一种高压脉冲动力锤钻具的制作方法

本发明涉及地质与油气勘探开发等钻井工具领域，尤其是一种高压脉冲动力锤钻具。

背景技术：

近几年来，液动冲击回转钻进技术在钻井的孔深、孔径、钻井效率和钻头寿命等方面取得不错的进步，被广泛应用于不同的地层和不同地质勘探以及工程勘探中，效果显著，但是也存在一些缺陷。由于高压液流为动力锤的动力，推动冲锤进行往复运动，因此随着钻进地层的加深，对泵压的要求也逐渐增大。泵压不仅要克服冲击器和沿程阻力，还需满足动力锤的工作要求，只有达到一定的泵压，动力锤才能开始工作。

水中高压脉冲放电是指将充入电容器中的高电压通过水中脉冲放电形成等离子体贯通通道，放电通道在内部高温高压的作用下向外膨胀，形成强大的冲击波，实现了电能到机械能的转换，也叫做液电效应。近几年来，高压脉冲等离子体技术被逐渐应用到岩石破碎，具有一定的成果，但是也有一些缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高压脉冲动力锤钻具。

本发明包括井底高压脉冲动力装置和动力锤；

所述的井底高压脉冲动力装置包括外壳、上端盖、高压脉冲发生腔、下端盖和空心腔；外壳体主体为圆柱形，外壳体上端和下端设置上接头和下接头，上接头和下接头分别具有内螺纹和外螺纹，外壳上端两侧设有正极接线柱和负极接线柱，高压正电极电缆和负电极电缆分别从接线柱接出到地面高压脉冲电源，外壳下端设置台阶，用于安置上部结构；所述的上端盖为具有凸台的圆板结构，并设有中心孔和和环形通孔，钻进液通过环形通孔从钻杆进入高压脉冲发生腔，凸台上部安装单向阀；所述的单向阀由单向阀体、密封圈和弹簧组成，单向阀体在钻井液压力的作用下向下移动将入口打开，使钻进液流入；所述的下端盖为平板状，在下端盖中心设有与高压正电极和上端盖安装的中心孔，中心孔周围为环状的通孔，作为高压的钻进液流体流出通道，固定于外壳的台阶上；

所述的高压脉冲发生腔包括第一绝缘隔环、第二绝缘隔环、第三绝缘隔环、高压正电极、负电极、绝缘隔套，第一绝缘隔环、第二绝缘隔环、第三绝缘隔环的环状结构设有凹槽与中心孔，高压正电极为中空的金属管，绝缘隔套为带有中心孔的圆柱形结构，负电极为薄壁筒结构；下端盖顶表面从下往上依次安置中心轴、第二绝缘隔环、绝缘隔套、高压正电极、负电极、第三绝缘隔环和第一绝缘隔环，高压正电极通过第二绝缘隔环和第三绝缘隔环的凹槽固定，负电极通过绝缘隔套和第三绝缘隔环固定，第三绝缘隔环和绝缘隔套通过上端盖、下端盖与中心轴压紧，高压正电极和负电极之间留有极间间隙，产生高压等离子体；所述的空心腔为外壳的下端盖下表面到外壳的下接头之间预留的钻井液流动空间；所述的外壳体、上端盖和下端盖为不锈钢材料；所述的第一绝缘隔环、第二绝缘隔环、第三绝缘隔环、绝缘隔套为玻璃纤维尼龙材料；所述的中心轴为尼龙材料，中心轴上端和下端具有螺纹并用螺栓将其与上端盖与下端盖固定；所述的高压正电极与负电极为不锈钢材料。

所述的动力锤包括外壳、铁砧、活塞冲锤弹簧，动力锤使用井底高压脉冲动力装置产生的高压脉冲水力冲击波作为工作动力，不断地对岩石施加冲击载荷。

本发明在钻进工程中，将钻杆与地面钻进设备连接，通过高压电极电缆和负极电缆将高强度脉冲电压加载到井底高压脉冲动力装置，在井下与动力锤和钻头相连接，将电缆与地面脉冲电源和蓄能器相连接。

本发明具有以下优点：

(1)当该高压脉冲动力锤钻具用于钻井时，其通过高压击穿作用产生的等离子体具有高温高压的特点，与此同时等离子通道向外扩展对周围的钻井液压缩形成压力冲击波，直接通入动力锤，满足动力锤工作时对高压液流需要，同时动力锤的冲击频率与冲击功也会随着泵压的增加而增大。

(2)脉冲放电电极采用同轴结构，有效地避免了放电间距的不稳定。

(3)钻进较深的地层时，降低对泥浆泵的要求，入口通入钻井液压力减小，减少压力的沿程损失，提高钻进效率，降低钻进成本。

(4)适用于多种类型的动力锤，满足钻进地层的要求。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为井底高压脉冲动力装置结构示意图。

图3为井底高压脉冲装置的上端盖结构示意图。

图4为井底高压脉冲装置的绝缘隔环结构示意图。

图5为井底高压脉冲装置的绝缘隔环结构示意图。

图6为井底高压脉冲装置的绝缘隔套结构示意图。

图7为井底高压脉冲装置的下端盖结构示意图。

图8为本发明工作示意图。

图中：1-钻杆，2-井底高压脉冲动力装置，3-密封圈，4-弹簧，5-负极接线柱，6-第一螺栓，26-第二螺栓，7-中心轴，8-上端盖，9-第一绝缘隔环、12-第二绝缘隔环，21-第三绝缘隔环，11-负电极电缆，13-通孔，14-空心腔，15-下接头，16-上接头，17-正极接线柱，18-高压正电极电缆，19-上端盖通孔，20-上端盖中心孔，22-高压正电极，23-负电极，24-绝缘隔套，25-下端盖，27-下端盖中心孔，28-外壳，29-动力锤，30-钻头，31-钻井液流动通道，32-钻进地层，33-单向阀体。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明包括井底高压脉冲动力装置2和动力锤29；

所述的井底高压脉冲动力装置2包括外壳28、上端盖8、高压脉冲发生腔、下端盖25和空心腔14；外壳体28主体为圆柱形，外壳体28上端和下端设置上接头16和下接头15，上接头16和下接头15分别具有内螺纹和外螺纹，外壳28上端两侧设有正极接线柱17和负极接线柱5，高压正电极电缆18和负电极电缆11分别从接线柱接出到地面高压脉冲电源，外壳28下端设置台阶，用于安置上部结构；所述的上端盖8为具有凸台的圆板结构，并设有中心孔20和和环形通孔19，钻进液通过环形通孔19从钻杆进入高压脉冲发生腔，凸台上部安装单向阀；所述的单向阀由单向阀体33、密封圈3和弹簧4组成，单向阀体33在钻井液压力的作用下向下移动将入口打开，使钻进液流入；所述的下端盖为25平板状，在下端盖25中心设有与高压正电极22和上端盖8安装的中心孔27，中心孔27周围为环状的通孔13，作为高压的钻进液流体流出通道，固定于外壳28的台阶上；

所述的高压脉冲发生腔包括第一绝缘隔环9、第二绝缘隔环12、第三绝缘隔环21、高压正电极22、负电极23、绝缘隔套24，第一绝缘隔环9、第二绝缘隔环12、第三绝缘隔环21的环状结构设有凹槽与中心孔，高压正电极22为中空的金属管，绝缘隔套24为带有中心孔的圆柱形结构，负电极23为薄壁筒结构；下端盖25顶表面从下往上依次安置中心轴7、第二绝缘隔环12、绝缘隔套24、高压正电极22、负电极23、第三绝缘隔环21和第一绝缘隔环9，高压正电极22通过第二绝缘隔环12和第三绝缘隔环21的凹槽固定，负电极23通过绝缘隔套24和第三绝缘隔环21固定，第三绝缘隔环21和绝缘隔套24通过上端盖8、下端盖25与中心轴7压紧，高压正电极22和负电极23之间留有极间间隙10，产生高压等离子体；所述的空心腔14为外壳28的下端盖25下表面到外壳28的下接头15之间预留的钻井液流动空间；所述的外壳体28、上端盖8和下端盖25为不锈钢材料；所述的第一绝缘隔环9、第二绝缘隔环12、第三绝缘隔环21、绝缘隔套24为玻璃纤维尼龙材料；所述的中心轴7为尼龙材料，中心轴7上端和下端具有螺纹并用螺栓将其与上端盖8与下端盖25固定；所述的高压正电极22与负电极23为不锈钢材料。

所述的动力锤29包括外壳、铁砧、活塞冲锤弹簧，动力锤29使用井底高压脉冲动力装置产生的高压脉冲水力冲击波作为工作动力，不断地对岩石施加冲击载荷。

本发明的工作过程如下：

如图8所示，在钻进工程中，将高压脉冲动力锤钻具与钻头30相连接，通过高压正极电缆18和负极电缆11将装置与地面脉冲电源及其他设备相连接。地面脉冲电源产生的高强度电压通过高压正电极电缆18加载到高压正电极22和负电极23。钻井液从地表通过泥浆泵经由钻杆1通入井底高压脉冲动力装置2，首先单向阀体33在钻井液压力的作用下向下移动，装置入口打开，钻井液通过上端盖通孔19、第一绝缘隔环9和第二绝缘隔环21进入极间间隙10，在高电压的作用下，放电电极之间产生高压等离子体，使得放电回路导通，电容器储能的快速释放造成极间间隙10内的压力、温度急剧升高，由于等离子体具有高密度存储能和高膨胀效应的性质，使得放电通道迅速向外膨胀，在水介质中形成水中冲击波，进入空心腔14中，并通过下端盖通孔13进入动力锤29中，当高压钻井液进入动力锤29后，首先作用于动力锤29的冲锤的下部，使得冲锤克服自身重力和弹簧的压缩力向上运动，同时弹簧储存能量，铁砧的液流出口被打开，当冲锤上升到顶点时，工作室的压力降低，冲锤在自身重力和弹簧压缩能的作用下向下运动，冲击铁砧，并传递到钻头30上，实现对岩石的破碎；在产生冲击作用的同时，冲锤将砧的流体出口关闭，工作室压力升高，冲锤再次进行往复工作，钻井液从钻进地层32与钻杆1的钻井液流动通道31返回到地表。

在施工过程中，可以钻进过程的具体要求使用不同的动力锤，满足工况的需求。