借助放电进行旋转钻孔的系统的制作方法

本发明涉及借助于放电进行旋转钻孔的装置和过程以及该种装置的某些元件。

背景技术：

油气开采、开矿、地热能、土建工程和其他作业的领域中采用的传统钻孔技术是向下钻进旋转钻孔工具，同时要施加几吨至几十吨之大的推力。通过从地面上旋转全部的钻柱(行业内称作“旋转钻孔”的系统)，或者使用底部液压马达(涡轮钻进)，来提供钻孔工具的旋转。所用的钻孔工具是三锥轮型、PDC(多晶金刚石复合刀具)或浸渍的基质。在所有的情形中，岩石的碎裂是由机械效果产生的。工具所产生的岩石切割在孔壁和钻柱之间的空间(环腔)内，通过钻探流体的向上流动而上升到地面。

然而，这些技术在某些非常硬或非常耐磨地质地层中遭遇到缓慢的前进进程。为解决该问题，人们已经针对传统技术设计出各种替代方案。在这些各种设计方案中，人们提出了一种技术，该技术基于通过放置在钻孔工具下方的电极，反复地将非常高功率的电脉冲直接注入到地里。电极之间产生电弧，电弧穿透地面并形成等离子隧道。等离子产生的气体膨胀使得岩石破裂并形成切削物，然后在传统方式中通过流体流动来消除所产生的切削物。该技术很长时间已为人们所熟知，在文献中该技术具有不同的名字，诸如“放电脉冲钻孔”、“等离子通道钻孔工艺过程”或“电脉冲岩石钻孔装置”。

文献US005845854A是先前的出版物，其显示如何根据电压上升时间来优化电极间的距离。文献US6164388给出了优化操作的等式，并提出使用半导体整流器的优化的功率电路设计。文献WO-A-03/069110提供相对于该过程电参数(电压、功率、脉冲周期)的量级顺序。然而，这三个专利遭受主要的弱点，即，提供给电极的电功率。的确，这些系统的脉冲发生器位于地面上。因此传输方式(借助于电缆或其他系统)有必要将地面连接到底部钻孔，这导致复杂性和安全性的问题。

某些文献注意点着力于该技术与其他工艺过程的组合。因此，文献US7416032涉及到一种钻探系统，该系统用具有电气和机械效果相组合的放电来进行钻探。文献US7527108涉及到一种便携式系统，该系统在线性度量的钻孔开矿的背景下用放电来进行钻探。文献US7784563涉及到一种用放电进行钻探的系统，其包括保持岩石和电极之间连续接触的机构。文献EP2554780提出一种用放电进行钻探的系统与用来冷却和脉动钻孔流体的工艺过程的组合。文献EP2554778提出一种用放电进行钻探的系统、用于方向性钻探的传感器系统以及LWD(边记录边钻探)系统的组合。

所有这些文献呈现同样的弱点：尽管在钻孔底部处存在有脉冲发生器，但向其供电所需的电力仍由电缆从地面提供。然而，电缆的存在是与操作使用这些系统发生冲突的主要障碍。的确，在使用传统钻柱的情形中，电缆的存在阻碍了钻柱的旋转。如此的障碍与专业的基本规律相矛盾：在任何时刻要能够转动杆的外壳。

然而，某些文献建议采用向下钻进的电力发生器来向借助于放电进行钻探的系统供电的可能性，例如，诸如文献US2009/00500371、US8109345和US7784563。然而，这些文献没有对如此构造中的系统的操作提供细节，第一个文献只是关于非转动的系统。然而，向下钻进的发电机的主要优点之一是能够从地面上转动钻柱。此外，为了使用向下钻进发电机，这些文献没有解决以下三个关键问题：从地面对系统操作的控制；当提升出钻柱时，针对高电压的风险，人员的安全性；以及与使用MWD(边测量边钻探)系统的兼容，所述系统几乎在这些天中运转，尤其是用于油井钻探。

技术实现要素：

概略地说，向下钻进设备纳入在钻柱(钻杆和钻铤的组件)的端部处，并由四个主要部件组成：

-发电机，

-脉冲发生器，

-电滑动开关，

-电动钻探工具。

发电机将钻探流体的液压能量转化为电能，并递送向脉冲发生器供电的电流。

脉冲发生器一般地由电容器和功率开关组成。电容器由发电机馈电。功率开关将重复的高压脉冲递送到电动钻探工具的电极。

电动钻探工具装备有电极系统。电极系统由高压电极(电气地连接到脉冲发生器电容)和接地电极组成。

电滑动开关能从地面上以简单和可靠的方式控制系统的电气操作，而不用传输电缆。

与电气过程实施相平行，由于没有电缆或用于传输电能的其他系统干扰该运动，所以，传统上从地面上来转动钻柱。因此，钻探机具有与钻探设备和标准程序完全相容的系统，同时通过电滑动开关对向下钻进系统的电气操作提供控制。

电滑动开关允许实现遥控并使系统发挥功能和保持安全性。

因此，通过提供借助于放电的钻探系统，本发明克服了上述这些缺陷，该钻探系统不需要与地面的任何电气连接，允许以简单和安全的方式从地面来控制向下钻进系统的操作。本发明还与标准的钻探设备以及传统的钻探程序完全相容。因此，本发明提供安全性、可靠性和性能。

因此，本发明提供了用于旋转钻探的向下钻进装置，其包括：

-安装在由钻杆和/或钻铤组成的钻柱端部处的发电机，发电机将钻探流体的液压能量转换为电能；

-机械地和电气地连接到所述发电机的脉冲发生器，其向由钻探工具承载的电极系统供电；

-电动钻探工具，其机械地和电气地连接到所述脉冲发生器，由钻杆和/或钻铤组成的钻柱使该电动钻探工具转动，并由主动和被动电极系统组成；以及

-电滑动开关系统。

根据一个实施例，滑动开关系统(9)纳入到：(i)所述电动钻探工具(7)，或(ii)所述电动钻探工具(7)和所述脉冲发生器(6)之间的接口，或(iii)所述脉冲发生器(6)，或(iv)所述脉冲发生器(6)和所述发电机(5)之间，或(v)所述发电机(5)，或(vi)所述发电机(5)上方。

根据一个实施例，该装置包括两个滑动开关：

-第一电滑动开关，其介于将液压能量转换为机械能的发电机的部分和将机械能转换为电能的发电机部分之间，这样，当处于“打开”位置中时，即使钻探流体在所述液压隔间内循环，该开关也阻止发电；以及

-第二电滑动开关，其位于电动钻探工具处，这样，当处于“打开”位置中时，即使电气隔间在产生电流时，该开关也迫使所述脉冲发生器的电容(16)放电，并阻止电容充电。

根据一个实施例，所述电动钻探工具的转动使所述被动电极的机械效应与电气放电效应相组合。

根据一个实施例，所述电动钻探工具的转动用发生在所述被动和主动电极之间的径向电弧扫遍孔的全部表面。

根据一个实施例，所述起作电开关作用的滑动开关借助于机械弹簧而常开，所述机械弹簧使所述滑动开关保持打开，通过将所述电容器的两个接线终端连接到放电电阻器上的电路，使所述脉冲发生器的功率电路保持在打开的状态，使电容器保持在“短路”的状态。

根据一个变体，通过注入壳体内的钻探流体，从地面上触发正向的动作，便可加强所述滑动开关的“常开”位置。

根据一个实施例，从地面上触发正向的动作包括在所述电动钻探工具上施加一重量，由此能够使所述开关从打开位置切换到闭合位置。

根据一个实施例，在根据本发明的装置中：

-发电机包括涡轮机或正向位移马达，钻探流体的流动驱动马达的转子转动，马达转子又驱动交流发电机的转子，

-所述涡轮机或所述马达的所述转子和所述交流发电机的所述转子之间的接口包括允许机械离合的电滑动开关。

根据一个实施例，在根据本发明的装置中：

-所述主动和被动电极的系统包括两组电极，它们彼此电气地绝缘，但从轴向的观点和角向的观点来看，它们互相机械地连接，所述电极组包括：

(i)一组被动电极、接地电极，以及(ii)一组主动电极、高压电极；或

-所述主动和被动电极的系统包括两组电极，它们彼此电气地绝缘，但从角向的观点来看，它们互相机械地脱开联接，但从轴向的观点来看，不是脱开联接的，所述电极组包括：(i)一组被动电极、接地电极，它们位于所述电动钻探工具的外围，以及(ii)一组主动电极、高压电极，它们中心地位于所述电动钻探工具中，而且不是机械地连接到被动电极组，这样不被被动电极驱动而转动；或

-所述主动和被动电极的系统包括两组电极，它们彼此电气地绝缘，但从角向的观点和轴向的观点来看，它们互相机械地脱开联接，所述电极组包括：(i)一组被动电极、接地电极，它们位于外围内，以及(ii)一组主动电极、高压电极，它们中心地位于所述电动钻探工具内，它们装备有最好是几厘米长的轴向轨道，并经受能使电极与岩石连续接触的波纹弹簧的力；或

-所述主动和被动电极的系统包括两组电极，它们彼此电气地绝缘，但从角向的观点来看，它们互相机械地附连，但从轴向的观点来看，它们彼此不机械地附连，所述电极组包括：(i)一组被动电极、接地电极，以及(ii)一组主动电极、高压电极，它们相对于所述电动钻探工具的轴线偏心地定位，它们装备有最好是几厘米长的轴向轨道，并经受能使电极与岩石连续接触的波纹弹簧的力。

根据一个实施例，电动钻探工具的终端部分包括除电极之外没有任何固体材料的内部腔室。

根据一个实施例，所述脉冲发生器的轴线与绝缘材料的轴向中空管交叉，轴向中空管用金属管机械地连接到所述脉冲发生器的下部，这样，所述管的连续性确保钻探流体的传输，确保所述下部金属管(最好仅此管子)接收来自所述脉冲发生器的电放电。

根据一个实施例，所述脉冲发生器是LTD线性变换器驱动器型的发生器，或是Marx发生器或TESLA变换器。

根据一个实施例，由能量储存装置(最好是电容器)和功率开关(最好是气体放电管)组成的若干个模块，互相堆叠在位于所述中空管和外部金属包壳之间的环形空间内。

根据一个变体，所述功率开关由环形电极组成，环形电极具有环的形式。

根据一个实施例，该装置还包括由两个金属部分组成的绝缘连接器，即，上部和下部，两个金属部分被绝缘材料分开并嵌套在两个部分之间，以传递轴向应力以及所述上部和所述下部之间的扭转应力。

根据一个实施例，电极包括硬质和耐磨材料的插入件，所述材料最好是多晶金刚石化合物(PDC)类型，或碳化钨类型，和/或包括硬质材料(最好是金刚石)粉末或微颗粒的金属基质。

本发明还涉及旋转的钻探装置，钻探装置包括根据本发明的向下钻进装置，该钻进装置纳入在包括钻杆和用来传输电能的可能的钻铤的组件的钻柱的端部处；包括用来旋转驱动钻杆和/或钻铤组成的钻柱的系统的钻探设备；以及用来将钻探流体注入到钻杆和/或钻铤组成的钻柱内的钻探泵。

本发明进一步涉及通过转动根据本发明的旋转钻探装置的钻探过程。

附图说明

图1描绘处在“定位在电动钻孔工具高度处的滑动器”构造内的总系统。在该图中：

-1：装备有铁架塔、桅杆或其他操作系统的钻探设备，

-2：用来旋转钻柱的系统，

-3：在高流量和高压下用来注入钻探流体的泵，

-4：钻杆和/或钻铤组成的钻柱，

-5：发电机，

-6：脉冲发生器，

-7：电动钻探工具，

-8：稳定器，

-9：定位在电动钻探工具处的电滑动开关，

-10：电极系统。

图2描绘处在“定位在发电机和脉冲发生器之间的滑动器”构造内的总系统。图1的图例必要变更后适用。

图3描绘处在“两个电滑动开关”构造内的总系统。在该图中：

-9s：上部电滑动开关

-9i：下部电滑动开关

-5a：液压隔间

-5b：电气隔间

-5：发电机

图4描绘脉冲发生器和处于“打开滑动器”构造中的电动钻探工具—“定位在电动钻孔工具高度处的滑动器”构造。在该图中：

-6：脉冲发生器

-8：稳定器

-9：处于“正常打开”位置中的滑动开关

-11：接地电极

-12：中央的或补偿的高压电极

-13：绝缘器

-14：处于未压缩位置中的弹簧

-15：处于伸展位置中的波纹弹簧

-16：电容器

-17：用于打开/闭合电容器充电电路以及在处于“常闭”构造中的电阻器上使电容器放电的系统

-18：用于钻探流体循环的孔

-19：用于机械传动的系统

图5描绘脉冲发生器和处于“闭合滑动器”构造中的电动钻探工具—“定位在电动钻孔工具高度处的滑动器”构造。在该图中：

-6：脉冲发生器

-8：稳定器

-9a：处于“闭合”位置中的滑动开关

-11：接地电极

-12：中央的或偏移的高压电极

-13：绝缘器

-14a：处于压缩位置中的弹簧

-15a：处于压缩位置中的波纹弹簧

-16：电容器

-17a：用于打开/闭合电容器充电电路以及在处于“启动”构造中的电阻器上使电容器放电的系统

-18：用于钻探流体循环的孔

-19：用于机械传动的系统

-36：高压腔室

图6描绘装备有电滑动开关、位于“包括中央或补偿电极的高压电极和若干个外围电极”构造中的电动钻孔工具。在该图中：

-11：接地电极

-12：中央的或补偿的高压电极

-12a：高压外围电极

-13：绝缘器

-36：高压腔室

图7描绘电滑动开关定位在电动钻孔工具高度处时电滑动开关的机械和液压部分操作的详图。在该图中，除了已经在图4和5中给出的附图标记之外：

-20：钻探流体循环通道

-21：打开滑动器的弹簧14所施加的力F1

-22：由绝缘器通道(20)和施加该压力的部分S(23)内流体载荷损失所产生的压力[P2(24)-P1(25)]生成的力F2

-23：其上施加压力的表面，所述压力是由绝缘器通道(20)内流体载荷损失[P2(24)-P1(25)]所生成

-24：绝缘器通道(20)上游的钻探流体的压力P1

-25：绝缘器通道(20)下游的钻探流体的压力P2

图8描绘定位在发电机的液压隔间和电气隔间之间(脱开啮合的位置)的电滑动开关。在该图中：

-36：连接到液压隔间转子(涡轮机或向下钻进马达)的上部中空从动轴

-37：上部轴承

-38：由发电机的液压隔间转子(涡轮机或向下钻进马达)驱动的中空轴的旋转运动

-39：密封件

-40：用于机械连接处于脱开啮合位置中的中空轴的上部和下部之间的机构

-41：下部轴承

-42：连接到发电机电气隔间转子(交流发电机)的下部中空轴

-43：处于未压缩位置中的弹簧

-47：钻探流体循环

图9描绘定位在发电机的液压隔间和电气隔间之间(啮合的位置)的电滑动开关。在该图中：

-36：连接到液压隔间转子(涡轮机或向下钻进马达)的上部中空从动轴

-37：上部轴承

-38：由发电机的液压隔间转子(涡轮机或向下钻进马达)驱动的中空轴的旋转运动

-39：密封件

-41：下部轴承

-42：连接到发电机电气隔间转子(交流发电机)的下部中空轴

-44：用于机械连接处于啮合位置中的中空轴的上部和下部之间的机构

-45：上部中空轴驱动的下部中空轴的旋转运动

-46：处于压缩位置中的弹簧

-47：钻探流体循环

图10描绘远离电滑动开关的使电容器信电阻器上放电的电路一部分的操作细节。在该图中：

-26：发电机

-27：使电容放电在电阻器上的电路

-28：脉冲发生器

-29：电动钻孔工具

-30：脱开偶联的电容器

-31：由机械传动系统致动接触器

图11描绘电极系统构造的一个实例，所述系统具有包括单个中央补偿电极的高压装置。在该图中：

-32：接地电极

-33：中央补偿的高压电极

-34：接地电极点和中央电极之间的距离D

图12描绘电极系统构造的一个实例，所述系统具有包括一中央补偿电极和外围电极的高压装置。在该图中：

-32：接地电极

-33：中央补偿的高压电极

-34：接地电极点和中央电极之间的距离D

-35：外围高压电极

图13描绘脉冲发生器的横截面，该脉冲发生器是带有环形气体放电管的Marx构造发生器。在该图中：

-48：脉冲发生器和中空轴向高压管之间的电气接口

-49：环形电极气体放电管

-50：绝缘器

-51：气体放电管的环形电极

-52：钻探流体循环

-53：绝缘材料中的中空轴向管

-54：中空轴向高压管

-55：外部金属壳

-56：包括能量储存装置(电容器)和功率开关(气体放电管)

图14描绘绝缘连接器。在该图中：

-57：下部金属部分

-58：上部金属部分

-59：钻探流体的流动

-60：绝缘器

图15描绘电极一部分的视图。在该图中：

-61：PDC

-62：浸渍的基质

图16描绘根据本发明工具的三维视图。

具体实施方式

现将更详细地描述本发明，在以下的描述中，以非限制的方式进行描述。

本发明可以使用在以下的领域内：

-石油部门(油和/或气田的勘查和开发)，

-开矿部门(勘查钻探)，

-地热部门(低或高焓井的钻探)，

-城市工程部门(地质评估钻探、冻土孔钻探等)。

不需要特殊的结构布置，将所提供的向下钻进设备纳入到标准钻柱(钻杆和/或钻铤的组件)的端部处。它由以下元件组成：

-发电机(5)，

-脉冲发生器(6)，

-电滑动开关(9)，

-电动钻探工具(7)。

装备有铁架塔、桅杆或其他操作系统的钻探设备(1)、用来旋转钻柱的系统(2)和在高流量和高压下注入钻探流体的泵(3)，以及钻杆和/或钻铤组成的钻柱(4)，它们与该向下钻进设备相连。可设置标准设计的稳定器(8)。

与电气过程的实施相平行，由于没有用于传输电能的电缆或其他系统与该旋转运动相干涉，所以钻柱可以常规地从地面旋转(用旋转台和方钻杆装置或“动力转盘”)。因此，钻探机具有完全与钻探设备和标准程序兼容的系统，同时通过工具的滑动对向下钻进系统的电气操作提供控制。

在图1中，电滑动开关定位在电动钻探工具处，而在图2中，电滑动开关定位在发电机和脉冲发生器之间。

因此，电滑动开关可定位在电动钻探工具处或该系统不同部件之间的接口处。

图3还示出其中采用了两个电滑动开关的构造：一个开关位于发电机处，而另一个开关位于电动钻探工具处。

使用向下钻进设备符合于标准钻探程序，且钻探设备不需要任何特殊的结构布置。

下面将描述根据本发明的装置各种部件和程序。

发电机(5)的功能是将钻探流体的液压能转换为电能。在所考虑的不同构造的其中一种构造中(例如，参见图3)，发电机由以下部件构成：

-向下钻进涡轮机或包括定子部分和转子部分的液压马达型的液压隔间(5a)，

-将来自液压隔间的转子的旋转运动传输到电气隔间的转子的机械接口

-电气隔间(5b)，其在一种可能的构造中自身被细分为两个部分：

-包括定子部分和转子部分的交流发电机隔间，所述定子部分承载交流发电机的绕组，而转子部分承载磁性部件，

-充电器，其将例如为1kV至50kV(最好是20kV和40kV之间)的高压电流供应到脉冲发生器的电容。

在该构造中，钻探流体在液压隔间的定子部分和转子部分之间循环并转动转子。这又驱动了交流发电机的转子。在液压隔间和电气隔间之间的接口处，钻探流体在交流发电机转子内穿过，该转子由上部中带有开口的中空轴构成。交流发电机产生的低压电流供应给高压充电器，充电器又向脉冲发生器的电容器供电。

由位于地面上的钻探设备泵注入的钻探流体的动力驱动了发电机。因此，本发明的设计不需要在地面和底部之间的任何电能传输系统，诸如电缆、导电的钻杆、盘管或任何其他系统。电能在底部处生产，因此消除了如现有技术各种文献中呈现的对借助于放电来使用钻探系统所出现的基本障碍。与现有技术的文献不同，该设计通过与标准钻探程序完全相容的本发明的放电得到旋转钻探系统。通过组合旋转带来的机械作用和放电的效应，这允许提高岩石破损过程的效率。这允许以传统方式来操纵钻柱(提升到地面和下降到底部)，而毫无附连到钻杆或钻杆内电缆带来的障碍。钻柱连续的旋转运动还防止传统上担心的由于压差造成的粘滞现象，并降低必须在井孔中放弃钻柱的风险。

本发明允许从地面上来控制该装置。没有本发明的附加装置，钻探机就不能允许或阻止从地面上实施通过放电进行的旋转钻探系统的电气操作。的确，仅控制通过泵实施的泥浆循环允许起动或停止该系统的操作。然而，在钻探行业内众所周知，当井孔中存在钻柱时，泥浆的连续循环对于井孔的安全性和人员的安全性都是至关重要的必要性，即使钻探工具不是严格地在进行钻探也是如此。该种连续的循环对油气部门的井来说，可防止出现油或气的喷井的风险，并避免岩石碎片(切削碎片)任何的沉淀，因此防止钻柱被堵死的风险。在这些状态下，仅使用发电机而没有根据本发明的装置，则不管泥浆的循环是否在工作，都会对借助于放电进行的旋转钻探系统带来连续的电气操作。如此的旋转对于人员的安全性、钻探的安全性和过程的效率都是严重不利的。

对于人员的安全性来说，关键的是，当将钻柱提升到地面上时，要确保停止系统的电气操作和电容器进行放电。还希望当钻柱在金属管(金属壳)的“靴”端处是处于流体循环之下时，能停止系统的电气操作。本发明允许通过使用滑动开关来达到该目的。

就性能来讲，重要的是该系统要具有尽可能长的寿命。因此该理由建议，当钻柱处于井孔的底部时，即，当该系统用来进行钻探时，仅通过放电触发旋转钻探系统。本发明还允许利用滑动开关来达到该目的，如果需要的话，所述滑动开关将只在井孔的底部处致动该装置。

最后，最好在从MWD进行“泥浆脉动”传输过程中，能够定期地停止该系统的电气操作，以避免系统之间的干扰。本发明还允许通过利用滑动开关来达到该目的。

所有这些实例(并非详尽的清单)清楚地表明，理想的是要具有遥控通过放电进行旋转钻探系统的电气操作的装置，且遥控装置全都在手头。通过纳入定位在系统结构中的各种可能部位处的电滑动开关(9)，便可能从地面上实施该种控制(该种开关将在下文中进一步描述)。

在优选的构造中，该电滑动开关位于液压隔间和电气隔间之间的接口处(参见图3)。该开关起到机械离合器的作用。该开关的“正常”位置阻止液压隔间转子与电气隔间转子的机械锁定。这提供了以下事实的保证：除非钻探机如此决定，否则系统不能进行操作。钻探机作出运行该系统的决定包括：对工具施加若干吨很大的重量，例如，在2t和15t之间；使一部分钻柱置于压缩中。当钻探机施加该力时，滑动开关闭合，液压隔间和电气隔间的转子之间建立起机械锁定，然后，发电机产生电流。

在所考虑的一个构造中，该电滑动开关能致动系统，以便打开/闭合施加到电容器的高压功率。

该开关的“正常”位置防止高压电供应到电容器。这提供如下事实的保证：除非钻探机如此决定，否则系统不能进行操作。钻探机作出运行该系统的决定包括：对工具施加若干吨很大的重量；使一部分钻柱置于压缩中。当钻探机施加该力时，开关的滑动器闭合，建立起电气接触，然后系统可进行操作。

在所考虑的另一个构造中，该电滑动开关允许致动液压系统转子和交流发电机转子之间的机械锁定系统(参见下面的图8和9)。该开关的“正常”位置防止交流发电机转子转动。在该位置中，因此没有电流会产生。正如前面所述的情形那样，它提供如下事实的保证：除非钻探机如此决定，否则系统不能进行操作。钻探机作出运行该系统的决定包括：以与上述基本原理相同的原理，对工具施加若干吨很大的重量；使一部分钻柱置于压缩中。当钻探机施加该力时，开关的滑动器闭合，液压隔间转子与交流发电机转子啮合，然后可运行该系统。

在另一优选的实施例中，该系统装备有两个电滑动开关(如图3中所示)：

-上部电滑动开关(9s)，其位于发电机的液压隔间和电气隔间之间，

-下部电滑动开关(9i)，其在电动钻探工具处。

因此，在该构造中，系统设置有双重安全性。处于正常位置中的上部开关保证：即使保持钻探流体的循环，也停止来自发电机的生产，也没有电流供给该系统。处于正常位置中的下部开关保证：脉冲发生器电容放电且不能被充电。

因此，根据本发明的电滑动开关以及向下钻进的发电机对借助于放电的旋转钻探系统，给予可靠性、安全性以及特别在油开采部门中的钻探规则所需要的特性。

图4和5描绘脉冲发生器和钻探工具(定位在电动钻探工具处的滑动件)，它们分别处于滑动打开和滑动闭合位置中。在这些位置中，脉冲发生器(6)连接到稳定器(8)，稳定器(8)与滑动开关(9)形成一体。该装置包括接地电极(11)和单个的中央或补偿高压电极(12)或多个高压电极，这些高压电极之间存在有绝缘器(13)。这些电极在高压腔室(36)处的它们的端部处不被任何固体材料分开，这些电极提供钻探所必须的电脉冲。该装置还包括用于钻探流体循环的孔(18)和用于机械传动的系统(19)以及电容器组(16)。

在图4的打开位置中，可看到处于未压缩位置的弹簧(14)、处于伸展位置中的波纹弹簧(15)、用于使电容器在电阻器上充电和放电的电路的电路打开/闭合系统(17)，其处于“正常闭合”构造中。

在图5的闭合位置中，开关(9a)显示为处于闭合位置中，而弹簧处于压缩(14a)的位置中，波纹弹簧处于压缩位置(15a)中，以及用来使电容器在处于“致动”构造的电阻器上充电和放电(电容器移能(dump))的电路的电路打开/闭合的系统(17a)。在图5的该种构造中，对脉冲发生器的高压供电电路因此闭合，而可对电容器充电。打开/闭合电容器高压供电电路和电容器放电电路的操作细节显示在图10中，其中，发电机(26)连接到在“移能(dump)”电阻器上使电容放电的电路(27)，所述放电电路还包括脱开偶联的电容器(30)和由机械传动系统致动的接触器(31)，该电路连接到脉冲发生器(28)，脉冲发生器本身连接到钻探工具(31)。

图7示出分别处于滑动器打开和滑动器闭合构造中的滑动开关(定位在电动钻探工具处的滑动器)的机械部分和液压部分操作细节。在该图7中，再次显示接地电极(11)、中央或补偿高压电极(12)、绝缘器(13)和处于未压缩位置中的弹簧(14)以及用于钻探流体循环的孔(18)。此外，还显示了绝缘器(13)内的钻探流体循环通道(20)以及以下的力和压力：

-21：打开滑动器的弹簧14所作用的力F1

-22：由绝缘器通道(20)和施加该压力的部分S(23)内流体载荷损失所产生的压力[P2(24)-P1(25)]生成的力F2

-23：其上施加压力的表面，所述压力是由绝缘器通道(20)内流体载荷损失[P2(24)-P1(25)]所生成

-24：绝缘器通道(20)上游的钻探流体的压力P1

-25：绝缘器通道(20)下游的钻探流体的压力P2。

为了加强滑动器弹簧的从动作用，绝缘器内的垂直通道为形成载荷损失(ΔP＝P1-P2)而定其尺寸，这可解释为从顶部指向下的垂直力F2等于该载荷损失乘以下部滑动部分面积的乘积(F2＝ΔPxS)。因此，该力加强了弹簧力F1和滑动器之下的悬挂重量的力。

因此，当电动钻探工具不搁靠在井孔的底部上且钻探流体在循环时，钻探机不仅具有电容器不再被供电的确定性，而且电容器完全地放电。的确，处于常开位置中的电滑动开关打开了电容器充电电路，还闭合了电容器在“移能”电阻器上放电的电路(见图10)。当工具搁置在井孔的底部上且大于弹簧积聚力的重量和载荷损失施加到该工具上时，滑动器闭合且传动杆致动电路闭合/打开系统。在此瞬时，电容器充电电路闭合，该电容器不再连接到电容在“移能”电阻上放电的系统上，然后可操作通过放电的旋转钻探。

图6是一种视图，其中，可看到接地电极(11)、中央或补偿高压电极(12)、外围高压电极(12a)、绝缘器(13)以及形成在电极之间的高压腔室(36)。

如上所述，电滑动开关提供以下三种功能：

-以“正常禁止”类型的基本原理，从动地禁止交流发电机转子的转动，和/或由交流发电机向高压充电器供电，和/或对脉冲发生器的电容供电电路的供电，

-从动地确保以“正常放电”类型的基本原理闭合电容器在“移能”电阻器上放电的电路

-一旦钻探机从地面上触发有效的动作，允许：

-交流发电机转子转动，和/或

-由交流发电机向高压充电器供电，和/或

-向脉冲发生器电容器供电，以及

-联合地打开用于在电阻器上使脉冲发生器电容器放电的电路(参见图10)。

因此，该开关的“正常禁止”或“正常打开”位置是确保位置，该位置保证没有高压的危险以及用于通过放电进行旋转钻探的系统的电气的不运行。

在一个实施例中，该开关由滑动器构成，该滑动器纳入在发电机的液压隔间(涡轮机或向下钻进马达)和电气隔间(交流发电机)之间(如图3、7和8所示)。滑动器由两个部分构成，它们在彼此之上滑动，该两个部分具有高挡块和低挡块，能使行程从几厘米到几分米，例如，从1cm至20cm。该滑动器遵从“正常打开”类型的基本原理进行设计，通过结实构造的机械弹簧作用，在两个滑动部分之间施加有力的分开力。滑动器下部之下的悬置重量加强了弹簧作用，使得滑动器保持在打开位置中。滑动器的上部承载安装在轴承上的中空轴(连接到液压隔间的转子上)，以使滑动器和该轴之间的旋转运动脱开。滑动器的下部也承载安装在轴承上的中空轴(连接到电气隔间的转子上)，以使滑动器和该轴之间的旋转运动脱开。上部和下部中空轴装备有离合器系统。中空轴之一还具有密封件，不管两个轴的相对位置如何，总能确保钻探流体流动的连续性。当滑动器打开时，流体自由地从液压隔间的定子/转子空间循环流到电气隔间转子的内部(交流发电机)，并超过电动钻探工具，但两个转子机械上不锁定。因此，尽管有进行的钻探流体的循环，但由于交流发电机转子不转动，所以发电机不产生任何电流。当滑动器闭合时，离合器系统联合两个转子，由此允许交流发电机转子转动。滑动器的闭合只有在某一时候才是可能的，此时，钻探机压缩一部分的钻柱并将大于弹簧张开力的重量施加到工具上。从此时起，然后可操作通过放电进行的旋转钻探的系统。

图8和9描绘分别处于离合器脱开啮合和啮合位置的滑动开关的细节(滑动器定位在发电机的液压隔间和电气隔间之间)。

图中示出连接到发电机液压隔间转子(涡轮机或向下钻进马达)的从动的上部中空轴(36)，用箭头(38)标识旋转运动。用箭头(47)标识钻探流体的循环。该轴被保持在上部轴承(37)内。

图中还示出连接到发电机电气隔间转子(交流发电机)的下部中空轴(42)，没有旋转。该轴被保持在下部轴承(41)内。在上部轴(36)和下部轴(42)之间的连接处放置密封件(39)。弹簧(43)处于未压缩的位置中，使两个轴保持分开。

在图9中，该位置是啮合位置，在该位置中，弹簧处于压缩位置(46)，在啮合位置中的中空轴的上部和下部之间形成机械连接机构(44)，这导致上部中空轴所驱动的下部中空轴的旋转运动，该运动用箭头(45)表示，因此确保机械的连接。

如参照附图特别是图6所描述的，电滑动开关由三个部分组成：

-机械的滑动器，

-机械的传动系统，

-电路打开/闭合系统。

滑动开关系统可被纳入到：(i)所述电动钻探工具，或(ii)所述电动钻探工具和所述脉冲发生器之间的接口，或(iii)所述脉冲发生器处，或(iv)所述脉冲发生器和所述发电机之间，或(v)所述发电机处，或(vi)所述发电机上方。

滑动器通常连结到机械传动系统，该系统致动电路打开/闭合系统。在一个实施例中，该系统由一个或多个杆组成，根据滑动器在系统的结构中的位置，杆在外壳内滑动，该外壳形成在脉冲发生器和/或发电机的外部金属体的厚度内。

由滑动器致动的电路打开/闭合系统特别涉及到以下的电路：

-供应发电机的高压充电器的电路；和/或

-来自脉冲发生器的电容器功率电路；和/或

-电容器在电阻器上放电的电路。

在一个实施例中，滑动器定位在电动钻探工具处。在该构造中，下部滑动部分由以下部件构成：

-承载接地电极的本体，

-绝缘器，

-高压电极系统。

脉冲发生器机械地和电气地连接到发电机。这是形成非常高电压的脉冲并将该脉冲递送到电动钻探工具的部件。这可以基于从初级电压上开始升高电压的各种结构。

考虑了三种提升电压的结构。第一种是基于Marx发生器的使用。第二种是基于LTD(线性变换驱动器)技术。第三种是基于Tesla变换器技术。

如图13所示，在这三种情形中，脉冲发生器的轴线与轴向中空管(53)交叉，该轴向中空管的壁由绝缘材料构成。该中空管提供钻探流体(52)的循环。在脉冲发生器的下部，该管机械地连接到直径相同但管壁是钢材的另一中空管(54)。钢管接收高压脉冲并将高压脉冲传送到电动钻探工具的电极系统。

假定管子存在于轴向部分内，则优选的结构布置是脉冲发生器的部件布置成环形。在使用Marx发生器的情形中(初始V0电压的加法器使用算子顺序，有初始的零项和V0推论)，所考虑的一个构造包括在中空轴向管和金属外护套之间的环腔内堆叠相同的容易替代的基本模块(56)。这些模块被绝缘材料(53)包围。每个模块由能源储存装置(这里是电容器)和功率开关构成。模块的容量可以在20nF和1000nF之间，最好在50nF和200nF之间。所用模块数量确定脉冲发生器输出的所需电压范围。施加到脉冲发生器输入端的初始电压是由发电机的高压充电器提供的。该初始电压可以在1kV和50kV之间，最好在20kV和40kV之间。一般地，脉冲发生器输出电压可以在200kV和1000kV之间，最好在400kV和600kV之间。朝向钻探工具的电极系统的高压脉冲产生频率可以在1Hz和100Hz之间，最好在5Hz和50Hz之间。

在所考虑的一个构造中，功率开关是气体放电管(49)。它的电极是全环形的冠状(51)。功率开关的电气绝缘是由压力下的气体提供的，维持气体的压力或定期补充压力。功率开关电极的环形和轮廓的外形，允许增大每个电极上可被腐蚀的面积，于是可延长它们的在役寿命。

模块之间的电气绝缘是由互锁的绝缘体和受压缩密封件的使用所提供的。脉冲发生器输出端通过绝缘的接口连接到钻探工具的电极系统，所述绝缘接口的绝缘元件可以是固体、液体或气体。

在一个实施例中，脉冲发生器具有上部，其位于与发电机的接口之下，具有用来打开/闭合对电容器充电和使电容器放电的电路的系统(如图3、4和9所示)。该系统由机械传动系统致动，所述机械传动系统通过通常打开的电滑动开关而动作。因此，若钻探机没有从地面上有意的操作，则该部件确保通过放电进行旋转钻探的系统的电气操作便将被中断，且对于人员和材料来说，带有泥浆循环或不带有泥浆循环的钻柱的操作都可安全地进行。

在一个实施例中，电动钻探工具(例如，参见图3、4和5)包括：

-电极系统，被动的和主动的，

-具有标准设计的稳定器的本体。

电极系统由被绝缘器分开的两组电极组成：

-一个或多个高压电极(33)和(35)，

-绝缘器(13)，

-接地电极(11)和(32)。

在所考虑的一个实施例中，高压电极系统由连接到电容器上的中空的中央轴组成。绝缘器具有垂直通道(20)。钻探流体在中央轴内循环并循着两个路径：

-通到该轴端部(即，通到电动钻探工具底部)的中央轴内，

-贯穿绝缘器(18)上中央轴内打孔的绝缘器(20)的垂直通道。

接地电极附连到电动钻探工具的外部本体上，并由水平地或倾斜地延伸的结实结构的诸多突起(32)构成，它们设计成抵抗允许使用传统转动系统的工具上的扭矩和重量。绝缘器(13)使高压电极系统与接地电极系统分开，该绝缘器(13)的材料是陶瓷、环氧或任何其他绝缘部件，绝缘部件能够抵抗钻探条件下经受的温度和机械力。

根据本发明的电动钻探工具的特殊的特征在于，电极相对于工具基质的布置。的确，现有技术的文献显示了电极在基质内的固定，由此引发了固体材料存在于高压电极和接地电极之间，并靠近电极的端部。现有技术的其他文献在这方面没有给出细节。的确，固体材料令其是绝缘体，如果它存在于电极之间，所述电极在高电压部件太靠近接地部件的部分内，则固体材料有被毁的风险。当进行钻探时，尽管大部分电弧穿透岩石，但小部分电弧可能在电极之间采取直线。当岩石和电极之间没有如此良好的物理接触时，该种趋势将甚至更强烈。此外，当电动钻探工具提升离开井孔的底部并假定该系统还在继续操作时(由于电滑动开关，在本发明中不是该种情形)，所有电弧将在电极之间采取直线，由此，损毁路径上的固体材料。因此，现有技术中存在的电极系统的构成基本原理不是可行的。

为了解决该问题，本专利的电动钻探工具的终端部分包括除了电极之外没有任何固体材料的内部腔室。该腔室向上被绝缘器的下部界定，在侧边上被接地部分的框架界定。高压电极穿过该腔室。该种设计确保：一旦接地部分和高压部分之间的距离大大地减小而小于分离绝缘器处这两个部分的数值，则该腔室内产生的任何电弧对电动钻探工具的完整性不造成后果。

该设计的结果是：针对旋转钻探过程中绝缘器和高压电极经受的压缩力和扭矩，一方面是绝缘器，另一方面是高压电极的构造赋予了它们以机械强度。

在一个实施例中，绝缘器提供以下两个功能：

-通过保持高压轴和接地部分之间的距离大大地大于分离高压电极系统的端部和接地电极系统的端部的距离(34)，还通过沿着不同电阻率的两个环境之间的接触表面避免电流线失控传播的现象，所述现象会导致电弧的形成，即，称作为“跟踪”现象，由此，提供高压轴和接地部分之间的电气绝缘，

-针对旋转运动和轴向运动而言，机械地将电动钻探工具的本体连接到接地和高压电极系统，以将两个电极系统的端部之间的空间保持在恒定值(34)。

可考虑电极系统的几个几何特性：

-单个高压电极定位在电动钻探工具的轴线上，而外围接地电极为恒定尺寸；

-单个高压电极(33)中心地定位但相对于电动钻探工具的轴线偏移，而外围接地电极(32)为可变尺寸并调整为维持接地电极的端部和高压电极之间恒定的空间(34)(如图11中所描述)；

-高压电极系统包括中心补偿电极(33)和插入在接地电极(32)之间的外围电极(35)，接地电极的端部和高压电极之间的空间(34)保持恒定的数值(如图12中所描述)。

偏移的高压装置的有益之处在于避免孔中心部分中不够充分的破碎率。偏移位置和旋转的组合效应因此确保井孔没有表面能避开电弧的存在。此外，如此的不对称构造允许将接地电极布置为变化的尺寸。某些接地电极是大的尺寸：它们是相对于井孔的轴线与中央电极相对。另一些接地电极是小尺寸，它们是相对于井孔的轴线位于与中央电极相同一侧上的接地电极。

最大的电极是尺寸与该电极插入件上的设置相容的电极，例如，该电极插入件是多晶金刚石化合物(PDC)(61)类型，或碳化钨类型，或其他类型的硬质和耐磨材料，不会由于所述插入件足够远离形成电弧的电极端部而冒这些插入件被电弧逐走的风险。因此，这些插入件在这些如此装备的电极的前面和侧面上的存在，允许通过机械作用加强电弧的效应，并保护电极免遭由旋转造成的过早磨损。还有可能使电极端部装备浸渍的基质(62)，该浸渍基质包括金刚石或任何材料的粉末或微颗粒，它们与金属基质密切地混合，以保护电极免遭由旋转造成的过早磨损。该实施例显示在图15中。

此外，小尺寸电极的存在允许非常靠近井孔外围形成电弧，由此，提高电弧覆盖井孔表面的覆盖率。

在另一实施例中，当高压电极系统由位于电动钻探工具轴线中的单个中央电极组成时，绝缘器提供“电气绝缘”功能，从轴向的观点看，机械地连接接地部分与高压部分，但允许使这两个部分之间的转动脱开。因此，如此的构造避免了高压电极端部的过早磨损。

在另一实施例中，绝缘器只提供“电气绝缘”功能，并从轴向的和转动的观点看，允许接地部分和高压部分之间机械地脱开。因此，如此的构造不仅避免了高压电极端部的过早磨损，而且保持电极和接地之间连续的接触。

在一个实施例中，如图14所示，用于通过放电进行旋转钻探的系统，通过绝缘的连接器与钻柱的上部电气地绝缘。该连接器由金属的上部(58)和金属的下部(57)组成，两个部分用绝缘器(60)分开。零件嵌套的几何特性确保轴向应力以及扭转应力的吸收。因此，该连接器可就刚好定位在发电机上方或更高些，视钻柱的结构而定。该连接器有利于两个潜在的功能：

-有利于地面上人员的安全性，

-避免与MWD和LWD类型电子设备的潜在的干扰。