用于高电压电脉冲钻探的器械、钻探设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于高电压电脉冲岩石钻探的器械，在该高电压电脉冲岩石钻探中，借助于通过岩石材料传送的高电压电脉冲形成钻孔。

本发明还涉及用于高电压电脉冲岩石钻探的钻探设备和方法。

本发明的领域更具体地在独立权利要求的前序中定义。

背景技术

在矿场中和其它工作地点处，不同类型的岩石钻探系统用于向岩石表面钻探钻孔。常规地是，借助于利用以机械方式破坏并去除岩石材料的钻头的旋转的机械钻探系统来钻探钻孔。这些系统还可以实施用于改进机械岩石去除的冲击。除了机械钻探之外，已经开发了不同类型的电气钻探方法。这些电气钻探方法中的一种是高电压电脉冲岩石钻探，在该高电压电脉冲岩石钻探中，借助于通过待钻探的岩石材料传送的高电压电脉冲形成钻孔。然而，用于高电压电脉冲岩石钻探的已知方案已经显示出一些缺点，尤其是当在实践中在工作地点实施它们时。

发明内容

本发明的目的是提供用于高电压电脉冲岩石钻探的新颖且改进的器械、钻探设备和方法。

根据本发明的器械的特征在于第一独立器械权利要求的特征部分的特征。

根据本发明的钻探设备的特征在于第二独立器械权利要求的特征部分的特征。

根据本发明的方法的特征在于独立方法权利要求的特征部分的特征。

所公开的方案的思想是，高电压电脉冲钻探设备或系统包括钻探工具，该钻探工具包括在产生高电压电脉冲的脉冲发生器和将所产生的电脉冲引导到岩石材料的钻头之间的一个或更多个钻管。钻探工具设置有开关，该开关包括在高电压电脉冲的供应线中的开关间隙。开关间隙也可以称为预火花间隙，因为在钻头的电极之间(即在主火花间隙中)发生电击穿之前，在该预火花间隙中发生电击穿，并且从而导致在钻孔的底部处的岩石材料的实际破坏。在所公开的方案中，在钻探期间，开关位于钻孔内部。

钻探工具的开关设置有彼此相距一距离的两个对置的电极，用于在它们之间形成开关间隙。存在用于将开关连接到作为供电线的一部分的高电压导体的第一端子和第二端子。开关设置有屏蔽或保护，使得在岩石钻机中使用的冲洗流体不能进入预火花间隙。

所公开的方案的优点在于，所公开的安装有开关的钻探工具允许最初产生脉冲的脉冲发生器与钻头相距一个较长距离，并且仍然能够产生有效的高电压电脉冲以用于破坏岩石材料。换句话说，开关的目的是：通过将高电压电脉冲加速到足够得快，从而使高电压电脉冲加速，以使得能够进行高效电脉冲岩石钻探。

安装有开关的工具还可以允许用于钻探设备和整个系统的更自由和通用的设计选项。

有效的岩石钻探还需要有效冲洗已去除的岩石材料。开关定位成与钻探工具连接，冲洗流体在钻探期间在钻探工具中流动。由于开关的开关间隙受到保护以免冲洗流体流动穿透，因此开关能够按设计操作并且能够产生用于钻头的有效脉冲。

岩石分离效率不受钻探深度限制，因为邻近钻头的开关间隙使高电压脉冲加速。换句话说，通过选择合适的开关或调节开关的参数，能够补偿在脉冲发生器和钻头之间的增加的长度。

此外，与常规机械钻探相比，高电压电脉冲岩石钻探具有若干一般优点。在电脉冲钻探中，岩石被破坏，而不需要显著的机械力，这极大地减少了钻探工具上的磨损，并且增加了所有钻探部件的使用寿命。由于所实现的高能量效率和较短的钻探时间，钻探过程的总体价格能够被减小。

根据一个实施例，开关的开关间隙提供具有较短上升时间的电脉冲。与较慢的脉冲相比，具有较短上升时间的电脉冲更快并且能够更有效地破坏岩石材料。

根据一个实施例，该器械被构造用于提供一种钻探设备，该钻探设备具有尽可能得靠近位于钻探工具的远端处的钻头的所谓的预火花间隙。这样，位于被钻探的钻孔外部的脉冲发生器能够位于距钻头一个相对较长的距离处，该钻头实际去除在钻孔的底部处的岩石材料。由于钻探工具的长度，由脉冲发生器产生并被引导到钻探工具的电脉冲可能被削弱，使得不能在钻孔的底部处进行有效的岩石破碎。电脉冲需要具有某些特性，以便它们适当地穿透正在被钻探的岩石材料内部。钻探工具的长度可以是若干米，并且此外，由于悬臂等原因，在可以位于岩石钻机的载具上的脉冲发生器与钻探工具之间的距离也可以是若干米，由此在脉冲发生器与钻头之间的总距离较大。尽管提到了若干米，例如4m至10m，但是实现了有效的钻探。当脉冲发生器位于钻孔外部时，与脉冲发生器位于钻孔内部的情况相比，脉冲发生器可以更自由地进行设计和设定尺寸并且可以设计和设定尺寸地更强大。

根据一个实施例，钻探工具设置有器械，该器械包括由用于防止冲洗流体进入所述火花间隙之间的室或壳体包围的所述开关。室可以是气密密封的。换句话说，密封的室将室的内部空间与包围器械的流体隔离开来。当室是气密的且液密的时，则冲洗流体不能进入开关间隙并减弱开关间隙的效果。该器械进一步包括用于将器械连接到钻探工具的机械联接元件。联接元件可以包括不同的连接表面和支撑元件。

根据一个实施例，密封室被用气体加压。

根据一个实施例，通过选择在包围开关间隙的空间的内部的期望的填充气体和压力，能够影响开关的特性。

根据一个实施例，室内部的气体的压力为至少1.1巴。

根据一个实施例，室内部的气体压力为至少2巴。

根据一个实施例，室内部的气体的压力为至少5巴。

根据一个实施例，在室内部实施高压力填充气体。压力可以是至少10巴。例如，压力可以上至25巴或甚至更大。

根据一个实施例，替代性地是，可以在室内部或在包围所述火花间隙的任何其它空间内部存在真空。

根据一个实施例，该器械包括至少一个馈送口，用于调节室内部占优势的气体压力。换句话说，通过调节气体压力，能够调节开关的特性。

根据一个实施例，在岩石钻探过程期间，能够远程地且在线调节气体压力。开关周围的气体压力可以是一个主动控制的钻探参数。在该实施例中，所述岩石钻探工具设置有气体压力通道，所述气体压力通道将所述器械的馈送口连接到位于钻孔外部的气体调节装置。气体压力通道可以是管、软管或用于为调节气体的流动提供所需的连接的任何其它路径。

根据一个实施例，可以有多个可选择的器械，在所述多个可选择的器械的室内部具有不同的填充气体和气体压力，由此，至少在启动钻孔的钻探过程时，能够通过操作者选择适合于每种钻探情况的期望的器械。换句话说，能够使得具有不同气体压力特征的一组不同器械可用。

根据一个实施例，在室内部或至少在开关的火花间隙的周围使用尽可能高压力的气体在被引导到岩石材料的电脉冲的有效性方面是有利的。响应于室内部的气体压力的增加，在开关的电极之间的击穿电压增加。与较低的气体压力情况相比，在较高的气体压力的情况下，击穿电压增加，并且产生具有较快上升时间的电脉冲。当钻探较软的岩石材料时，可以施加较低的气体压力，并且当钻探较硬的岩石时，则可以施加较高的气体压力。

根据一个实施例，可以调节开关的对置的电极之间的距离以调节开关间隙的大小。换句话说，通过调节开关间隙的大小，能够调节所增强的脉冲的特性。更大的开关间隙意味着更高的击穿电压需求和更有效的电脉冲穿透岩石材料内部。开关间隙的大小是所公开的电脉冲岩石钻探中的一个可调节的钻探参数。

根据一个实施例，在将器械安装到岩石钻探工具之前，预调节开关间隙。可以存在具有不同的开关间隙的一组不同器械，并且操作者能够针对每种钻探情况选择合适的器械。例如，可以借助于机械装置(诸如螺钉或楔子)来调节开关间隙。

根据一个实施例，开关间隙在被安装到岩石钻探工具时是可远程调节的。可以存在与该器械连接的一个或更多个调节致动器。例如，致动器可以是可电操作的，或者它们可以是压力介质操作的致动器。

根据一个实施例，该器械包括至少一个传感器或感测装置，用于为钻探设备的控制系统或控制单元提供感测数据。感测装置可以安装到器械的壳体，或者直接安装到开关。感测装置可以向控制单元提供例如关于压力、温度和加速度的数据。在位于钻孔内部的器械与位于钻孔外部的控制单元之间可以存在有线或无线数据通信连接。所收集起来的监测数据可以用于控制开关和整个岩石钻探系统的操作。换句话说，存在用于控制的反馈系统。

根据一个实施例，安装到钻探工具的开关包括用于为钻探设备的控制系统或控制单元提供感测数据的至少一个传感器或感测装置。感测装置可以向控制单元提供例如关于压力、温度和加速度的数据。在位于钻孔内部的开关和位于钻孔外部的控制单元之间可以存在有线或无线数据通信连接。所收集起来的监测数据可以用于控制开关和整个岩石钻探系统的操作。换句话说，存在用于控制的反馈系统。

根据一个实施例，该器械包括机械的第一联接元件和机械第二联接元件，由此该器械可连接在岩石钻探工具的两个钻探部件之间。

根据一个实施例，该器械可安装在钻头和钻管之间。

根据一个实施例，该器械可安装在两个钻管之间。

根据一个实施例，替代性地是，该器械可安装在两个高电压供应电缆之间。

根据一个实施例，器械的壳体可以是钻管的一部分。

根据一个实施例，器械的壳体可以是钻头的一部分。

根据一个实施例，开关被集成为钻头、钻管或任何其它钻探部件的构造部分。

根据一个实施例，钻头设置有用于开关的空间或室。该空间可以为开关提供防护罩或防护结构，并且从而防止冲洗流体和钻探切屑进入开关间隙。换句话说，钻头可以具有用于使电脉冲加速的集成的预火花间隙和用于分离岩石材料的主火花间隙。该解决方案的优点在于，开关尽可能得接近主火花间隙，由此，具有高上升时间的被加速的电脉冲被直接引导到主火花间隙。此外，当开关集成到钻头时，开关受到良好保护。该空间可以直接形成到钻头的本体，或者替代性地是，它可以是安装到钻头的本体的单独零件。

根据一个实施例，器械的包围开关的室由介电材料制成。该材料可以是例如塑料材料或复合材料。

根据一个实施例，器械的包围开关的室可以是设置有对置的端部件的管状元件。

根据一个实施例，该器械位于钻探工具的中心轴线上。

根据一个实施例，该器械相对于钻探工具的钻探轴线偏心地定位，使得该器械在同一横截面平面视图上相对于接地连接器定位在相反侧。

根据一个实施例，该解决方案涉及用于高电压电脉冲岩石钻探的钻探设备。所述钻探设备包括：钻探工具，所述钻探工具包括至少一个钻管和连接到所述钻管的远端的钻头；进给装置，所述进给装置用于在钻探方向上和返回方向上进给所述钻探工具；冲洗装置，所述冲洗装置用于将冲洗流体馈送到所述钻头；脉冲发生器，所述脉冲发生器用于产生高电压电脉冲；第一导体和第二导体，所述第一导体用于将所产生的高电压电脉冲传导到位于所述钻头的面对表面上的至少一个高电压电极，所述第二导体用于为位于所述钻头的所述面对表面上的至少一个接地电极提供接地电位；并且其中高电压电脉冲从所述高电压电极经由所述岩石材料被传输到所述接地电极，从而破坏所述岩石材料。此外，钻探工具设置有至少一个开关，该开关包括本文档中公开的特征和实施例。

根据一个实施例，冲洗流体在所述一个或更多个钻管的内部被馈送到钻头。于是，可以保护开关免受流向钻头的冲洗流体的流动的影响。

根据一个实施例，冲洗流体在所述一个或更多个钻管的外部被馈送到钻头，并且在钻管内部在反向方向上馈送。这被称为反向循环钻探(RC钻探)，并且所公开的解决方案也可以在RC钻探中实施。于是，可以保护开关免受冲洗流体的回流的影响。

根据一个实施例，所提及的高电压脉冲具有至少100kV的电压值。在测试中，已经表明，该100kV是适当地且以有效的方式发生岩石破坏的最小值。

根据一个实施例，所提及的高电压脉冲在Marx发生器中生成，该Marx发生器可以生成其电压可以上至450kV的脉冲。

根据一个实施例，电脉冲的频率由脉冲发生器设定，并且布置成与钻探工具连接的火花间隙确保脉冲具有足够得快的上升时间，以破坏和分解岩石材料。

根据一个实施例，在以任何其它方式防止冲洗流体穿透到火花间隙的情况下，开关可以不具有气密密封室。

根据一个实施例，所公开的解决方案还可以涉及钻探工具，或者涉及钻探工具部件，该钻探工具部件设置有所公开的开关间隙或预火花间隙，并且被设计用于高电压电钻探。

根据一个实施例，所公开的解决方案还可以涉及钻管，该钻管设置有所公开的开关间隙或预火花间隙，并且被设计用于高电压电钻探。开关可以集成为钻管的结构部分，或者开关可以以不可移动方式安装到钻管。

根据一个实施例，所公开的解决方案还可以涉及钻头，该钻头设置有所公开的开关间隙或预火花间隙，并且被设计用于高电压电钻探。钻头包括本体，该本体内部是用于形成开关间隙的两个电极的空间或室。该空间或室为开关间隙提供保护以免受冲洗流体的影响。所述钻头进一步包括在旨在面向待钻探的岩石的面对表面上的至少一个高电压电极和至少一个接地电极。

根据一个实施例，高电压电脉冲能够借助于高电压电缆或其它导体被引导到钻头。因此，供应线可以包括可弯曲的电缆，或者替代性地是，可以由刚性杆或元件形成。此外，电缆或杆可以被支撑到钻管并且是这些钻管的结构的一部分。

根据一个实施例，所公开的解决方案被设计针对且用于钻探小直径钻孔，所述小直径钻孔是以下之一：爆破孔、勘探孔、岩石锚杆孔、注射孔。

可以组合以上公开的实施例，以便形成具有以上特征中的所需的那些特征的合适的方案。

附图说明

在附图中更详细地描述了一些实施例，在附图中：

图1是设置有用于高电压电脉冲钻探的装置的岩石钻探设备的示意性侧视图，

图2是电连接到高电压脉冲系统的供应线的开关的示意性侧视图，

图3是示出借助于布置到钻探工具的预火花间隙实现的快速上升时间的示意图，

图4是呈现用于提供具有预火花间隙的钻探工具的一些替代性方案的示意图，

图5是布置在钻管内部的开关的示意性侧视图，

图6是布置成与高电压连接器的联接元件连接的开关的示意性侧视图，

图7是还用作钻探工具的两个接连的部件之间的联接元件的开关的示意性侧视图，

图8是开关的示意性简化侧视图，该开关布置成与钻探工具连接，使得冲洗流体不可穿透到开关的预火花间隙，

图9是设置有开关的钻头的示意性侧视图，并且

图10是包括集成在结构内部的开关的钻头的示意性侧视图。

为了清楚起见，附图以简化的方式示出了所公开的解决方案的一些实施例。在附图中，同样的附图标记标识同样的元件。

具体实施方式

图1公开了设置有钻探工具D的钻探设备1，该钻探工具D包括至少一个钻管Dt和连接到钻管Dt的远端的钻头Dh。钻探工具D可包括一个单个刚性管状元件或彼此连接的若干刚性延伸管。一个替代方案是钻管Dt是柔性管，该柔性管能够被缠绕在卷轴上并且当被馈送到钻孔5内时能够变直。钻探工具D的长度T可以是若干米。可以存在用于在钻探期间使至少钻头Dh围绕旋转轴线旋转的旋转装置2。该旋转装置2可以是顶部安装的并且转动整个钻探工具D，或者替代性地是，它可以是潜孔型装置并且可以布置用以仅转动钻头Dh。进给装置3布置用以在钻探方向上和返回方向上进给钻探工具D。冲洗装置4用于将冲洗流体馈送到钻头Dh，使得钻探切屑能够被从钻孔5移除。钻探基于高电压电脉冲，这些高电压电脉冲在脉冲发生器6中产生，并且借助于高电压供应系统传输到位于钻孔5的底部处的钻头Dh。存在：第一导体7，例如电缆，用于将所产生的高电压电脉冲传导到位于钻头Dh的面对表面上的至少一个高电压电极8；以及第二导体9，用于为也位于钻头Dh的该面对表面上的至少一个接地电极10提供接地电位。所产生的高电压电脉冲从高电压电极8经由岩石材料被传输到接地电极10，从而破坏岩石材料。钻管Dt由金属材料制成并且能够用作接地导体。在钻探过程中，冲洗流体在钻管Dt内部流动。取决于所实施的钻探方法，冲洗流体在钻管内部朝向钻孔5的底部或朝向钻孔5的开口流动。

钻探工具D包括开关Sw，用于在高电压电脉冲到达钻头Dh的电极8、电极10之前封装高电压电脉冲。开关Sw根据本文档中公开的特征和实施例，并且它能够被安装到与钻探工具D连接的若干替代位置。在钻探工具的端部部分处需要开关Sw，因为从脉冲发生器6到钻头Dh的距离可能较长。脉冲发生器6位于钻孔5的外部。

设备1可以进一步包括压力调节装置Pa，用于调节开关Sw的开关间隙中占优势的压力。还可以存在一个或更多个传感器S，用于监测开关Sw的操作并向控制单元CU提供有价值的感测数据。传感器S可以是例如压力传感器或温度传感器。控制单元CU不仅可以控制压力调节装置，还可以控制设备1的其它装置和致动器。

图2公开了安装到高电压电缆或导体Hvc的器械Ap，该高电压电缆或导体Hvc将脉冲发生器6电连接到钻头的电极8、电极10。器械Ap包括开关Sw，该开关Sw设置有彼此相距一个距离L定位的两个对置的电极Se1和Se2，使得在它们之间存在开关间隙Sg。存在用于将开关Sw连接到高电压导体Hvc的第一端子T1和第二端子T2。开关Sw可由室Ch包围。该室Ch可以被气密地密封，使得在钻探工具内部流动的冲洗流体F不能穿透到开关间隙Sg并且防止开关Sw的预期操作。

电极Se1连接到电缆Hvc。当达到脉冲电压的调节值或想要的值时，在Se1和Se2之间发生击穿Br。Se2连接到钻头的起作用电极。放电创建将电缆连接到钻头的导电路径。通过进行开关，脉冲被加速，并且脉冲的能量被传递到钻头。在Se1和Se2之间的距离L以及室Ch内部的压力限定开关间隙Sg的开关电压。Se1和Se2可以以该方式被安装，即：使得放电仅发生在它们的彼此直接面对的表面上。

图2进一步公开了器械Ap可以被安装到单独的管状元件11，该管状元件11可以设置有联接元件12，例如联接螺钉，用于将所公开的结构安装在两个钻管之间或者安装在钻管和钻头之间。可存在用于将器械Ap支撑到元件11的支撑元件13。

图3示出了开关间隙的效果。曲线C1示出了当未实施与钻探工具连接的开关时的情况。如能够看出的是，电极上的脉冲的形状具有低且不足的上升时间。曲线C2表示当实施开关时的情况。于是，电极上的脉冲的形状具有快速上升时间，从而能够破坏岩石材料。图3进一步公开了直线C3和C4，用于说明在被比较的两种情况下的脉冲的陡度的差异。通过检查线C3和C4以及它们的斜率，清楚的是，开关导致更短的上升时间。

图4公开了与钻探工具及它的不同部件连接的所公开的器械的一些可能安装的替代性方案。上面已经在本文档中讨论了图4中呈现的特征，并且下面将更详细地讨论这些特征中的至少一些特征。

图5公开了包括开关Sw的器械Ap，该开关Sw可以根据本文档中公开的特征。开关Sw可以被安装在室Ch内部，或者替代性地是，仅开关间隙Sg被室包围。室Ch可以借助于机械支撑元件13(诸如环形件、杆或突起)被支撑抵靠于钻管Dt的内表面。支撑元件13的目的是保持器械Ap以不可移动方式被连接。

室Ch可以被密封，使得它能够保持冲洗流体F在开关间隙Sg之外。室也可以用气体进行加压。此外，器械Ap可以包括馈送口14，用于借助于压力调节装置Pa调节室Ch内部占优势的气体压力。

图6公开了一种设备，其中本档中公开的器械Ap被布置成与高电压连接元件或电缆连接器Cc连接。

图7公开了一个实施例，其中器械Ap是既用作开关又用作电缆连接元件Cc的两用元件。这种器械Ap能够被安装在钻探工具D的两个部件之间，并且不需要将开关和连接器分开。

图8是一个实施例的高度简化图示，其中开关Sw没有被连接到开关的室包围。相反，借助于屏蔽表面15或屏蔽结构引导冲洗流体F的流动，使得开关间隙Sg不遭受冲洗流体F的影响。开关Sw可以在钻探工具D的结构内部，并且冲洗流体F的流动可以经过开关Sw。

图9公开了设置有器械Ap的钻头Dh，该器械Ap根据本文档中公开的特征。器械Ap可以是安装到钻头Dh的单独结构，或者替代性地是，它可以被集成为钻头Dh的不可分离部件。

图10公开了钻头Dh，该钻头Dh的本体16设置有用于开关Sw的空间17。该空间17可以与流过钻头Dh的冲洗流体分离。可以存在用于钻头Dh中的通过的流体流动路径的专用通道。此外，空间17可以是密封的，并且它可以包括用于在空间内部馈送加压气体或在其中形成真空的馈送口。

附图和相关描述仅旨在说明本发明的思想。在本发明的细节上，本发明可在权利要求书的范围内变化。