等离子破岩钻头电极低损耗方法

1.本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种等离子破岩钻头电极低损耗方法。


背景技术：

2.等离子钻井技术是一种新兴的高效钻井技术，其与常规的旋转机械钻井方式不同，该技术利用的是高温高能的等离子体对岩石进行破碎，从而实现钻井。等离子破岩钻头是该技术的核心装备，然而由于钻头的阴极和阳极工作在炽热的等离子体环境中，电极损耗问题一直制约着该技术的进一步应用，因此开发一种降低电极损耗的方法尤为重要。


技术实现要素：

3.为克服现有技术存在的不足，本发明提供一种等离子破岩钻头电极低损耗方法。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：对等离子破岩钻头的阴极和阳极进行强制水冷；其阴极设计为中空内锥结构，增大冷却水与阴极内壁的接触面积；其阳极设计为双头螺旋外壁结构，冷却水由两个螺旋槽一进一出，增大冷却水与阳极外壁的接触面积，且减小阳极尺寸；在冷却水的进、出口分别安装温度传感器，实时采集冷却水温度，并根据冷却水温度变化情况调控冷却水流量；将等离子破岩钻头的工作电流曲线设计为“缓升陡降”形状，减少电流冲击造成的电极损耗；实时监测等离子放电电压，并与专家数据库电压数据对比，一旦出现电极冷却水泄露造成放电异常，及时关闭等离子电源，避免一个电极损耗而造成另外一个电极接连损坏的情况。
5.本发明的有益效果在于：有效降低等离子破岩钻头的电极损耗，电极结构设计集约，减少电极更换的时间，提高破岩效率。
附图说明
6.图1是等离子破岩钻头电极低损耗的实现原理图，图2是低损耗电极的阴极结构图，图3是低损耗电极的阳极结构图；图4是直流恒流电路、脉动直流电路、电流波形调控系统的电流波形。
7.图中：101、电极强制水冷系统，102、电流波形调控系统，103、电压实时监控电路，104、中空内锥阴极，105、双头螺旋阳极，106、冷却水温度监控系统，107、直流恒流电路，108脉动直流电路，109、报警电路，110、动作电路；201、冷却进水管，301、阳极外壳。
具体实施方式
8.如图1所示，等离子破岩钻头电极低损耗方法，由电极强制水冷系统101，电流波形调控系统102，电压实时监控电路103三者协同工作实现；其中电极强制水冷系统101包括中空内锥阴极104、双头螺旋阳极105、冷却水温度监控系统106；电流波形调控系统102包括直流恒流电路107、脉动直流电路108；电压实时监控电路103包括报警电路109、动作电路110。
9.中空内锥阴极104结构如图2所示，其内部为中空结构，内孔前端有一向内突出的
锥形；冷却进水管201插入到中空内锥阴极104内部，中空内锥阴极104的内锥进入到冷却进水管201的管内部，冷却水由冷却进水管201流入中空内锥阴极104内部，并在内锥的导流作用下，沿阴极的内表面流动，之后冷却水沿中空内锥阴极104内壁与冷却进水管201之间的环形空间流出；冷却水在流动过程中，带走中空内锥阴极104工作中产生的热量；中空内锥阴极104中的内锥，既起到冷却水的导流作用，又增大了阴极的冷却面积，增大了阴极的冷却效果。
10.双头螺旋阳极105结构如图3所示，阳极的外表面加工成双头螺旋结构，在阳极的外表面配合着阳极外壳301；阳极外壳301与双头螺旋阳极105紧密配合；冷却水由双头螺旋阳极105外表面的一个螺旋槽进入，并在螺旋槽的导流作用下，一直流动到阳极的底部；螺旋槽的终端与阳极外壳301之间留有空隙，冷却水由该缝隙流入到另一螺旋槽，并沿该槽流出；冷却水沿阳极外壁的双头螺旋槽一进一出，冷却整个阳极。
11.冷却水温度控制系统106包含两个电偶温度传感器，两温度传感器分别安装在等离子破岩钻头冷却水的进、出水口，两温度传感器在上位机的控制下，实时采集冷却水进、出水口的温度，设定进水口温度低于20℃，出水口的温度低于30℃，当出水口温度高于30℃时，控制系统增大冷却水的流量；如冷却水流量已增至最大，且出水口温度依然高于30℃，控制系统断开电源，保护等离子破岩钻头。
12.等离子破岩钻头电极的损耗与等离子功率密切相关，相同冷却条件下，功率越大，钻头损耗越大；使用脉冲式电流波形，既可以降低等离子功率，从而降低喷头损耗，又可以利用脉冲等离子弧的冲击力进行高效破岩；电流的陡增会增大电极损耗，因此将等离子破岩钻头工作的电流波形设计为“缓升陡降”形，减小电流陡增对电极的冲击作用；电流波形调控系统102包括直流恒流电路107、脉动直流电路108，直流恒流电路107与脉动直流电路108并联，其输出波形叠加为电流波形调控系统102最终输出的电流波形；图4所示为直流恒流电路107、脉动直流电路108、电流波形调控系统102各自输出的电流波形。
13.电压实时监控电路103包括报警电路109和动作电路110；等离子破岩钻头工作过程中，如阴极或阳极发生烧损，阴极内部或阳极外部的冷却水进入到放电腔，水被电离后会显著降低等离子弧柱的电压；电压实时监控电路103中的电压传感器实时采集阴、阳极之间的电压，并将采集到的数据与专家数据库电压数据对比，一旦采集到的电压低于正常放电电压，报警电路109即发出报警信号，提示有电极烧损；同时动作电路110进行动作，关闭等离子电源，避免电极损耗而造成整个等离子破岩钻头损坏。


技术特征：
1.一种等离子破岩钻头电极低损耗方法，其特征在于：等离子破岩钻头电极低损耗方法由电极强制水冷系统，电流波形调控系统，电压实时监控电路三者协同工作实现；其中电极强制水冷系统包括中空内锥阴极、双头螺旋阳极、冷却水温度监控系统；电流波形调控系统包括直流恒流电路、脉动直流电路；电压实时监控电路包括报警电路、动作电路；中空内锥阴极内部为中空结构，内孔前端有一向内突出的锥形；冷却进水管插入到中空内锥阴极内部，中空内锥阴极的内锥进入到冷却进水管的内部，冷却水由冷却进水管流入中空内锥阴极内部，并在内锥的导流作用下，沿阴极的内表面流动，之后冷却水沿中空内锥阴极内壁与冷却进水管之间的环形空间流出；冷却水在流动过程中，带走中空内锥阴极工作中产生的热量；中空内锥阴极中的内锥，既起到冷却水的导流作用，又增大了阴极的冷却面积，增大了阴极的冷却效果；双头螺旋阳极的外表面加工成双头螺旋结构，在阳极的外表面配合着阳极外壳；阳极外壳与双头螺旋阳极紧密配合；冷却水由双头螺旋阳极外表面的一个螺旋槽进入，并在螺旋槽的导流作用下，一直流动到阳极的底部；螺旋槽的终端与阳极外壳之间留有空隙，冷却水由该缝隙流入到另一螺旋槽，并沿该槽流出；冷却水沿阳极外壁的双头螺旋槽一进一出，冷却整个阳极；冷却水温度控制系统包含两个电偶温度传感器，两温度传感器分别安装在等离子破岩钻头冷却水的进、出水口，两温度传感器在上位机的控制下，实时采集冷却水进、出水口的温度，当出水口温度高于30℃时，控制系统增大冷却水的流量；如冷却水流量已增至最大，且出水口温度依然高于30℃，控制系统断开电源，保护等离子破岩钻头。2.根据权利要求1所述的等离子破岩钻头电极低损耗方法，其特征在于：等离子破岩钻头工作的电流波形设计为“缓升陡降”形；直流恒流电路与脉动直流电路并联，其输出波形叠加为电流波形调控系统最终输出的电流波形；电压实时监控电路中的电压传感器实时采集阴、阳极之间的电压，并将采集到的数据与专家数据库中电压数据对比，一旦采集到的电压低于正常放电电压，报警电路即发出报警信号，提示有电极烧损；同时动作电路进行动作，关闭等离子电源，避免电极损耗而造成整个等离子破岩钻头损坏。

技术总结
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种等离子破岩钻头电极低损耗方法。等离子破岩钻头电极低损耗方法由电极强制水冷系统、电流波形调控系统、电压实时监控电路三者协同工作实现；其中电极强制水冷系统包括中空内锥阴极、双头螺旋阳极、冷却水温度监控系统；电流波形调控系统包括直流恒流电路、脉动直流电路；电压实时监控电路包括报警电路、动作电路。该方法可以有效降低等离子破岩钻头的电极损耗，电极结构设计集约，减少电极更换的时间，提高破岩效率。破岩效率。


技术研发人员：刘永红 孙强 韩延聪 朱业俊 刘鹏 沈志萍 马驰 赵莅龙
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2021.06.09
技术公布日：2021/9/14