电破碎钻头4下降，控制装置3控制进出水泵8实现电离水介质6.2在围压缸组件6中循环，当多电极对电破碎钻头4与岩石样品6.3接触时，脉冲电源5放电，并进行钻头电极、绝缘材料、钻进参数及多物理场的岩石破碎机理等的实验研究。
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。

Claims (8)

1.一种多电极对电破碎钻头，其特征在于，包括绝缘管，绝缘管上套设有钻头臂外管，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多个高低压电极对，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，高低压电极对均设置于绝缘块上，绝缘块位于所述多电极对电破碎钻头的下端上，将钻头臂外管与各高低压电极对隔离开来。
2.根据权利要求1所述的多电极对电破碎钻头，其特征在于，所述高低压电极对包括一绝缘环，沿所述绝缘环的轴向设置有多个金属辐条，各金属辐条沿着绝缘环的环形相对设置，相对的设置的两个金属辐条一个从所述电缆接入正极、一个接入负极。
3.根据权利要求1所述的多电极对电破碎钻头，其特征在于，所述电脉冲破岩钻头的上端上具有吊耳。
4.一种电破碎实验装置，其特征在于，包括：
如权利要求1-3任一项所述的多电极对电破碎钻头；
排绳装置；
钢丝绳，连接所述多电极对电破碎钻头，以提升和下放所述多电极对电破碎钻头；
导向辊，所述钢丝绳以及所述多电极对电破碎钻头的电缆经过导向辊导向后连接至所述排绳装置；
脉冲电源，用于输出电脉冲，电脉冲上升沿时间为50ns-500ns，所述脉冲电源电性连接所述电缆，具有多通道的电缆分别与各个高低压电极对相连；
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高低压电极对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；
液压泵站，连通所述围压缸组件，为所述围压缸提供液压压力；
进出水泵，连通所述围压缸组件，以实现所述电离水介质的循环；
控制装置，用于控制所述液压泵站、所述进出水泵及所述排绳装置的启停。
5.根据权利要求4所述的电破碎实验装置，其特征在于，还包括：
实验装置铝型材支架，用于支撑所述液压泵站及所述多电极对电破碎钻头，所述排绳装置安装在所述实验装置铝型材支架上，实现钢丝绳及电缆的下放与回收。
6.根据权利要求4所述的电破碎实验装置，其特征在于，所述的脉冲电源包括工频电经升压后得到的工频电源、两个硅堆整流器、多通道电火花开关、储能电容及高低压电缆对；所述升压后得到的工频电源具有两个输出端，升压后的工频电源的其中一个输出端连接其中一个硅堆整流器的阳极，另一个硅堆整流器、储能电容均并联在所述其中一个硅堆整流器的阴极与工频电源的另一输出端之间，所述其中一个硅堆整流器的阴极与所述另一个硅堆整流器阴极连接，多通道电火花开关的每个通道：每个通道分别串联一个高低压电缆对后并连在所述储能电容的两端，各个高低压电缆对分别电性连接所述电缆。
7.根据权利要求4所述的电破碎实验装置，其特征在于，钻进时，所述多电极对电破碎钻头的高低压电极对与岩石样品接触为点-面接触。
8.根据权利要求4所述的电破碎实验装置，其特征在于，多电极对电破碎钻头采用多高低压电极对放电破碎。
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