專利名稱：鉆井桿及脈沖等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于油氣勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種用于巖石破碎從而實(shí)現(xiàn)鉆井的脈沖等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著全球油氣需求的快速增長(zhǎng)和陸上油氣資源危機(jī)問題的日漸突出，海洋油氣資源的勘探和開發(fā)變得至關(guān)重要。研制先進(jìn)的鉆井設(shè)備開發(fā)我國海洋領(lǐng)域巨大寶貴資源，是我國油氣戰(zhàn)略的迫切要求。傳統(tǒng)的鉆井方法有機(jī)械鉆孔法和常規(guī)爆破法。機(jī)械鉆孔法利用鉆具對(duì)巖石的沖擊和剪切作用產(chǎn)生應(yīng)力破壞，該方法有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，破碎巖石速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是在對(duì)硬巖破碎時(shí)鉆具易磨損，能耗高。爆破法是利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能造成巖石的破碎，具有爆破速度快，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是存在破碎擾動(dòng)大，有害化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生，孔型不規(guī)整等缺點(diǎn)。一些新興的巖石鉆井方法不斷地開發(fā)出來。超聲波法是利用高頻率低振幅往復(fù)振動(dòng)的鉆具引起巖石的破碎，該方法只對(duì)脆性的巖石才有效。電子束破法是利用高能電子束的熱作用達(dá)到巖石破碎的目的，但高能電子束加速器價(jià)格昂貴，使用不是很方便?？栈淞鞣ㄊ抢脷馀轁绠a(chǎn)生的沖擊力和高壓水頭的沖擊力破碎巖石，具有安全、清潔和高效等特點(diǎn)，但對(duì)噴嘴的要求和設(shè)備的工藝要求較高。利用脈沖等離子體實(shí)現(xiàn)快速巖石快速鉆井是近年來開發(fā)的一種技術(shù)。在百納秒上升沿的高壓短脈沖作用下，巖石的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)小于水和變壓器油的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)。以水或變壓器油為絕緣介質(zhì)，在巖石的表面放置一對(duì)或多對(duì)高接地電極，在加載高壓脈沖后，可以實(shí)現(xiàn)巖石的有效擊穿。目前俄羅斯、歐共體、日本和美國等國家和地區(qū)都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)。2007年3月成立的Badger Plasma Technology是一家專門開發(fā)和經(jīng)營脈沖等離子體鉆井技術(shù)的公司。現(xiàn)有已開發(fā)出的脈沖等離子體鉆井技術(shù)中，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)可鉆性差，不能夠?qū)崿F(xiàn)深度的鉆井。以MacGregor等的美國專利文獻(xiàn)US2005/0140688A1為例，鉆機(jī)的進(jìn)水管和出水管固定在鉆頭電極上，利用鉆頭電極連接件將鉆頭電極和高壓脈沖傳輸線連接在一起并利用鉆頭電極連接件的重力使鉆頭電極與巖石保持接觸。該類裝置無鉆頭電極的進(jìn)鉆校正裝置，僅靠鉆頭電極連接件的重力并不能保證鉆頭電極能夠豎直下鉆，在有外界擾動(dòng)的情況下，鉆頭電極可能會(huì)偏離豎直方向，一旦出現(xiàn)這種情況，鉆頭電極將出現(xiàn)“卡死”的情況而不能正常工作。由于進(jìn)水管和出水管沒有支撐結(jié)構(gòu)，當(dāng)鉆井到達(dá)一定深度時(shí)，水管因重力作用而坍塌，鉆機(jī)不能夠持續(xù)地工作。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種利用高壓脈沖放電破碎巖石實(shí)現(xiàn)快速鉆井的鉆井桿和脈沖等尚子體鉆機(jī)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案如下[0008]本實(shí)用新型鉆井桿包括至少一個(gè)鉆井桿單元，每個(gè)鉆井桿單元包括至少兩個(gè)開合式支撐環(huán)和連接桿，所述支撐環(huán)設(shè)有電纜通孔、排水管通孔和連接桿通孔，通過貫穿相鄰兩個(gè)支撐環(huán)的對(duì)應(yīng)連接桿通孔的所述連接桿而將相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)固定連接在一起；各鉆井桿單元依次連接，且相鄰兩個(gè)鉆井桿單元的相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)固定連接。本實(shí)用新型脈沖等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)包括鉆井機(jī)構(gòu)、高壓脈沖電源、高壓低波阻抗同軸水電纜、水循環(huán)裝置和用于向巖石放電的鉆頭電極；所述鉆頭電極包括高壓電極和接地電極；所述高壓低波阻抗同軸水電纜由內(nèi)向外依次包含有同軸設(shè)置的進(jìn)水管、中心導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)、外層導(dǎo)體和護(hù)套；所述高壓脈沖電源的高壓輸出端子與高壓低波阻抗同軸水電纜的中心導(dǎo)體的輸入端電連接，高壓脈沖電源的低壓輸出端子與高壓低波阻抗同軸水電纜的外層導(dǎo)體的輸入端電連接；所述水循環(huán)裝置包括能夠獲得去離子水的水凈化裝置、儲(chǔ)液槽、進(jìn)水泵、出水泵和排水管，儲(chǔ)液槽的進(jìn)水口與水凈化裝置的出水口連通，儲(chǔ)液槽的出水口與進(jìn)水泵的進(jìn)水口連通，進(jìn)水泵的出水口與高壓低波阻抗同軸水電纜的進(jìn)水管的進(jìn)水口連通，出水泵的進(jìn)水口與排水管的出水口連通，出水泵的出水口與水凈化裝置的進(jìn)水口連通；所述鉆井機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、所述鉆井桿、重力壓盤、至少兩個(gè)導(dǎo)向桿、上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、第一定滑輪、第二定滑輪、第三定滑輪和絞車，第一定滑輪、第二定滑輪、第三定滑輪、 導(dǎo)向桿、上限位開關(guān)和下限位開關(guān)固定于機(jī)架上；重力壓盤設(shè)有使高壓低波阻抗同軸水電纜和排水管通過的通孔，重力壓盤置于所述鉆井桿的頂部，絞車的纜繩的一端經(jīng)由第三定滑輪后與重力壓盤固定連接，導(dǎo)向桿穿過重力壓盤；上限位開關(guān)和下限位開關(guān)用于限制重力壓盤上、下運(yùn)動(dòng)的行程，重力壓盤在自身重力作用下能夠沿著導(dǎo)向桿向下滑移至下限位開關(guān)而停止，而利用絞車的纜繩可將重力壓盤沿導(dǎo)向桿提升至上限位開關(guān)而停止，從而使得重力壓盤在上限位開關(guān)和下限位開關(guān)之間作上下往復(fù)移動(dòng)；所述高壓低波阻抗同軸水電纜經(jīng)由第一定滑輪后由上至下依次穿過重力壓盤、鉆井桿的各支撐環(huán)上所設(shè)置的電纜通孔，高壓低波阻抗同軸水電纜的中心導(dǎo)體的輸出端與高壓電極電連接，高壓低波阻抗同軸水電纜的外層導(dǎo)體的輸出端與接地電極電連接；所述排水管經(jīng)由第二定滑輪后由上至下依次穿過重力壓盤、鉆井桿的各支撐環(huán)上設(shè)置的排水管通孔，排水管的進(jìn)水端與接地電極固定連接，高壓電極與接地電極之間的空腔與排水管的進(jìn)水口連通，鉆井桿的底部與接地電極的上端部固定連接；所述進(jìn)水管與高壓電極與接地電極之間的空腔連通，且進(jìn)水管中的去離子水能夠流入到高壓電極與接地電極之間的空腔內(nèi)。進(jìn)一步地,本實(shí)用新型所述去離子水的電導(dǎo)率小于等于100yS/cm。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述高壓脈沖電源輸出的峰值電壓為30 IOOkV,脈沖的上升前沿小于100ns，脈沖的寬度小于5μ S，脈沖頻率10 300Hz，單次脈沖能量為10 300J。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益的效果是(I)通過使用剛性的鉆井桿，將高壓低波阻抗同軸水電纜和進(jìn)水管固定其中，避免了傳統(tǒng)等離子體鉆機(jī)在深度鉆井時(shí)會(huì)出現(xiàn)的水管和纜線塌陷等問題。(2)通過改變串聯(lián)的鉆井桿單元的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)鉆井桿的長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)不同深度的鉆井。由于鉆進(jìn)桿單元中的支撐環(huán)是可開合的結(jié)構(gòu)，從而整個(gè)鉆井桿單元亦為可開合的結(jié)構(gòu)，由此，當(dāng)需要增加鉆井桿單元的個(gè)數(shù)時(shí)，只要打開鉆井桿單元，將纜線和水管固定好后，合攏鉆井桿單元，將新增加的鉆井桿單元與原鉆井桿單元固定在一起即可，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接可靠，并且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。(3)重力壓盤沿導(dǎo)向桿下降，重力壓盤將重力負(fù)荷通過鉆井桿傳遞給鉆頭電極，使鉆頭電極保持豎直方向并且與巖石發(fā)生緊密的接觸，大大提高了鉆機(jī)的能量利用效率。(4)通過采用組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)作為等離子鉆機(jī)系統(tǒng)的高壓脈沖電源，可向負(fù)載輸出高低壓組合脈沖，實(shí)現(xiàn)電源阻抗同等離子體鉆頭的特性阻抗相匹配，能夠顯著提高鉆機(jī)的能量利用效率，提高鉆井速度。(5)通過采用高壓低波阻抗同軸水電纜作為等離子鉆機(jī)系統(tǒng)的高壓低波阻抗同軸水電纜，可以顯著降低傳輸線的波阻抗，提高脈沖傳輸效率，電纜和進(jìn)水管做成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，提高了纜線的柔度并使鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。(6)本實(shí)用新型鉆機(jī)系統(tǒng)采用了循環(huán)水裝置，提高了去離子水的利用率。

圖I為脈沖等離子體鉆機(jī)破碎巖石的原理圖。圖2為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。圖3為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的高壓電極的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3的俯視圖。圖5為圖4的A-A方向的剖視圖。圖6為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的接地電極的一種實(shí)施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為圖6所示的接地電極的俯視圖。圖8為圖7的A-A方向的剖視圖。圖9為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的高壓脈沖電源的一種實(shí)施方式的電路原理圖。圖10為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的高壓低波阻抗同軸水電纜中心導(dǎo)體輸出端子的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為圖10的俯視圖。圖12為圖11的A-A方向的剖視圖。圖13為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的高壓低波阻抗同軸水電纜的外層導(dǎo)體輸出端子的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖14為高壓低波阻抗同軸水電纜的外層導(dǎo)體輸出端子的俯視圖。圖15為圖14的A-A方向的剖視圖。圖16為高壓低波阻抗同軸水電纜與鉆頭電極連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖17為圖16的俯視圖。圖18為圖17的A-A方向的剖視圖沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)125°得到的視圖。圖19為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的鉆井桿單元的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖20為圖19所示鉆井桿單元打開狀態(tài)下的示意圖。圖21為兩個(gè)圖19所示鉆井桿單元的連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖22為圖19所示鉆井桿單元的支撐環(huán)閉合時(shí)的狀態(tài)示意圖。[0041]圖23為圖19所示鉆井桿單元的支撐環(huán)打開時(shí)的狀態(tài)示意圖。圖24為鉆井桿、鉆頭電極和高壓低波阻抗同軸水電纜的連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖25為本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的重力壓盤的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合圖I說明脈沖等離子體破碎巖石的原理。如圖I所示，將巖石I放置在去離子水2中，將高壓電極3和接地電極4放置在巖石I的表面，并且高壓電極3和接地電極4浸沒在去離子水環(huán)境中。當(dāng)在高壓電極3和接地電極4之間施加高壓脈沖后，高壓電極3和接地電極4之間發(fā)生放電，引起巖石I的電擊穿，并在巖石I中形成等離子體通道5，電路中后續(xù)能量注入到等離子體通道5中，并引起等離子體通道5膨脹。通道膨脹會(huì)對(duì)巖石I產(chǎn)生應(yīng)力破壞，當(dāng)超過巖石I的應(yīng)力強(qiáng)度后，巖石I發(fā)生破碎。參考圖2，鉆機(jī)系統(tǒng)主要由鉆井機(jī)構(gòu)9、高壓脈沖電源10、高壓低波阻抗同軸水電纜13、水循環(huán)裝置7和鉆頭電極6組成。鉆頭電極6是脈沖等離子鉆機(jī)系統(tǒng)的放電機(jī)構(gòu)，主要包括高壓電極3和接地電極
4。參考圖3、圖4和圖5，高壓電極3為柱狀電極，內(nèi)有空腔，高壓低波阻抗同軸水電纜13的輸出端固定于空腔41中，空腔42用于安裝高壓低波阻抗同軸水電纜13的進(jìn)水管14的輸出端。高壓電極3的下端面上有十字形溝槽，進(jìn)水管14中干凈的去離子水經(jīng)該溝槽流入到高壓電極3和接地電極4之間的空腔62中，使高壓電極3和接地電極4浸沒在去離子水環(huán)境中。接地電極的結(jié)構(gòu)參考圖6、圖7和圖8，空腔44為排水管的安裝位置，孔隙46為螺栓孔，用于連接接地電極4和鉆井桿23，空腔45為安裝高壓低波阻抗同軸水電纜13的位置。高壓電極3和接地電極4的下端面與巖石I接觸，并浸沒在去離子水2中。高壓脈沖電源10為短脈沖的發(fā)生裝置，優(yōu)選的技術(shù)方案是采用高壓組合脈沖電源。高壓組合脈沖電源的具體結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步參見中國專利(ZL 200920295616.0)。圖9為本實(shí)用新型高壓脈沖電源的一個(gè)實(shí)施例的電路原理圖。初級(jí)脈沖電源P的高壓輸出端分別與二極管01的陽極和二極管仏的陰極相連接，級(jí)脈沖電源P的低壓輸出端接地并且與二極管的D2的陽極相連接，二極管D1的陰極與初級(jí)脈沖電容仏的高壓端電連接，初級(jí)脈沖電容C1的低壓端與二極管D2的陽極連接。初級(jí)脈沖電容C1的高壓端分別與開關(guān)S1的陽極和二極管D3的陰極電連接，二極管D3的陽極與電感L的一端電連接，電感L的另一端與開關(guān)S1的陰極電連接。開關(guān)S1的陰極與變壓器Tr的原邊繞組的高壓端電連接，變壓器Tr的原邊繞組的低壓端與初級(jí)脈沖電容C1的低壓端電連接。變壓器Tr的副邊繞組的高壓輸出端與二極管D4的陽極電連接，變壓器Tr的副邊繞組的低壓輸出端與高壓充電電容C2的低壓端電連接。二極管D4的陰極與高壓充電電容C2的高壓端和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)F的高壓端電連接，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)F的低壓端與高壓充電電容C2的低壓端電連接。脈沖形成網(wǎng)絡(luò)F的高壓端與開關(guān)S2的陽極電連接，開關(guān)S2的陰極與高壓脈沖電源的高壓輸出端子Vh電連接，組合高壓脈沖電源的低壓輸出端子\與組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)F的低壓輸出端電連接。圖9所示電路的工作原理是初級(jí)充電電源P經(jīng)二極管D1和D2整流后給初級(jí)脈沖電容C1充電，當(dāng)初級(jí)脈沖電容C1充電完成后，開關(guān)S1觸發(fā)導(dǎo)通，初級(jí)脈沖電容C1放電，在變壓器Tr的副邊會(huì)耦合出一個(gè)高壓，經(jīng)二極管D4的整流后同時(shí)給高壓充電電容C2和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)F同時(shí)充電。二極管D3和電感L是開關(guān)S1的保護(hù)裝置，這是因?yàn)殚_關(guān)S1 —般采用固體開關(guān)，二極管D3和電感L并聯(lián)在固體開關(guān)S1的兩端可以使固體開關(guān)S1在反向電壓的情況下不受沖擊。當(dāng)高壓充電電容C2充電過程完成后，開關(guān)S2觸發(fā)導(dǎo)通，產(chǎn)生高壓脈沖輸出。開關(guān)S2的陰極與高壓脈沖電源的高壓輸出端子Vh電連接，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)F的低壓端與高壓脈沖電源的低壓輸出端子Vh電連接。在巖石未擊穿時(shí)，等離子鉆頭的特性阻抗很大，電源提供高電壓小電流使巖石擊穿；在巖石擊穿后，等離子體鉆頭的特性阻抗很小，電源提供低壓大電流對(duì)巖石的等離子通道加熱進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石的破碎。該電源裝置可以實(shí)現(xiàn)電源阻抗同等離子體鉆頭的特性阻抗相匹配，能夠顯著提高鉆機(jī)的能量利用效率，提高鉆井速度。作為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，高壓脈沖電源輸出的峰值電壓為30 100kV，脈沖的上升前沿小于100ns，脈沖的寬度小于5 μ S，脈沖頻率10 300Hz，單次脈沖能量為1(T300J。高壓低波阻抗同軸水電纜13是脈沖的傳輸裝置，其具體結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步參見中國專利(ZL 201120039880.5)。如圖16所示，高壓低波阻抗同軸水電纜13由內(nèi)到外包含同軸設(shè)置的進(jìn)水管14、中心導(dǎo)體15、絕緣介質(zhì)16、外層導(dǎo)體17和外護(hù)套18。其中，絕緣介
質(zhì)16為絕緣皮、耐高壓絕緣紙、橡膠絕緣帶和聚氨酯內(nèi)護(hù)套組合絕緣介質(zhì)。高壓低波阻抗同軸水電纜13的中心導(dǎo)體15的輸入端與高壓脈沖電源10的高壓輸出端子11電連接；高壓低波阻抗同軸水電纜13的外層導(dǎo)體17的輸入端與高壓脈沖電源10的低壓輸出端子12電連接。參見圖16、17和圖18，高壓低波阻抗同軸水電纜13的中心導(dǎo)體13的輸出端通過高壓電極連接件47與鉆頭電極6的高壓電極3電連接；高壓低波阻抗同軸水電纜13的外層導(dǎo)體17的輸出端通過接地電極連接件48與鉆頭電極6的接地電極4電連接。高壓電極連接件47的結(jié)構(gòu)如圖10、圖11和圖12所示。高壓電極連接件47為一空心的圓柱，圓柱的內(nèi)側(cè)與高壓低波阻抗同軸水電纜13的中心導(dǎo)體13的輸出端固定且電連接，圓柱的外側(cè)與鉆頭電極6的高壓電極3固定且電連接。圖13、圖14和圖15為接地電極連接件48的結(jié)構(gòu)示意圖。接地電極連接件48的結(jié)構(gòu)也是空心的圓柱，內(nèi)側(cè)與高壓低波阻抗同軸水電纜13的外層導(dǎo)體17的輸出端固定且電連接，圓柱的外側(cè)與鉆頭電極6的接地電極4固定且電連接。接地電極連接件48的外側(cè)有兩個(gè)凹槽，與接地電極4內(nèi)側(cè)的兩凹槽相配合，形成圓形的通孔44，用于安裝排水管36 (參見圖16、圖17和18)。本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)，鉆頭電極6需處在去離子水環(huán)境下，并且破碎的巖石碎屑要及時(shí)帶出鉆頭電極，鉆機(jī)系統(tǒng)需要使用去離子水循環(huán)裝置7。水循環(huán)裝置7包括能夠獲得去離子水的水凈化裝置38、儲(chǔ)液槽33、進(jìn)水泵35、出水泵37和排水管36，儲(chǔ)液槽33的進(jìn)水口與水凈化裝置38的出水口連通，儲(chǔ)液槽33的出水口與進(jìn)水泵35的進(jìn)水口連通，進(jìn)水泵35的出水口與高壓低波阻抗同軸水電纜的進(jìn)水管14的進(jìn)水口連通，出水泵37的進(jìn)水口與排水管36的出水口連通，出水泵37的出水口與水凈化裝置38的進(jìn)水口連通。鉆井機(jī)構(gòu)9包括機(jī)架24、鉆井桿20、重力壓盤19、導(dǎo)向桿23、上限位開關(guān)22、下限位開關(guān)25、第一定滑輪26、第二定滑輪27、第三定滑輪28和絞車8，第一定滑輪26、第二定滑輪27、第三定滑輪28、導(dǎo)向桿23、上限位開關(guān)22和下限位開關(guān)25固定于機(jī)架24上。重力壓盤19置于鉆井桿20的頂部，為鉆井桿20提供重力負(fù)荷，其結(jié)構(gòu)圖如圖25所示。重力壓盤19主要由矩形壓盤58和重力鉛塊61組成，重力鉛塊61疊放在矩形壓盤58之上，二者通過螺栓59連接在一起。重力壓盤19上有三個(gè)圓孔，中間的圓孔60為低波阻抗同軸水電纜和排水管36通過的通孔，兩側(cè)的圓孔57為導(dǎo)向桿孔，導(dǎo)向桿23穿過重力壓盤19。重力壓盤19與絞車8的纜繩29固定連接，且重力壓盤19能夠沿導(dǎo)向桿23在上限位開關(guān)22和下限位開關(guān)25之間作上下往復(fù)滑動(dòng)。鉆井桿20包括至少一個(gè)鉆井桿單元,可通過增減鉆井桿單元的數(shù)量來調(diào)整鉆井桿的長(zhǎng)度。每個(gè)鉆井單元包括至少兩個(gè)支撐環(huán)50和連接桿49。圖19示出了鉆機(jī)系統(tǒng)的鉆井桿單元的一種結(jié)構(gòu)，該鉆井桿單元由4個(gè)支撐環(huán)和6根連接桿組成，各個(gè)支撐環(huán)由兩個(gè)支撐板62和63拼裝組成，如圖23所示，兩個(gè)支撐塊的一端部 疊合在一起，并且疊合的部分有一通孔54，該通孔用于通過一連接桿67 (參見圖20)，兩支撐塊可以繞著連接桿67自由開合，圖23示出了兩支撐塊62和63打開狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖。圖22示出了鉆井桿的支撐環(huán)閉合時(shí)的狀態(tài)示意圖，支撐環(huán)50內(nèi)設(shè)有電纜通孔55、排水管通孔53、螺紋孔52和連接桿通孔51 (包括孔54)。由于組成鉆井桿單元的支撐板可以以連接桿67為軸自由開合，因此鉆井桿單元也可以以連接桿67為軸自由地開合，圖20示出了鉆井桿單元打開狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖，連接桿67和連接桿49的結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于連接桿67不僅具有和連接桿49 一樣的結(jié)構(gòu)上的支撐作用，還具有起轉(zhuǎn)軸的作用，鉆井桿單元可以沿著該轉(zhuǎn)軸方便的打開和閉合。相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)的對(duì)應(yīng)連接桿通孔51中穿有連接桿49且通過該連接桿49連接在一起。各鉆井桿單元依次連接，且相鄰兩個(gè)鉆井桿單元的支撐環(huán)通過其相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)以螺栓固定連接(在連接的時(shí)候，保持孔的對(duì)應(yīng)情況)，。圖21示出了兩個(gè)鉆井桿單元的連接結(jié)構(gòu)示意圖，相鄰兩個(gè)鉆井桿單元的支撐環(huán)64和65通過螺栓66固定連接在一起。鉆井桿20的支撐環(huán)50上的排水孔53用于安裝排水管，根據(jù)鉆井時(shí)巖石破碎的難易程度來選擇排水管的安裝數(shù)量。當(dāng)鉆井速度比較慢時(shí)，產(chǎn)生巖石碎屑的速率比較慢，用一根排水管就可以滿足要求；當(dāng)巖石容易破碎，鉆井速度比較快時(shí)，需要用多根排水管來加快巖石碎屑的排出速率。鉆井桿20的底端與鉆頭電極6的接地電極4頂端固定連接(參見圖24)。鉆井桿的支撐環(huán)上設(shè)有螺紋孔52 (參見圖22)，鉆頭電極6的接地電極4上設(shè)有螺栓孔46 (參見圖7)，螺栓56通過對(duì)應(yīng)的螺紋孔52和螺栓孔46將鉆井桿20和鉆頭電極6的接地電極4固定連接。排水管36經(jīng)由第二定滑輪27后由上至下依次穿過重力壓盤19、鉆井桿的各支撐環(huán)50上設(shè)置的排水管通孔53，且排水管36的輸出端與接地電極4固定連接，且高壓電極3與接地電極4之間的空腔62與排水管36連通，鉆井桿20的底部與接地電極4的上端部固定連接。作為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，高壓電極3的下端面上有小溝槽(參見圖3)，進(jìn)水管14中的凈水能夠通過小溝槽流入到高壓電極3與接地電極4之間的空腔62內(nèi)。絞車8上的纜繩29的一端經(jīng)由第三定滑輪28后與重力壓盤19固定連接。本實(shí)用新型等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)的工作過程是先啟動(dòng)進(jìn)水泵35，將儲(chǔ)液槽33中干凈的去離子水泵入到進(jìn)水管14中，進(jìn)水管14將潔凈的去離子水輸送至鉆頭電極6，使鉆頭電極6的高壓電極3和接地電極4之間的空腔充滿去離子水。隨后啟動(dòng)出水泵37，使鉆機(jī)中去離子水循環(huán)起來。啟動(dòng)高壓脈沖電源10，輸出高壓脈沖，經(jīng)高壓低波阻抗同軸水電纜13輸送至鉆頭電極6。鉆頭電極6的高壓電極3和接地電極4與巖石I接觸，當(dāng)高壓脈沖至IJ來時(shí)，高壓電極3和接地電極4之間放電，引起巖石I的擊穿并產(chǎn)生巖石碎屑。在出水泵37的作用下，巖石碎屑隨去離子水進(jìn)入排水管36并進(jìn)入到凈化裝置38中。經(jīng)凈化裝置8處理后，巖石碎屑經(jīng)排渣口 39排除到碎石運(yùn)輸車40，干凈的去離子水流入到儲(chǔ)液槽33，進(jìn)入下一次循環(huán)。在重復(fù)脈沖作用下，可實(shí)現(xiàn)巖石的連續(xù)破碎，鉆頭電極3與巖石I接觸的水平面也不斷地下降，鉆頭電極3牽引著高壓低波阻抗同軸水電纜13也不斷地下降，形成巖石的鉆孔。當(dāng)重力壓盤19在自身重力作用下運(yùn)行到下限位開關(guān)25時(shí)，高壓脈沖電源10停止工作。纜車8電源啟動(dòng)，通過纜繩29將重力壓盤20提升；當(dāng)重力壓盤20抵達(dá)上限位開關(guān)22時(shí)，纜車8的步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，鉗住纜繩29。為了實(shí)現(xiàn)更深的鉆井，此時(shí)需在原鉆井桿20的基礎(chǔ)上安裝一個(gè)新鉆井桿單元。打開籠形的新鉆井桿單元，固定好高壓低波阻抗同軸水電纜13和排水管36后，合攏新的鉆井桿單元，將新、舊鉆井桿單元兩相鄰的支撐環(huán)通過螺栓連接在一起。然后停止纜車8的電源，纜繩29處于自由 狀態(tài)，重力壓盤19下落至鉆井桿20上。啟動(dòng)高壓脈沖電源10，進(jìn)入下一次鉆井過程。通過重復(fù)頻率脈沖的作用，可以實(shí)現(xiàn)深度的巖石鉆井。凈化裝置38對(duì)受污染的去離子水先進(jìn)行過濾操作，巖石碎屑排除至碎石運(yùn)輸車40，然后再進(jìn)行離子交換工序，水體鹽度降低到滿足鉆井需要后(優(yōu)選去離子水的電導(dǎo)率小于等于100μ s/cm)，流入到儲(chǔ)水槽33中，供等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)下一次循環(huán)使用。在鉆井過程中，去離子水會(huì)在等離子體鉆頭電極6處存在著泄露和凈化裝置38處隨巖石碎屑損失掉一部分，通過儲(chǔ)液槽33上的補(bǔ)水管34及時(shí)補(bǔ)充一定量量潔凈的去尚子水。為了克服地面的不平整對(duì)鉆井的影響，可在鉆井結(jié)構(gòu)的機(jī)架上安裝有調(diào)平機(jī)構(gòu)。如圖2所示，調(diào)平機(jī)構(gòu)為承重螺栓，安裝在鉆井機(jī)架的下端面上，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)四只支撐腳的相對(duì)高度，可以讓鉆機(jī)保持水平狀態(tài)，避免了地面狀態(tài)對(duì)鉆機(jī)姿態(tài)的影響，，便于鉆頭電極6能夠豎直鉆井。
權(quán)利要求1.一種鉆井桿，其特征是包括至少一個(gè)鉆井桿單元，每個(gè)鉆井桿單元包括至少兩個(gè)開合式支撐環(huán)(50)和連接桿(49)，所述支撐環(huán)(50)設(shè)有電纜通孔(55)、排水管通孔(53)和連接桿通孔(51)，通過貫穿相鄰兩個(gè)支撐環(huán)的對(duì)應(yīng)連接桿通孔(51)的所述連接桿(49)而將相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)固定連接在一起；各鉆井桿單元依次連接，且相鄰兩個(gè)鉆井桿單元的相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)固定連接。
2.一種含有權(quán)利要求I的鉆井桿的脈沖等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)，其特征是包括鉆井機(jī)構(gòu)(9)、高壓脈沖電源(10)、高壓低波阻抗同軸水電纜(13)、水循環(huán)裝置(7)和用于向巖石放電的鉆頭電極(6)； 所述鉆頭電極(6)包括高壓電極⑶和接地電極⑷； 所述高壓低波阻抗同軸水電纜(13)由內(nèi)向外依次包含有同軸設(shè)置的進(jìn)水管(14)、中心導(dǎo)體(15)、絕緣介質(zhì)(16)、外層導(dǎo)體(17)和護(hù)套(18)； 所述高壓脈沖電源(10)的高壓輸出端子(11)與高壓低波阻抗同軸水電纜(13)的中心導(dǎo)體(15)的輸入端電連接，高壓脈沖電源(10)的低壓輸出端子(12)與高壓低波阻抗同軸水電纜(13)的外層導(dǎo)體(17)的輸入端電連接； 所述水循環(huán)裝置包括能夠獲得去離子水的水凈化裝置(38)、儲(chǔ)液槽(33)、進(jìn)水泵(35)、出水泵(37)和排水管(36)，儲(chǔ)液槽(33)的進(jìn)水口與水凈化裝置(38)的出水口連通，儲(chǔ)液槽(33)的出水口與進(jìn)水泵(35)的進(jìn)水口連通，進(jìn)水泵(35)的出水口與高壓低波阻抗同軸水電纜(13)的進(jìn)水管(14)的進(jìn)水口連通，出水泵(37)的進(jìn)水口與排水管(36)的出水口連通，出水泵(37)的出水口與水凈化裝置(38)的進(jìn)水口連通； 所述鉆井機(jī)構(gòu)(9)包括機(jī)架(24)、所述鉆井桿(20)、重力壓盤(19)、至少兩個(gè)導(dǎo)向桿(23)、上限位開關(guān)(22)、下限位開關(guān)(25)、第一定滑輪(26)、第二定滑輪(27)、第三定滑輪(28)和絞車(8)，第一定滑輪(26)、第二定滑輪(27)、第三定滑輪(28)、導(dǎo)向桿(23)、上限位開關(guān)(22)和下限位開關(guān)(25)固定于機(jī)架(24)上；重力壓盤(19)設(shè)有使高壓低波阻抗同軸水電纜(13)和排水管(36)通過的通孔，重力壓盤(19)置于所述鉆井桿(20)的頂部，絞車(8)的纜繩(29)的一端經(jīng)由第三定滑輪(28)后與重力壓盤(19)固定連接，導(dǎo)向桿(23)穿過重力壓盤(19)且重力壓盤(19)能夠沿著導(dǎo)向桿(23)在上限位開關(guān)(22)和下限位開關(guān)(25)之間作上下往復(fù)移動(dòng)； 所述高壓低波阻抗同軸水電纜(13)經(jīng)由第一定滑輪(26)后由上至下依次穿過重力壓盤(19)、鉆井桿(20)的各支撐環(huán)(50)上所設(shè)置的電纜通孔(55)，高壓低波阻抗同軸水電纜(13)的中心導(dǎo)體(15)的輸出端與高壓電極(3)電連接，高壓低波阻抗同軸水電纜(13)的外層導(dǎo)體(17)的輸出端與接地電極(4)電連接； 所述排水管(36)經(jīng)由第二定滑輪(27)后由上至下依次穿過重力壓盤(19)、鉆井桿的各支撐環(huán)(50)上設(shè)置的排水管通孔(53)，排水管(36)的進(jìn)水端與接地電極(4)固定連接，高壓電極⑶與接地電極⑷之間的空腔(62)與排水管(36)的進(jìn)水口連通，鉆井桿(20)的底部與接地電極(4)的上端部固定連接；所述進(jìn)水管(14)中的去離子水能夠流入到高壓電極(3)與接地電極(4)之間的空腔(62)內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種鉆井桿及脈沖等離子體鉆機(jī)系統(tǒng)。其中，鉆井桿包括至少一個(gè)鉆井桿單元，每個(gè)鉆井桿單元包括至少兩個(gè)開合式支撐環(huán)和連接桿，相鄰兩個(gè)支撐環(huán)通過連接桿固定連接；各鉆井桿單元依次連接，且相鄰兩個(gè)鉆井桿單元的相鄰的兩個(gè)支撐環(huán)固定連接。本實(shí)用新型鉆機(jī)系統(tǒng)包括含有上述鉆井桿的鉆井機(jī)構(gòu)、高壓脈沖電源、高壓低波阻抗同軸水電纜、水循環(huán)裝置和用于向巖石放電的鉆頭電極，能夠使鉆頭電極始終與巖石接觸并保持豎直向下鉆井，同時(shí)避免了傳統(tǒng)等離子體鉆機(jī)在深度鉆井時(shí)出現(xiàn)的水管和纜線塌陷等問題，且通過增減鉆井桿單元個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)鉆井桿長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)不同深度的鉆井。
文檔編號(hào)E21B17/00GK202596572SQ201220264258
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者閆克平, 章志成, 裴彥良, 黃逸凡 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)