CN110644929B - 一种电脉冲钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电脉冲钻头，包括：分别用于与电脉冲发生器相连的高压电极和低压电极；用于设置高压电极的连接杆，高压电极通过电极接头与连接杆可拆卸连接，以便于更换不同的高压电极；用于设置低压电极的套筒，低压电极可拆卸的设于套筒上，以便于更换不同的低压电极；设于连接杆和套筒之间、用于使高压电极和低压电极绝缘的绝缘套管。该电脉冲钻头利用高压电极和低压电极脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应使岩石产生破碎，无需钻头旋转，钻头不易磨损；采用脉冲放电的能量进行破岩，受岩石硬度等外在因素的影响较小，施工效率高。且可通过更换不同的高压电极和低压电极，使电脉冲钻头适应不同的凿岩及钻进需求。

Description

一种电脉冲钻头

技术领域

本发明涉及破岩及钻进装置技术领域，更具体地说，涉及一种电脉冲钻头。

背景技术

现有技术中常用的岩石破碎方法是机械旋转破岩法，也即，通过驱动钻头机械旋转，使钻头与岩石接触，通过钻头旋转时的切削力达到破岩和钻进的目的。

然而，随着人类对资源开采的深度和广度的加深，使得破岩的地质条件日益复杂化，例如，在未来原油、天然气及地热能的获取中，需要打深井或超深井等非常规井，使得岩石破碎的难度逐渐加大，在破岩钻进过程中，机械破岩工作方式的掘进效率常常受到岩石硬度等外在因素的影响，尤其是在极端条件下，不仅掘进速度异常缓慢，而且机械钻头损坏几率也大大提高，需要频繁更换钻头，不仅进一步影响了施工进度，还增加了施工成本。

因此，如何提供一种施工效率高且钻头不易损坏的钻头，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电脉冲钻头，施工效率高，且钻头不易损坏。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电脉冲钻头，包括：

分别用于与电脉冲发生器相连的高压电极和低压电极；

用于设置所述高压电极的连接杆，所述高压电极通过电极接头与所述连接杆可拆卸连接，以便于更换不同的所述高压电极；

用于设置所述低压电极的套筒，所述低压电极可拆卸的设于所述套筒上，以便于更换不同的所述低压电极；

设于所述连接杆和所述套筒之间、用于使所述高压电极和所述低压电极绝缘的绝缘套管。

优选地，所述高压电极包括：

与所述电极接头相连的中心破碎卡紧接头；

设于所述中心破碎卡紧接头外周部的若干个高压电极触手。

优选地，所述电极接头包括：

用于与所述连接杆螺纹连接的第一外螺纹柱；

与所述第一外螺纹柱相连且用于与所述高压电极相连的连接盘。

优选地，所述中心破碎卡紧接头包括：

与所述连接盘螺纹连接的第二外螺纹柱；

固设于所述第二外螺纹柱外周部的卡板，所述高压电极触手卡设于所述卡板与所述连接盘之间的缝隙内。

优选地，所述连接盘与所述连接杆之间设有碟簧。

优选地，所述低压电极包括若干个低压电极触手，所述套筒设有用于与所述低压电极触手螺纹连接的第三螺纹孔。

优选地，所有所述高压电极触手分布的轴线与所有所述低压电极触手分布的轴线共线设置，所有所述高压电极触手和所有所述低压电极触手形成环形间隙。

优选地，所述套筒可导电，所述套筒远离所述低压电极的一端设有用于连接低压缆线的螺钉，所述低压缆线用于与电脉冲发生器相连。

优选地，所述连接杆可导电，所述连接杆远离所述高压电极的一端与高压缆线相连，所述高压缆线用于与电脉冲发生器相连。

优选地，所述绝缘套管包括：

设于所述连接杆和所述套筒之间的第一绝缘套管，所述第一绝缘套管远离所述高压电极的一端设有第三外螺纹柱；

套设于所述第一绝缘套管外周部的第二绝缘套管，所述第二绝缘套管的一端与所述套筒远离所述低压电极的一端相抵，所述第二绝缘套管的另一端通过与所述第三外螺纹柱螺纹连接的绝缘螺母压设在所述第一绝缘套管的端部，所述绝缘螺母与所述第二绝缘套管之间设有绝缘平垫。

本发明提供的电脉冲钻头，使用时，利用高压电极和低压电极脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应使岩石产生破碎，相比于现有技术采用机械旋转式破岩的钻头，该电脉冲钻头无需旋转即可实现破岩，钻头不易磨损；且采用脉冲放电的能量进行破岩，相比于通过钻头旋转产生的切削力进行破岩，该电脉冲钻头受岩石硬度等外在因素的影响较小，能够保证打深井或超深井等非常规井以及极端条件下破岩难度较大时的施工效率。

进一步地，由于高压电极通过电极接头与连接杆可拆卸连接，低压电极与套筒可拆卸连接，因此，可保证高压电极和低压电极的拆卸更换，从而可以通过更换不同的高压电极和低压电极，使不同的高压电极和低压电极配合，以通过灵活调整高压电极和低压电极，来使电脉冲钻头适应不同的实际凿岩及钻进需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例所提供的电脉冲钻头的剖视图；

图2为图1中高压电极和电极接头装配后的结构示意图；

图3为图1中套筒与低压电极装配后的结构示意图。

图1至图3中的附图标记如下：

1为高压电极、11为电极接头、111为第一外螺纹柱、112为连接盘、12为中心破碎卡紧接头、13为高压电极触手、14为碟簧、2为低压电极、21为低压电极触手、3为连接杆、31为紧固螺母、4为套筒、41为螺钉、5为绝缘套管、51为第一绝缘套管、52为第二绝缘套管、53为绝缘螺母、54为绝缘平垫。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种电脉冲钻头，施工效率高，且钻头不易损坏。

请参考图1-图3，图1为本发明具体实施例所提供的电脉冲钻头的剖视图；图2为图1中高压电极和电极接头装配后的结构示意图；图3为图1中套筒与低压电极装配后的结构示意图。

本发明提供一种电脉冲钻头，包括高压电极1、低压电极2、连接杆3、套筒4和绝缘套管5，高压电极1设于连接杆3上，低压电极2设于套筒4上，绝缘套管5设于连接杆3和套筒4之间。

具体地，高压电极1和低压电极2分别用于与电脉冲发生器的正负极相连，以在电脉冲发生器充放电的过程中，利用脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应使岩石产生破碎。

可以理解的是，高压电极1和低压电极2之间具有一定的间隙，使用时，高压电极1和低压电极2分别与岩石接触，在电脉冲发生器的作用下，高压电极1和低压电极2之间产生脉冲放电，使位于高压电极1和低压电极2之间的岩石产生裂纹直至破碎，而位于高压电极1和低压电极2之间区域之外的部分则不会产生电脉冲效应。因此，本领域技术人员可以通过高压电极1和低压电极2的分布来使两者之间具有合适的间距，从而实现破岩和钻进的实际需求。

需要说明的是，本发明对高压电极1和低压电极2的具体结构及形状以及高压电极1和低压电极2之间的相对位置关系不做限定，只要能够满足实际破岩及钻进需求即可。

例如，高压电极1可以为柱状结构，低压电极2可以为设于高压电极1外周部的圆环结构，柱状结构的外周部与圆环结构的内周部围成圆环形的间隙区域，通过高压电极1和低压电极2的脉冲放电，使圆环形的间隙区域内的岩石破碎，实现破岩和钻进等。

当然，高压电极1和低压电极2可以为交错设置且径向发散的翼片，通过任意相邻的高压电极1翼片和低压电极2翼片之间的脉冲放电使两个翼片之间的岩石破碎。

当然，高压电极1和低压电极2也可以为交错设置的爪状结构，也即，任意相邻两个高压电极1爪之间设有一个低压电极2爪。

优选地，高压电极1和低压电极2为圆柱形、扁形、爪状、树杈状或多分枝状等适合尖端放电的结构。

高压电极1和低压电极2之间间隙的大小可以根据实际凿岩尺寸及钻进尺寸来设定。

高压电极1和低压电极2可以为4140不锈钢质电极、高强度碳钢质电极或超合金质电极等，只要具有较高的韧性及耐磨性即可。

连接杆3用于设置高压电极1，对高压电极1起到固定和支撑的作用，考虑到高压电极1更换的方便性，高压电极1通过电极接头11与连接杆3可拆卸连接，以便于根据实际需求更换不同的高压电极1。

套筒4用于设置低压电极2，对低压电极2起到固定和支撑的作用，考虑到低压电极2更换的方便性，低压电极2可拆卸的设于套筒4上，以便于根据实际需求更换不同的低压电极2。

绝缘套管5设于连接杆3和套筒4之间，用于实现高压电极1和低压电极2的绝缘隔离，使高压电极1和低压电极2只在与岩石接触时通过两者之间的岩石进行脉冲放电。

由此可以看出，本发明提供的电脉冲钻头，使用时，利用高压电极1和低压电极2脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应使岩石产生破碎，相比于现有技术采用机械旋转式破岩的钻头，该电脉冲钻头无需旋转即可实现破岩，钻头不易磨损；且采用脉冲放电的能量进行破岩，相比于通过钻头旋转产生的切削力进行破岩，该电脉冲钻头受岩石硬度等外在因素的影响较小，能够保证打深井或超深井等非常规井以及极端条件下破岩难度较大时的施工效率。

进一步地，由于高压电极1通过电极接头11与连接杆3可拆卸连接，低压电极2与套筒4可拆卸连接，因此，可保证高压电极1和低压电极2的拆卸更换，从而可以通过更换不同的高压电极1和低压电极2，使不同的高压电极1和低压电极2配合，以通过灵活调整高压电极1和低压电极2，来使电脉冲钻头适应不同的实际凿岩及钻进需求。

考虑到高压电极1具体结构的实现，在上述实施例的基础之上，高压电极1包括中心破碎卡紧接头12和若干个高压电极触手13，中心破碎卡紧接头12与电极接头11相连，以实现高压电极1与电极接头11的固定；若干个高压电极触手13设于中心破碎卡紧接头12的外周部。

需要说明的是，中心破碎卡紧接头12用于破碎中心部位的岩石，若干个高压电极触手13用于破碎中心部位附近的岩石，优选地，若干个高压电极触手13沿中心破碎卡紧接头12的外周部周向均匀分布。也即，本实施例中，中心破碎卡紧接头12和若干个高压电极触手13共同形成高压电极1，以与低压电极2配合作用实现脉冲放电破岩。

可以理解的是，本实施例可以通过在中心破碎卡紧接头12的外周部设置不同数量、不同形状以及不同分布的高压电极触手13，来形成不同的高压电极1。

考虑到电极接头11的具体结构，在上述实施例的基础之上，电极接头11包括第一外螺纹柱111和与第一外螺纹柱111相连的连接盘112，第一外螺纹柱111用于与连接杆3螺纹连接，连接盘112用于与高压电极1相连，从而可实现高压电极1与连接杆3的可拆卸连接。

具体地，连接杆3设有用于与第一外螺纹柱111螺纹配合连接的第一螺纹孔，通过第一外螺纹柱111与第一螺纹孔的螺纹配合连接，实现电极接头11与连接杆3的可拆卸连接。因此，在更换高压电极1时，只需要将电极接头11的第一外螺纹柱111从连接杆3的第一螺纹孔中旋拧出即可。

连接盘112与第一外螺纹柱111相连，连接盘112与第一外螺纹柱111可以为一体成型结构，也可以为相互固定连接的两个分体结构，优选地，连接盘112与第一外螺纹柱111形成T形结构。

考虑到高压电极1更换的方便性，在上述实施例的基础之上，中心破碎卡紧接头12包括第二外螺纹柱和固设于第二外螺纹柱外周部的卡板，高压电极触手13卡设于卡板与连接盘112之间的缝隙内。

具体地，第二外螺纹柱与连接盘112螺纹连接，也即，连接盘112设有用于与第二外螺纹柱螺纹配合连接的第二螺纹孔，以通过第二外螺纹柱与第二螺纹孔的螺纹配合连接，实现高压电极1与电极接头11的可拆卸连接，从而在更换高压电极1时，只需要将高压电极1的第二外螺纹柱从连接盘112上的第二螺纹孔中旋拧出即可。

可以理解的是，通过调整第二外螺纹柱与连接盘112螺纹连接的长度，可以调节卡板与连接盘112之间的间隙，从而可以实现高压电极触手13的灵活拆卸，进而可以通过替换不同结构和数目的高压电极触手13，来实现高压电极1与低压电极2间距的调整。例如，可以更换与中心破碎卡紧接头12具有不同角度的高压电极触手13，来调节高压电极1与低压电极2的间距。

为了使高压电极1与岩石能够充分接触，在上述各个实施例的基础之上，连接盘112与连接杆3之间设有碟簧14。

可以理解的是，本实施例通过在连接盘112与连接杆3之间设置碟簧14，来实现高压电极触手13与岩石的柔性接触，使高压电极触手13更好的压向岩石。

需要说明的是，本发明对碟簧14的具体数量不做限定，碟簧14的数量可以为一个，也可以为至少两个。

在上述各个实施例的基础之上，低压电极2包括若干个低压电极触手21，套筒4设有用于与低压电极触手21螺纹连接的第三螺纹孔。

也就是说，本实施例中的各个低压电极触手21的一端均设有外螺纹，通过外螺纹直接与第三螺纹孔进行螺纹配合连接，实现低压电极触手21与套筒4的可拆卸连接，从而可以根据需要灵活调节低压电极触手21的数目及形状。

考虑到高压电极触手13和低压电极触手21的分布情况，作为一种优选方案，在上述实施例的基础之上，所有高压电极触手13分布的轴线与所有低压电极触手21分布的轴线共线设置，所有高压电极触手13和所有低压电极触手21形成环形间隙。

也就是说，本实施例中，所有高压电极触手13和所有低压电极触手21形成多个高低压电极2对，以使位于高压电极触手13和低压电极触手21之间的岩石充分破碎。

考虑到低压电极2与电脉冲发生器连接的方便性，在上述实施例的基础之上，套筒4可导电，套筒4远离低压电极2的一端设有用于连接低压缆线的螺钉41，低压缆线用于与电脉冲发生器相连。

也就是说，本实施例通过将套筒4设置成导电件，并通过螺钉41使套筒4与低压缆线相连，最终实现低压电极2与低压缆线的连接，避免在套筒4内部开设用于铺设低压缆线的缆线通道。

考虑到高压电极1与电脉冲发生器连接的方便性，在上述实施例的基础之上，连接杆3可导电，连接杆3远离高压电极1的一端与高压缆线相连，高压缆线用于与电脉冲发生器相连。

也就是说，本实施例通过将连接杆3设置成导电件，通过连接杆3与高压缆线的连接，最终实现高压电极1与高压缆线的连接，避免在连接杆3上开设用于铺设高压缆线的缆线通道。

考虑到绝缘套管5的具体结构及装配需求，在上述各个实施例的基础之上，绝缘套管5包括第一绝缘套管51和第二绝缘套管52，第一绝缘套管51设于连接杆3和套筒4之间，第二绝缘套管52套设于第一绝缘套管51的外周部，第二绝缘套管52的一端与套筒4远离低压电极2的一端相抵，第一绝缘套管51远离高压电极1的一端设有第三外螺纹柱，第二绝缘套管52的另一端通过与第三外螺纹柱螺纹连接的绝缘螺母53压设在第一绝缘套管51的端部，绝缘螺母53与第二绝缘套管52之间设有绝缘平垫54。

进一步地，连接杆3远离高压缆线的一端设有外螺纹，与该外螺纹配合的紧固螺母31用于实现第一绝缘套管51与连接杆3的固定。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的电脉冲钻头进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电脉冲钻头，其特征在于，包括：

分别用于与电脉冲发生器相连的高压电极(1)和低压电极(2)；

用于设置所述高压电极(1)的连接杆(3)，所述高压电极(1)通过电极接头(11)与所述连接杆(3)可拆卸连接，以便于更换不同的所述高压电极(1)；

用于设置所述低压电极(2)的套筒(4)，所述低压电极(2)可拆卸的设于所述套筒(4)上，以便于更换不同的所述低压电极(2)；

设于所述连接杆(3)和所述套筒(4)之间、用于使所述高压电极(1)和所述低压电极(2)绝缘的绝缘套管(5)；

其中，所述高压电极(1)包括：

与所述电极接头(11)相连的中心破碎卡紧接头(12)；

设于所述中心破碎卡紧接头(12)外周部的若干个高压电极触手(13)；

所述电极接头(11)包括：

用于与所述连接杆(3)螺纹连接的第一外螺纹柱(111)；

与所述第一外螺纹柱(111)相连且用于与所述高压电极(1)相连的连接盘(112)；

所述中心破碎卡紧接头(12)包括：

与所述连接盘(112)螺纹连接的第二外螺纹柱；

固设于所述第二外螺纹柱外周部的卡板，所述高压电极触手(13)卡设于所述卡板与所述连接盘(112)之间的缝隙内。

2.根据权利要求1所述的电脉冲钻头，其特征在于，所述连接盘(112)与所述连接杆(3)之间设有碟簧(14)。

3.根据权利要求1或2所述的电脉冲钻头，其特征在于，所述低压电极(2)包括若干个低压电极触手(21)，所述套筒(4)设有用于与所述低压电极触手(21)螺纹连接的第三螺纹孔。

4.根据权利要求3所述的电脉冲钻头，其特征在于，所有所述高压电极触手(13)分布的轴线与所有所述低压电极触手(21)分布的轴线共线设置，所有所述高压电极触手(13)和所有所述低压电极触手(21)形成环形间隙。

5.根据权利要求3所述的电脉冲钻头，其特征在于，所述套筒(4)可导电，所述套筒(4)远离所述低压电极(2)的一端设有用于连接低压缆线的螺钉(41)，所述低压缆线用于与电脉冲发生器相连。

6.根据权利要求5所述的电脉冲钻头，其特征在于，所述连接杆(3)可导电，所述连接杆(3)远离所述高压电极(1)的一端与高压缆线相连，所述高压缆线用于与电脉冲发生器相连。

7.根据权利要求3所述的电脉冲钻头，其特征在于，所述绝缘套管(5)包括：

设于所述连接杆(3)和所述套筒(4)之间的第一绝缘套管(51)，所述第一绝缘套管(51)远离所述高压电极(1)的一端设有第三外螺纹柱；

套设于所述第一绝缘套管(51)外周部的第二绝缘套管(52)，所述第二绝缘套管(52)的一端与所述套筒(4)远离所述低压电极(2)的一端相抵，所述第二绝缘套管(52)的另一端通过与所述第三外螺纹柱螺纹连接的绝缘螺母(53)压设在所述第一绝缘套管(51)的端部，所述绝缘螺母(53)与所述第二绝缘套管(52)之间设有绝缘平垫(54)。

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