借助放電進行旋轉鉆孔的系統的制作方法

本發明涉及借助于放電進行旋轉鉆孔的裝置和過程以及該種裝置的某些元件。

背景技術：

油氣開采、開礦、地熱能、土建工程和其他作業的領域中采用的傳統鉆孔技術是向下鉆進旋轉鉆孔工具，同時要施加幾噸至幾十噸之大的推力。通過從地面上旋轉全部的鉆柱(行業內稱作“旋轉鉆孔”的系統)，或者使用底部液壓馬達(渦輪鉆進)，來提供鉆孔工具的旋轉。所用的鉆孔工具是三錐輪型、PDC(多晶金剛石復合刀具)或浸漬的基質。在所有的情形中，巖石的碎裂是由機械效果產生的。工具所產生的巖石切割在孔壁和鉆柱之間的空間(環腔)內，通過鉆探流體的向上流動而上升到地面。

然而，這些技術在某些非常硬或非常耐磨地質地層中遭遇到緩慢的前進進程。為解決該問題，人們已經針對傳統技術設計出各種替代方案。在這些各種設計方案中，人們提出了一種技術，該技術基于通過放置在鉆孔工具下方的電極，反復地將非常高功率的電脈沖直接注入到地里。電極之間產生電弧，電弧穿透地面并形成等離子隧道。等離子產生的氣體膨脹使得巖石破裂并形成切削物，然后在傳統方式中通過流體流動來消除所產生的切削物。該技術很長時間已為人們所熟知，在文獻中該技術具有不同的名字，諸如“放電脈沖鉆孔”、“等離子通道鉆孔工藝過程”或“電脈沖巖石鉆孔裝置”。

文獻US005845854A是先前的出版物，其顯示如何根據電壓上升時間來優化電極間的距離。文獻US6164388給出了優化操作的等式，并提出使用半導體整流器的優化的功率電路設計。文獻WO-A-03/069110提供相對于該過程電參數(電壓、功率、脈沖周期)的量級順序。然而，這三個專利遭受主要的弱點，即，提供給電極的電功率。的確，這些系統的脈沖發生器位于地面上。因此傳輸方式(借助于電纜或其他系統)有必要將地面連接到底部鉆孔，這導致復雜性和安全性的問題。

某些文獻注意點著力于該技術與其他工藝過程的組合。因此，文獻US7416032涉及到一種鉆探系統，該系統用具有電氣和機械效果相組合的放電來進行鉆探。文獻US7527108涉及到一種便攜式系統，該系統在線性度量的鉆孔開礦的背景下用放電來進行鉆探。文獻US7784563涉及到一種用放電進行鉆探的系統，其包括保持巖石和電極之間連續接觸的機構。文獻EP2554780提出一種用放電進行鉆探的系統與用來冷卻和脈動鉆孔流體的工藝過程的組合。文獻EP2554778提出一種用放電進行鉆探的系統、用于方向性鉆探的傳感器系統以及LWD(邊記錄邊鉆探)系統的組合。

所有這些文獻呈現同樣的弱點：盡管在鉆孔底部處存在有脈沖發生器，但向其供電所需的電力仍由電纜從地面提供。然而，電纜的存在是與操作使用這些系統發生沖突的主要障礙。的確，在使用傳統鉆柱的情形中，電纜的存在阻礙了鉆柱的旋轉。如此的障礙與專業的基本規律相矛盾：在任何時刻要能夠轉動桿的外殼。

然而，某些文獻建議采用向下鉆進的電力發生器來向借助于放電進行鉆探的系統供電的可能性，例如，諸如文獻US2009/00500371、US8109345和US7784563。然而，這些文獻沒有對如此構造中的系統的操作提供細節，第一個文獻只是關于非轉動的系統。然而，向下鉆進的發電機的主要優點之一是能夠從地面上轉動鉆柱。此外，為了使用向下鉆進發電機，這些文獻沒有解決以下三個關鍵問題：從地面對系統操作的控制；當提升出鉆柱時，針對高電壓的風險，人員的安全性；以及與使用MWD(邊測量邊鉆探)系統的兼容，所述系統幾乎在這些天中運轉，尤其是用于油井鉆探。

技術實現要素：

概略地說，向下鉆進設備納入在鉆柱(鉆桿和鉆鋌的組件)的端部處，并由四個主要部件組成：

-發電機，

-脈沖發生器，

-電滑動開關，

-電動鉆探工具。

發電機將鉆探流體的液壓能量轉化為電能，并遞送向脈沖發生器供電的電流。

脈沖發生器一般地由電容器和功率開關組成。電容器由發電機饋電。功率開關將重復的高壓脈沖遞送到電動鉆探工具的電極。

電動鉆探工具裝備有電極系統。電極系統由高壓電極(電氣地連接到脈沖發生器電容)和接地電極組成。

電滑動開關能從地面上以簡單和可靠的方式控制系統的電氣操作，而不用傳輸電纜。

與電氣過程實施相平行，由于沒有電纜或用于傳輸電能的其他系統干擾該運動，所以，傳統上從地面上來轉動鉆柱。因此，鉆探機具有與鉆探設備和標準程序完全相容的系統，同時通過電滑動開關對向下鉆進系統的電氣操作提供控制。

電滑動開關允許實現遙控并使系統發揮功能和保持安全性。

因此，通過提供借助于放電的鉆探系統，本發明克服了上述這些缺陷，該鉆探系統不需要與地面的任何電氣連接，允許以簡單和安全的方式從地面來控制向下鉆進系統的操作。本發明還與標準的鉆探設備以及傳統的鉆探程序完全相容。因此，本發明提供安全性、可靠性和性能。

因此，本發明提供了用于旋轉鉆探的向下鉆進裝置，其包括：

-安裝在由鉆桿和/或鉆鋌組成的鉆柱端部處的發電機，發電機將鉆探流體的液壓能量轉換為電能；

-機械地和電氣地連接到所述發電機的脈沖發生器，其向由鉆探工具承載的電極系統供電；

-電動鉆探工具，其機械地和電氣地連接到所述脈沖發生器，由鉆桿和/或鉆鋌組成的鉆柱使該電動鉆探工具轉動，并由主動和被動電極系統組成；以及

-電滑動開關系統。

根據一個實施例，滑動開關系統(9)納入到：(i)所述電動鉆探工具(7)，或(ii)所述電動鉆探工具(7)和所述脈沖發生器(6)之間的接口，或(iii)所述脈沖發生器(6)，或(iv)所述脈沖發生器(6)和所述發電機(5)之間，或(v)所述發電機(5)，或(vi)所述發電機(5)上方。

根據一個實施例，該裝置包括兩個滑動開關：

-第一電滑動開關，其介于將液壓能量轉換為機械能的發電機的部分和將機械能轉換為電能的發電機部分之間，這樣，當處于“打開”位置中時，即使鉆探流體在所述液壓隔間內循環，該開關也阻止發電；以及

-第二電滑動開關，其位于電動鉆探工具處，這樣，當處于“打開”位置中時，即使電氣隔間在產生電流時，該開關也迫使所述脈沖發生器的電容(16)放電，并阻止電容充電。

根據一個實施例，所述電動鉆探工具的轉動使所述被動電極的機械效應與電氣放電效應相組合。

根據一個實施例，所述電動鉆探工具的轉動用發生在所述被動和主動電極之間的徑向電弧掃遍孔的全部表面。

根據一個實施例，所述起作電開關作用的滑動開關借助于機械彈簧而常開，所述機械彈簧使所述滑動開關保持打開，通過將所述電容器的兩個接線終端連接到放電電阻器上的電路，使所述脈沖發生器的功率電路保持在打開的狀態，使電容器保持在“短路”的狀態。

根據一個變體，通過注入殼體內的鉆探流體，從地面上觸發正向的動作，便可加強所述滑動開關的“常開”位置。

根據一個實施例，從地面上觸發正向的動作包括在所述電動鉆探工具上施加一重量，由此能夠使所述開關從打開位置切換到閉合位置。

根據一個實施例，在根據本發明的裝置中：

-發電機包括渦輪機或正向位移馬達，鉆探流體的流動驅動馬達的轉子轉動，馬達轉子又驅動交流發電機的轉子，

-所述渦輪機或所述馬達的所述轉子和所述交流發電機的所述轉子之間的接口包括允許機械離合的電滑動開關。

根據一個實施例，在根據本發明的裝置中：

-所述主動和被動電極的系統包括兩組電極，它們彼此電氣地絕緣，但從軸向的觀點和角向的觀點來看，它們互相機械地連接，所述電極組包括：

(i)一組被動電極、接地電極，以及(ii)一組主動電極、高壓電極；或

-所述主動和被動電極的系統包括兩組電極，它們彼此電氣地絕緣，但從角向的觀點來看，它們互相機械地脫開聯接，但從軸向的觀點來看，不是脫開聯接的，所述電極組包括：(i)一組被動電極、接地電極，它們位于所述電動鉆探工具的外圍，以及(ii)一組主動電極、高壓電極，它們中心地位于所述電動鉆探工具中，而且不是機械地連接到被動電極組，這樣不被被動電極驅動而轉動；或

-所述主動和被動電極的系統包括兩組電極，它們彼此電氣地絕緣，但從角向的觀點和軸向的觀點來看，它們互相機械地脫開聯接，所述電極組包括：(i)一組被動電極、接地電極，它們位于外圍內，以及(ii)一組主動電極、高壓電極，它們中心地位于所述電動鉆探工具內，它們裝備有最好是幾厘米長的軸向軌道，并經受能使電極與巖石連續接觸的波紋彈簧的力；或

-所述主動和被動電極的系統包括兩組電極，它們彼此電氣地絕緣，但從角向的觀點來看，它們互相機械地附連，但從軸向的觀點來看，它們彼此不機械地附連，所述電極組包括：(i)一組被動電極、接地電極，以及(ii)一組主動電極、高壓電極，它們相對于所述電動鉆探工具的軸線偏心地定位，它們裝備有最好是幾厘米長的軸向軌道，并經受能使電極與巖石連續接觸的波紋彈簧的力。

根據一個實施例，電動鉆探工具的終端部分包括除電極之外沒有任何固體材料的內部腔室。

根據一個實施例，所述脈沖發生器的軸線與絕緣材料的軸向中空管交叉，軸向中空管用金屬管機械地連接到所述脈沖發生器的下部，這樣，所述管的連續性確保鉆探流體的傳輸，確保所述下部金屬管(最好僅此管子)接收來自所述脈沖發生器的電放電。

根據一個實施例，所述脈沖發生器是LTD線性變換器驅動器型的發生器，或是Marx發生器或TESLA變換器。

根據一個實施例，由能量儲存裝置(最好是電容器)和功率開關(最好是氣體放電管)組成的若干個模塊，互相堆疊在位于所述中空管和外部金屬包殼之間的環形空間內。

根據一個變體，所述功率開關由環形電極組成，環形電極具有環的形式。

根據一個實施例，該裝置還包括由兩個金屬部分組成的絕緣連接器，即，上部和下部，兩個金屬部分被絕緣材料分開并嵌套在兩個部分之間，以傳遞軸向應力以及所述上部和所述下部之間的扭轉應力。

根據一個實施例，電極包括硬質和耐磨材料的插入件，所述材料最好是多晶金剛石化合物(PDC)類型，或碳化鎢類型，和/或包括硬質材料(最好是金剛石)粉末或微顆粒的金屬基質。

本發明還涉及旋轉的鉆探裝置，鉆探裝置包括根據本發明的向下鉆進裝置，該鉆進裝置納入在包括鉆桿和用來傳輸電能的可能的鉆鋌的組件的鉆柱的端部處；包括用來旋轉驅動鉆桿和/或鉆鋌組成的鉆柱的系統的鉆探設備；以及用來將鉆探流體注入到鉆桿和/或鉆鋌組成的鉆柱內的鉆探泵。

本發明進一步涉及通過轉動根據本發明的旋轉鉆探裝置的鉆探過程。

附圖說明

圖1描繪處在“定位在電動鉆孔工具高度處的滑動器”構造內的總系統。在該圖中：

-1：裝備有鐵架塔、桅桿或其他操作系統的鉆探設備，

-2：用來旋轉鉆柱的系統，

-3：在高流量和高壓下用來注入鉆探流體的泵，

-4：鉆桿和/或鉆鋌組成的鉆柱，

-5：發電機，

-6：脈沖發生器，

-7：電動鉆探工具，

-8：穩定器，

-9：定位在電動鉆探工具處的電滑動開關，

-10：電極系統。

圖2描繪處在“定位在發電機和脈沖發生器之間的滑動器”構造內的總系統。圖1的圖例必要變更后適用。

圖3描繪處在“兩個電滑動開關”構造內的總系統。在該圖中：

-9s：上部電滑動開關

-9i：下部電滑動開關

-5a：液壓隔間

-5b：電氣隔間

-5：發電機

圖4描繪脈沖發生器和處于“打開滑動器”構造中的電動鉆探工具—“定位在電動鉆孔工具高度處的滑動器”構造。在該圖中：

-6：脈沖發生器

-8：穩定器

-9：處于“正常打開”位置中的滑動開關

-11：接地電極

-12：中央的或補償的高壓電極

-13：絕緣器

-14：處于未壓縮位置中的彈簧

-15：處于伸展位置中的波紋彈簧

-16：電容器

-17：用于打開/閉合電容器充電電路以及在處于“常閉”構造中的電阻器上使電容器放電的系統

-18：用于鉆探流體循環的孔

-19：用于機械傳動的系統

圖5描繪脈沖發生器和處于“閉合滑動器”構造中的電動鉆探工具—“定位在電動鉆孔工具高度處的滑動器”構造。在該圖中：

-6：脈沖發生器

-8：穩定器

-9a：處于“閉合”位置中的滑動開關

-11：接地電極

-12：中央的或偏移的高壓電極

-13：絕緣器

-14a：處于壓縮位置中的彈簧

-15a：處于壓縮位置中的波紋彈簧

-16：電容器

-17a：用于打開/閉合電容器充電電路以及在處于“啟動”構造中的電阻器上使電容器放電的系統

-18：用于鉆探流體循環的孔

-19：用于機械傳動的系統

-36：高壓腔室

圖6描繪裝備有電滑動開關、位于“包括中央或補償電極的高壓電極和若干個外圍電極”構造中的電動鉆孔工具。在該圖中：

-11：接地電極

-12：中央的或補償的高壓電極

-12a：高壓外圍電極

-13：絕緣器

-36：高壓腔室

圖7描繪電滑動開關定位在電動鉆孔工具高度處時電滑動開關的機械和液壓部分操作的詳圖。在該圖中，除了已經在圖4和5中給出的附圖標記之外：

-20：鉆探流體循環通道

-21：打開滑動器的彈簧14所施加的力F1

-22：由絕緣器通道(20)和施加該壓力的部分S(23)內流體載荷損失所產生的壓力[P2(24)-P1(25)]生成的力F2

-23：其上施加壓力的表面，所述壓力是由絕緣器通道(20)內流體載荷損失[P2(24)-P1(25)]所生成

-24：絕緣器通道(20)上游的鉆探流體的壓力P1

-25：絕緣器通道(20)下游的鉆探流體的壓力P2

圖8描繪定位在發電機的液壓隔間和電氣隔間之間(脫開嚙合的位置)的電滑動開關。在該圖中：

-36：連接到液壓隔間轉子(渦輪機或向下鉆進馬達)的上部中空從動軸

-37：上部軸承

-38：由發電機的液壓隔間轉子(渦輪機或向下鉆進馬達)驅動的中空軸的旋轉運動

-39：密封件

-40：用于機械連接處于脫開嚙合位置中的中空軸的上部和下部之間的機構

-41：下部軸承

-42：連接到發電機電氣隔間轉子(交流發電機)的下部中空軸

-43：處于未壓縮位置中的彈簧

-47：鉆探流體循環

圖9描繪定位在發電機的液壓隔間和電氣隔間之間(嚙合的位置)的電滑動開關。在該圖中：

-36：連接到液壓隔間轉子(渦輪機或向下鉆進馬達)的上部中空從動軸

-37：上部軸承

-38：由發電機的液壓隔間轉子(渦輪機或向下鉆進馬達)驅動的中空軸的旋轉運動

-39：密封件

-41：下部軸承

-42：連接到發電機電氣隔間轉子(交流發電機)的下部中空軸

-44：用于機械連接處于嚙合位置中的中空軸的上部和下部之間的機構

-45：上部中空軸驅動的下部中空軸的旋轉運動

-46：處于壓縮位置中的彈簧

-47：鉆探流體循環

圖10描繪遠離電滑動開關的使電容器信電阻器上放電的電路一部分的操作細節。在該圖中：

-26：發電機

-27：使電容放電在電阻器上的電路

-28：脈沖發生器

-29：電動鉆孔工具

-30：脫開偶聯的電容器

-31：由機械傳動系統致動接觸器

圖11描繪電極系統構造的一個實例，所述系統具有包括單個中央補償電極的高壓裝置。在該圖中：

-32：接地電極

-33：中央補償的高壓電極

-34：接地電極點和中央電極之間的距離D

圖12描繪電極系統構造的一個實例，所述系統具有包括一中央補償電極和外圍電極的高壓裝置。在該圖中：

-32：接地電極

-33：中央補償的高壓電極

-34：接地電極點和中央電極之間的距離D

-35：外圍高壓電極

圖13描繪脈沖發生器的橫截面，該脈沖發生器是帶有環形氣體放電管的Marx構造發生器。在該圖中：

-48：脈沖發生器和中空軸向高壓管之間的電氣接口

-49：環形電極氣體放電管

-50：絕緣器

-51：氣體放電管的環形電極

-52：鉆探流體循環

-53：絕緣材料中的中空軸向管

-54：中空軸向高壓管

-55：外部金屬殼

-56：包括能量儲存裝置(電容器)和功率開關(氣體放電管)

圖14描繪絕緣連接器。在該圖中：

-57：下部金屬部分

-58：上部金屬部分

-59：鉆探流體的流動

-60：絕緣器

圖15描繪電極一部分的視圖。在該圖中：

-61：PDC

-62：浸漬的基質

圖16描繪根據本發明工具的三維視圖。

具體實施方式

現將更詳細地描述本發明，在以下的描述中，以非限制的方式進行描述。

本發明可以使用在以下的領域內：

-石油部門(油和/或氣田的勘查和開發)，

-開礦部門(勘查鉆探)，

-地熱部門(低或高焓井的鉆探)，

-城市工程部門(地質評估鉆探、凍土孔鉆探等)。

不需要特殊的結構布置，將所提供的向下鉆進設備納入到標準鉆柱(鉆桿和/或鉆鋌的組件)的端部處。它由以下元件組成：

-發電機(5)，

-脈沖發生器(6)，

-電滑動開關(9)，

-電動鉆探工具(7)。

裝備有鐵架塔、桅桿或其他操作系統的鉆探設備(1)、用來旋轉鉆柱的系統(2)和在高流量和高壓下注入鉆探流體的泵(3)，以及鉆桿和/或鉆鋌組成的鉆柱(4)，它們與該向下鉆進設備相連。可設置標準設計的穩定器(8)。

與電氣過程的實施相平行，由于沒有用于傳輸電能的電纜或其他系統與該旋轉運動相干涉，所以鉆柱可以常規地從地面旋轉(用旋轉臺和方鉆桿裝置或“動力轉盤”)。因此，鉆探機具有完全與鉆探設備和標準程序兼容的系統，同時通過工具的滑動對向下鉆進系統的電氣操作提供控制。

在圖1中，電滑動開關定位在電動鉆探工具處，而在圖2中，電滑動開關定位在發電機和脈沖發生器之間。

因此，電滑動開關可定位在電動鉆探工具處或該系統不同部件之間的接口處。

圖3還示出其中采用了兩個電滑動開關的構造：一個開關位于發電機處，而另一個開關位于電動鉆探工具處。

使用向下鉆進設備符合于標準鉆探程序，且鉆探設備不需要任何特殊的結構布置。

下面將描述根據本發明的裝置各種部件和程序。

發電機(5)的功能是將鉆探流體的液壓能轉換為電能。在所考慮的不同構造的其中一種構造中(例如，參見圖3)，發電機由以下部件構成：

-向下鉆進渦輪機或包括定子部分和轉子部分的液壓馬達型的液壓隔間(5a)，

-將來自液壓隔間的轉子的旋轉運動傳輸到電氣隔間的轉子的機械接口

-電氣隔間(5b)，其在一種可能的構造中自身被細分為兩個部分：

-包括定子部分和轉子部分的交流發電機隔間，所述定子部分承載交流發電機的繞組，而轉子部分承載磁性部件，

-充電器，其將例如為1kV至50kV(最好是20kV和40kV之間)的高壓電流供應到脈沖發生器的電容。

在該構造中，鉆探流體在液壓隔間的定子部分和轉子部分之間循環并轉動轉子。這又驅動了交流發電機的轉子。在液壓隔間和電氣隔間之間的接口處，鉆探流體在交流發電機轉子內穿過，該轉子由上部中帶有開口的中空軸構成。交流發電機產生的低壓電流供應給高壓充電器，充電器又向脈沖發生器的電容器供電。

由位于地面上的鉆探設備泵注入的鉆探流體的動力驅動了發電機。因此，本發明的設計不需要在地面和底部之間的任何電能傳輸系統，諸如電纜、導電的鉆桿、盤管或任何其他系統。電能在底部處生產，因此消除了如現有技術各種文獻中呈現的對借助于放電來使用鉆探系統所出現的基本障礙。與現有技術的文獻不同，該設計通過與標準鉆探程序完全相容的本發明的放電得到旋轉鉆探系統。通過組合旋轉帶來的機械作用和放電的效應，這允許提高巖石破損過程的效率。這允許以傳統方式來操縱鉆柱(提升到地面和下降到底部)，而毫無附連到鉆桿或鉆桿內電纜帶來的障礙。鉆柱連續的旋轉運動還防止傳統上擔心的由于壓差造成的粘滯現象，并降低必須在井孔中放棄鉆柱的風險。

本發明允許從地面上來控制該裝置。沒有本發明的附加裝置，鉆探機就不能允許或阻止從地面上實施通過放電進行的旋轉鉆探系統的電氣操作。的確，僅控制通過泵實施的泥漿循環允許起動或停止該系統的操作。然而，在鉆探行業內眾所周知，當井孔中存在鉆柱時，泥漿的連續循環對于井孔的安全性和人員的安全性都是至關重要的必要性，即使鉆探工具不是嚴格地在進行鉆探也是如此。該種連續的循環對油氣部門的井來說，可防止出現油或氣的噴井的風險，并避免巖石碎片(切削碎片)任何的沉淀，因此防止鉆柱被堵死的風險。在這些狀態下，僅使用發電機而沒有根據本發明的裝置，則不管泥漿的循環是否在工作，都會對借助于放電進行的旋轉鉆探系統帶來連續的電氣操作。如此的旋轉對于人員的安全性、鉆探的安全性和過程的效率都是嚴重不利的。

對于人員的安全性來說，關鍵的是，當將鉆柱提升到地面上時，要確保停止系統的電氣操作和電容器進行放電。還希望當鉆柱在金屬管(金屬殼)的“靴”端處是處于流體循環之下時，能停止系統的電氣操作。本發明允許通過使用滑動開關來達到該目的。

就性能來講，重要的是該系統要具有盡可能長的壽命。因此該理由建議，當鉆柱處于井孔的底部時，即，當該系統用來進行鉆探時，僅通過放電觸發旋轉鉆探系統。本發明還允許利用滑動開關來達到該目的，如果需要的話，所述滑動開關將只在井孔的底部處致動該裝置。

最后，最好在從MWD進行“泥漿脈動”傳輸過程中，能夠定期地停止該系統的電氣操作，以避免系統之間的干擾。本發明還允許通過利用滑動開關來達到該目的。

所有這些實例(并非詳盡的清單)清楚地表明，理想的是要具有遙控通過放電進行旋轉鉆探系統的電氣操作的裝置，且遙控裝置全都在手頭。通過納入定位在系統結構中的各種可能部位處的電滑動開關(9)，便可能從地面上實施該種控制(該種開關將在下文中進一步描述)。

在優選的構造中，該電滑動開關位于液壓隔間和電氣隔間之間的接口處(參見圖3)。該開關起到機械離合器的作用。該開關的“正常”位置阻止液壓隔間轉子與電氣隔間轉子的機械鎖定。這提供了以下事實的保證：除非鉆探機如此決定，否則系統不能進行操作。鉆探機作出運行該系統的決定包括：對工具施加若干噸很大的重量，例如，在2t和15t之間；使一部分鉆柱置于壓縮中。當鉆探機施加該力時，滑動開關閉合，液壓隔間和電氣隔間的轉子之間建立起機械鎖定，然后，發電機產生電流。

在所考慮的一個構造中，該電滑動開關能致動系統，以便打開/閉合施加到電容器的高壓功率。

該開關的“正常”位置防止高壓電供應到電容器。這提供如下事實的保證：除非鉆探機如此決定，否則系統不能進行操作。鉆探機作出運行該系統的決定包括：對工具施加若干噸很大的重量；使一部分鉆柱置于壓縮中。當鉆探機施加該力時，開關的滑動器閉合，建立起電氣接觸，然后系統可進行操作。

在所考慮的另一個構造中，該電滑動開關允許致動液壓系統轉子和交流發電機轉子之間的機械鎖定系統(參見下面的圖8和9)。該開關的“正常”位置防止交流發電機轉子轉動。在該位置中，因此沒有電流會產生。正如前面所述的情形那樣，它提供如下事實的保證：除非鉆探機如此決定，否則系統不能進行操作。鉆探機作出運行該系統的決定包括：以與上述基本原理相同的原理，對工具施加若干噸很大的重量；使一部分鉆柱置于壓縮中。當鉆探機施加該力時，開關的滑動器閉合，液壓隔間轉子與交流發電機轉子嚙合，然后可運行該系統。

在另一優選的實施例中，該系統裝備有兩個電滑動開關(如圖3中所示)：

-上部電滑動開關(9s)，其位于發電機的液壓隔間和電氣隔間之間，

-下部電滑動開關(9i)，其在電動鉆探工具處。

因此，在該構造中，系統設置有雙重安全性。處于正常位置中的上部開關保證：即使保持鉆探流體的循環，也停止來自發電機的生產，也沒有電流供給該系統。處于正常位置中的下部開關保證：脈沖發生器電容放電且不能被充電。

因此，根據本發明的電滑動開關以及向下鉆進的發電機對借助于放電的旋轉鉆探系統，給予可靠性、安全性以及特別在油開采部門中的鉆探規則所需要的特性。

圖4和5描繪脈沖發生器和鉆探工具(定位在電動鉆探工具處的滑動件)，它們分別處于滑動打開和滑動閉合位置中。在這些位置中，脈沖發生器(6)連接到穩定器(8)，穩定器(8)與滑動開關(9)形成一體。該裝置包括接地電極(11)和單個的中央或補償高壓電極(12)或多個高壓電極，這些高壓電極之間存在有絕緣器(13)。這些電極在高壓腔室(36)處的它們的端部處不被任何固體材料分開，這些電極提供鉆探所必須的電脈沖。該裝置還包括用于鉆探流體循環的孔(18)和用于機械傳動的系統(19)以及電容器組(16)。

在圖4的打開位置中，可看到處于未壓縮位置的彈簧(14)、處于伸展位置中的波紋彈簧(15)、用于使電容器在電阻器上充電和放電的電路的電路打開/閉合系統(17)，其處于“正常閉合”構造中。

在圖5的閉合位置中，開關(9a)顯示為處于閉合位置中，而彈簧處于壓縮(14a)的位置中，波紋彈簧處于壓縮位置(15a)中，以及用來使電容器在處于“致動”構造的電阻器上充電和放電(電容器移能(dump))的電路的電路打開/閉合的系統(17a)。在圖5的該種構造中，對脈沖發生器的高壓供電電路因此閉合，而可對電容器充電。打開/閉合電容器高壓供電電路和電容器放電電路的操作細節顯示在圖10中，其中，發電機(26)連接到在“移能(dump)”電阻器上使電容放電的電路(27)，所述放電電路還包括脫開偶聯的電容器(30)和由機械傳動系統致動的接觸器(31)，該電路連接到脈沖發生器(28)，脈沖發生器本身連接到鉆探工具(31)。

圖7示出分別處于滑動器打開和滑動器閉合構造中的滑動開關(定位在電動鉆探工具處的滑動器)的機械部分和液壓部分操作細節。在該圖7中，再次顯示接地電極(11)、中央或補償高壓電極(12)、絕緣器(13)和處于未壓縮位置中的彈簧(14)以及用于鉆探流體循環的孔(18)。此外，還顯示了絕緣器(13)內的鉆探流體循環通道(20)以及以下的力和壓力：

-21：打開滑動器的彈簧14所作用的力F1

-22：由絕緣器通道(20)和施加該壓力的部分S(23)內流體載荷損失所產生的壓力[P2(24)-P1(25)]生成的力F2

-23：其上施加壓力的表面，所述壓力是由絕緣器通道(20)內流體載荷損失[P2(24)-P1(25)]所生成

-24：絕緣器通道(20)上游的鉆探流體的壓力P1

-25：絕緣器通道(20)下游的鉆探流體的壓力P2。

為了加強滑動器彈簧的從動作用，絕緣器內的垂直通道為形成載荷損失(ΔP＝P1-P2)而定其尺寸，這可解釋為從頂部指向下的垂直力F2等于該載荷損失乘以下部滑動部分面積的乘積(F2＝ΔPxS)。因此，該力加強了彈簧力F1和滑動器之下的懸掛重量的力。

因此，當電動鉆探工具不擱靠在井孔的底部上且鉆探流體在循環時，鉆探機不僅具有電容器不再被供電的確定性，而且電容器完全地放電。的確，處于常開位置中的電滑動開關打開了電容器充電電路，還閉合了電容器在“移能”電阻器上放電的電路(見圖10)。當工具擱置在井孔的底部上且大于彈簧積聚力的重量和載荷損失施加到該工具上時，滑動器閉合且傳動桿致動電路閉合/打開系統。在此瞬時，電容器充電電路閉合，該電容器不再連接到電容在“移能”電阻上放電的系統上，然后可操作通過放電的旋轉鉆探。

圖6是一種視圖，其中，可看到接地電極(11)、中央或補償高壓電極(12)、外圍高壓電極(12a)、絕緣器(13)以及形成在電極之間的高壓腔室(36)。

如上所述，電滑動開關提供以下三種功能：

-以“正常禁止”類型的基本原理，從動地禁止交流發電機轉子的轉動，和/或由交流發電機向高壓充電器供電，和/或對脈沖發生器的電容供電電路的供電，

-從動地確保以“正常放電”類型的基本原理閉合電容器在“移能”電阻器上放電的電路

-一旦鉆探機從地面上觸發有效的動作，允許：

-交流發電機轉子轉動，和/或

-由交流發電機向高壓充電器供電，和/或

-向脈沖發生器電容器供電，以及

-聯合地打開用于在電阻器上使脈沖發生器電容器放電的電路(參見圖10)。

因此，該開關的“正常禁止”或“正常打開”位置是確保位置，該位置保證沒有高壓的危險以及用于通過放電進行旋轉鉆探的系統的電氣的不運行。

在一個實施例中，該開關由滑動器構成，該滑動器納入在發電機的液壓隔間(渦輪機或向下鉆進馬達)和電氣隔間(交流發電機)之間(如圖3、7和8所示)。滑動器由兩個部分構成，它們在彼此之上滑動，該兩個部分具有高擋塊和低擋塊，能使行程從幾厘米到幾分米，例如，從1cm至20cm。該滑動器遵從“正常打開”類型的基本原理進行設計，通過結實構造的機械彈簧作用，在兩個滑動部分之間施加有力的分開力。滑動器下部之下的懸置重量加強了彈簧作用，使得滑動器保持在打開位置中。滑動器的上部承載安裝在軸承上的中空軸(連接到液壓隔間的轉子上)，以使滑動器和該軸之間的旋轉運動脫開。滑動器的下部也承載安裝在軸承上的中空軸(連接到電氣隔間的轉子上)，以使滑動器和該軸之間的旋轉運動脫開。上部和下部中空軸裝備有離合器系統。中空軸之一還具有密封件，不管兩個軸的相對位置如何，總能確保鉆探流體流動的連續性。當滑動器打開時，流體自由地從液壓隔間的定子/轉子空間循環流到電氣隔間轉子的內部(交流發電機)，并超過電動鉆探工具，但兩個轉子機械上不鎖定。因此，盡管有進行的鉆探流體的循環，但由于交流發電機轉子不轉動，所以發電機不產生任何電流。當滑動器閉合時，離合器系統聯合兩個轉子，由此允許交流發電機轉子轉動。滑動器的閉合只有在某一時候才是可能的，此時，鉆探機壓縮一部分的鉆柱并將大于彈簧張開力的重量施加到工具上。從此時起，然后可操作通過放電進行的旋轉鉆探的系統。

圖8和9描繪分別處于離合器脫開嚙合和嚙合位置的滑動開關的細節(滑動器定位在發電機的液壓隔間和電氣隔間之間)。

圖中示出連接到發電機液壓隔間轉子(渦輪機或向下鉆進馬達)的從動的上部中空軸(36)，用箭頭(38)標識旋轉運動。用箭頭(47)標識鉆探流體的循環。該軸被保持在上部軸承(37)內。

圖中還示出連接到發電機電氣隔間轉子(交流發電機)的下部中空軸(42)，沒有旋轉。該軸被保持在下部軸承(41)內。在上部軸(36)和下部軸(42)之間的連接處放置密封件(39)。彈簧(43)處于未壓縮的位置中，使兩個軸保持分開。

在圖9中，該位置是嚙合位置，在該位置中，彈簧處于壓縮位置(46)，在嚙合位置中的中空軸的上部和下部之間形成機械連接機構(44)，這導致上部中空軸所驅動的下部中空軸的旋轉運動，該運動用箭頭(45)表示，因此確保機械的連接。

如參照附圖特別是圖6所描述的，電滑動開關由三個部分組成：

-機械的滑動器，

-機械的傳動系統，

-電路打開/閉合系統。

滑動開關系統可被納入到：(i)所述電動鉆探工具，或(ii)所述電動鉆探工具和所述脈沖發生器之間的接口，或(iii)所述脈沖發生器處，或(iv)所述脈沖發生器和所述發電機之間，或(v)所述發電機處，或(vi)所述發電機上方。

滑動器通常連結到機械傳動系統，該系統致動電路打開/閉合系統。在一個實施例中，該系統由一個或多個桿組成，根據滑動器在系統的結構中的位置，桿在外殼內滑動，該外殼形成在脈沖發生器和/或發電機的外部金屬體的厚度內。

由滑動器致動的電路打開/閉合系統特別涉及到以下的電路：

-供應發電機的高壓充電器的電路；和/或

-來自脈沖發生器的電容器功率電路；和/或

-電容器在電阻器上放電的電路。

在一個實施例中，滑動器定位在電動鉆探工具處。在該構造中，下部滑動部分由以下部件構成：

-承載接地電極的本體，

-絕緣器，

-高壓電極系統。

脈沖發生器機械地和電氣地連接到發電機。這是形成非常高電壓的脈沖并將該脈沖遞送到電動鉆探工具的部件。這可以基于從初級電壓上開始升高電壓的各種結構。

考慮了三種提升電壓的結構。第一種是基于Marx發生器的使用。第二種是基于LTD(線性變換驅動器)技術。第三種是基于Tesla變換器技術。

如圖13所示，在這三種情形中，脈沖發生器的軸線與軸向中空管(53)交叉，該軸向中空管的壁由絕緣材料構成。該中空管提供鉆探流體(52)的循環。在脈沖發生器的下部，該管機械地連接到直徑相同但管壁是鋼材的另一中空管(54)。鋼管接收高壓脈沖并將高壓脈沖傳送到電動鉆探工具的電極系統。

假定管子存在于軸向部分內，則優選的結構布置是脈沖發生器的部件布置成環形。在使用Marx發生器的情形中(初始V0電壓的加法器使用算子順序，有初始的零項和V0推論)，所考慮的一個構造包括在中空軸向管和金屬外護套之間的環腔內堆疊相同的容易替代的基本模塊(56)。這些模塊被絕緣材料(53)包圍。每個模塊由能源儲存裝置(這里是電容器)和功率開關構成。模塊的容量可以在20nF和1000nF之間，最好在50nF和200nF之間。所用模塊數量確定脈沖發生器輸出的所需電壓范圍。施加到脈沖發生器輸入端的初始電壓是由發電機的高壓充電器提供的。該初始電壓可以在1kV和50kV之間，最好在20kV和40kV之間。一般地，脈沖發生器輸出電壓可以在200kV和1000kV之間，最好在400kV和600kV之間。朝向鉆探工具的電極系統的高壓脈沖產生頻率可以在1Hz和100Hz之間，最好在5Hz和50Hz之間。

在所考慮的一個構造中，功率開關是氣體放電管(49)。它的電極是全環形的冠狀(51)。功率開關的電氣絕緣是由壓力下的氣體提供的，維持氣體的壓力或定期補充壓力。功率開關電極的環形和輪廓的外形，允許增大每個電極上可被腐蝕的面積，于是可延長它們的在役壽命。

模塊之間的電氣絕緣是由互鎖的絕緣體和受壓縮密封件的使用所提供的。脈沖發生器輸出端通過絕緣的接口連接到鉆探工具的電極系統，所述絕緣接口的絕緣元件可以是固體、液體或氣體。

在一個實施例中，脈沖發生器具有上部，其位于與發電機的接口之下，具有用來打開/閉合對電容器充電和使電容器放電的電路的系統(如圖3、4和9所示)。該系統由機械傳動系統致動，所述機械傳動系統通過通常打開的電滑動開關而動作。因此，若鉆探機沒有從地面上有意的操作，則該部件確保通過放電進行旋轉鉆探的系統的電氣操作便將被中斷，且對于人員和材料來說，帶有泥漿循環或不帶有泥漿循環的鉆柱的操作都可安全地進行。

在一個實施例中，電動鉆探工具(例如，參見圖3、4和5)包括：

-電極系統，被動的和主動的，

-具有標準設計的穩定器的本體。

電極系統由被絕緣器分開的兩組電極組成：

-一個或多個高壓電極(33)和(35)，

-絕緣器(13)，

-接地電極(11)和(32)。

在所考慮的一個實施例中，高壓電極系統由連接到電容器上的中空的中央軸組成。絕緣器具有垂直通道(20)。鉆探流體在中央軸內循環并循著兩個路徑：

-通到該軸端部(即，通到電動鉆探工具底部)的中央軸內，

-貫穿絕緣器(18)上中央軸內打孔的絕緣器(20)的垂直通道。

接地電極附連到電動鉆探工具的外部本體上，并由水平地或傾斜地延伸的結實結構的諸多突起(32)構成，它們設計成抵抗允許使用傳統轉動系統的工具上的扭矩和重量。絕緣器(13)使高壓電極系統與接地電極系統分開，該絕緣器(13)的材料是陶瓷、環氧或任何其他絕緣部件，絕緣部件能夠抵抗鉆探條件下經受的溫度和機械力。

根據本發明的電動鉆探工具的特殊的特征在于，電極相對于工具基質的布置。的確，現有技術的文獻顯示了電極在基質內的固定，由此引發了固體材料存在于高壓電極和接地電極之間，并靠近電極的端部。現有技術的其他文獻在這方面沒有給出細節。的確，固體材料令其是絕緣體，如果它存在于電極之間，所述電極在高電壓部件太靠近接地部件的部分內，則固體材料有被毀的風險。當進行鉆探時，盡管大部分電弧穿透巖石，但小部分電弧可能在電極之間采取直線。當巖石和電極之間沒有如此良好的物理接觸時，該種趨勢將甚至更強烈。此外，當電動鉆探工具提升離開井孔的底部并假定該系統還在繼續操作時(由于電滑動開關，在本發明中不是該種情形)，所有電弧將在電極之間采取直線，由此，損毀路徑上的固體材料。因此，現有技術中存在的電極系統的構成基本原理不是可行的。

為了解決該問題，本專利的電動鉆探工具的終端部分包括除了電極之外沒有任何固體材料的內部腔室。該腔室向上被絕緣器的下部界定，在側邊上被接地部分的框架界定。高壓電極穿過該腔室。該種設計確保：一旦接地部分和高壓部分之間的距離大大地減小而小于分離絕緣器處這兩個部分的數值，則該腔室內產生的任何電弧對電動鉆探工具的完整性不造成后果。

該設計的結果是：針對旋轉鉆探過程中絕緣器和高壓電極經受的壓縮力和扭矩，一方面是絕緣器，另一方面是高壓電極的構造賦予了它們以機械強度。

在一個實施例中，絕緣器提供以下兩個功能：

-通過保持高壓軸和接地部分之間的距離大大地大于分離高壓電極系統的端部和接地電極系統的端部的距離(34)，還通過沿著不同電阻率的兩個環境之間的接觸表面避免電流線失控傳播的現象，所述現象會導致電弧的形成，即，稱作為“跟蹤”現象，由此，提供高壓軸和接地部分之間的電氣絕緣，

-針對旋轉運動和軸向運動而言，機械地將電動鉆探工具的本體連接到接地和高壓電極系統，以將兩個電極系統的端部之間的空間保持在恒定值(34)。

可考慮電極系統的幾個幾何特性：

-單個高壓電極定位在電動鉆探工具的軸線上，而外圍接地電極為恒定尺寸；

-單個高壓電極(33)中心地定位但相對于電動鉆探工具的軸線偏移，而外圍接地電極(32)為可變尺寸并調整為維持接地電極的端部和高壓電極之間恒定的空間(34)(如圖11中所描述)；

-高壓電極系統包括中心補償電極(33)和插入在接地電極(32)之間的外圍電極(35)，接地電極的端部和高壓電極之間的空間(34)保持恒定的數值(如圖12中所描述)。

偏移的高壓裝置的有益之處在于避免孔中心部分中不夠充分的破碎率。偏移位置和旋轉的組合效應因此確保井孔沒有表面能避開電弧的存在。此外，如此的不對稱構造允許將接地電極布置為變化的尺寸。某些接地電極是大的尺寸：它們是相對于井孔的軸線與中央電極相對。另一些接地電極是小尺寸，它們是相對于井孔的軸線位于與中央電極相同一側上的接地電極。

最大的電極是尺寸與該電極插入件上的設置相容的電極，例如，該電極插入件是多晶金剛石化合物(PDC)(61)類型，或碳化鎢類型，或其他類型的硬質和耐磨材料，不會由于所述插入件足夠遠離形成電弧的電極端部而冒這些插入件被電弧逐走的風險。因此，這些插入件在這些如此裝備的電極的前面和側面上的存在，允許通過機械作用加強電弧的效應，并保護電極免遭由旋轉造成的過早磨損。還有可能使電極端部裝備浸漬的基質(62)，該浸漬基質包括金剛石或任何材料的粉末或微顆粒，它們與金屬基質密切地混合，以保護電極免遭由旋轉造成的過早磨損。該實施例顯示在圖15中。

此外，小尺寸電極的存在允許非常靠近井孔外圍形成電弧，由此，提高電弧覆蓋井孔表面的覆蓋率。

在另一實施例中，當高壓電極系統由位于電動鉆探工具軸線中的單個中央電極組成時，絕緣器提供“電氣絕緣”功能，從軸向的觀點看，機械地連接接地部分與高壓部分，但允許使這兩個部分之間的轉動脫開。因此，如此的構造避免了高壓電極端部的過早磨損。

在另一實施例中，絕緣器只提供“電氣絕緣”功能，并從軸向的和轉動的觀點看，允許接地部分和高壓部分之間機械地脫開。因此，如此的構造不僅避免了高壓電極端部的過早磨損，而且保持電極和接地之間連續的接觸。

在一個實施例中，如圖14所示，用于通過放電進行旋轉鉆探的系統，通過絕緣的連接器與鉆柱的上部電氣地絕緣。該連接器由金屬的上部(58)和金屬的下部(57)組成，兩個部分用絕緣器(60)分開。零件嵌套的幾何特性確保軸向應力以及扭轉應力的吸收。因此，該連接器可就剛好定位在發電機上方或更高些，視鉆柱的結構而定。該連接器有利于兩個潛在的功能：

-有利于地面上人員的安全性，

-避免與MWD和LWD類型電子設備的潛在的干擾。