一種高壓脈衝動力錘鑽具的製作方法

2023-12-10 12:26:47 1

本實用新型涉及地質與油氣勘探開發等鑽井工具領域，尤其是一種高壓脈衝動力錘鑽具。

背景技術：

近幾年來，液動衝擊迴轉鑽進技術在鑽井的孔深、孔徑、鑽井效率和鑽頭壽命等方面取得不錯的進步，被廣泛應用於不同的地層和不同地質勘探以及工程勘探中，效果顯著，但是也存在一些缺陷。由於高壓液流為動力錘的動力，推動衝錘進行往復運動，因此隨著鑽進地層的加深，對泵壓的要求也逐漸增大。泵壓不僅要克服衝擊器和沿程阻力，還需滿足動力錘的工作要求，只有達到一定的泵壓，動力錘才能開始工作。

水中高壓脈衝放電是指將充入電容器中的高電壓通過水中脈衝放電形成等離子體貫通通道，放電通道在內部高溫高壓的作用下向外膨脹，形成強大的衝擊波，實現了電能到機械能的轉換，也叫做液電效應。近幾年來，高壓脈衝等離子體技術被逐漸應用到巖石破碎，具有一定的成果，但是也有一些缺陷。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種高壓脈衝動力錘鑽具。

本實用新型包括井底高壓脈衝動力裝置和動力錘；

所述的井底高壓脈衝動力裝置包括外殼、上端蓋、高壓脈衝發生腔、下端蓋和空心腔；外殼體主體為圓柱形，外殼體上端和下端設置上接頭和下接頭，上接頭和下接頭分別具有內螺紋和外螺紋，外殼上端兩側設有正極接線柱和負極接線柱，高壓正電極電纜和負電極電纜分別從接線柱接出到地面高壓脈衝電源，外殼下端設置臺階，用於安置上部結構；所述的上端蓋為具有凸臺的圓板結構，並設有中心孔和和環形通孔，鑽進液通過環形通孔從鑽杆進入高壓脈衝發生腔，凸臺上部安裝單向閥；所述的單向閥由單向閥體、密封圈和彈簧組成，單向閥體在鑽井液壓力的作用下向下移動將入口打開，使鑽進液流入；所述的下端蓋為平板狀，在下端蓋中心設有與高壓正電極和上端蓋安裝的中心孔，中心孔周圍為環狀的通孔，作為高壓的鑽進液流體流出通道，固定於外殼的臺階上；

所述的高壓脈衝發生腔包括第一絕緣隔環、第二絕緣隔環、第三絕緣隔環、高壓正電極、負電極、絕緣隔套，第一絕緣隔環、第二絕緣隔環、第三絕緣隔環的環狀結構設有凹槽與中心孔，高壓正電極為中空的金屬管，絕緣隔套為帶有中心孔的圓柱形結構，負電極為薄壁筒結構；下端蓋頂表面從下往上依次安置中心軸、第二絕緣隔環、絕緣隔套、高壓正電極、負電極、第三絕緣隔環和第一絕緣隔環，高壓正電極通過第二絕緣隔環和第三絕緣隔環的凹槽固定，負電極通過絕緣隔套和第三絕緣隔環固定，第三絕緣隔環和絕緣隔套通過上端蓋、下端蓋與中心軸壓緊，高壓正電極和負電極之間留有極間間隙，產生高壓等離子體；所述的空心腔為外殼的下端蓋下表面到外殼的下接頭之間預留的鑽井液流動空間；所述的外殼體、上端蓋和下端蓋為不鏽鋼材料；所述的第一絕緣隔環、第二絕緣隔環、第三絕緣隔環、絕緣隔套為玻璃纖維尼龍材料；所述的中心軸為尼龍材料，中心軸上端和下端具有螺紋並用螺栓將其與上端蓋與下端蓋固定；所述的高壓正電極與負電極為不鏽鋼材料。

所述的動力錘包括外殼、鐵砧、活塞衝錘彈簧，動力錘使用井底高壓脈衝動力裝置產生的高壓脈衝水力衝擊波作為工作動力，不斷地對巖石施加衝擊載荷。

本實用新型在鑽進工程中，將鑽杆與地面鑽進設備連接，通過高壓電極電纜和負極電纜將高強度脈衝電壓加載到井底高壓脈衝動力裝置，在井下與動力錘和鑽頭相連接，將電纜與地面脈衝電源和蓄能器相連接。

本實用新型具有以下優點：

(1)當該高壓脈衝動力錘鑽具用於鑽井時，其通過高壓擊穿作用產生的等離子體具有高溫高壓的特點，與此同時等離子通道向外擴展對周圍的鑽井液壓縮形成壓力衝擊波，直接通入動力錘，滿足動力錘工作時對高壓液流需要，同時動力錘的衝擊頻率與衝擊功也會隨著泵壓的增加而增大。

(2)脈衝放電電極採用同軸結構，有效地避免了放電間距的不穩定。

(3)鑽進較深的地層時，降低對泥漿泵的要求，入口通入鑽井液壓力減小，減少壓力的沿程損失，提高鑽進效率，降低鑽進成本。

(4)適用於多種類型的動力錘，滿足鑽進地層的要求。

附圖說明

圖1為本實用新型結構示意圖。

圖2為井底高壓脈衝動力裝置結構示意圖。

圖3為井底高壓脈衝裝置的上端蓋結構示意圖。

圖4為井底高壓脈衝裝置的絕緣隔環結構示意圖。

圖5為井底高壓脈衝裝置的絕緣隔環結構示意圖。

圖6為井底高壓脈衝裝置的絕緣隔套結構示意圖。

圖7為井底高壓脈衝裝置的下端蓋結構示意圖。

圖8為本實用新型工作示意圖。

圖中：1-鑽杆，2-井底高壓脈衝動力裝置，3-密封圈，4-彈簧，5-負極接線柱，6-第一螺栓，26-第二螺栓，7-中心軸，8-上端蓋，9-第一絕緣隔環、12-第二絕緣隔環，21-第三絕緣隔環，11-負電極電纜，13-通孔，14-空心腔，15-下接頭，16-上接頭，17-正極接線柱，18-高壓正電極電纜，19-上端蓋通孔，20-上端蓋中心孔，22-高壓正電極，23-負電極，24-絕緣隔套，25-下端蓋，27-下端蓋中心孔，28-外殼，29-動力錘，30-鑽頭，31-鑽井液流動通道，32-鑽進地層，33-單向閥體。

具體實施方式

如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，本實用新型包括井底高壓脈衝動力裝置2和動力錘29；

所述的井底高壓脈衝動力裝置2包括外殼28、上端蓋8、高壓脈衝發生腔、下端蓋25和空心腔14；外殼體28主體為圓柱形，外殼體28上端和下端設置上接頭16和下接頭15，上接頭16和下接頭15分別具有內螺紋和外螺紋，外殼28上端兩側設有正極接線柱17和負極接線柱5，高壓正電極電纜18和負電極電纜11分別從接線柱接出到地面高壓脈衝電源，外殼28下端設置臺階，用於安置上部結構；所述的上端蓋8為具有凸臺的圓板結構，並設有中心孔20和和環形通孔19，鑽進液通過環形通孔19從鑽杆進入高壓脈衝發生腔，凸臺上部安裝單向閥；所述的單向閥由單向閥體33、密封圈3和彈簧4組成，單向閥體33在鑽井液壓力的作用下向下移動將入口打開，使鑽進液流入；所述的下端蓋為25平板狀，在下端蓋25中心設有與高壓正電極22和上端蓋8安裝的中心孔27，中心孔27周圍為環狀的通孔13，作為高壓的鑽進液流體流出通道，固定於外殼28的臺階上；

所述的高壓脈衝發生腔包括第一絕緣隔環9、第二絕緣隔環12、第三絕緣隔環21、高壓正電極22、負電極23、絕緣隔套24，第一絕緣隔環9、第二絕緣隔環12、第三絕緣隔環21的環狀結構設有凹槽與中心孔，高壓正電極22為中空的金屬管，絕緣隔套24為帶有中心孔的圓柱形結構，負電極23為薄壁筒結構；下端蓋25頂表面從下往上依次安置中心軸7、第二絕緣隔環12、絕緣隔套24、高壓正電極22、負電極23、第三絕緣隔環21和第一絕緣隔環9，高壓正電極22通過第二絕緣隔環12和第三絕緣隔環21的凹槽固定，負電極23通過絕緣隔套24和第三絕緣隔環21固定，第三絕緣隔環21和絕緣隔套24通過上端蓋8、下端蓋25與中心軸7壓緊，高壓正電極22和負電極23之間留有極間間隙10，產生高壓等離子體；所述的空心腔14為外殼28的下端蓋25下表面到外殼28的下接頭15之間預留的鑽井液流動空間；所述的外殼體28、上端蓋8和下端蓋25為不鏽鋼材料；所述的第一絕緣隔環9、第二絕緣隔環12、第三絕緣隔環21、絕緣隔套24為玻璃纖維尼龍材料；所述的中心軸7為尼龍材料，中心軸7上端和下端具有螺紋並用螺栓將其與上端蓋8與下端蓋25固定；所述的高壓正電極22與負電極23為不鏽鋼材料。

所述的動力錘29包括外殼、鐵砧、活塞衝錘彈簧，動力錘29使用井底高壓脈衝動力裝置產生的高壓脈衝水力衝擊波作為工作動力，不斷地對巖石施加衝擊載荷。

本實用新型的工作過程如下：

如圖8所示，在鑽進工程中，將高壓脈衝動力錘鑽具與鑽頭30相連接，通過高壓正極電纜18和負極電纜11將裝置與地面脈衝電源及其他設備相連接。地面脈衝電源產生的高強度電壓通過高壓正電極電纜18加載到高壓正電極22和負電極23。鑽井液從地表通過泥漿泵經由鑽杆1通入井底高壓脈衝動力裝置2，首先單向閥體33在鑽井液壓力的作用下向下移動，裝置入口打開，鑽井液通過上端蓋通孔19、第一絕緣隔環9和第二絕緣隔環21進入極間間隙10，在高電壓的作用下，放電電極之間產生高壓等離子體，使得放電迴路導通，電容器儲能的快速釋放造成極間間隙10內的壓力、溫度急劇升高，由於等離子體具有高密度存儲能和高膨脹效應的性質，使得放電通道迅速向外膨脹，在水介質中形成水中衝擊波，進入空心腔14中，並通過下端蓋通孔13進入動力錘29中，當高壓鑽井液進入動力錘29後，首先作用於動力錘29的衝錘的下部，使得衝錘克服自身重力和彈簧的壓縮力向上運動，同時彈簧儲存能量，鐵砧的液流出口被打開，當衝錘上升到頂點時，工作室的壓力降低，衝錘在自身重力和彈簧壓縮能的作用下向下運動，衝擊鐵砧，並傳遞到鑽頭30上，實現對巖石的破碎；在產生衝擊作用的同時，衝錘將砧的流體出口關閉，工作室壓力升高，衝錘再次進行往復工作，鑽井液從鑽進地層32與鑽杆1的鑽井液流動通道31返回到地表。

在施工過程中，可以鑽進過程的具體要求使用不同的動力錘，滿足工況的需求。