专利名称：一种脉冲等离子体钻机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于油气勘探开发技术领域，涉及到一种分置式脉冲等离子体钻机系统。
背景技术：
随着油气资源需求的快速上升，研制先进的钻井设备是我们油气战略的迫切需求。传统的钻井方法有机械钻孔法和化学物质爆破法。前者利用机械钻具对岩石的冲击和剪切作用实现对岩石的破碎，具有结构简单，操作方便的特点，但存在钻具容易磨损等缺点；后者利用化学物质在瞬间反应释放的能量对岩石造成冲击从而实现岩石的破碎，具有操作简单、爆破速度快等优点，但同时存在破碎扰动大、有毒有害物质产生和孔型不规则等缺点。面对日益增长的钻井需求，新兴的钻井技术不断开发出来，如超声波法、电子束 法、空化水射流法等。这些方法都是针对某一些特定的岩石开发出来的方法，具有一定的效果，但同时也存在一些限制性的缺陷。利用脉冲等离子体实现快速地岩石钻井是近年来开发出来的一种技术。其原理是岩石放置在去离子水环境中，在岩石的表面放置一对或多对高、低压电极，当施加百纳秒上升沿的高压短脉冲于岩石上，岩石较水首先发生电击穿，在重复脉冲的作用下，可实现岩石的快速钻井。目前俄罗斯、欧共体、日本和美国等国家或地区都出现了脉冲等离子体钻井设备。脉冲等离子体钻井设备主要包括高压直流充电电源、储能电容、开关、钻头电极、循环水系统和其他辅助钻井装置。这些脉冲等离子体钻机系统的电路结构示意图如图I所示，高压直流充电单元给储能电容充电，当储能电容充电达到设定值后，开关触发导通，产生高压短脉冲输出至负载的钻头电极，钻头电极放电引起岩石击穿并发生破碎。高压直流充电单元、储能电容和开关均放置于井上，称为井上设备；钻头电极放置在井下，称为井下设备。井上设备和井下设备通过脉冲传输线连接在一起。这种结构的设计井下设备的结构相对简单，钻井过程简单，但存在的问题是岩石击穿后，特性阻抗小于I欧姆(Scott J. MacGregoret al, Plasma Channel Miniature Hole Drilling Technology[J], IEEE Transactionson plasma science, 2004: 2055-2061),假设传输线的特性阻抗为Z,在岩石击穿后，内部形成等离子体通道，通道内等离子体的特性阻抗为R，那么负载上获得的能量效率为
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TJ =-=■
r, zV
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其中，7为负载上获得的能量效率，Z为传输线的特性阻抗，R为岩石击穿后内部形成等离子体通道的特性阻抗。如果要获得较高的能量效率，脉冲传输线的理想的特性阻抗要跟岩石击穿时的特性阻抗相等。而现有的脉冲传输电缆(RG215，RG218等)，其特性阻抗一般为50欧姆甚至更高，国内目前由青岛海洋所开发出来针对脉冲等离子体钻机系统的同轴水电缆的最低特性阻抗为10欧姆，在传输线这样高的特性阻抗下，负载岩石很难获得较高的能量效率。针对这种情况，许多研究机构提出了新的电路结构来解决这种阻抗匹配问题，J Biela等人提出了固态开关电源(J. Biela et al, Solid State Modulator for PlasmaChannel Drilling [J], IEEE Transactions on plasma science, 2009: 1093-1099),这种方法对工作线圈放置的位置敏感，实际工作中很难满足这种要求。浙江大学闻克平教授开发了一种基于脉冲形成网络的组合脉冲电源(ZL 2009 2 0295616. 0)，这种方法能够较好实现阻抗的匹配，但是解决长距离脉冲传输上仍存在问题。此外，随着脉冲传输电缆长度的增加，脉冲前沿的陡度会因为杂散电感或杂散电容的影响会进一步的下降，当电压的上升前沿达不到百纳秒的要求时，钻机就不能正常工作了，这就是常规等离子体钻机不能够实现深度钻井的原因之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的脉冲等离子体钻机系统。 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是本发明脉冲等离子体钻机系统包括触发信号发生装置、高压直流充电单元、光电复合传输缆线、第一绞车、第一定滑轮、高压脉冲形成单元、去离子水循环单元和钻头电极。高压脉冲形成单元包括高储能密度电容、开关和密封油箱，密封油箱的箱体由导电性材料制作，密封油箱内盛有变压器油，高储能密度电容和开关浸没在变压器油中，高储能密度电容的低压端与密封油箱的箱体电连接；
触发信号发生装置的信号输出端与光电复合传输缆线的光纤的输入端连接；所述高压直流充电单元的高压输出端与光电复合传输缆线的高压直流传输线的高压输入端电连接，高压直流充电单兀的低压输出端同光电复合传输缆线的高压直流传输线的低压输入端电连接；光电复合传输缆线按先后顺序绕经第一绞车、第一定滑轮后，光电复合传输缆线的高压直流传输线的高压输出端同时与高储能密度电容的高压端、开关的阳极电连接，光电复合传输缆线的高压直流传输线的低压输出端与密封油箱的箱体连接，光电复合传输缆线的光纤的输出端与开关的触发极连接。钻头电极包括高压电极和接地电极，高压电极和接地电极之间形成空腔，高压电极和接地电极的下端面均与岩石接触，高压电极与高压脉冲形成单元的开关的阴极电连接，接地电极与高压脉冲形成单元的密封油箱的箱体电连接；
去离子水循环单元包括净化装置、储液槽、进水泵、进水管、排水管、排水泵、第二绞车、第二定滑轮、第三绞车和第三定滑轮，净化装置的出水口与储液槽的进水口连通，储液槽的出水口与进水泵的进水口相连通，进水泵的出水口与进水管的进水口连通；进水管依次绕经第三绞车、第三定滑轮后其出水端与钻头电极的接地电极固定连接，进水管的出水口与高压电极和接地电极之间的空腔连通；排水管的进水口与高压电极和接地电极之间的空腔连通，排水管的进水端与接地电极固定连接；排水管按先后顺序绕经第二定滑轮、第二绞车上后，排水管的出水口与排水泵的进水口连通，排水泵的出水口与净化装置的进水口连通。
进一步地，本发明所述高压脉冲形成单元和钻头电极置于井下。进一步地，本发明所述光电复合传输缆线、进水管和排水管的放线速度相同。进一步地，本发明经所述净化装置处理得到的去离子水的电导率小于等于100U S/cm。
进一步地，本发明所述高压直流充电单元的输出电压大于等于30 kV，所述高压脉冲形成单元的开关的输出电压的上升前沿小于100 ns。进一步地,本发明所述光电复合传输缆线包括高压直流传输线和信号传输光纤，高压直流传输线由外到内的结构依次为同轴的电缆屏蔽层、外导体层、绝缘层和内导体层，光纤在高压直流传输线的旁侧，光纤的外层设有光纤屏蔽层。与现有技术相比，本发明有益的技术效 果是
(I)基于本发明钻机系统的结构，使用高压脉冲形成单元产生的高压短脉冲可直接加载在钻头电极上，避免了使用长距离脉冲传输线，不存在脉冲传输线的阻抗与岩石击穿后通道的特性阻抗失配的问题，从而大大提高了能量利用效率。(2)由于不使用脉冲传输线，也就不存在随着钻井深度的增加电压上升前沿变缓的问题，从而提闻了钻井的深度。
图I为现有技术中常规脉冲等离子体钻机系统的电路结构示意 图2为本发明脉冲等离子体钻机系统的电路结构框 图3为本发明脉冲等离子体钻机系统的结构示意 图4为本发明脉冲等离子体钻机系统的一种实施方式的电路原理 图5为本发明脉冲等离子体钻机系统的光电复合传输缆线的一种实施方式的结构示意图。
具体实施例方式如图3所示，本发明脉冲等离子体钻井系统主要包括触发信号发生装置2、高压直流充电单兀31、光电复合传输缆线5、第一绞车4、第一定滑轮6、高压脉冲形成单兀、去离子水循环单元和钻头电极。图5所不的光电复合传输缆线5由高压直流传输线和信号传输光纤10组成,高压直流传输线由外到内的结构依次为同轴的电缆屏蔽层25、外导体层26、绝缘层27和内导体层28。光纤10在高压直流传输线的旁侧。光纤10的外层还设置有光纤屏蔽层29，光纤屏蔽层29为光纤10提供电磁屏蔽和机械结构上的保护。高压直流传输线和光纤10由具有阻燃阻水的总护套24包络形成光电复合传输缆线5。电复合传输缆线5能够同时传输高压直流电和光信号。高压脉冲形成单元包括高储能密度电容11、开关12和密封油箱9。密封油箱9的箱体由导电性材料制作，密封油箱9内盛有变压器油，高储能密度电容11和开关12浸没在变压器油中，高储能密度电容11的低压端与密封油箱9的箱体电连接。触发信号发生装置2的信号输出端与光电复合传输缆线5的光纤的输入端连接。高压直流充电单元31的高压输出端与光电复合传输缆线5的高压直流传输线的高压输入端电连接，高压直流充电单元31的低压输出端同光电复合传输缆线5的高压直流传输线的低压输入端电连接。作为本发明的优选实施方式，高压直流充电单兀31的输出电压大于等于30 kV，高压脉冲形成单元的开关12的输出电压的上升前沿小于100 ns，在此条件下脉冲等离子体钻机具有较高的岩石破碎效率。
光电复合传输缆线5按先后顺序绕经第一绞车4、第一定滑轮6后，光电复合传输缆线5的高压直流传输线的高压输出端17同时与高储能密度电容11的高压端、开关12的阳极电连接，光电复合传输缆线5的高压直流传输线的低压输出端与密封油箱9的箱体连接，光电复合传输缆线5的光纤10的输出端与开关12的触发极连接。钻头电极包括高压电极14和接地电极13，高压电极14和接地电极13之间形成空腔16，高压电极14和接地电极13的下端面均与岩石15接触，高压电极14与高压脉冲形成单元的开关12的阴极电连接，接地电极13与高压脉冲形成单元的密封油箱9的箱体电连接。去离子水循环单元包括净化装置23、储液槽22、进水泵21、进水管18、排水管8、排水泵I、第二绞车3、第二定滑轮7、第三绞车20和第三定滑轮19。净化装置23的出水口与储液槽22的进水口连通，储液槽22的出水口与进水泵21的进水口相连通，进水泵21的出水口与进水管18的进水口连通。作为本发明的优选实施方式，经净化装置23处理得到的去离子水的电导率小于等于100 u S/cm，低电导率的去离子水可以减少水电导造成的能量损耗，并且高、低压电极放电时等离子体通道发生在岩石内部而不是水中。进水管18按先后顺序绕经第三绞车20、第三定滑轮19后，进水管18的出水端与钻头电极的接地电极13固定连接，进水管18的出水口与高压电极14和接地电极13之间的空腔16连通。排水管8的进水口与高压电极14和接地电极13之间的空腔16连通，排水管8的进水端与接地电极13固定连接，排水管8按先后顺序绕经第二定滑轮7、第二绞车3上后，排水管8的出水口与排水泵I的进水口连通，排水泵I的出水口与净化装置23的进水口连通。第一绞车4控制光电复合传输缆线5的放线速度，第二绞车3控制排水管8的放线速度，第三绞车20控制进水管18的放线速度。光电复合传输缆线5、进水管18和排水管8的放线速度保持一致。从放置的位置来看，触发信号发生装置2、高压直流充电单元31、储液槽22、进水泵21、排水泵I、第一绞车4、第二绞车3、第三绞车20、第一定滑轮6、第二定滑轮7和第三定 滑轮19放置于井上，为井上设备；高压脉冲形成单元和钻头电极放置于井下，为井下设备。如图2所示，本发明脉冲等离子体钻机系统的电路部分主要包括高压直流充电单元、高储能密度电容和开关。与传统脉冲等离子体钻机系统不同本发明将高压直流充电单元放置于井上，而高储能密度电容11、开关12和钻头电极放置于井下。电路部分中的井上设备(高压直流充电单元)和井下设备(高储能密度电容11、开关12和钻头电极)通过直流传输线连接在一起。参见图4，作为本发明的一种具体实施方式
，三相交流电经变压器T升压后经整流桥整流后变成高压直流电，此部分即为高压直流充电单元，这部分被放置于井上。高压直流充电单元通过高压直流传输线同高储能密度电容C连接，直流电的高压端同高储能密度电容C的高压端电连接，直流电的低压端同高储能密度电容C的低压端电连接。开关S的阳极同高储能密度电容C的高压端电连接，开关S的阴极与负载R的阳极连接。为了避免放电过程中反方向震荡电流对开关S造成的冲击，一般在开关S的两端并联有二极管，二极管的阳极同开关S的阴极连接，二极管的阴极同开关的阳极连接。开关S在接受到触发信号后导通，产生的高压脉冲直接加载在钻头电极上。本发明脉冲等离子体钻机系统使用了直流传输线代替了传统脉冲等离子体钻机使用的脉冲传输线，直流传输线就不存在因阻抗不匹配导致的电压传输效率低下和长距离传输时电压上升沿陡度降低等问题。值得一提的是，由于在井下的空间有限，使用的储能电容为高储能密度的电容。将高储能密度的电容和开关用变压器油油封起来，起到电器绝缘的作用
本发明脉冲等离子体钻机工作过程是去离子水循环单元的进水泵21启动后，进水泵21将储液槽22中干净的去离子水泵入到进水管18中，进水管18将干净的去离子水输送至钻头电极的高压电极14和接地电极13之间的空腔16中，使高压电极14和接地电极13浸没在去离子水环境中。高压直流充电单元31将单相或三相交流电经升压整流后转换成直流电,并通过光电复合传输缆线5的高压直流传输线将直流电传输至高压脉冲形成单元的高储能密度电容11。触发信号发生装置2根据用户设定产生用于使开关12运行的的光信号，经光电复合传输缆线5的光纤10将触发信号传输至高压脉冲形成单元的开关12，开关12接受触发信号后导通，产生的高压脉冲加载在钻头电极上，使钻头电极的高压电极14和接地电极13放电，引起岩石15的电击穿,岩石15微爆并发生破碎。在去尚子水循环单兀的排水泵I的作用下，破碎的岩石随去离子水进入到排水管8并进入到净化装置23中。经净化装置23处理后，岩石碎屑排除钻机体外，干净的去离子水流入到储液槽，并进入到下 一个循环。
权利要求
1.ー种脉冲等离子体钻机系统，其特征是包括触发信号发生装置(2)、高压直流充电単元31、光电复合传输缆线5、第一绞车(4)、第一定滑轮(6)、高压脉冲形成単元、去离子水循环单元和钻头电极； 所述高压脉冲形成単元包括高储能密度电容(11)、开关(12)和密封油箱(9)，密封油箱(9 )的箱体由导电性材料制作，密封油箱(9 )内盛有变压器油，高储能密度电容(11)和开关(12)浸没在变压器油中，高储能密度电容(11)的低压端与密封油箱(9)的箱体电连接； 触发信号发生装置(2)的信号输出端与光电复合传输缆线(5)的光纤(10)的输入端连接；所述高压直流充电单元(31)的高压输出端与光电复合传输缆线(5)的高压直流传输线的高压输入端电连接，高压直流充电单元(31)的低压输出端同光电复合传输缆线(5)的高压直流传输线的低压输入端电连接；光电复合传输缆线(5)按先后顺序绕经第一绞车(4)、第一定滑轮(6)后，光电复合传输缆线(5)的高压直流传输线的高压输出端(17)同时与高储能密度电容(11)的高压端、开关(12)的阳极电连接，光电复合传输缆线(5)的高压直流传输线的低压输出端与密封油箱(9)的箱体连接，光电复合传输缆线(5)的光纤(10)的输出端与开关(12)的触发极连接； 所述钻头电极包括高压电极(14)和接地电极(13)，高压电极(14)和接地电极(13)之间形成空腔(16)，高压电极(14)和接地电极(13)的下端面均与岩石(15)接触，高压电极(14)与高压脉冲形成単元的开关(12)的阴极电连接，接地电极(13)与高压脉冲形成単元的密封油箱(9)的箱体电连接； 所述去离子水循环单元包括浄化装置(23)、储液槽(22)、进水泵(21)、进水管(18)、排水管(8)、排水泵(I)、第二绞车(3)、第二定滑轮(7)、第三绞车(20)和第三定滑轮(19)，净化装置(23)的出水ロ与储液槽(22)的进水ロ连通，储液槽(22)的出水ロ与进水泵(21)的进水口相连通，进水泵(21)的出水ロ与进水管(18)的进水口连通；进水管(18)按先后顺序绕经第三绞车(20)、第三定滑轮(19)后，进水管(18)的出水端与钻头电极的接地电极(13)固定连接，且进水管(18)的出水ロ与高压电极(14)和接地电极(13)之间的空腔(16)连通；排水管(8)的进水口与高压电极(14)和接地电极(13)之间的空腔(16)连通，排水管(8)的进水端与接地电极(13)固定连接；排水管(8)按先后顺序绕经第二定滑轮(7)、第二绞车(3)上后，排水管(8)的出水ロ与排水泵(I)的进水口连通，排水泵(I)的出水ロ与净化装置(23)的进水口连通。
2.根据权利要求I所述的脉冲等离子体钻机系统，其特征是所述高压脉冲形成単元和钻头电极置于井下。
3.根据权利要求I所述的脉冲等离子体钻机系统，其特征是所述光电复合传输缆线(5 )、进水管(18 )和排水管(8 )的放线速度相同。
4.根据权利要求I所述的脉冲等离子体钻机系统，其特征是经所述浄化装置(23)处理得到的去离子水的电导率小于等于100 μ S/cm。
5.根据权利要求I所述的脉冲等离子体钻机系统，其特征是所述高压直流充电单元(31)的输出电压大于等于30 kV，所述高压脉冲形成単元的开关(12)的输出电压的上升前沿小于100 ns。
6.根据权利要求I至5中任ー项所述的脉冲等离子体钻机系统，其特征是所述光电复合传输缆线包括高压直流传输线和信号传输光纤，高压直流传输线由外到内的结构依次为同轴的电缆屏蔽层、外导体层、绝缘层和内导体层，光纤在高压直流传输线的旁侧，光纤 的外层设有光纤屏蔽层。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲等离子体钻机系统，它包括触发信号发生装置、高压直流充电单元、光电复合传输缆线、第一绞车、第一定滑轮、高压脉冲形成单元、去离子水循环单元和钻头电极。电路部分中的井上设备和井下设备通过直流传输线连接在一起，高压脉冲形成单元产生的高压短脉冲可直接加载在钻头电极上，避免了使用长距离脉冲传输线，不存在脉冲传输线的阻抗与岩石击穿后通道的特性阻抗失配的问题，从而大大提高了能量利用效率和钻井深度。
文档编号E21B7/00GK102733754SQ20121021635
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者章志成, 裴彦良, 闫克平, 黄逸凡 申请人:浙江大学