[发明专利]一种脉冲等离子体钻机系统

说明书

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1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1欧姆（Scott J. MacGregor et al, Plasma Channel Miniature Hole Drilling Technology[J], IEEE Transactions on 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：

其中，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 Plasma Channel 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。浙江大学闫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；