專利名稱：脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于油氣勘探開發(fā)技術領域，涉及到一種分置式脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)。
背景技術：
隨著油氣資源需求的快速上升，研制先進的鉆井設備是我們油氣戰(zhàn)略的迫切需求。傳統(tǒng)的鉆井方法有機械鉆孔法和化學物質爆破法。前者利用機械鉆具對巖石的沖擊和剪切作用實現對巖石的破碎，具有結構簡單，操作方便的特點，但存在鉆具容易磨損等缺點；后者利用化學物質在瞬間反應釋放的能量對巖石造成沖擊從而實現巖石的破碎，具有操作簡單、爆破速度快等優(yōu)點，但同時存在破碎擾動大、有毒有害物質產生和孔型不規(guī)則等缺點。 面對日益增長的鉆井需求，新興的鉆井技術不斷開發(fā)出來，如超聲波法、電子束法、空化水射流法等。這些方法都是針對某一些特定的巖石開發(fā)出來的方法，具有一定的效果，但同時也存在一些限制性的缺陷。利用脈沖等離子體實現快速地巖石鉆井是近年來開發(fā)出來的一種技術。其原理是巖石放置在去離子水環(huán)境中，在巖石的表面放置一對或多對高、低壓電極，當施加百納秒上升沿的高壓短脈沖于巖石上，巖石較水首先發(fā)生電擊穿，在重復脈沖的作用下，可實現巖石的快速鉆井。目前俄羅斯、歐共體、日本和美國等國家或地區(qū)都出現了脈沖等離子體鉆井設備。脈沖等離子體鉆井設備主要包括高壓直流充電電源、儲能電容、開關、鉆頭電極、循環(huán)水系統(tǒng)和其他輔助鉆井裝置。這些脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的電路結構示意圖如圖I所示，高壓直流充電單元給儲能電容充電，當儲能電容充電達到設定值后，開關觸發(fā)導通，產生高壓短脈沖輸出至負載的鉆頭電極，鉆頭電極放電引起巖石擊穿并發(fā)生破碎。高壓直流充電單元、儲能電容和開關均放置于井上，稱為井上設備；鉆頭電極放置在井下，稱為井下設備。井上設備和井下設備通過脈沖傳輸線連接在一起。這種結構的設計井下設備的結構相對簡單，鉆井過程簡單，但存在的問題是巖石擊穿后，特性阻抗小于I歐姆(Scott J. MacGregoret al, Plasma Channel Miniature Hole Drilling Technology[J], IEEE Transactionson plasma science, 2004: 2055-2061),假設傳輸線的特性阻抗為Z,在巖石擊穿后，內部
形成等離子體通道，通道內等離子體的特性阻抗為R，那么負載上獲得的能量效率為其中V力負載上獲得的能量效率，Z為傳輸線的特性阻抗，R為巖石擊穿后內部形成等離子體通道的特性阻抗。如果要獲得較高的能量效率，脈沖傳輸線的理想的特性阻抗要跟巖石擊穿時的特性阻抗相等。而現有的脈沖傳輸電纜(RG215，RG218等)，其特性阻抗一般為50歐姆甚至更高，國內目前由青島海洋所開發(fā)出來針對脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的同軸水電纜的最低特性阻抗為10歐姆，在傳輸線這樣高的特性阻抗下，負載巖石很難獲得較高的能量效率。針對這種情況，許多研究機構提出了新的電路結構來解決這種阻抗匹配問題，J Biela等人提出了固態(tài)開關電源(J. Biela et al, Solid State Modulatorfor Plasma Channel Drilling[J], IEEE Transactions on plasma science,2009:1093-1099)，這種方法對工作線圈放置的位置敏感，實際工作中很難滿足這種要求。浙江大學聞克平教授開發(fā)了一種基于脈沖形成網絡的組合脈沖電源(ZL 2009 2 0295616.0)，這種方法能夠較好實現阻抗的匹配，但是解決長距離脈沖傳輸上仍存在問題。此外，隨著脈沖傳輸電纜長度的增加，脈沖前沿的陡度會因為雜散電感或雜散電容的影響會進一步的下降，當電壓的上升前沿達不到百納秒的要求時，鉆機就不能正常工作了，這就是常規(guī)等離子體鉆機不能夠實現深度鉆井的原因之一
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種新的脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)。為實現上述目的，本實用新型所采取的技術方案是本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)包括觸發(fā)信號發(fā)生裝置、高壓直流充電單元、光電復合傳輸纜線、第一絞車、第一定滑輪、高壓脈沖形成單元、去離子水循環(huán)單元和鉆頭電極。高壓脈沖形成單元包括高儲能密度電容、開關和密封油箱，密封油箱的箱體由導電性材料制作，密封油箱內盛有變壓器油，高儲能密度電容和開關浸沒在變壓器油中，高儲能密度電容的低壓端與密封油箱的箱體電連接；觸發(fā)信號發(fā)生裝置的信號輸出端與光電復合傳輸纜線的光纖的輸入端連接；所述高壓直流充電單元的高壓輸出端與光電復合傳輸纜線的高壓直流傳輸線的高壓輸入端電連接，高壓直流充電單元的低壓輸出端同光電復合傳輸纜線的高壓直流傳輸線的低壓輸入端電連接；光電復合傳輸纜線按先后順序繞經第一絞車、第一定滑輪后，光電復合傳輸纜線的高壓直流傳輸線的高壓輸出端同時與高儲能密度電容的高壓端、開關的陽極電連接，光電復合傳輸纜線的高壓直流傳輸線的低壓輸出端與密封油箱的箱體連接，光電復合傳輸纜線的光纖的輸出端與開關的觸發(fā)極連接。鉆頭電極包括高壓電極和接地電極，高壓電極和接地電極之間形成空腔，高壓電極和接地電極的下端面均與巖石接觸，高壓電極與高壓脈沖形成單元的開關的陰極電連接，接地電極與高壓脈沖形成單元的密封油箱的箱體電連接；去離子水循環(huán)單元包括凈化裝置、儲液槽、進水泵、進水管、排水管、排水泵、第二絞車、第二定滑輪、第三絞車和第三定滑輪，凈化裝置的出水口與儲液槽的進水口連通，儲液槽的出水口與進水泵的進水口相連通，進水泵的出水口與進水管的進水口連通；進水管依次繞經第三絞車、第三定滑輪后其出水端與鉆頭電極的接地電極固定連接，進水管的出水口與高壓電極和接地電極之間的空腔連通；排水管的進水口與高壓電極和接地電極之間的空腔連通，排水管的進水端與接地電極固定連接；排水管按先后順序繞經第二定滑輪、第二絞車上后，排水管的出水口與排水泵的進水口連通，排水泵的出水口與凈化裝置的進水口連通。進一步地，本實用新型所述高壓脈沖形成單元和鉆頭電極置于井下。[0016]進一步地，本實用新型所述光電復合傳輸纜線包括高壓直流傳輸線和信號傳輸光纖，高壓直流傳輸線由外到內的結構依次為同軸的電纜屏蔽層、外導體層、絕緣層和內導體層，光纖在高壓直流傳輸線的旁側，光纖的外層設有光纖屏蔽層。與現有技術相比，本實用新型有益的技術效果是(I)基于本實用新型鉆機系統(tǒng)的結構，使用高壓脈沖形成單元產生的高壓短脈沖可直接加載在鉆頭電極上，避免了使用長距離脈沖傳輸線，不存在脈沖傳輸線的阻抗與巖石擊穿后通道的特性阻抗失配的問題，從而大大提高了能量利用效率。(2)由于不使用脈沖傳輸線，也就不存在隨著鉆井深度的增加電壓上升前沿變緩的問題，從而提聞了鉆井的深度。

圖I為現有技術中常規(guī)脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的電路結構示意圖；圖2為本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的電路結構框圖；圖3為本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的結構示意圖；圖4為本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的一種實施方式的電路原理圖；圖5為本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的光電復合傳輸纜線的一種實施方式的結構示意圖。
具體實施方式
如圖3所示，本實用新型脈沖等離子體鉆井系統(tǒng)主要包括觸發(fā)信號發(fā)生裝置2、高壓直流充電單兀31、光電復合傳輸纜線5、第一絞車4、第一定滑輪6、高壓脈沖形成單兀、去離子水循環(huán)單元和鉆頭電極。圖5所不的光電復合傳輸纜線5由高壓直流傳輸線和信號傳輸光纖10組成，高壓直流傳輸線由外到內的結構依次為同軸的電纜屏蔽層25、外導體層26、絕緣層27和內導體層28。光纖10在高壓直流傳輸線的旁側。光纖10的外層還設置有光纖屏蔽層29，光纖屏蔽層29為光纖10提供電磁屏蔽和機械結構上的保護。高壓直流傳輸線和光纖10由具有阻燃阻水的總護套24包絡形成光電復合傳輸纜線5。電復合傳輸纜線5能夠同時傳輸高壓直流電和光信號。高壓脈沖形成單元包括高儲能密度電容11、開關12和密封油箱9。密封油箱9的箱體由導電性材料制作，密封油箱9內盛有變壓器油，高儲能密度電容11和開關12浸沒在變壓器油中，高儲能密度電容11的低壓端與密封油箱9的箱體電連接。觸發(fā)信號發(fā)生裝置2的信號輸出端與光電復合傳輸纜線5的光纖的輸入端連接。高壓直流充電單元31的高壓輸出端與光電復合傳輸纜線5的高壓直流傳輸線的高壓輸入端電連接，高壓直流充電單元31的低壓輸出端同光電復合傳輸纜線5的高壓直流傳輸線的低壓輸入端電連接。作為本實用新型的優(yōu)選實施方式，高壓直流充電單元31的輸出電壓大于等于30 kV，高壓脈沖形成單元的開關12的輸出電壓的上升前沿小于100 ns,在此條件下脈沖等離子體鉆機具有較高的巖石破碎效率。光電復合傳輸纜線5按先后順序繞經第一絞車4、第一定滑輪6后，光電復合傳輸纜線5的高壓直流傳輸線的高壓輸出端17同時與高儲能密度電容11的高壓端、開關12的陽極電連接，光電復合傳輸纜線5的高壓直流傳輸線的低壓輸出端與密封油箱9的箱體連接，光電復合傳輸纜線5的光纖10的輸出端與開關12的觸發(fā)極連接。鉆頭電極包括高壓電極14和接地電極13，高壓電極14和接地電極13之間形成空腔16，高壓電極14和接地電極13的下端面均與巖石15接觸，高壓電極14與高壓脈沖形成單元的開關12的陰極電連接，接地電極13與高壓脈沖形成單元的密封油箱9的箱體電連接。去離子水循環(huán)單元包括凈化裝置23、儲液槽22、進水泵21、進水管18、排水管8、排水泵I、第二絞車3、第二定滑輪7、第三絞車20和第三定滑輪19。凈化裝置23的出水口與儲液槽22的進水口連通，儲液槽22的出水口與進水泵21的進水口相連通，進水泵21的出水口與進水管18的進水口連通。如果經凈化裝置23處理得到的去離子水的電導率小于等于100 μ S/cm，那么低電導率的去離子水可以減少水電導造成的能量損耗，并且進一步確保高、低壓電極放電時等離子體通道發(fā)生在巖石內部而不 是水中。進水管18按先后順序繞經第三絞車20、第三定滑輪19后，進水管18的出水端與鉆頭電極的接地電極13固定連接，進水管18的出水口與高壓電極14和接地電極13之間的空腔16連通。排水管8的進水口與高壓電極14和接地電極13之間的空腔16連通，排水管8的進水端與接地電極13固定連接，排水管8按先后順序繞經第二定滑輪7、第二絞車3上后，排水管8的出水口與排水泵I的進水口連通，排水泵I的出水口與凈化裝置23的進水口連通。第一絞車4控制光電復合傳輸纜線5的放線速度，第二絞車3控制排水管8的放線速度，第三絞車20控制進水管18的放線速度。光電復合傳輸纜線5、進水管18和排水管8的放線速度保持一致。從放置的位置來看，觸發(fā)信號發(fā)生裝置2、高壓直流充電單元31、儲液槽22、進水泵21、排水泵I、第一絞車4、第二絞車3、第三絞車20、第一定滑輪6、第二定滑輪7和第三定滑輪19放置于井上，為井上設備；高壓脈沖形成單元和鉆頭電極放置于井下，為井下設備。如圖2所示，本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)的電路部分主要包括高壓直流充電單元、高儲能密度電容和開關。與傳統(tǒng)脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)不同本實用新型將高壓直流充電單元放置于井上，而高儲能密度電容11、開關12和鉆頭電極放置于井下。電路部分中的井上設備(高壓直流充電單元)和井下設備(高儲能密度電容11、開關12和鉆頭電極)通過直流傳輸線連接在一起。參見圖4，作為本實用新型的一種具體實施方式
，三相交流電經變壓器T升壓后經整流橋整流后變成高壓直流電，此部分即為高壓直流充電單元，這部分被放置于井上。高壓直流充電單元通過高壓直流傳輸線同高儲能密度電容C連接，直流電的高壓端同高儲能密度電容C的高壓端電連接，直流電的低壓端同高儲能密度電容C的低壓端電連接。開關S的陽極同高儲能密度電容C的高壓端電連接，開關S的陰極與負載R的陽極連接。為了避免放電過程中反方向震蕩電流對開關S造成的沖擊，一般在開關S的兩端并聯有二極管，二極管的陽極同開關S的陰極連接，二極管的陰極同開關的陽極連接。開關S在接受到觸發(fā)信號后導通，產生的高壓脈沖直接加載在鉆頭電極上。本實用新型脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)使用了直流傳輸線代替了傳統(tǒng)脈沖等離子體鉆機使用的脈沖傳輸線，直流傳輸線就不存在因阻抗不匹配導致的電壓傳輸效率低下和長距離傳輸時電壓上升沿陡度降低等問題。值得一提的是，由于在井下的空間有限，使用的儲能電容為高儲能密度的電容。將高儲能密度的電容和開關用變壓器油油封起來，起到電器絕緣的作用。本實用新型脈沖等離子體鉆機工作過程是去離子水循環(huán)單元的進水泵21啟動后，進水泵21將儲液槽22中干凈的去離子水泵入到進水管18中，進水管18將干凈的去離子水輸送至鉆頭電極的高壓電極14和接地電極13之間的空腔16中，使高壓電極14和接地電極13浸沒在去離子水環(huán)境中。高壓直流充電單元31將單相或三相交流電經升壓整流后轉換成直流電，并通過光電復合傳輸纜線5的高壓直流傳輸線將直流電傳輸至高壓脈沖形成單元的高儲能密度電容11。觸發(fā)信號發(fā)生裝置2根據用戶設定產生用于使開關12運行的的光信號，經光電復合傳輸纜線5的光纖10將觸發(fā)信號傳輸至高壓脈沖形成單元的開關12，開關12接受觸發(fā)信號后導通，產生的高壓脈沖加載在鉆頭電極上，使鉆頭電極的高壓電極14和接地電極13放電，引起巖石15的電擊穿,巖石15微爆并發(fā)生破碎。在去尚子水循環(huán)單元的排水泵I的作用下，破碎的巖石隨去離子水進入到排水管8并進入到凈化裝置23中。經凈化裝置23處理后，巖石碎屑排除鉆機體外，干凈的去離子水流入到儲液槽， 并進入到下一個循環(huán)。
權利要求1.一種脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)，其特征是包括觸發(fā)信號發(fā)生裝置(2)、高壓直流充電單元(31)、光電復合傳輸纜線(5)、第一絞車(4)、第一定滑輪(6)、高壓脈沖形成單元、去離子水循環(huán)單元和鉆頭電極； 所述高壓脈沖形成單元包括高儲能密度電容(11)、開關(12)和密封油箱(9)，密封油箱(9 )的箱體由導電性材料制作，密封油箱(9 )內盛有變壓器油，高儲能密度電容(11)和開關(12)浸沒在變壓器油中，高儲能密度電容(11)的低壓端與密封油箱(9)的箱體電連接；觸發(fā)信號發(fā)生裝置(2)的信號輸出端與光電復合傳輸纜線(5)的光纖(10)的輸入端連接；所述高壓直流充電單元(31)的高壓輸出端與光電復合傳輸纜線(5)的高壓直流傳輸線的高壓輸入端電連接，高壓直流充電單元(31)的低壓輸出端同光電復合傳輸纜線(5)的高壓直流傳輸線的低壓輸入端電連接；光電復合傳輸纜線(5)按先后順序繞經第一絞車(4)、第一定滑輪(6)后，光電復合傳輸纜線(5)的高壓直流傳輸線的高壓輸出端(17)同時與高儲能密度電容(11)的高壓端、開關(12)的陽極電連接，光電復合傳輸纜線(5)的高壓直流傳輸線的低壓輸出端與密封油箱(9)的箱體連接，光電復合傳輸纜線(5)的光纖(10)的輸出端與開關(12)的觸發(fā)極連接； 所述鉆頭電極包括高壓電極(14)和接地電極(13)，高壓電極(14)和接地電極(13)之間形成空腔(16)，高壓電極(14)和接地電極(13)的下端面均與巖石(15)接觸，高壓電極(14)與高壓脈沖形成單元的開關(12)的陰極電連接，接地電極(13)與高壓脈沖形成單元的密封油箱(9)的箱體電連接； 所述去離子水循環(huán)單元包括凈化裝置(23)、儲液槽(22)、進水泵(21)、進水管(18)、排水管(8)、排水泵(I)、第二絞車(3)、第二定滑輪(7)、第三絞車(20)和第三定滑輪(19)，凈化裝置(23 )的出水口與儲液槽(22 )的進水口連通，儲液槽(22 )的出水口與進水泵(21)的進水口相連通，進水泵(21)的出水口與進水管(18)的進水口連通；進水管(18)按先后順序繞經第三絞車(20 )、第三定滑輪(19 )后，進水管(18 )的出水端與鉆頭電極的接地電極(13 )固定連接，且進水管(18)的出水口與高壓電極(14)和接地電極(13)之間的空腔(16)連通；排水管(8)的進水口與高壓電極(14)和接地電極(13)之間的空腔(16)連通，排水管(8)的進水端與接地電極(13)固定連接；排水管(8)按先后順序繞經第二定滑輪(7)、第二絞車(3)上后，排水管(8)的出水口與排水泵(I)的進水口連通，排水泵(I)的出水口與凈化裝置(23)的進水口連通。
2.根據權利要求I所述的脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)，其特征是所述高壓脈沖形成單元和鉆頭電極置于井下。
3.根據權利要求I或2所述的脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)，其特征是所述光電復合傳輸纜線包括高壓直流傳輸線和信號傳輸光纖，高壓直流傳輸線由外到內的結構依次為同軸的電纜屏蔽層、外導體層、絕緣層和內導體層，光纖在高壓直流傳輸線的旁側，光纖的外層設有光纖屏蔽層。
專利摘要本實用新型公開了一種脈沖等離子體鉆機系統(tǒng)，它包括觸發(fā)信號發(fā)生裝置、高壓直流充電單元、光電復合傳輸纜線、第一絞車、第一定滑輪、高壓脈沖形成單元、去離子水循環(huán)單元和鉆頭電極。電路部分中的井上設備和井下設備通過直流傳輸線連接在一起，高壓脈沖形成單元產生的高壓短脈沖可直接加載在鉆頭電極上，避免了使用長距離脈沖傳輸線，不存在脈沖傳輸線的阻抗與巖石擊穿后通道的特性阻抗失配的問題，從而大大提高了能量利用效率和鉆井深度。
文檔編號E21B7/00GK202673140SQ20122030603
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權日2012年6月28日
發(fā)明者章志成, 閆克平, 黃逸凡, 裴彥良 申請人:浙江大學