CN112855015A - 一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统及方法，该系统包括钻井液罐、动力装置、上部钻具、自发电高压脉冲下部钻具、电极钻头和井架，自发电高压脉冲下部钻具又包括涡轮发电机、储能装置、升压装置和高压电脉冲发生器。在钻井液的循环流动下，带动涡轮发电机产生电能，经储能装置和升压装置后得到高电压，高压电脉冲发生器接受该高电压产生纳秒级高压电脉冲，通过电极钻头与岩石完全接触，使得岩石上产生等离子体通道进行破岩；同时动力装置产生的动能带动电极钻头进行机械旋转，对高压电脉冲作用后的岩石进行进一步的破碎。本发明实现了将高压电脉冲等离子体钻井方法应用于深井钻井中，提高了深井钻井中的破岩效率。

Description

一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统及方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，特别是涉及一种周期型纳秒级高压电脉冲辅助破岩钻井系统及方法。

背景技术

在油田的钻井工程中，破岩技术是油田开发的核心内容，它的作业质量直接关系到钻井工程的效率和成本。随着钻井深度的加深，面临日益复杂的地质条件，钻井工程的难度逐渐增大，传统的机械钻井方法表现出了能耗大，效率低，周期长和成本高等特点。钻井过程中，影响机械钻速的因素有很多，关系也比较复杂，但是在钻进深井，尤其是深层火山岩时，由于岩石本身的特点，岩石研磨性对钻头产生了很大的磨损，进而成为影响机械钻速的重要因素。通过分析现场数据，发现钻进深层火山岩的过程中，钻进参数变化并不大，钻头使用时间的长短明显不同。随着钻进时间的增加，传统的机械方法很难保持较高的机械钻速，机械钻速随研磨性的增加呈现很强的下降趋势。

为解决传统机械方法在深井钻进时效率低、成本高的问题，近年来涌现了一批新式的岩石破碎方法，如高压水射流破岩，热能破岩、超声波破岩、激光钻井破岩、高压电脉冲破岩等。其中，高压电脉冲破岩技术是过去在几十年来发展起来的一种新技术，该技术与以往的破岩技术不同，是应用高压电脉冲放电产生的等离子通道、水射流或冲击波对岩石产生破坏。该方法相对于其他几种破岩方法，有着环保、可定向破碎、破碎过程易控制、面对复杂坚硬岩石破碎速度快等优势，其被称作一种绿色的岩石破碎技术，也是目前为止具有潜力、接近工业化的破岩方式。

高压电脉冲破碎岩石主要有两种方式，一种是放电电极未与岩石表面进行接触，电极间的电击穿发生在液体中，岩石的破碎主要通过放电过程产生的冲击波或水射流。这种破碎方法称为液电破碎，不同种类岩石的破碎主要受其抗压强度的影响。另一种是放电电极与岩石表面进行接触，在上升时间小于500ns的脉冲电压的作用下，岩石会先在电导率小于600us/cm的液体中被击穿，这时两电极间产生的击穿通道发生在岩石体内，并在其中产生等离子通道。岩石的破碎来自于等离子通道膨胀时产生的应力。这种破碎方法称为电破碎，不同种类岩石的破碎主要受其抗拉强度的影响。经实验发现，在脉冲电压满足条件，单次脉冲能量足够大时，单次脉冲即可对岩石进行破碎。目前，俄罗斯、欧盟、日本和美国等国家和地区都对等离子体钻井技术进行了研究和开发。

目前提出的高压脉冲等离子体钻井方法在浅井中通过电缆输送能量实现了液电破碎疏堵的目的，但在深井钻井时，由于井深过大，用这种方法钻井还未实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统及方法，实现了将高压电脉冲等离子体钻井方法应用于深井钻井中，提高了深井钻井中的破岩效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，包括：

钻井液罐，用于盛放钻井液；

动力装置，与所述钻井液罐管道连接，位于井筒的上端，用于为井筒内的钻具和电极钻头的旋转提供动能，其中所述钻具包括上部钻具和自发电高压脉冲下部钻具；

所述上部钻具，与所述动力装置连接，用于将所述动能传递至电极钻头；

所述自发电高压脉冲下部钻具，与所述上部钻具螺纹连接，用于在所述钻井液的作用下产生纳秒级高压电脉冲；

所述电极钻头，与所述自发电高压脉冲下部钻具连接，与地层直接接触，用于传递所述纳秒级高压电脉冲至所述地层破碎岩石，同时在所述动能的带动下进行机械旋转破碎岩石；

井架，位于地面上，与所述动力装置连接，用于支撑所述高压电脉冲辅助破岩钻井系统；

所述钻井液经过所述动力装置从所述钻具中流入，所述钻井液从所述钻具与井眼之间的环空中流出。

一种高压电脉冲辅助破岩钻井方法，包括：

将钻井液经过动力装置输入至钻具中，其中所述钻具包括上部钻具和自发电高压脉冲下部钻具；

在所述钻井液的作用下使所述自发电高压脉冲下部钻具产生纳秒级高压电脉冲；

利用电极钻头传递所述纳秒级高压电脉冲至地层破碎岩石，同时利用所述动力装置产生的动能带动所述电极钻头进行机械旋转破碎岩石。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种高压电脉冲辅助破岩钻井方法及系统，该方法将周期型的单次大能量高压电脉冲等离子体破岩方法与传统钻井方法相结合，能够应用于深井钻井中，且不受深度限制，极大地提高了破岩效率和钻头的使用寿命；同时，通过涡轮发电机在钻井液的作用下自行发电，储能装置进行能量存储，提高了能量利用率，减少了传统钻井方法中通过电缆输电而产生的能量损失；另外将涡轮发电机、储能装置、升压装置和高压电脉冲发生器与电极钻头封装在一起置于井下，解决了电极钻头旋转而造成连线困难的问题，有效地提高了能量的转换效率，降低了不必要的沿程电力能耗损耗。此外，通过钻井液泵对钻井液提供压力和净化装置对流出的钻井液进行过滤净化，无论是地层水，还是用于平衡井底压力、携带岩屑的钻井液，均为高压电脉冲钻井技术提供了良好的液体条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统中高压电脉冲发生器破岩原理示意图；

图3为本发明实施例1提供的一种高压电脉冲辅助破岩钻井方法流程图。

符号说明：

1为电极钻头，2为高压电脉冲发生器，3为升压装置，4为储能装置，5为涡轮发电机，6为上部钻具，7为井架，8为动力装置，9为水龙头，10为钻井液净化装置，11为钻井液泵，12为钻井液罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统及方法，实现了将高压电脉冲等离子体钻井方法应用于深井钻井中，提高了深井钻井中的破岩效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

参阅图1，本发明提供了一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，包括：

钻井液罐12，用于盛放钻井液；

动力装置8，与所述钻井液罐12管道连接，位于井筒的上端，用于在柴油发电机或者国电供电的电力作用下，为井筒内的钻具和电极钻头的旋转提供动能，从而使电极钻头1进行破岩工作，其中所述钻具包括上部钻具6和自发电高压脉冲下部钻具，优选地动力装置为顶驱；

所述上部钻具6，与所述动力装置8连接，用于将所述动能传递至电极钻头1，起到连接传递作用，优选地上部钻具6还包括多个钻杆和钻铤；

所述自发电高压脉冲下部钻具，与所述上部钻具6螺纹连接，用于在所述钻井液的作用下产生纳秒级高压电脉冲；

所述电极钻头1，与所述自发电高压脉冲下部钻具连接，与地层直接接触，用于传递所述纳秒级高压电脉冲至所述地层破碎岩石，同时在所述动能的带动下进行机械旋转破碎岩石；

井架7，位于地面上，与所述动力装置8连接，用于支撑所述高压电脉冲辅助破岩钻井系统；

根据图1中的箭头指示方向可知，所述钻井液经过所述动力装置8从所述钻具中流入，所述钻井液从钻具与井眼之间的环空中流出。通过钻井液的循环流动，一方面降低井下温度，平衡井底压力，另一方面为涡流发电机持续不断的提供动力，进而带动电极钻头对岩石进行破碎，克服了现有技术中需要电缆输送电力带动电极工作而造成能量损失、深度限制的缺陷，实现了深井钻井的目的，同时钻井液的流出能够携带出岩屑，提高了破岩效率，降低钻井成本。

优选地，钻井液导电率小于600us/cm，以促进自发电高压脉冲下部钻具在放电过程时更好地产生纳秒级高压电脉冲。

作为一种可选的实施方式，电极钻头1与自发电高压脉冲下部钻具封装连接，以解决电极钻头1旋转而造成连线困难的问题，电极钻头1与自发电高压脉冲下部钻具置于井下；另外电极钻头1封装于自发电高压脉冲下部钻具可与随钻测量和导向工具结合，实现对定向井(包括水平井)的钻进以及对井斜方位的实时测量记录。

作为一种可选的实施方式，自发电高压脉冲下部钻具还包括：

涡轮发电机5，与上部钻具6螺纹连接，用于在钻井液的带动下产生电能；

储能装置4，与涡轮发电机5连接，用于对电能进行瞬时储存；

升压装置3，与储能装置4连接，用于将储能装置4中的储存电能进行升压；

高压电脉冲发生器2，与升压装置3连接，用于在预定时间内进行充电，充电过程停止后，通过高压电脉冲发生器中的正负电极进行放电，产生纳秒级高压电脉冲，其中正负电极采用高、低压脉冲电极，且与岩石完全接触，优选地，设置60s-70s的充电时间，保证单次脉冲能量足够大,纳秒级高压电脉冲为周期型大能量的单次脉冲，其大小为400-600KV，上升沿小于500ns，电极间距根据需要在10mm-120mm之间进行调节。该高压电脉冲发生器用于破碎岩石的主动力为纳秒级高压电脉冲在岩石内部产生的应力波和等离子通道，图2为高压电脉冲发生器2破岩原理示意图。

通过设置涡轮发电机5、储能装置4、升压装置3和高压电脉冲发生器2，实现了自发电进行深井钻井，不受深度限制，且能量损伤小，产生的纳秒级高压电脉冲对岩石破坏高，破岩效率也能大大提升。

在一种可选的方式中，涡轮发电机5还包括：

泥浆涡轮，与上部钻具6螺纹连接，用于在钻井液的带动下转动产生机械能；

交流发电机，与泥浆涡轮连接，用于在机械能的作用下产生交流电。

进一步的，采用橡胶和陶瓷将交流发电机、升压装置3、储能装置4和高压电脉冲发生器2封装于一密封绝缘装置(图1中未示出)中。通过橡胶密封、陶瓷绝缘处理，一方面减小在后续将交流发电机产生的低电压升到纳秒级高电压时对井筒造成的损害，降低危险，另一方面保证钻井液不进入升压装置、储能装置和高压电脉冲发生器内部，防止导电以影响其正常工作，并提高器件的使用寿命。

本发明采用的是电极钻头，该电极钻头包括用于电破岩的高、低压脉冲电极和本体，本体上设置有用于机械钻进和保护井壁的钻头齿(普通牙齿、保径齿和规整齿)。为了防止电极钻头中的电极与电极钻头中的本体之间导电，从而影响电极钻头破岩工作，将电极钻头中的电极与电极钻头中的本体通过陶瓷进行绝缘。另外，通过设计钻头齿的排布，同时控制电极钻头的转速可以实现定向井作业。

作为一种可选的实施方式，如图1所示，高压电脉冲辅助破岩钻井系统还包括钻井液泵11、水龙头9和钻井液净化装置10；

钻井液泵11和水龙头9位于钻井液罐12和动力装置8之间；

钻井液泵11，与钻井液罐12管道连接，用于对钻井液提供一定的压力，同时促进钻井液流入水龙头9中。钻井液泵11的作用是让钻井液保持一定的压力，进而平衡地层压力；同时也能够促进钻井液的向上循环过程，实现钻井液的收集、检测和再利用；另外可以增加发电机的转速，提高发电效率，为涡轮发电机6持续提供发电的动力。

所述水龙头9，与钻井液泵11通过管道连接，用于将钻井液经过所述动力装置8后注入到井筒中；

水龙头9和钻井液泵11通过阀门组与管道连接；

钻井液净化装置的输出端与钻井液罐的输入端连接，钻井液净化装置11用于对流出的钻井液进行过滤净化和监测，保证流入钻井液罐12的钻井液的导电率小于600us/cm，实现对钻井液的循环再利用。

与现有钻井技术相比，本发明具有以下特点和优势：

周期型纳秒级高压电脉冲辅助钻井在不改变现有钻井装备情况下，技术传承性好，钻井效率极大提高；

将整个高压电脉冲系统置于井下，确保工人作业安全，电能清洁环保，且能提高泥浆循环系统的能量利用率；

将涡轮发电机、储能装置、升压装置、高压电脉冲发生器与电极钻头直接连接封装，提高了能量的转换效率，减少了不必要的沿程电力能耗损失；

无论是地层水，还是用于平衡井底压力、携带岩屑的钻井液，均为高压电脉冲钻井技术提供了良好的液体条件；

周期型纳秒级高压电脉冲降低了传统电脉冲破岩的脉冲次数，提高了单次脉冲能量，提高了高压电脉冲破岩的成功率，提高了高压电脉冲破岩能量利用率；

传统旋转钻井破岩与高压电脉冲钻井破岩相结合，工况合适，装置改造较容易，钻具下放方便。

实施例2：

参阅图3，本实施例提供了一种高压电脉冲辅助破岩钻井方法，包括：

步骤S1：将钻井液经过动力装置8输入至钻具中；

步骤S2：在所述钻井液的作用下使钻具中的自发电高压脉冲下部钻具产生纳秒级高压电脉冲；

步骤S3：利用电极钻头1传递所述纳秒级高压电脉冲至地层破碎岩石，同时利用所述动力装置8产生的动能带动所述电极钻头进行机械旋转破碎岩石。

为了使本领域技术人员更清楚地了解高压电脉冲辅助破岩钻井过程，下述进行具体阐释。

钻井液罐12中满足要求的钻井液，通过钻井液泵11经过水龙头9送入井筒内，该钻井液由于带有一定压力，在钻井液不间断循环流动下，能够带动泥浆涡轮转动产生能量，泥浆涡轮通过磁力耦合来驱动交流发电机，从而产生45V—135V的交流电，产生的交流电压通过整流器输出24V的直流电；涡轮发电机5将产生的能量在储能装置4中进行瞬时存储，经过升压装置3进行升压操作，将24V电压升至20KV—100KV，高压电脉冲发生器2接受该高电压，并进行60-70S的充电过程，停止充电后，高压电脉冲发生器通过正负电极进行放电，产生400KV-600KV、上升沿小于500ns的纳秒级高压电脉冲，纳秒级高压电脉冲通过电极钻头1与岩石完全接触，使得岩石本体上产生等离子体通道，高压电脉冲破岩的原理图可参阅图2。由于这些等离子体通道产生过程中会产生瞬时高温和应力波，加速了岩石破碎速度。上述过程中始终保持钻井液导电率小于600us/cm，所以能够促进放电过程更好产生脉冲信号。在单次脉冲能量足够大时，岩石产生破碎或形成裂痕。

同时，电极钻头1在动力装置8的作用下进行机械旋转，对高压电脉冲作用后的岩石进行进一步的破碎，并不断暴露出新的岩石，充分增加岩石与电极的接触，同时保证破碎的岩屑尽快运移出井底，为下一次脉冲放电做准备。机械旋转运动配合电极钻头上的保径及规整齿能保证井径大小，规整井壁，保证井壁质量。在钻直井时，利用机械旋转钻进运动校正钻进方向，防止井眼歪斜；电极钻头1封装于自发电高压脉冲下部钻具，可与随钻测量和导向工具结合控制井眼的轨迹方向，实现对定向井(包括水平井)的钻进以及对井斜方位的实时测量记录。

本实施例将周期型的单次大能量高压电脉冲等离子体破岩方法与传统钻井方法相结合，能够应用于深井钻井中，且不受深度限制，极大地提高了破岩效率和钻头的使用寿命。

本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，包括：

钻井液罐，用于盛放钻井液；

动力装置，与所述钻井液罐管道连接，位于井筒的上端，用于为井筒内的钻具和电极钻头的旋转提供动能，其中所述钻具包括上部钻具和自发电高压脉冲下部钻具；

所述上部钻具，与所述动力装置连接，用于将所述动能传递至电极钻头；

所述自发电高压脉冲下部钻具，与所述上部钻具螺纹连接，用于在所述钻井液的作用下产生纳秒级高压电脉冲；

所述电极钻头，与所述自发电高压脉冲下部钻具连接，与地层直接接触，用于传递所述纳秒级高压电脉冲至所述地层破碎岩石，同时在所述动能的带动下进行机械旋转破碎岩石；

井架，位于地面上，与所述动力装置连接，用于支撑所述高压电脉冲辅助破岩钻井系统；

所述钻井液经过所述动力装置从所述钻具中流入，所述钻井液从所述钻具与井眼之间的环空中流出。

2.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，所述自发电高压脉冲下部钻具还包括：

涡轮发电机，与所述上部钻具螺纹连接，用于在所述钻井液的带动下产生电能；

储能装置，与所述涡轮发电机连接，用于对所述电能进行瞬时储存；

升压装置，与所述储能装置连接，用于将所述储能装置中的储存电能进行升压；

高压电脉冲发生器，与所述升压装置连接，用于在预定时间内进行充电，充电过程停止后，通过所述高压电脉冲发生器中的正负电极进行放电，产生纳秒级高压电脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，所述电极钻头与所述自发电高压脉冲下部钻具连接，具体包括：所述电极钻头与所述自发电高压脉冲下部钻具封装连接，所述电极钻头与自发电高压脉冲下部钻具置于井下。

4.根据权利要求2所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，所述涡轮发电机还包括：

泥浆涡轮，与所述上部钻具螺纹连接，用于在所述钻井液的带动下转动产生机械能；

交流发电机，与所述泥浆涡轮连接，用于在所述机械能的作用下产生交流电。

5.根据权利要求4所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，采用橡胶和陶瓷将所述交流发电机、所述升压装置、所述储能装置和所述高压电脉冲发生器封装于一密封绝缘装置中。

6.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，所述纳秒级高压电脉冲为周期型单次脉冲，所述纳秒级高压电脉冲的大小为400-600KV，上升沿小于500ns。

7.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，所述电极钻头中的电极与所述电极钻头中的本体通过陶瓷进行绝缘。

8.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，在所述钻井液罐和所述动力装置之间还设置有钻井液泵和水龙头；

所述钻井液泵，与所述钻井液罐管道连接，用于对所述钻井液提供一定的压力，促进所述钻井液流入所述水龙头中；

所述水龙头，与所述钻井液泵通过管道连接，用于将所述钻井液经过所述动力装置后注入到所述井筒中；

所述水龙头和所述钻井液泵通过阀门组与管道连接。

9.根据权利要求8所述的一种高压电脉冲辅助破岩钻井系统，其特征在于，所述系统还包括钻井液净化装置；

所述钻井液净化装置的输出端与所述钻井液罐的输入端连接，所述钻井液净化装置用于对流出的钻井液进行过滤净化。

10.一种高压电脉冲辅助破岩钻井方法，其特征在于，包括：

将钻井液经过动力装置输入至钻具中，其中所述钻具包括上部钻具和自发电高压脉冲下部钻具；

在所述钻井液的作用下使所述自发电高压脉冲下部钻具产生纳秒级高压电脉冲；

利用电极钻头传递所述纳秒级高压电脉冲至地层破碎岩石，同时利用所述动力装置产生的动能带动所述电极钻头进行机械旋转破碎岩石。

Images