阅读说明：本技术 一种新型高效二氧化碳相变致裂器 (Novel high-efficient carbon dioxide phase transition send and splits ware ) 是由 邓峰 刘璇 余红安 宋春江 杨幼江 朱禧 高博 罗学东 蒋楠 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种新型高效二氧化碳相变致裂器,包括压盖、发热管、储液管和泄能头,储液管两端分别与压盖、泄能头连接,压盖上设有贯穿其上下端面的导线通孔,发热管固定在压盖下端面上,压盖上还设有注液口,泄能头包括端头主体和剪切片,端头主体为底端封闭的空心柱状,端头主体的侧壁沿端头主体的底面向上延伸设有环形槽且其上对称设有两泄能口,剪切片为底部具有圆盘的环形柱状,剪切片插入设置在环形槽内。其优点在于,将泄能头内的剪切片设计为平行于钻孔壁,在二氧化碳致裂器起爆过程中,可以避免泄能头与钻孔底部发生冲击而引起能量损失,从而提高相变过程中的能量利用率,而且能有效避免二氧化碳相变致裂时发生“飞管”现象。(The invention discloses a novel high-efficiency carbon dioxide phase change cracking device which comprises a gland, a heating pipe, a liquid storage pipe and an energy release head, wherein two ends of the liquid storage pipe are respectively connected with the gland and the energy release head, the gland is provided with a lead through hole penetrating through the upper end surface and the lower end surface of the gland, the heating pipe is fixed on the lower end surface of the gland, the gland is also provided with an injection port, the energy release head comprises an end head main body and a shearing sheet, the end head main body is in a hollow column shape with a closed bottom end, the side wall of the end head main body is upwards extended along the bottom surface of the end head main body and is provided with an annular groove, two energy release ports are symmetrically arranged on the side wall. The carbon dioxide fracturing device has the advantages that the shearing sheet in the energy release head is designed to be parallel to the wall of the drill hole, and in the detonation process of the carbon dioxide fracturing device, the energy loss caused by impact between the energy release head and the bottom of the drill hole can be avoided, so that the energy utilization rate in the phase change process is improved, and the phenomenon of 'pipe flying' caused by carbon dioxide phase change fracturing can be effectively avoided.)

一种新型高效二氧化碳相变致裂器

技术领域

本发明涉及勘探岩土建筑技术领域，尤其涉及一种新型高效二氧化碳相变致裂器。

背景技术

1914年，英国Cardox公司发明了cardox tube system之后，cardox tube system被用于煤层致裂、增透和开采，致裂效果好，安全性高，上世纪80年代开始，英美法等发达国家开始将这种技术运用于管道清堵、破冰等方面。二氧化碳相变致裂破岩技术对被需破碎的岩石介质做功的主要能量来源为液态二氧化碳超临界态与气态之间的相能差，与常用******相比，具有地震波小，飞石少且抛掷距离近，扬尘小，易于控制，安全性好，峰值压力稳定且持续时间长等优点。目前，此技术在岩石破碎、玉石开采、水下***、煤层增透等方面运用广泛，其工业应用前景广阔，但由于二氧化碳相变致裂技术发展时间不长，目前仍处于初级发展阶段，理论仍落后于实际。研制一种高效破岩装备是推进二氧化碳相变技术快速发展的关键环节，对提高超临界二氧化碳致裂技术的应用水平有重要意义。

目前，二氧化碳相变致裂器剪切片多设置为平行于泄能头底，高能二氧化碳冲破剪切片后，先冲击泄能头底部，后从两侧泄能口喷出，高能气体对岩壁进行冲击，使岩石快速破坏。这种致裂器剪切片设置方式对泄能头冲击过大，泄能头易受损，能量损耗巨大，且巨大的冲击反力易破坏泄能头，引起致裂器发生“飞管”，造成较大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种新型高效二氧化碳相变致裂器，将泄能头内的剪切片设计为平行于钻孔壁，在二氧化碳致裂器起爆过程中，可以避免泄能头与钻孔底部发生冲击而引起能量损失，从而提高相变过程中的能量利用率，而且能有效避免二氧化碳相变致裂时发生“飞管”现象。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型高效二氧化碳相变致裂器，包括压盖、发热管、储液管和泄能头，储液管两端分别与压盖、泄能头连接，使储液管内腔为封闭状态，所述压盖上设有贯穿其上下端面的导线通孔，发热管固定在压盖下端面上，所述压盖上还设有注液口，注液口通过封堵塞封口并通过注液通道与储液管内腔连通，所述泄能头包括端头主体和剪切片，端头主体为底端封闭的空心柱状，端头主体的侧壁沿端头主体的底面向上延伸设有环形槽且其上对称设有两泄能口，剪切片为底部具有圆盘的环形柱状，剪切片的厚度与环形槽的槽宽相匹配，剪切片***设置在环形槽内，使端头主体侧壁上的两泄能口封闭。

进一步的，所述储液管外壁上环套设有封孔装置，所述封孔装置由两封孔片组成，两封孔片可拼接成圆环且两者采用插销结构锁定。

进一步的，所述封孔片的内侧设有外凸卡槽，储液管外壁设有与外凸卡槽匹配的内凹卡槽。

进一步的，所述储液管内腔腔壁上涂有保温涂层。

进一步的，所述储液管内腔中设有涡轮装置，所述涡轮装置包括涡轮连杆和涡轮，涡轮连杆为倒置L型，涡轮连杆的横向部分固定在储液管内腔腔壁上，涡轮连杆的纵向部分与储液管内腔的中轴线重合且其前端设置涡轮。

进一步的，所述涡轮的导线沿储液管内腔腔壁向上排布，涡轮的导线和发热管的导线从导线通孔穿出后通过外接导线串联。

进一步的，所述发热管与压盖固接处设有密封环。

进一步的，所述环形槽底部设有密封垫圈。

本发明的有益效果为：

1、相比于现有技术，本发明技术方案将泄能头内的剪切片设计为平行于钻孔壁，在二氧化碳致裂器起爆过程中，可以避免泄能头与钻孔底部发生冲击而引起能量损失，从而提高相变过程中的能量利用率，而且能有效避免二氧化碳相变致裂时发生“飞管”现象；

2、储液管外壁设有封孔装置，保证起爆过程中封孔良好，有效延长了高压气体的作用时间；

3、储液管内腔中设有涡轮装置，涡轮的导线与发热管的导线串联，接入引爆电流时，发热管与涡轮同时启动，保证二氧化碳受热均匀，起爆迅速、彻底；

4、储液管内腔腔壁上涂有保温涂层，从而提高储液管的保温能力，防止温差过大导致起爆时间过长。

附图说明

附图1为本发明二氧化碳相变致裂器的结构示意图；

附图2为本发明泄能头的结构示意图。

标注说明：1、导线通孔，2、注液通道，3、压盖，4、注液口，5、发热管，6、保温涂层，7、封孔片，8、涡轮连杆，9、密封垫圈，10、端头主体，11、涡轮，12、剪切片，13、储液管。

具体实施方式

请参阅图1-2所示，一种新型高效二氧化碳相变致裂器，包括压盖3、发热管5、储液管13和泄能头，储液管13用作注入储藏二氧化碳，储液管13两端分别与压盖3、泄能头采用螺纹配合连接，使储液管13内腔为封闭状态。

所述压盖3上设有贯穿其上下端面的导线通孔1，发热管5固定在压盖3下端面上，作为优选的，所述发热管5与压盖3固接处设有密封环，保证液态二氧化碳在储液管13内密封良好。所述压盖3上还设有注液口4，注液口4通过封堵塞封口并通过注液通道2与储液管13内腔连通，从注液口4向储液管13注入液态二氧化碳后，用封堵塞将注液口4封住。

所述泄能头包括端头主体10和剪切片12，端头主体10为底端封闭的空心柱状，端头主体10的侧壁沿端头主体10的底面向上延伸设有环形槽且其上对称设有两泄能口，环形槽底部设有密封垫圈9，剪切片12为底部具有圆盘的环形柱状，剪切片12的厚度与环形槽的槽宽相匹配，剪切片12***设置在环形槽内，使端头主体10侧壁上的两泄能口封闭。剪切片12的厚度与二氧化碳冲破剪切片12的压力有关，不同规格的剪切片12对应不同的峰值压力，对岩石的冲击作用也不同，因此，可以更换不同规格的泄能头以达到不同的致裂效果。

上述技术方案将泄能头内的剪切片12设计为平行于钻孔壁，在二氧化碳致裂器起爆过程中，可以避免泄能头与钻孔底部发生冲击而引起能量损失，从而提高相变过程中的能量利用率。

所述储液管13外壁上环套设有封孔装置，所述封孔装置由两封孔片7组成，封孔片7采用精钢制作，两封孔片7可拼接成圆环且两者采用插销结构锁定。所述封孔片7的内侧设有外凸卡槽，储液管13外壁设有与外凸卡槽匹配的内凹卡槽，通过外凸卡槽与内凹卡槽的配合对封孔装置限位。

对于不同直径钻孔，可以更换不同厚度的封孔片7，使封孔装置与钻孔相匹配。使用二氧化碳相变致裂器时，先根据钻孔直径确定封孔装置的厚度，然后进行组装，组装完成后将二氧化碳相变致裂器***钻孔中，再向钻孔中填入粘***泥等材料进行封堵。二氧化碳致裂器的封孔技术目前处于初级阶段，多采用粘***泥等材料进行封堵，封孔效果一般且耗时耗力，在一定程度上制约了二氧化碳相变致裂技术的发展。封孔装置有效避免了高压气体沿粘***泥的孔隙溢出，保证起爆后二氧化碳相变致裂器底部与封孔装置之间的储液管13外壁与钻孔壁之间具有充足的高压气体，延长了高压气体对钻孔壁的静压时间，使致裂效果大幅提升。

常规的二氧化碳相变致裂器采用经调质处理过的42CrMo铸成，起爆前激发二氧化碳相变所需热能会通过储液管13管壁散失，能量消耗大，起爆时间延长，影响了相变致裂的效率，上述情形在寒区工程应用中表现尤为明显。作为优选的，所述储液管13内腔腔壁上涂有保温涂层6，从而提高储液管13的保温能力，防止温差过大导致起爆时间过长。

所述储液管13内腔中设有涡轮装置，所述涡轮装置包括涡轮连杆8和涡轮11，涡轮连杆8为倒置L型，涡轮连杆8的横向部分固定在储液管13内腔腔壁上，涡轮连杆8的纵向部分与储液管13内腔的中轴线重合且其前端设置涡轮11。涡轮11工作时，涡轮11以涡轮连杆8的纵向部分端点为圆心转动，促使液态二氧化碳在储液管13内腔中均匀流动，充分与发热管5接触，均匀受热，使起爆迅速、彻底。

作为优选的，所述涡轮11的导线沿储液管13内腔腔壁向上排布，涡轮11的导线和发热管5的导线从导线通孔1穿出后通过外接导线串联，接入引爆电流时，发热管5与涡轮11可以同时启动。

具体的，在二氧化碳相变致裂器使用前，预先使用专业充装机将液态二氧化碳通过注液口4沿注液通道2注入储液管13内腔中，在工作面钻完致裂孔后，根据致裂孔孔径匹配封孔装置的厚度，组装二氧化碳相变致裂器，并把二氧化碳相变致裂器逐个***致裂孔，然后将各个二氧化碳相变致裂器的导线引出串联。通入引爆电流后，发热管5迅速发热，涡轮11同时开始转动，使液态二氧化碳迅速均匀升温，达到超临界状态后，二氧化碳在40ms内体积迅速膨胀600多倍，储液管13内腔中的压力可达到200多MPa，待压力达到剪切片12能承受的极限压力时，两泄能口处的剪切片12同时被冲破，产生强大的冲击力冲击钻孔壁，致裂岩体，冲击过程结束后，高压气体产生的静压使岩体中发育微小裂纹，同时高压气体使岩体裂隙尖端起裂，使裂纹扩展。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。