電弧等離子技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用前景

光新軍王敏生

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院

電弧等離子技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用前景

光新軍1，2王敏生2

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院

電弧等離子技術(shù)在材料、機(jī)械、國防等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在石油工程領(lǐng)域應(yīng)用較少。介紹了電弧等離子技術(shù)的基本原理和在石油工程中應(yīng)用的優(yōu)勢，在調(diào)研國外電弧等離子技術(shù)在石油工程應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了其在硬地層提高鉆井機(jī)械鉆速、井筒強(qiáng)化、低滲透儲(chǔ)層增產(chǎn)改造、套管磨銑中的應(yīng)用前景，指出了其在石油工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，包括長壽命高可靠性電極、低波阻抗脈沖傳輸電纜、高儲(chǔ)能密度電容和脈沖放電參數(shù)優(yōu)化。研究結(jié)果為我國石油行業(yè)應(yīng)用電弧等離子技術(shù)提高油氣勘探開發(fā)效率、降低作業(yè)成本提供借鑒和思路。

電弧等離子；機(jī)械鉆速；井壁穩(wěn)定；儲(chǔ)層改造；套管磨銑

電弧等離子技術(shù)是利用柱形的陰極和噴嘴形的陽極接觸形成短路產(chǎn)生電弧，并與水蒸氣結(jié)合形成等離子體，由于其具有溫度高、能量集中、功率可調(diào)、電極損耗小、設(shè)備簡單、熱傳遞效率高等特點(diǎn)，在材料科學(xué)、機(jī)械工業(yè)、航空航天、生活垃圾處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］，在冶金、納米材料生產(chǎn)、切割、焊接、噴涂等方面取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。目前，國外開始嘗試將電弧等離子技術(shù)應(yīng)用于石油工程，并取得了諸多進(jìn)展，而國內(nèi)僅在將常規(guī)等離子技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)層改造方面做過少量探索［6-10］。為了給我國在石油工程中應(yīng)用電弧等離子技術(shù)提供借鑒和研發(fā)思路，筆者對電弧等離子體在石油工程中的應(yīng)用優(yōu)勢和在鉆井提速、井筒強(qiáng)化、增產(chǎn)改造、套管磨銑等方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

1 電弧等離子技術(shù)基本原理及特點(diǎn)

Basic theories and characteristics of arc plasma technology

1.1 基本原理

Basic theories

電弧等離子技術(shù)利用電極與陽極噴嘴形成短路產(chǎn)生電弧，電弧的熱能使等離子炬內(nèi)的水大量蒸發(fā)變成水蒸氣，水蒸氣在壓力的作用下向陽極噴嘴的出口運(yùn)動(dòng)，當(dāng)穿過電弧區(qū)域時(shí)，蒸氣將電弧從噴嘴的內(nèi)表面帶出并向噴嘴外邊緣構(gòu)成回路；在噴嘴出口處，蒸氣在各個(gè)方向壓縮電弧，使電弧能量集中，形成等離子體。相較于傳統(tǒng)等離子技術(shù)形成的非轉(zhuǎn)移弧，電弧等離子技術(shù)形成的轉(zhuǎn)移弧熱傳遞效率更高、熱作用面積更大。圖1為傳統(tǒng)等離子技術(shù)和電弧等離子技術(shù)形成的等離子體形狀對比［11］。

圖1 傳統(tǒng)等離子技術(shù)和電弧等離子技術(shù)形成的等離子體形狀對比Fig. 1 Comparison of shapes of plasmas formed by the traditional plasma technology and the arc plasma technology

Zhukov等［12］通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，隨著井深增加，井底水蒸氣壓力增加，產(chǎn)生電弧等離子體所需要的總電壓增大，進(jìn)而提高了等離子體的總能量，為破巖和切割等作業(yè)提供更多的熱能，提高作業(yè)效果；水蒸氣壓力升高使等離子體溫度上升，產(chǎn)生更高的熱量和更好的熱傳導(dǎo)環(huán)境，也能提高作業(yè)效果。圖2為等離子體電壓與水蒸氣壓力的關(guān)系，其中，水蒸氣流量為1 g/s，圓形陽極噴嘴直徑25 mm，陰極至陽極的長度200 mm。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

Technical characteristics

圖2 形成電弧等離子體的電壓與水蒸氣壓力的關(guān)系Fig. 2 Relationship of electric voltage vs. steam pressure to form arc plasma

與傳統(tǒng)等離子技術(shù)或其他非接觸式熱力學(xué)技術(shù)相比，該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）電弧溫度高達(dá)上萬℃，能夠?qū)r石和金屬表面直接加熱，而電弧與巖石之間氣體吸收的熱量可以忽略不計(jì)；而傳統(tǒng)等離子技術(shù)中，正是這種氣體對熱量的吸收降低了熱量傳遞效果；（2）電弧能在局部區(qū)域產(chǎn)生各向同性熱流，其熱流作用面積大，且各向同性，作用更加均勻；（3）除熱力學(xué)作用外，井下工具旋轉(zhuǎn)形成螺旋電弧，可使巖屑快速脫離巖石表面，提高破巖效率；（4）與傳統(tǒng)等離子技術(shù)相比，電弧等離子技術(shù)能夠引入電液伺服技術(shù)，產(chǎn)生沖擊波和壓力波，利用所產(chǎn)生的機(jī)械能破碎巖石；（5）能夠獲取電弧作用于巖石時(shí)的電學(xué)和光學(xué)特征，通過隨鉆錄井在線光譜實(shí)時(shí)分析所鉆地層的巖石特性。

電弧等離子技術(shù)也存在缺點(diǎn)，主要包括：（1）采用高壓脈沖微放電作用于目標(biāo)介質(zhì)，能量消耗較高；（2）鉆機(jī)電源的工作電壓幾kV至幾十kV，存在高壓安全和絕緣問題；（3）電弧等離子技術(shù)是高低壓電極間的強(qiáng)放電過程，電極容易燒損，同時(shí)，放電過程伴隨著強(qiáng)沖擊波，對井下放電結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能要求高；（4）存儲(chǔ)在電容上的能量在短時(shí)間內(nèi)迅速釋放，強(qiáng)放電過程伴隨電磁輻射，造成電磁干擾，一定程度上限制了地面測控系統(tǒng)與電弧等離子技術(shù)的結(jié)合。

2 電弧等離子技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用

Application of arc plasma technology in petroleum engineering

2.1 在鉆井中的應(yīng)用

Application in well drilling

2.1.1 提高硬地層機(jī)械鉆速 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井利用鉆柱和底部鉆具組合來傳遞扭矩和鉆壓，鉆頭與巖石直接接觸，鉆頭易于磨損。在硬地層和研磨性地層鉆井過程中，鉆柱易產(chǎn)生振動(dòng)，降低鉆頭壽命，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，增加鉆井作業(yè)成本。同時(shí)，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井由于光譜分析設(shè)備與鉆機(jī)不兼容，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)光譜數(shù)據(jù)采集。為了獲取所鉆地層巖石特性，一般采用取心或利用返出的巖屑進(jìn)行光譜分析，降低了鉆井作業(yè)效率。

電弧等離子技術(shù)采用非接觸式熱能破碎巖石，無需施加鉆壓，復(fù)雜地層中不會(huì)導(dǎo)致井斜，鉆井過程中不會(huì)引起鉆柱的振動(dòng)，機(jī)械鉆速由巖石熱力學(xué)特性如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)決定，巖石破碎形式包括分裂、融化和蒸發(fā)［13-14］。鉆井過程中可以激發(fā)巖石產(chǎn)生光譜信號(hào)，通過光纖對發(fā)射出的光譜信號(hào)進(jìn)行檢測，再用標(biāo)準(zhǔn)模擬光譜模塊對信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，在地面進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)隨鉆巖石特性分析?？梢圆捎?種方式對信號(hào)進(jìn)行分析：（1）巖石成分識(shí)別：通過源譜線數(shù)據(jù)庫，對巖石元素特征譜線進(jìn)行檢測，從而完成對選定化學(xué)元素的識(shí)別；（2）巖石類型檢測：通過對比采集到的抽樣數(shù)據(jù)和之前測量的巖石組分?jǐn)?shù)據(jù)，完成巖石類型的檢測；（3）巖石物理特性分析：直接處理光譜數(shù)據(jù)，分析巖石的物理特性如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)等，選擇最優(yōu)的鉆井模式。圖3為利用光譜層次分析進(jìn)行鉆井控制示意圖。

圖3 光譜層次分析示意圖Fig. 3 Schematic map of optical spectrum hierarchy analysis

電弧等離子技術(shù)已經(jīng)在多種類型巖石上進(jìn)行過測試，包括石灰?guī)r、砂巖、鹽巖、花崗巖和石英巖等。由于石灰?guī)r和砂巖內(nèi)部應(yīng)力較低，電弧等離子技術(shù)對這類巖石的破碎效果不太理想。石灰?guī)r在溫度高于880 ℃時(shí)分解產(chǎn)生粉末狀的CaO，并伴隨有CO2產(chǎn)生，進(jìn)一步降低了巖石內(nèi)部應(yīng)力，抑制巖石的破碎。對鹽巖而言，NaCl沸點(diǎn)較低（1 413 ℃），在鉆進(jìn)鹽巖地層時(shí)，可以通過蒸發(fā)的方式提高鉆井機(jī)械鉆速。對石英巖而言，石英的變質(zhì)作用使其內(nèi)部應(yīng)力較高，巖石分裂是等離子技術(shù)對石英巖破碎的最有效方式。在拉伸脈沖向巖石基質(zhì)傳播過程中，所產(chǎn)生的應(yīng)力脈沖持續(xù)時(shí)間約為3～8 ns，使巖石薄片逐漸剝落本體。

斯洛伐克的GA鉆井公司已經(jīng)制造出直徑約10 cm的電弧等離子鉆井樣機(jī)，并且已經(jīng)在采石場完成了相關(guān)測試。

2.1.2 提高井壁穩(wěn)定性 電弧等離子鉆井過程中，井壁巖石在高溫作用下導(dǎo)致其熔化成玻璃狀，形成一層陶瓷層，可以充當(dāng)臨時(shí)套管，保證井眼在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。為了長期維持井眼穩(wěn)定，可以考慮利用添加劑分層技術(shù)在井下形成套管。添加劑分層技術(shù)可使金屬粉末沉積在井壁上，從而提高井眼的穩(wěn)定性。這種技術(shù)能夠在鉆進(jìn)不穩(wěn)定地層時(shí)用于臨時(shí)保持井眼穩(wěn)定，甚至能通過生成與套管性質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)來完全取代套管。目前該技術(shù)還處于室內(nèi)研究階段。

2.2 在儲(chǔ)層改造中的應(yīng)用

Application in reservoir stimulation

電弧等離子技術(shù)利用兆瓦級(jí)的瞬時(shí)高能等離子波峰，可以產(chǎn)生區(qū)域性電脈沖。在特定作業(yè)區(qū)域中，可以用2個(gè)高能等離子脈沖發(fā)生器，也可以用1個(gè)特定等離子脈沖發(fā)生器，選擇原則取決于脈沖電流發(fā)生器傳遞強(qiáng)脈沖電流的能力。脈沖向已點(diǎn)燃的電弧方向傳播，從而使電弧膨脹，產(chǎn)生類似于活塞的壓力波［15-16］。該方法能用于頁巖油氣、致密油氣和煤層氣等非常規(guī)油氣開采，提高油氣采收率。其具有裝置簡單、施工方便、儲(chǔ)層改造范圍大、不需要消耗大量水和化學(xué)試劑等特點(diǎn)，對水力壓裂技術(shù)是一種理想的替代或補(bǔ)充。

俄羅斯NOVAS公司研發(fā)的等離子脈沖增產(chǎn)技術(shù)根據(jù)不同地質(zhì)條件下巖石所特有的固有頻率，采用等離子源激發(fā)高壓沖擊波，產(chǎn)生周期性的作用力在地層流體中傳播，與巖石的固有頻率產(chǎn)生沿水平方面的諧振，使儲(chǔ)層巖石產(chǎn)生裂縫，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)改造。等離子脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊波是一個(gè)包含許多頻率的寬帶脈沖波，其能量密度很高，高頻部分形成陡峭的波陣面，陡峭的波陣面與近井地帶的儲(chǔ)層相互作用后，衰減為“二次脈沖”低頻聲波，低頻聲波在傳播相當(dāng)長的距離后仍然具有較高的功率，因而可以對遠(yuǎn)距離的儲(chǔ)層產(chǎn)生作用。等離子體脈沖放電產(chǎn)生的沖擊波壓力最高可達(dá)到1 000 MPa，沖擊波在儲(chǔ)層巖石和流體上產(chǎn)生高達(dá)3 000倍的重力加速度。在沖擊聲波的作用下，巖石及液體介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)激烈振動(dòng)，在高加速?zèng)_擊條件下，材料的斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都遠(yuǎn)小于靜態(tài)條件，當(dāng)沖擊力超過巖石的疲勞強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成新的微裂縫或宏觀裂縫。不同于常規(guī)水力壓裂在巖石中造成有限的宏觀裂縫并通過支撐劑來支撐裂縫，等離子脈沖增產(chǎn)技術(shù)通過沖擊聲波在巖石中產(chǎn)生大量的微觀縫隙，如圖4所示。這些微觀縫隙可以有效地溝通不連續(xù)的儲(chǔ)層，降低油氣流通阻力，提高滲流能力，而且這些微縫隙會(huì)一直存在，因而可以達(dá)到長期增產(chǎn)的目的。該技術(shù)已經(jīng)在美國、俄羅斯、中東、中亞被用于油氣解堵，取得了良好的效果［9］，目前正在進(jìn)行煤層氣壓裂增產(chǎn)作業(yè)的現(xiàn)場試驗(yàn)。

圖4 常規(guī)水力壓裂和等離子脈沖儲(chǔ)層改造對比示意圖Fig. 4 Schematic comparison of reservoir stimulation between conventional hydraulic fracturing and plasma pulse

2.3 在套管磨銑中的應(yīng)用

Application in casing milling

當(dāng)油氣井對環(huán)境構(gòu)成威脅或沒有油氣生產(chǎn)能力時(shí)，需要對油氣井進(jìn)行棄井作業(yè)。全球范圍內(nèi)的油氣井棄井作業(yè)越來越多，主要分布在美國墨西哥灣、北海和亞太地區(qū)。2013年，全球海上油氣井棄井作業(yè)市場總額達(dá)39.5億美元，據(jù)估計(jì)，2018年將增加到61.3億美元，而到2023年底，油氣井退役作業(yè)市場總額將達(dá)到72.2億美元。在未來十五年，全球大約有30 000口油氣井將面臨封堵并棄井［11］。

目前的油氣井堵井技術(shù)主要采用鉆頭對套管進(jìn)行磨銑，并對磨銑井段進(jìn)行擴(kuò)眼，再注入水泥漿進(jìn)行固井。套管磨銑技術(shù)作業(yè)效率較低，作業(yè)成本較高。同時(shí)磨銑會(huì)產(chǎn)生碎屑，固井前需要將碎屑清除出井眼，而清除碎屑可能會(huì)損壞防噴器。傳統(tǒng)高溫等離子技術(shù)由于產(chǎn)生的等離子體與金屬表面接觸面積較小，在簡單金屬部件中能取得較好效果，但在井下套管磨銑方面存在較多限制。

電弧等離子技術(shù)采用高溫大截面等離子體與旋轉(zhuǎn)電弧相結(jié)合，是一種高效的套管磨銑技術(shù)。其利用等離子化學(xué)和熱力學(xué)的聯(lián)合作用，通過氧化、熔化和蒸發(fā)等方式，能在水蒸氣環(huán)境中迅速熔化和磨銑套管［17-18］。當(dāng)溫度達(dá)到3 227 ℃后，在鋼融化和蒸發(fā)過程中還存在氧化作用，而鋼的氧化作用是一個(gè)放熱過程，能為磨銑過程提供額外的能量。熱物理和熱化學(xué)過程決定了鋼的磨銑效果，而兩者各自所占比重隨著溫度變化而改變。電弧等離子磨銑技術(shù)具有以下特點(diǎn)［19-20］：（1）隨著等離子體-鋼接觸面的等離子溫度、單位面積功率密度和等離子焓上升，鋼氧化率和蒸發(fā)率都增大；（2）相對其他氣體環(huán)境而言，鋼的氧化和蒸發(fā)作用在水蒸氣和空氣-蒸氣混合氣中效果最好；（3）在 3 057～3 387 ℃較窄溫度窗口內(nèi)，鋼氧化過程釋放出的焓以3倍速率增長，為磨銑過程提供了額外能量；（4）當(dāng)鋼表面溫度達(dá)到3 387 ℃以上，鋼完全熔解和蒸發(fā)；等離子體在鋼表面形成活性離子，并對鋼產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而提高鋼的熔化效率；（5）在鋼熔化和蒸發(fā)過程中，氧化作用始終存在。

Igor Kocis等在室內(nèi)開展了大量電弧等離子套管磨銑試驗(yàn)，用10 mm厚的水泥環(huán)對套管（內(nèi)徑、外徑分別為98 mm、108 mm）進(jìn)行包裹，并對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。該試驗(yàn)在空氣環(huán)境中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為180 s，使用的等離子發(fā)生器凈功率為60 kW，鋼鐵磨銑速度達(dá)到了70～80 kg/h，試驗(yàn)中磨銑管段所需平均熱能密度為2.7 MJ/kg。圖5所示為套管磨銑試驗(yàn)隨時(shí)間的變化情況［11］，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到75 s時(shí)可以觀察到其中一邊套管磨銑完成。套管氧化反應(yīng)過程釋放出大量能量，在封閉容器條件下，磨銑套管總能耗要比理論融化套管能耗值至少小30%～40%。套管磨銑速度取決于輸入到鋼鐵磨銑過程的總能量和作業(yè)環(huán)境的綜合作用效果。理論上，通過增大能量輸入，鋼鐵磨銑速度線性上升至其飽和點(diǎn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)管段磨銑效果隨時(shí)間變化情況Fig. 5 Casing milling effect over the time in the test

3 電弧等離子技術(shù)在石油工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

Key technologies for the application of arc plasma technology in petroleum engineering

3.1 長壽命高可靠性電極

Long-life high-reliability electrode

高壓脈沖放電會(huì)引起管壁和電極材料的局部微爆炸，使電極表面氧化形成氧化膜，以及在氫離子的強(qiáng)催化作用下，導(dǎo)致電極快速燒損，放電變得不夠穩(wěn)定，甚至放電不能發(fā)生。因此，需要研發(fā)提高電極壽命和可靠性的解決方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，在水蒸氣工作介質(zhì)中，加入乙醇或丙醇后電弧空間氧化性減弱，同時(shí)電極表面生成具有良好電、熱傳導(dǎo)性、難熔、抗氧化性和耐腐蝕性的碳化鉻，能有效減少電極燒損，成倍提高電極使用壽命［5］。

3.2 低波阻抗脈沖傳輸電纜

Low wave impedance pulse transmission cable

電弧等離子脈沖技術(shù)的設(shè)備主要包括高壓直流電源、儲(chǔ)能電容、開關(guān)、鉆頭電極和其他輔助裝置。高壓直流電源、儲(chǔ)能電容和開關(guān)均放置在地面，而電極裝置安裝在井下，地面設(shè)備和井下設(shè)備通過脈沖傳輸線連接。高壓直流電源給儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容充電達(dá)到設(shè)定值后，觸發(fā)開關(guān)，產(chǎn)生高壓短脈沖輸出至負(fù)載的鉆頭電極，開始放電。等離子體放電時(shí)，兩電極間形成高導(dǎo)電性的放電通道，放電通道的特性阻抗為歐姆甚至毫歐姆量級(jí)，目前使用的脈沖傳輸線的波阻抗一般在幾十歐姆甚至更高，降低了脈沖傳輸效率［8，21］。因此，需要研發(fā)低波阻抗的脈沖傳輸電纜。

3.3 高儲(chǔ)能密度電容

High energy storage density capacitance

如果將高壓直流電源放置在地面，儲(chǔ)能電容、開關(guān)和電極安裝在井下，高壓直流電源通過直流傳輸線給井下儲(chǔ)能電容充電，儲(chǔ)能電容達(dá)到設(shè)定值后觸發(fā)開關(guān)，形成短脈沖直接加載到電極上，這種方式能夠避免低波阻抗脈沖傳輸線的要求，提高了能量利用效率和作業(yè)施工深度，簡化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)。但受限于井下空間，儲(chǔ)能電容需要具有較高的儲(chǔ)能密度，以減少電容體積。因此，需要研發(fā)高儲(chǔ)能密度的電容。

3.4 脈沖放電參數(shù)優(yōu)化

Impulsive discharge parameter optimization

高壓脈沖破巖理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路電壓35 kV、單個(gè)脈沖能量122.5 J、10脈沖/s的頻率下的鉆速為5 cm/min，但是有一次在5脈沖/s的頻率下實(shí)現(xiàn)了6.5～7.5 cm/min的鉆速。此外，脈沖重復(fù)頻率對裝置的能量效率有直接影響，脈沖重復(fù)頻率減少會(huì)降低單位能耗。當(dāng)單個(gè)脈沖能量207.5 J，電壓38.5 kV，發(fā)生器輸出電容280 nF時(shí)，5脈沖/s可較10脈沖/s實(shí)現(xiàn)單位能耗降低20%。單個(gè)脈沖能量的增加會(huì)提高電弧等離子體的能效。在砂巖巖樣中，使用35 kV的驅(qū)動(dòng)電壓，每個(gè)脈沖的能量為61 J，最終在10脈沖/s的頻率下實(shí)現(xiàn)鉆井單位能耗803 J/cm3，在5脈沖/s的頻率，每個(gè)脈沖的能量122.5 J的情況下實(shí)現(xiàn)鉆井單位能耗474 J/cm3［14］。因此，為了將電弧等離子技術(shù)的效率最大化，需要優(yōu)化脈沖放電的參數(shù)，特別是施加的電壓、脈沖重復(fù)頻率和單個(gè)脈沖的能量。

4 結(jié)論與建議

Conclusions and suggestions

（1）國內(nèi)外在電弧等離子技術(shù)方面開展了大量研究工作，國內(nèi)在材料、冶金、垃圾處理等方面已經(jīng)成功應(yīng)用，石油公司應(yīng)該考慮將該技術(shù)移植到石油工業(yè)，開展電弧等離子技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用研究。

（2）電弧等離子鉆井技術(shù)采用非接觸式熱力破巖，機(jī)械鉆速受巖石熱力學(xué)性質(zhì)如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)等影響，而傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)機(jī)械鉆速與巖石機(jī)械性質(zhì)如硬度、強(qiáng)度等有關(guān)。電弧等離子鉆井技術(shù)針對玄武巖、花崗巖等硬地層具有較好效果，而對砂巖和碳酸鹽巖等地層效果一般，非常適用于干熱巖鉆井，同時(shí)，鉆井過程中能實(shí)時(shí)進(jìn)行在線光譜分析，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)。

（3）電弧等離子鉆井過程中，井壁巖石在高溫作用下形成一層陶瓷層，可以充當(dāng)臨時(shí)套管，在一定時(shí)間內(nèi)提高了井壁穩(wěn)定性。為了保持井眼長期穩(wěn)定，可以采用添加劑分層技術(shù)，使金屬粉末在井壁沉積，形成類似套管的結(jié)構(gòu)。

（4）電弧等離子體脈沖放電功率可達(dá)兆瓦級(jí)，產(chǎn)生區(qū)域性電脈沖，形成沖擊波壓力，可以在巖石中產(chǎn)生大量的微縫隙，提高油氣導(dǎo)流能力。具有施工方便、儲(chǔ)層改造范圍大、不需要消耗大量水和化學(xué)試劑等特點(diǎn)，適用于頁巖油氣、致密油氣和煤層氣等非常規(guī)油氣的儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)。

（5）電弧等離子技術(shù)采用非接觸式方式對套管進(jìn)行磨銑，對工具不會(huì)造成磨損。與常規(guī)套管磨銑技術(shù)相比，速度更快，同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑，減少了作業(yè)引起的卡堵、設(shè)備失效等，減少非生產(chǎn)時(shí)間，降低作業(yè)成本。該技術(shù)未來還可以用于磨銑井下卡堵工具和套管開窗側(cè)鉆，應(yīng)用前景廣闊。

（6）電弧等離子技術(shù)在石油工程中應(yīng)用需要研發(fā)長壽命高可靠性電極、低波阻抗脈沖傳輸電纜、高儲(chǔ)能密度電容和優(yōu)化脈沖放電參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提高能量利用效率，以及設(shè)備和工具的可靠性。

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（修改稿收到日期 2016-12-15）

〔編輯 朱 偉〕

Application prospect of arc plasma technology in petroleum engineering

GUANG Xinjun1,2, WANG Minsheng2

1. China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China

Arc plasma technology is widely used in many industrial fields, such as material, machinery and national defense, but it is less applied in petroleum engineering. In this paper, the basic theories of arc plasma technology and its application advantages in petroleum engineering were introduced. Then, the application status of arc plasma technology in petroleum engineering abroad was investigated, and its application prospect for ROP (rate of penetration) increasing, borehole strengthening, low-permeability reservoir stimulation and casing milling in competent strata was analyzed. And the key technologies involved in its application in petroleum engineering were put forward, including long-life high-reliability electrode, low wave impedance pulse transmission cable, high energy storage density capacitance and impulsive discharge parameter optimization. The research results provide the reference and thought for the application of arc plasma technology in domestic petroleum industry to increase oil and gas exploration and development efficiency and decrease operation cost.

arc plasma; rate of penetration; borehole stability; reservoir stimulation; casing milling

光新軍，王敏生.電弧等離子技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用前景［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：119-124.

TE921；TE934

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0119 – 06

10.13639/j.odpt.2017.01.023

:GUANG Xinjun, WANG Minsheng. Application prospect of arc plasma technology in petroleum engineering［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 119-124.

中石化科技部項(xiàng)目“石油工程技術(shù)裝備發(fā)展趨勢與戰(zhàn)略對策”（編號(hào)：P15163）。

光新軍（1986-），2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事鉆井前瞻技術(shù)及石油工程戰(zhàn)略規(guī)劃方面的研究工作，工程師。地址：（100101）北京市朝陽區(qū)北辰東路8號(hào)北辰時(shí)代大廈9層。電話：010-84988695。E-mail：guangxinjun@126.com