一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法

1.本发明属于高压脉冲钻井领域，更具体地，涉及一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法。


背景技术：

2.石油开采过程中钻井技术是影响到整个开采过程效率及成本的关键因素。为了解决传统旋转机械钻井方法钻进深井存在的效率低、钻头磨损严重、成本高等问题，涌现出了高压电脉冲破碎岩石钻井技术，该技术通过在岩石内部形成等离子体通道并最终使得岩石破碎。由于介质击穿的固有分散性，高压电脉冲井下破碎过程存在击穿液体介质的情况，此时放电效率较低，不利于钻井过程的进行。但由于在井底，无法对击穿过程进行光学观测，不能实时监测高压电脉冲破碎过程运行状态，进而无法及时对高压电脉冲钻井过程进行调整以获得更好的破岩效果。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法及系统，其目的在于解决现有技术不能实时监测高压电脉冲破碎过程运行状态，进而无法及时对高压电脉冲钻井过程进行调整以获得更好的破岩效果的技术问题。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法，包括：
5.s1，通过试验分别获取高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽；
6.s2，测量得到所述高压脉冲钻井设备实际运行过程中击穿电压的时域波形，计算得到实际电压脉宽；
7.若所述实际电压脉宽小于临界电压脉宽，则表明所述高压脉冲钻井设备在岩石内部发生了击穿，否则，表明所述高压脉冲钻井设备在液体中发生了击穿；其中，所述临界电压脉宽为所述岩石内部击穿的最大电压脉宽与液体中击穿的最小电压脉宽中的较小值。
8.更进一步地，所述s1包括：
9.根据所述高压脉冲钻井设备的电压峰值uc、电压上升时间tr以及电极间隙距离l，分别在岩石内部及液体中进行多次击穿试验，得到多个在岩石内部击穿的电压时域波形以及多个在液体中击穿的电压时域波形；
10.基于各所述时域波形，得到相应的电压脉宽，以确定所述高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽。
11.更进一步地，所述确定所述高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽，包括：
12.以在岩石内部击穿的多个电压脉宽中次最大值作为所述高压脉冲钻井设备在岩
石内部击穿的最大电压脉宽；以在液体中击穿的多个电压脉宽中次最小值作为所述高压脉冲钻井设备在液体中击穿的最小电压脉宽。
13.更进一步地，所述电压脉宽为击穿电压从波前的0.5uc到波尾的0.5uc的时间。
14.更进一步地，所述电压上升时间tr为击穿电压从0.1uc上升到0.9uc的时间。
15.按照本发明的一个方面，提供了一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测系统，包括：
16.获取模块，用于通过试验分别获取高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽；
17.监测模块，用于测量得到所述高压脉冲钻井设备实际运行过程中击穿电压的时域波形，计算得到实际电压脉宽；若所述实际电压脉宽小于临界电压脉宽，则表明所述高压脉冲钻井设备在岩石内部发生了击穿，否则，表明所述高压脉冲钻井设备在液体中发生了击穿；其中，所述临界电压脉宽为所述岩石内部击穿的最大电压脉宽与液体中击穿的最小电压脉宽中的较小值。
18.进一步地，所述获取模块，还用于根据所述高压脉冲钻井设备的电压峰值uc、电压上升时间tr以及电极间隙距离l，分别在岩石内部及液体中进行多次击穿试验，得到多个在岩石内部击穿的电压时域波形以及多个在液体中击穿的电压时域波形；基于各所述时域波形，得到相应的电压脉宽，以确定所述高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
20.(1)本发明创新地提出通过测量高压脉冲钻井过程中击穿电压的脉宽，来实现高压脉冲钻井运行状态监测；并且给出了判断依据，以岩石内部击穿的最大电压脉宽与液体中击穿的最小电压脉宽中的较小值作为临界脉宽，若实际电压脉宽小于临界电压脉宽，则表明高压脉冲钻井设备在岩石内部发生了击穿，否则，表明高压脉冲钻井设备在液体中发生了击穿。如此，可以实时获取高压电脉冲破岩的工作状态，有利于对高压电脉冲钻井过程进行及时调整，以获得更好的破岩效果。并且实现方式简单，具有很强的实用价值。
21.(2)本发明以在岩石内部击穿的多个电压脉宽中次最大值作为高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽；以在液体中击穿的多个电压脉宽中次最小值作为高压脉冲钻井设备在液体中击穿的最小电压脉宽，能够减小由于操作不当等原因获得的差异较大的试验结果导致临界脉宽不够准确的可能性。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法的流程示意图；
23.图2为本发明实施例提供的高压脉冲钻井岩石内部击穿的实验示意图；
24.图3本发明实施例提供的高压脉冲钻井液体中击穿的实验示意图；
25.图4为本发明实施例提供的高压脉冲钻井过程中岩石内部击穿和液体中击穿的电压时域波形示意图；
26.图5为本发明实施例提供的一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测系统的框图；
27.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
28.1为高压电极，2为低压电极，3为待破碎岩石，4为试验水箱，5为水。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
31.首先，需要说明的是，就高压电脉冲破碎岩石技术，工作时高压电极和低压电极均贴近岩石表面。高压脉冲加到高压电极后，控制高压脉冲的上升时间使得岩石的电气强度弱于液体介质，则将以高压电极和低压电极为起始点和终止点，在岩石中形成等离子体通道，外部能量的注入引起通道的膨胀并产生冲击波，从而使得岩石破碎。但是由多种矿物混合而成的岩石无法保证内部材料各向同性，另外高压脉冲破岩处于多物理场耦合的环境下，涉及到了电场、热场、力场等，以上客观因素导致了高压脉冲破岩存在一定分散性，每次破碎效果不完全相同。另外，因为实际试验工况的复杂性，不能保证高压脉冲等离子通道均在岩石中形成，还有可能在液体介质中形成。如果根据实验现象或者数据可以判断高压电脉冲破岩的工作状态，则可以对高压电脉冲钻井过程及时调整，获得较好的破岩效果。
32.为了区分高压电脉冲放电在岩石中击穿和液体中击穿的区别，需要明确这两者本质上的区别。对于岩石击穿，当脉冲电压加到电极两端后，在岩石上将会形成外部电场，而由于岩石内部组成成分的介电常数分布不均匀，因此外部电场在不同介电常数的物质表面产生不同程度的极化。电场的应用导致偶极子沿磁力线的定向和自由电荷的有序运动。偶极子和电荷不能穿过不同物质之间的界面并在它们的边界上积聚。材料的介电常数和电导率之差越大，其界面上累积的极化电荷量就越大，这些电荷使电场升高数倍于外加电场。因此，电击穿的最高概率出现在这些电场最大的界面区域，等离子体通道将沿着分布电荷击穿并形成等离子体通道。对于液体介质击穿而言，脉冲电压加载到电极后，泄漏电流产生的微弱焦耳加热用于电离液体形成等离子体流柱，并逐渐连通电极，产生等离子体通道。因此水介质击穿时，存在预击穿时间用于形成等离子体通道。并且，等离子体通道会发生加速膨胀，并在外部能量注入速率不足以维持通道加速膨胀时减速膨胀，因此通道电压在击穿后电压迅速进入振荡阶段。而岩石中等离子体通道的形成预击穿时间很短甚至不存在。
33.基于此，本发明提供了一种基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法。参阅图1，对本实施例中基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法进行详细说明，方法包括操作s1-操作s2。
34.操作s1，通过试验分别获取高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽。
35.本实施例中，为了获取准确的脉冲电压参数，需要根据实际工况选择适合的高压脉冲信号测量设备。具有频带宽、响应快的阻容分压器成为了主要的考虑对象。选择设备时主要考虑的参数有量程、精度、分压比及带宽等。只有选择合适型号的电压测量设备才不会
使得电压信号的测量失真。综合考虑工况，选择north star vd-200，最大脉冲测量电压为300kv，上升沿最小响应为20ns。
36.以实际工况中被作用岩石为花岗岩为例，获取液体中击穿及岩石内部击穿的电压信号，试验示意图如图2和图3所示。电压峰值为uc为250kv，电压上升时间tr为80ns时，为了保证试验的准确性，分别在岩石内部及液体中进行100次击穿试验，得到100个在岩石内部击穿的电压时域波形以及100个在液体中击穿的电压时域波形。
37.如图4所示，曲线b1和b3对应的是岩石中可靠击穿的两种极限情况，曲线b4和b6对应的是液体中可靠击穿的两种极限情况。而在曲线b3和b4之间的区域既可能发生液体中击穿，也有可能会发生岩石内部击穿。假设曲线b1、b2、b3、b4、b5、b6对应的脉宽分别为t
w1
、t
w2
、t
w3
、t
w4
、t
w5
、t
w6
，则以t
w3
作为高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽，以t
w4
作为高压脉冲钻井设备在液体中击穿的最小电压脉宽。
38.操作s2，测量得到所述高压脉冲钻井设备实际运行过程中击穿电压的时域波形，计算得到实际电压脉宽；若所述实际电压脉宽小于临界电压脉宽，则表明所述高压脉冲钻井设备在岩石内部发生了击穿，否则，表明所述高压脉冲钻井设备在液体中发生了击穿；其中，所述临界电压脉宽为所述岩石内部击穿的最大电压脉宽与液体中击穿的最小电压脉宽中的较小值。
39.如图4所示，对于某次高压脉冲钻井过程中获取的电压波形，其脉宽为tw，如果满足t
w1
《tw《t
w3
，例如曲线b2所示的情况，则表明此次放电为岩石中击穿；如果t
w4
《tw《t
w6
，例如曲线b5所示的情况，则表明此次放电为液体中击穿；而如果t
w3
《tw《t
w4
，此时放电通道可能同时通过液体介质和岩石内部，而考虑到高压脉冲钻井的要求为岩石内部击穿，则认定该种情况下击穿也发生在液体中，需要及时对高压脉冲钻井设备进行调整，以保证可靠的岩石内部击穿。此时以t
w3
作为临界电压脉宽，如果tw《t
wc3
，则表明在岩石内部发生了击穿；如果tw》t
wc3
，则液体中发生了击穿。
40.然而，若试验过程中，岩石内部击穿的最大电压脉宽大于液体中击穿的最小电压脉宽，也即t
w3
》t
w4
时，则以t
w4
作为临界电压脉宽。
41.考虑到放电过程中脉冲电压参数的测量更为方便，因此本发明通过对高压脉冲钻井运行过程中的脉冲电压信号进行测量，判断钻井运动状态，以便于对钻井过程进行调整。调整的手段包括但不限于调整电压峰值uc、电压上升时间tr以及电极间隙距离l等值。
42.图5为本发明实施例提供的基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测系统的框图。参阅图5，该基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测系统500包括获取模块510和检测模块520。
43.获取模块510例如执行操作s1，用于通过试验分别获取高压脉冲钻井设备在岩石内部击穿的最大电压脉宽以及在液体中击穿的最小电压脉宽。
44.检测模块520例如执行操作s2，用于测量得到所述高压脉冲钻井设备实际运行过程中击穿电压的时域波形，计算得到实际电压脉宽；若所述实际电压脉宽小于临界电压脉宽，则表明所述高压脉冲钻井设备在岩石内部发生了击穿，否则，表明所述高压脉冲钻井设备在液体中发生了击穿；其中，所述临界电压脉宽为所述岩石内部击穿的最大电压脉宽与液体中击穿的最小电压脉宽中的较小值。
45.基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测系统500用于执行上述图1所示实施
例中的基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1所示实施例中的基于电压信号的高压脉冲钻井运行状态监测方法，此处不再赘述。
46.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。