一种等离子体液动动力旋转钻具技术领域
本发明涉及地质勘探、石油、天然气、油页岩等钻井工具领域，特别是一种等离子
液动动力旋转钻具。
背景技术
水中高压脉冲放电是指目前已在铸件清砂和铸件冲压成型等工程领域，通过电极
间击穿产生高温高密度的等离子体，在通道内形成电弧放电，利用其液电效应达到目的。
CN104563882A提出一种等离子钻井钻头，该钻头通过利用高压脉冲液相微放电作用直接破
碎岩石，钻头无需与岩石表面接触；专利CN105284712A公开了一种水产养殖用高压脉冲电
场杀菌装置，通过高压脉冲电路产生的高压脉冲电场杀灭送入水处理室内的养殖池塘水的
细菌等有害杂质。虽然水中高压脉冲液相放电作用在其他领域应用广泛，但是在钻井领域
应用较少。
多年来，液动动力旋转钻具的发展为我国油气井钻进带来了很大的收益。液动动
力旋转钻具是将钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具，可以使钻头获得较高的机
械转速，常用的液动动力旋转钻具有两种，一种为叶片式涡轮钻具，一种是容积式螺杆钻
具。常规螺杆马达驱动和涡轮驱动钻进的缺点是：(1)需要提供很高的钻井液压力；(2)钻进
地层很深时，钻井液压力沿程损失增大，需要地面提供更高的钻井液压力，对泥浆泵等地面
设备提出更高的要求，增加了钻进成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可使用低压钻井液，提高钻井
效率，降低钻进成本的等离子液动动力旋转钻具。
本发明利用高压脉冲的液相放电作用间接驱动钻头旋转，从而达到破碎岩石的效
果，工作原理是：一种等离子液动动力旋转钻具，利用高压脉冲放电系统通过放电电极对极
间间隙中的钻井液进行放电，电极间击穿产生高温高压等离子体流体通道，形成放电回路，
电容器的储能快速释放，使得通道内的温度压力快速升高，等离子体的膨胀势能和热辐射
的压力能压缩周围的钻井液形成冲击波，通入液动动力旋转钻具中驱动中心轴进行旋转，
最终驱动钻头回转破碎岩石。
本发明包括液电效应产生装置、液动动力旋转钻具。
所述的液电效应产生装置包括上接头、外壳、下接头、单向阀体、密封圈、弹簧、负
极接线柱、正极接线柱、高压正电极、负电极、螺栓、中心轴、压帽、绝缘隔环、绝缘隔套、下端
盖、空心腔、极间间隙；其中外壳为圆柱形结构，上端车制内螺纹形成上接头，下端车制外螺
纹形成下接头；下端盖带有中心孔和环形通孔，通过台阶固定在外壳下端；高压正电极为铜
质环棒，由预制有台阶的绝缘隔套和设有凹槽的绝缘隔环固定；所述的低压电极由环状的
不锈钢材质的钢管制成，其上下端通过设有凹槽的绝缘隔环固定；压帽预制有凸台，设有中
心通孔和环形通孔，通过中心轴将电极、绝缘隔环、绝缘隔套整体与下端盖固定；单向阀体
安装在压帽上端；所述空心腔为外壳的下端预留的钻井液流动空间；所述的极间间隙为两
个电极之间形成的环形间隙；所述的外壳、下端盖、压帽为不锈钢材料制造；所述的中心轴
为尼龙材料，上下端车制螺纹，分别穿过下端盖和压帽的中心孔后用螺栓固定；所述的绝缘
隔套和绝缘隔环为尼龙材料，用于电极与外壳之间，保证整个系统的绝缘性；所述的压帽两
侧设有两个接线柱，两个电缆分别从两个接线柱穿过；
所述的地面高压脉冲放电系统由三组高压脉冲放电电源和蓄能器并联组成，工作
由开关控制。
采用上述方案的等离子体液动动力旋转钻具应用在钻井中，将等离子体液动动力
旋转钻具与钻头相连接，并通过高压电缆与地面高压脉冲电源以及其他钻井设备相连。
该等离子体液动动力旋转钻具的工作原理是：
地面高压脉冲放电系统产生的高压通过高压电缆传输到高压正电极与负电极，在
极间间隙充满钻井液，正负电极尖端在外加电场的作用下，钻井液的液体介质受到激烈的
电子碰撞发生电离，击穿形成高温高密度的等离子通道，由于瞬间放电作用，造成通道内的
压力迅速增大，等离子通道发生剧烈膨胀，对周围的钻井液介质进行压缩，形成压力脉冲
波，并且超声速向外传播，经过空心腔，减少冲击波的扰动作用，较为稳定地进入液动动力
旋转钻具，作用在定子和转子上，将压力能转变为机械能，从而驱动传动轴并带动钻头旋
转，最终达到碎岩的目的。钻井液通过钻杆从地面通入极间间隙，通过击穿作用产生脉冲波
后进入液动动力旋转钻具驱动钻具旋转，最终通过流体通道进入钻头，冷却钻头，并将破碎
的岩屑从孔壁与外管的间隙送到地表。
本发明的优点是：
与常规的将钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具不同，本方案利用高压
脉冲液相放电作用，将较低压力钻井液转变为高压钻井液，通过液动动力旋转钻具将压力
能转变为机械能，从而驱动钻头旋转，不需要地面提供很高的钻井液压力；脉冲放电的频
率、脉冲输出个数等都可根据钻进地层调节；进较深地层时，也可以通过选择液动动力钻具
的类型获得所需的转速；钻具可以连接不同类型的钻头，适应多种地层钻井；降低了对泥浆
泵的要求，减少了钻进成本。
附图说明
图1为本发明结构剖视示意图。
图2为本发明的液电效应发生装置示意图。
图3为本发明的液电效应发生装置的下端盖示意图。
图4为本发明的液电效应发生装置的压帽俯视图。
图5为本发明在实施例1中的钻进示意图。
图6为本发明在实施例2中的钻进示意图。
图中：1-外壳，2-单向阀体，3-密封圈，4-弹簧，5-负极接线柱，6-第一螺栓，15-第
二螺栓，7-中心轴，8-压帽，9-第一绝缘隔环，10-第二绝缘隔环，16-第三绝缘隔环，11-负电
极，12-高压正电极，13-绝缘隔套，14-下端盖，17-正极接线柱，18-空心腔，19-上接头，20-
下接头，21-钻杆，22-螺杆钻具，23-转子，24-橡胶定子，25-螺杆钻具外管壁，26-万向轴，
27-止推轴承组，28-传动轴，29-涡轮钻具，30-定子叶片，31-转子叶片，32-涡轮钻具外管
壁，33-传动机构，34-涡轮钻具止推轴承组，35-涡轮钻具传动轴，36-钻头，37-出水口，38-
地层，39-流体通道，40-极间间隙，41-第一环形通孔，42第二环形通孔，43-第一中心孔，44-
第二中心孔，45-高压电极电缆，46-负电极电缆，47-地面高压脉冲放电系统，48-蓄能器。
具体实施方式
实施例1：
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明包括液电效应产生装置和液动动力旋
转钻具22；
所述的液电效应产生装置包括钻杆21、上接头19、外壳1、下接头20、单向阀体2、密
封圈3、弹簧4、负极接线柱5、正极接线柱17、高压正电极12、负电极11、第一螺栓6、第二螺栓
15、中心轴7、压帽8、第一绝缘隔环9、第二绝缘隔环10、第三绝缘隔环16、绝缘隔套13、下端
盖14、空心腔18、极间间隙40、第一环形通孔41、第二环形通孔42、第一中心孔43、第二中心
孔44、高压电极电缆45和负电极电缆46；
外壳1上端具有内螺纹形成上接头19，上接头19与上部钻杆21相连；外壳1下端具
有外螺纹形成下接头20，下接头20用于连接液动动力旋转钻具22；外壳1与下端盖14用台阶
固定；绝缘隔套13、高压正电极12和第一绝缘隔环9顺序安装使高压正电极12与外壳1保持
绝缘；第三绝缘隔环16、负电极11和第二绝缘隔环10依次放置在下端盖14；压帽8通过中心
轴与下端盖14固定；压帽8上端安装单向阀体2；高压电极电缆45和负电极电缆46分别通过
正极接线柱17与负极接线柱5与地面脉冲电源47相连，为等离子通道形成的同时形成电流
回路创造了通道；绝缘隔套13、第一绝缘隔环9、第二绝缘隔环10和第三绝缘隔环16为尼龙
材料，可以防止高压电极12与外壳1发生击穿，保证外壳1的绝缘性；高压电极12与低压电极
11之间形成极间间隙40，在极间间隙40中产生等离子体通道；压帽8设有第一环形通孔41，
为钻井液流入提供通道，中间设有第一中心孔43，中心轴7从第一中心孔43中穿过；外壳1、
下端盖14、压帽8、单向阀体2为不锈钢材料，高压电极12为铜质环棒；低压电极11由环状的
不锈钢材质的钢管制成。
参照图5所示，在钻井过程中，将等离子体液动动力旋转钻具通过高压电极电缆45
和负电极电缆46与地面高压脉冲电源47以及其他钻井设备相连。从钻杆21通入的钻井液作
用于单向阀体2，由于压力的作用，单向阀体2和密封圈5压缩弹簧4向下移动，流体通道打
开，钻进液从钻杆21进入外壳1。地面高压脉冲放电系统47产生的高压通过高压电缆45和负
电极电缆46传输到高压电极12与低压电极11，在极间间隙40充满钻井液，放电电极尖端在
外加电场的作用下，钻井液的液体介质受到激烈的电子碰撞发生电离，击穿形成高温高密
度的等离子通道，由于瞬间放电作用，造成通道内的压力迅速增大，等离子通道发生剧烈膨
胀，对周围的钻井液介质进行压缩，形成压力脉冲波，并且超声速向外传播，进入预制的空
心腔18中，通入螺杆钻具22中，作用在橡胶定子24和转子23上，转子23产生偏心运动，通过
万向轴26和止推轴承27将扭矩传动到传动轴28，驱动钻头36回转切削岩石，最终达到碎岩
的目的，橡胶定子24和转子23的螺旋线的头数根据钻井的需要来确定。钻井液通过钻杆21
从地面通入极间间隙40，通过击穿作用产生等离子体后进入橡胶定子24与转子23驱动钻具
36旋转，最终通过出水口37冷却钻头36，并将破碎的岩屑从地层38与外壳1的流体通道39送
到地表。
实施例2：
参照图6，实施例2是在实施例1的基础上，将螺杆钻具22换为涡轮钻具29，其他部
分的结构相同。在钻井过程中，将等离子体液动动力旋转钻具通过高压电极电缆45和负电
极电缆46与地面高压脉冲电源以及其他钻井设备相连。从钻杆21通入的钻井液作用于单向
阀体2，由于压力的作用，单向阀体2和密封圈5压缩弹簧4向下移动，流体通道打开，钻进液
从钻杆21进入外壳1。地面高压脉冲放电系统47产生的高压通过高压电缆45和负电极电缆
46传输到高压电极12与低压电极11，在极间间隙40充满钻井液，放电电极尖端在外加电场
的作用下，钻井液的液体介质受到激烈的电子碰撞发生电离，击穿形成高温高密度的等离
子通道，由于瞬间放电作用，造成通道内的压力迅速增大，等离子通道发生剧烈膨胀，对周
围的钻井液介质进行压缩，形成压力脉冲波，并且超声速向外传播，进入预制的空心腔18
中，通入涡轮钻具29中，作用在定子叶片30和转子叶片31上，定子叶片30和转子叶片31产生
压力差，通过传动机构33和涡轮钻具止推轴承组34将扭矩传动到涡轮钻具传动轴35，驱动
钻头36回转切削岩石，最终达到碎岩的目的，定子叶片30和转子叶片31级数根据钻井的需
要来确定。钻井液通过钻杆21从地面通入极间间隙40，通过击穿作用产生等离子体后进入
橡定子叶片30和转子叶片31通过涡轮钻具传动轴35驱动钻具36旋转，最终通过出水口37冷
却钻头36，并将破碎的岩屑从地层38与外壳1的流体通道39送到地表。