CN114080087B - 等离子体发生***及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体发生***及钻井方法。等离子体发生***包括：等离子体发生器和排岩机构；其中，等离子体发生器用于破碎岩石；排岩机构设置于等离子体发生器，用于将岩石破碎后产生的岩屑排除。本发明中，通过等离子体发生器产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底的岩石以将岩石破碎，实现了钻井，无需采用现有技术中的机械钻井，也就无需进行换钻头，大大提高了钻井效率，缩短了钻井周期，并且，排岩机构将岩石破碎后的岩屑排除，有效地避免了岩屑封堵井底，确保了钻井顺利进行，进而提高了钻井效率。

Description

等离子体发生***及钻井方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体而言，涉及一种等离子体发生***及利用该等离子体发生***进行钻井的方法。

背景技术

在钻井行业中，通常是采用机械钻井。然而，机械钻井中钻头的磨损较快，需要频繁的提钻、换钻头，并且，整个提钻过程耗时长，使得钻井效率低下，还耗费人力。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种等离子体发生***，旨在解决现有技术中机械钻井易导致钻井效率低的问题。本发明还提出了一种利用等离子体发生***进行钻井的方法。

一个方面，本发明提出了一种等离子体发生***，该等离子体发生***包括：等离子体发生器和排岩机构；其中，等离子体发生器用于破碎岩石；排岩机构设置于等离子体发生器，用于将岩石破碎后产生的岩屑排除。

进一步地，上述等离子体发生***中，等离子体发生器包括：阴极机构和阳极机构；其中，阳极机构包括：壳体和阳极；壳体的第一部分套设于阴极机构的外部，壳体的第二部分套设于阳极的外部，阳极与阴极机构相对设置；排岩机构包括：至少一个用于输送排岩气的排岩气输送通道；其中，各排岩气输送通道均沿壳体的长度方向贯穿壳体，以使排岩气输送至井底，进而带动岩屑向井外运动。

进一步地，上述等离子体发生***中，阳极的第一端与阴极机构相对设置，阳极的靠近第二端处向外扩张以呈喇叭口状。

进一步地，上述等离子体发生***中，阳极的第二端与壳体相连接；阳极靠近第二端处的内部设置有气体腔，阳极第二端的朝向阴极机构的壁面开设有至少一个与气体腔相连通的输入口，各输入口与各排岩气输送通道一一对应且连通，以将排岩气输送气体腔内；阳极第二端的朝向井底的壁面开设有多个与气体腔相连通的排气孔，以将排岩气输送至井底。

进一步地，上述等离子体发生***中，阳极机构还包括：阳极冷却机构；其中，阳极冷却机构设置于壳体，用于对阳极进行冷却。

进一步地，上述等离子体发生***中，阳极冷却机构包括：均设置于壳体的输入通道和输出通道；其中，阳极与壳体的内壁之间具有间隙以形成冷却腔；输入通道和输出通道均由壳体的第一部分向第二部分处延伸且均与冷却腔相连通，输入通道用于向冷却腔内输送阳极冷却水，输出通道用于输出阳极冷却水。

进一步地，上述等离子体发生***中，阴极机构包括：阴极、阴极冷却机构和绝缘件；其中，阴极设置于阴极冷却机构的端部且与阳极相对应；绝缘件设置于阴极冷却机构的外部。

进一步地，上述等离子体发生***中，阴极冷却机构包括：两端均为开口端的内管和两端均为封闭端的外管；其中，外管的第一端的外壁与阴极相连接，外管的第二端为自由端；内管穿设于外管第二端的端壁且部分置于外管内，内管置于外管内的端部与外管的第一端之间具有预设距离，内管与外管之间的间隙形成环形空间，并且，外管的管壁开设有出水口；内管用于输入阴极冷却水，输出口用于输出阴极冷却水。

进一步地，上述等离子体发生***中，等离子体发生器还包括：工质气输入机构；阳极开设有沿其长度方向贯穿阳极的放电通道，放电通道与阴极机构相对应；工质气输送机构夹设于阴极机构与壳体的第一部分之间，用于向放电通道内输送工质气，以使阴极机构与阳极机构在通电后产生电弧；放电通道用于将电弧输送至井底，以破碎井底的岩石。

本发明中，通过等离子体发生器产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底的岩石以将岩石破碎，实现了钻井，无需采用现有技术中的机械钻井，也就无需进行提钻、换钻头，大大提高了钻井效率，缩短了钻井周期，解决了现有技术中机械钻井易导致钻井效率低的问题，并且，排岩机构将岩石破碎后的岩屑排除，有效地避免了岩屑封堵井底，确保了钻井顺利进行，进而提高了钻井效率。

另一方面，本发明还提出了一种利用等离子体发生***进行钻井的方法，该方法包括如下步骤：放置步骤，将等离子体发生***放置于井底；钻井步骤，向放电通道输送工质气，并对阳极机构和阴极机构进行通电以产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底的岩石；排岩步骤，将岩石破碎产生的岩屑输出

进一步地，上述钻井方法中，排岩步骤中，向井底输送排岩气，排岩气吹动岩屑，并带动岩屑向井外运动。

本发明中，通过阴极机构与阳极机构在通电后且在工质气的作用下产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底岩石以将岩石进行破碎，实现了钻井，大大提高了钻井效率，并且，将岩石破碎后的岩屑排除，有效地避免了岩屑封堵井底，确保了钻井顺利进行，进而提高了钻井效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的等离子体发生***的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的等离子体发生***中，排岩机构的原理图；

图3为本发明实施例提供的等离子体发生***中，阳极冷却水和阴极冷却水流通的原理图；

图4为本发明实施例提供的钻井方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

等离子体发生***实施例：

参见图1，图1为本发明实施例提供的等离子体发生***的结构示意图。如图所示，等离子体发生***置于井下，以进行钻井。等离子体发生***包括：等离子体发生器和排岩机构。其中，等离子体发生器用于破碎岩石，具体地，等离子体发生器产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底岩石的表面，通过高温烧蚀，使得井底的岩石进行破碎，进而实现钻井。

随着电弧不断作用于井底岩石，岩石产生的岩屑过多就会对井底进行封堵，进而影响钻井。为了避免岩屑封堵，则设置排岩机构，排岩机构设置于等离子体发生器，排岩机构将岩石破碎后产生的岩屑排除。

优选的，排岩机构用于向井底输送排岩气，通过排岩气吹动岩屑，并通过排岩气带动岩屑向井外运动，能够高效地将岩屑排出，避免了岩屑封堵井底进而影响钻井。

可以看出，本实施例中，通过等离子体发生器产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底的岩石以将岩石破碎，实现了钻井，无需采用现有技术中的机械钻井，也就无需进行提钻、换钻头，大大提高了钻井效率，缩短了钻井周期，解决了现有技术中机械钻井易导致钻井效率低的问题，并且，排岩机构将岩石破碎后的岩屑排除，有效地避免了岩屑封堵井底，确保了钻井顺利进行，进而提高了钻井效率。

参见图1至图3，上述实施例中，等离子体发生器包括：阴极机构1、阳极机构2和工质气输入机构3。其中，阴极机构1与阳极机构2相对设置且相连接。阳极机构2开设有放电通道4，该放电通道4贯穿阳极机构2，放电通道4的一端(图1所示的左端)与阴极机构1相对应，放电通道4的另一端(图1所示的右端)朝向井底。

工质气输入机构3用于向放电通道4内输送工质气，这样，阴极机构1与阳极机构2进行通电并在工质气的作用下在放电通道4内产生等离子电弧。放电通道4用于将电弧输送至井底，以破碎井底的岩石。

阳极机构2可以包括：壳体21和阳极22。其中，壳体21的第一部分(图1中的位于左边的部分)套设于阴极机构1的外部，壳体21的第二部分(图1中的位于右边的部分)套设于阳极22的外部。具体地，壳体21的两端均为开口端，壳体21可以为一体成型，也可以包括：可拆卸连接的第一分体和第二分体，第一分体对应于壳体21的第一部分，阴极机构1设置于第一分体的内部。第二分体对应于壳体21的第二部分，阳极22设置于第二分体的内部。关于壳体21的结构可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。

阳极22与阴极机构1相对设置，具体地，阳极22呈长条状，并且，阳极22的长度方向(图1所示的由左至右的方向)与壳体21的长度方向(图1所示的由左至右的方向)相一致，阳极22的第一端(图1所示的左端)靠近阴极机构1且与阴极机构1相对设置，阳极22的第二端(图2所示的右端)朝向井底设置。放电通道4沿阳极22的长度方向贯穿阳极22，使得放电通道4将阴极机构1与井底相连通，进而保证等离子电弧在产生后能够输送至井底。

优选的，阳极22靠近第二端处向外扩张以呈喇叭口状。当电弧由阳极22的第二端输出后，喇叭口状的结构能够保证电弧更好地作用于井底的岩石，起到了扩大等离子电弧的作用，提高了岩石破碎的效率。

参见图1，工质气输入机构3夹设于阴极机构1与壳体21的第一部分之间。具体地，工质气输入机构3可以为环形的本体，本体套设于阴极机构1的外部，壳体21的第一部分套设于本体的外部。本体的内部设置有输气通道，输气通道与放电通道4相连通，输气通道用于向放电通道4内输送工质气。

参见图1和图2，排岩机构可以包括：至少一个排岩气输送通道5。其中，每个排岩气输送通道5均用于向井底输送排岩气。具体实施时，排岩气输送通道5的数量可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。在本实施例中，排岩气输送通道5为两个。

各排岩气输送通道5均沿壳体21的长度方向贯穿壳体21，以使排岩气输送至井底，进而带动岩屑向井外运动。图2中的箭头指示了排岩气的流动方向。具体地，壳体21具有预设壁厚，每个排岩气输送通道5均是设置于壳体21的壁厚处，也就是说，排岩气输送通道5是从壳体21一端的端壁处开设且沿壳体21的长度方向延伸，直至延伸至壳体21的另一端的端壁处。具体实施时，预设壁厚可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。

优选的，当排岩气输送通道5为至少两个时，各排岩气输送通道5沿壳体21的周向均匀分布。

可以看出，本实施例中，阳极22与阴极机构1相对设置，排岩气输送通道5能够将排岩气输送至井底，保证了排岩气的稳定输送，并避免了井底的封堵，提高了钻井的效率。

参见图1和图2，上述各实施例中，阳极22的第二端与壳体21相连接，具体地，阳极22的第二端并未伸出壳体21，而是完全置于壳体21的内部，阳极22的第二端与壳体21的内壁相连接。

阳极22靠近第二端处的内部设置有气体腔，具体地，阳极22靠近第二端处具有预设壁厚，该预设壁厚可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。气体腔设置于阳极壁厚处的内部。壳体21靠近井底处的端部的厚度小于壳体21其余部分的壁厚且壳体21的内壁为倾斜平滑过渡，由于阳极22靠近第二端处为喇叭口状，即阳极22靠近第二端处也是倾斜设置的，所以阳极22靠近第二端处会与壳体21的内壁相接触。阳极22的第二端的朝向阴极机构1的壁面开设有至少一个输入口，具体地，各输入口开设于阳极22靠近第二端处并且是与壳体21的相接触处。输入口的数量与排岩气输送通道5的数量相同，各输入口与各排岩气输送通道5一一对应且相连通，各输入口均与气体腔相连通，则排岩气输送通道5内的排岩气经输入口输送至气体腔内。

阳极22的第二端朝向井底的壁面开设有多个排气孔221，各排气孔221均与气体腔相连通，则气体腔中的排岩气经各排气孔221输送至井底。优选的，各排气孔221沿阳极22的喇叭口状的壁面均匀分布。

可以看出，本实施例中，排岩气输送通道5内的排岩气先输送至阳极第二端的气体腔内，再由阳极22第二端的各排气孔221输送至井底，使得排岩气能够分散地作用于井底岩石，避免排岩气的集中，扩大了排岩气对井底岩石的作用面，提高了钻井效率。

参见图1和图3，上述各实施例中，阳极机构2还可以包括：阳极冷却机构。其中，阳极冷却机构设置于壳体21，阳极冷却机构用于对阳极22进行冷却。优选的，阳极冷却机构通过阳极冷却水对阳极22进行冷却。

参见图3，阳极冷却机构可以包括：输入通道6和输出通道7。其中，输入通道6和输出通道7均设置于壳体21内，具体地，输入通道6和输出通道7均是设置于壳体21的壁厚处。输入通道6和输出通道7均是由壳体21的第一部分向第二部分处延伸，输入通道6直至延伸至壳体21的第二部分的端部，输出通道7延伸至壳体21的第二部分中但是靠近第一部分处。

阳极22与壳体21的内壁之间具有间隙以形成冷却腔8，输入通道6和输出通道7均与冷却腔8相连通，输入通道6用于向冷却腔8内输送阳极冷却水，输出通道7用于输出阳极冷却水。具体地，壳体21的第二部分在对应冷却腔8处开设有入水口和出水口，入水口和出水口均与冷却腔8相连通，并且，入水口与输入通道6连通，出水口与输出通道7连通，则阳极冷却水经输入通道6输送至冷却腔8内，阳极冷却水与阳极22进行换热，以使阳极22换热降温，而换热升温后的冷却水经输出通道7输出壳体21。

具体实施时，入水口靠近阳极22的第二端设置，出水口靠近阴极机构1设置。

参见图1至图3，阴极机构1可以包括：阴极11、阴极冷却机构12和绝缘件13。其中，阴极11设置于阴极冷却机构12的端部，并且，阴极11与阳极22相对应，阴极11对应于放电通道4处，阴极11与阳极22在通电后且在工质气的作用下产生等离子电弧。具体实施时，阴极11溢出电子的能力强，发出电子至阳极22，以形成稳定的电弧。

绝缘件13设置于阴极冷却机构12的外部，具体地，绝缘件13夹设于阴极冷却机构12与工质气输送机构之间，更为具体地，绝缘件13呈环形，绝缘件13套设于阴极冷却机构12的外部，并且，工质气输入机构3的本体套设于绝缘件13的外部。

优选的，阴极冷却机构12通过阴极冷却水对阴极11进行冷却。具体地，参见图2和图3，阴极冷却机构12可以包括：内管121和外管122。其中，内管121的两端均为开口端，外管122的两端均为封闭端。外管121的第一端(图3所示的右端)的外壁与阴极11相连接，外管122的第二端(图3所示的左端)为自由端。内管121穿设于外管122的第二端的端壁，并且，内管121部分置于外管122的内部，部分置于外管122的外部。内管121置于外管122内的端部与外管的第一端之间具有预设距离，内管121与外管122之间具有间隙以形成环形空间。外管122的管壁开设有输出口，则内管121输入阴极冷却水，阴极冷却水对阴极11进行换热降温，换热升温后的阴极冷却水向内管121和外管122之间的间隙处流动，最终由输出口输出。

具体地，阴极11通过阴极座与外管122相连接。

综上所述，本实施例中，通过等离子体发生器产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底的岩石以将岩石破碎，实现了钻井，无需采用现有技术中的机械钻井，也就无需进行提钻、换钻头，大大提高了钻井效率，缩短了钻井周期，并且，排岩机构将岩石破碎后的岩屑排除，有效地避免了岩屑封堵井底，确保了钻井顺利进行，进而提高了钻井效率。

钻井方法实施例：

本实施例还提出了一种利用等离子体发生***进行钻井的方法，参见图4，图4为本发明实施例提供的钻井方法的流程图。如图所示，钻井方法包括如下步骤：

放置步骤S1，将等离子体发生***放置于井底。

具体地，等离子体发生***中的放电通道4朝向井底，其中，等离子体发生***的具体实施过程参见上述说明即可，本实施例在此不再赘述。

钻井步骤S2，向放电通道输送工质气，并对阳极机构和阴极机构进行通电以产生等离子电弧，等离子电弧作用于井底的岩石。

具体地，在放电通道4内，阴极机构1与阳极机构2在通电后且在工质气的作用下产生等离子电弧，等离子电弧输通过放电通道4并到达井底。

排岩步骤S3，将岩石破碎产生的岩屑输出。

具体地，放电通道4输出的电弧作用于井底岩石的表面，通过高温烧蚀，使得井底的岩石破碎，进而实现钻井。

优选的，向井底输送排岩气，排岩气吹动岩屑，并通过排岩气带动岩屑向井外运动，从而避免岩屑封堵井底进而影响钻井。

可以看出，本实施例中，通过阴极机构与阳极机构在通电后且在工质气的作用下产生电弧，电弧作用于井底岩石以将岩石进行破碎，实现了钻井，大大提高了钻井效率，并且，将岩石破碎后的岩屑排除，有效地避免了岩屑封堵井底，确保了钻井顺利进行，进而提高了钻井效率。

需要说明的是，本发明中的等离子体发生***及利用该等离子体发生***进行钻井的方法的原理相同，相关之处可以相互参照。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种等离子体发生***，其特征在于，包括：等离子体发生器和排岩机构；其中，

所述等离子体发生器用于破碎岩石；

所述排岩机构设置于所述等离子体发生器，用于将岩石破碎后产生的岩屑排除；

所述等离子体发生器包括：阴极机构（1）和阳极机构（2）；其中，所述阳极机构（2）包括：壳体（21）和阳极（22）；所述壳体（21）的第一部分套设于所述阴极机构（1）的外部，所述壳体（21）的第二部分套设于所述阳极（22）的外部，所述阳极（22）与所述阴极机构（1）相对设置；

所述排岩机构包括：至少一个用于输送排岩气的排岩气输送通道（5）；其中，各所述排岩气输送通道（5）均沿所述壳体（21）的长度方向贯穿所述壳体，以使所述排岩气输送至井底，进而带动所述岩屑向井外运动；

所述阳极（22）的第一端与所述阴极机构（1）相对设置，所述阳极（22）的靠近第二端处向外扩张以呈喇叭口状；

所述阳极（22）的第二端与所述壳体（21）相连接；

所述阳极（22）靠近第二端处的内部设置有气体腔，所述阳极（22）第二端的朝向所述阴极机构（1）的壁面开设有至少一个与所述气体腔相连通的输入口，各所述输入口与各所述排岩气输送通道（5）一一对应且连通，以将所述排岩气输送至所述气体腔内；所述阳极（22）第二端的朝向井底的壁面开设有多个与所述气体腔相连通的排气孔（221），以将所述排岩气输送至所述井底。

2.根据权利要求1所述的等离子体发生***，其特征在于，所述阳极机构（2）还包括：阳极冷却机构；所述阳极冷却机构包括：均设置于所述壳体（21）的输入通道（6）和输出通道（7）；其中，

所述阳极（22）与所述壳体（21）的内壁之间具有间隙以形成冷却腔（8）；

所述输入通道（6）和所述输出通道（7）均由所述壳体（21）的第一部分向第二部分处延伸且均与所述冷却腔（8）相连通，所述输入通道（6）用于向所述冷却腔（8）内输送阳极冷却水，所述输出通道（7）用于输出所述阳极冷却水。

3.根据权利要求1所述的等离子体发生***，其特征在于，所述阴极机构（1）包括：阴极（11）、阴极冷却机构（12）和绝缘件（13）；其中，

所述阴极（11）设置于所述阴极冷却机构（12）的端部且与所述阳极（22）相对应；

所述绝缘件（13）设置于所述阴极冷却机构（12）的外部。

4.根据权利要求3所述的等离子体发生***，其特征在于，所述阴极冷却机构（12）包括：两端均为开口端的内管（121）和两端均为封闭端的外管（122）；其中，

所述外管（122）的第一端的外壁与所述阴极（11）相连接，所述外管（122）的第二端为自由端；

所述内管（121）穿设于所述外管（122）第二端的端壁且部分置于所述外管（122）内，所述内管（121）置于所述外管内的端部与所述外管的第一端之间具有预设距离，所述内管（121）与所述外管（122）之间的间隙形成环形空间，并且，所述外管（122）的管壁开设有输出口；所述内管（121）用于输入阴极冷却水，所述输出口用于输出所述阴极冷却水。

5.根据权利要求1所述的等离子体发生***，其特征在于，所述等离子体发生器还包括：工质气输入机构（3）；

所述阳极（22）开设有沿其长度方向贯穿所述阳极（22）的放电通道（4），所述放电通道（4）与所述阴极机构（1）相对应；

所述工质气输送机构（3）夹设于所述阴极机构（1）与所述壳体（21）的第一部分之间，用于向所述放电通道（4）内输送工质气，以使所述阴极机构（1）与所述阳极机构（2）在通电后产生电弧；所述放电通道（4）用于将所述电弧输送至井底，以破碎井底的岩石。

6.一种利用如权利要求1至5中任一项所述等离子发生***进行钻井的方法，其特征在于，包括如下步骤：

放置步骤，将等离子体发生***放置于井底；

钻井步骤，向放电通道输送工质气，并对所述阳极机构和所述阴极机构进行通电以产生等离子电弧，所述等离子电弧作用于所述井底的岩石；

排岩步骤，将岩石破碎产生的岩屑输出。

7.根据权利要求6所述的钻井方法，其特征在于，所述排岩步骤中，

向所述井底输送排岩气，所述排岩气吹动所述岩屑，并带动所述岩屑向井外运动。