電弧等離子技術在石油工程中的應用前景

光新軍王敏生

1.中國地質大學（北京）；2.中國石化石油工程技術研究院

電弧等離子技術在石油工程中的應用前景

光新軍1，2王敏生2

1.中國地質大學（北京）；2.中國石化石油工程技術研究院

電弧等離子技術在材料、機械、國防等工業領域得到了廣泛應用，但在石油工程領域應用較少。介紹了電弧等離子技術的基本原理和在石油工程中應用的優勢，在調研國外電弧等離子技術在石油工程應用現狀的基礎上，分析了其在硬地層提高鉆井機械鉆速、井筒強化、低滲透儲層增產改造、套管磨銑中的應用前景，指出了其在石油工程中應用的關鍵技術，包括長壽命高可靠性電極、低波阻抗脈沖傳輸電纜、高儲能密度電容和脈沖放電參數優化。研究結果為我國石油行業應用電弧等離子技術提高油氣勘探開發效率、降低作業成本提供借鑒和思路。

電弧等離子；機械鉆速；井壁穩定；儲層改造；套管磨銑

電弧等離子技術是利用柱形的陰極和噴嘴形的陽極接觸形成短路產生電弧，并與水蒸氣結合形成等離子體，由于其具有溫度高、能量集中、功率可調、電極損耗小、設備簡單、熱傳遞效率高等特點，在材料科學、機械工業、航空航天、生活垃圾處理等領域得到了廣泛的應用［1-5］，在冶金、納米材料生產、切割、焊接、噴涂等方面取得了較好的經濟效果。目前，國外開始嘗試將電弧等離子技術應用于石油工程，并取得了諸多進展，而國內僅在將常規等離子技術應用于儲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用電弧等離子技術提供借鑒和研發思路，筆者對電弧等離子體在石油工程中的應用優勢和在鉆井提速、井筒強化、增產改造、套管磨銑等方面的應用前景進行了分析。

1 電弧等離子技術基本原理及特點

Basic theories and characteristics of arc plasma technology

1.1 基本原理

Basic theories

電弧等離子技術利用電極與陽極噴嘴形成短路產生電弧，電弧的熱能使等離子炬內的水大量蒸發變成水蒸氣，水蒸氣在壓力的作用下向陽極噴嘴的出口運動，當穿過電弧區域時，蒸氣將電弧從噴嘴的內表面帶出并向噴嘴外邊緣構成回路；在噴嘴出口處，蒸氣在各個方向壓縮電弧，使電弧能量集中，形成等離子體。相較于傳統等離子技術形成的非轉移弧，電弧等離子技術形成的轉移弧熱傳遞效率更高、熱作用面積更大。圖1為傳統等離子技術和電弧等離子技術形成的等離子體形狀對比［11］。

圖1 傳統等離子技術和電弧等離子技術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］通過室內實驗認為，隨著井深增加，井底水蒸氣壓力增加，產生電弧等離子體所需要的總電壓增大，進而提高了等離子體的總能量，為破巖和切割等作業提供更多的熱能，提高作業效果；水蒸氣壓力升高使等離子體溫度上升，產生更高的熱量和更好的熱傳導環境，也能提高作業效果。圖2為等離子體電壓與水蒸氣壓力的關系，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 技術特點

Technical characteristics

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

與傳統等離子技術或其他非接觸式熱力學技術相比，該技術具有以下優點：（1）電弧溫度高達上萬℃，能夠對巖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；而傳統等離子技術中，正是這種氣體對熱量的吸收降低了熱量傳遞效果；（2）電弧能在局部區域產生各向同性熱流，其熱流作用面積大，且各向同性，作用更加均勻；（3）除熱力學作用外，井下工具旋轉形成螺旋電弧，可使巖屑快速脫離巖石表面，提高破巖效率；（4）與傳統等離子技術相比，電弧等離子技術能夠引入電液伺服技術，產生沖擊波和壓力波，利用所產生的機械能破碎巖石；（5）能夠獲取電弧作用于巖石時的電學和光學特征，通過隨鉆錄井在線光譜實時分析所鉆地層的巖石特性。

電弧等離子技術也存在缺點，主要包括：（1）采用高壓脈沖微放電作用于目標介質，能量消耗較高；（2）鉆機電源的工作電壓幾kV至幾十kV，存在高壓安全和絕緣問題；（3）電弧等離子技術是高低壓電極間的強放電過程，電極容易燒損，同時，放電過程伴隨著強沖擊波，對井下放電結構的機械性能要求高；（4）存儲在電容上的能量在短時間內迅速釋放，強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與電弧等離子技術的結合。

2 電弧等離子技術在石油工程中的應用

Application of arc plasma technology in petroleum engineering

2.1 在鉆井中的應用

Application in well drilling

2.1.1 提高硬地層機械鉆速 傳統旋轉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，鉆柱易產生振動，降低鉆頭壽命，導致機械鉆速降低，增加鉆井作業成本。同時，傳統旋轉鉆井由于光譜分析設備與鉆機不兼容，無法進行實時光譜數據采集。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行光譜分析，降低了鉆井作業效率。

電弧等離子技術采用非接觸式熱能破碎巖石，無需施加鉆壓，復雜地層中不會導致井斜，鉆井過程中不會引起鉆柱的振動，機械鉆速由巖石熱力學特性如沸點、熔點和導熱系數等參數決定，巖石破碎形式包括分裂、融化和蒸發［13-14］。鉆井過程中可以激發巖石產生光譜信號，通過光纖對發射出的光譜信號進行檢測，再用標準模擬光譜模塊對信號進行預處理，在地面進行信號識別，實現隨鉆巖石特性分析。可以采用3種方式對信號進行分析：（1）巖石成分識別：通過源譜線數據庫，對巖石元素特征譜線進行檢測，從而完成對選定化學元素的識別；（2）巖石類型檢測：通過對比采集到的抽樣數據和之前測量的巖石組分數據，完成巖石類型的檢測；（3）巖石物理特性分析：直接處理光譜數據，分析巖石的物理特性如熔點、沸點和導熱系數等，選擇最優的鉆井模式。圖3為利用光譜層次分析進行鉆井控制示意圖。

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

電弧等離子技術已經在多種類型巖石上進行過測試，包括石灰巖、砂巖、鹽巖、花崗巖和石英巖等。由于石灰巖和砂巖內部應力較低，電弧等離子技術對這類巖石的破碎效果不太理想。石灰巖在溫度高于880 ℃時分解產生粉末狀的CaO，并伴隨有CO2產生，進一步降低了巖石內部應力，抑制巖石的破碎。對鹽巖而言，NaCl沸點較低（1 413 ℃），在鉆進鹽巖地層時，可以通過蒸發的方式提高鉆井機械鉆速。對石英巖而言，石英的變質作用使其內部應力較高，巖石分裂是等離子技術對石英巖破碎的最有效方式。在拉伸脈沖向巖石基質傳播過程中，所產生的應力脈沖持續時間約為3～8 ns，使巖石薄片逐漸剝落本體。

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

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

2.2 在儲層改造中的應用

Application in reservoir stimulation

電弧等離子技術利用兆瓦級的瞬時高能等離子波峰，可以產生區域性電脈沖。在特定作業區域中，可以用2個高能等離子脈沖發生器，也可以用1個特定等離子脈沖發生器，選擇原則取決于脈沖電流發生器傳遞強脈沖電流的能力。脈沖向已點燃的電弧方向傳播，從而使電弧膨脹，產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油氣開采，提高油氣采收率。其具有裝置簡單、施工方便、儲層改造范圍大、不需要消耗大量水和化學試劑等特點，對水力壓裂技術是一種理想的替代或補充。

俄羅斯NOVAS公司研發的等離子脈沖增產技術根據不同地質條件下巖石所特有的固有頻率，采用等離子源激發高壓沖擊波，產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生沿水平方面的諧振，使儲層巖石產生裂縫，從而實現增產改造。等離子脈沖發生器產生的沖擊波是一個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長的距離后仍然具有較高的功率，因而可以對遠距離的儲層產生作用。等離子體脈沖放電產生的沖擊波壓力最高可達到1 000 MPa，沖擊波在儲層巖石和流體上產生高達3 000倍的重力加速度。在沖擊聲波的作用下，巖石及液體介質的質點激烈振動，在高加速沖擊條件下，材料的斷裂強度和疲勞強度都遠小于靜態條件，當沖擊力超過巖石的疲勞強度時，就會造成新的微裂縫或宏觀裂縫。不同于常規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，等離子脈沖增產技術通過沖擊聲波在巖石中產生大量的微觀縫隙，如圖4所示。這些微觀縫隙可以有效地溝通不連續的儲層，降低油氣流通阻力，提高滲流能力，而且這些微縫隙會一直存在，因而可以達到長期增產的目的。該技術已經在美國、俄羅斯、中東、中亞被用于油氣解堵，取得了良好的效果［9］，目前正在進行煤層氣壓裂增產作業的現場試驗。

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

2.3 在套管磨銑中的應用

Application in casing milling

當油氣井對環境構成威脅或沒有油氣生產能力時，需要對油氣井進行棄井作業。全球范圍內的油氣井棄井作業越來越多，主要分布在美國墨西哥灣、北海和亞太地區。2013年，全球海上油氣井棄井作業市場總額達39.5億美元，據估計，2018年將增加到61.3億美元，而到2023年底，油氣井退役作業市場總額將達到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主要采用鉆頭對套管進行磨銑，并對磨銑井段進行擴眼，再注入水泥漿進行固井。套管磨銑技術作業效率較低，作業成本較高。同時磨銑會產生碎屑，固井前需要將碎屑清除出井眼，而清除碎屑可能會損壞防噴器。傳統高溫等離子技術由于產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。

電弧等離子技術采用高溫大截面等離子體與旋轉電弧相結合，是一種高效的套管磨銑技術。其利用等離子化學和熱力學的聯合作用，通過氧化、熔化和蒸發等方式，能在水蒸氣環境中迅速熔化和磨銑套管［17-18］。當溫度達到3 227 ℃后，在鋼融化和蒸發過程中還存在氧化作用，而鋼的氧化作用是一個放熱過程，能為磨銑過程提供額外的能量。熱物理和熱化學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具有以下特點［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，鋼氧化率和蒸發率都增大；（2）相對其他氣體環境而言，鋼的氧化和蒸發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，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）當鋼表面溫度達到3 387 ℃以上，鋼完全熔解和蒸發；等離子體在鋼表面形成活性離子，并對鋼產生腐蝕，進而提高鋼的熔化效率；（5）在鋼熔化和蒸發過程中，氧化作用始終存在。

Igor Kocis等在室內開展了大量電弧等離子套管磨銑試驗，用10 mm厚的水泥環對套管（內徑、外徑分別為98 mm、108 mm）進行包裹，并對整個結構進行固定。該試驗在空氣環境中進行，實驗時間為180 s，使用的等離子發生器凈功率為60 kW，鋼鐵磨銑速度達到了70～80 kg/h，試驗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隨時間的變化情況［11］，當實驗進行到75 s時可以觀察到其中一邊套管磨銑完成。套管氧化反應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環境的綜合作用效果。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。

圖5 實驗管段磨銑效果隨時間變化情況Fig. 5 Casing milling effect over the time in the test

3 電弧等離子技術在石油工程中應用的關鍵技術

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，以及在氫離子的強催化作用下，導致電極快速燒損，放電變得不夠穩定，甚至放電不能發生。因此，需要研發提高電極壽命和可靠性的解決方法。通過研究發現，在水蒸氣工作介質中，加入乙醇或丙醇后電弧空間氧化性減弱，同時電極表面生成具有良好電、熱傳導性、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的設備主要包括高壓直流電源、儲能電容、開關、鉆頭電極和其他輔助裝置。高壓直流電源、儲能電容和開關均放置在地面，而電極裝置安裝在井下，地面設備和井下設備通過脈沖傳輸線連接。高壓直流電源給儲能電容充電，當儲能電容充電達到設定值后，觸發開關，產生高壓短脈沖輸出至負載的鉆頭電極，開始放電。等離子體放電時，兩電極間形成高導電性的放電通道，放電通道的特性阻抗為歐姆甚至毫歐姆量級，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，需要研發低波阻抗的脈沖傳輸電纜。

3.3 高儲能密度電容

High energy storage density capacitance

如果將高壓直流電源放置在地面，儲能電容、開關和電極安裝在井下，高壓直流電源通過直流傳輸線給井下儲能電容充電，儲能電容達到設定值后觸發開關，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施工深度，簡化了鉆機結構。但受限于井下空間，儲能電容需要具有較高的儲能密度，以減少電容體積。因此，需要研發高儲能密度的電容。

3.4 脈沖放電參數優化

Impulsive discharge parameter optimization

高壓脈沖破巖理論和實驗研究發現，驅動電路電壓35 kV、單個脈沖能量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的頻率下實現了6.5～7.5 cm/min的鉆速。此外，脈沖重復頻率對裝置的能量效率有直接影響，脈沖重復頻率減少會降低單位能耗。當單個脈沖能量207.5 J，電壓38.5 kV，發生器輸出電容280 nF時，5脈沖/s可較10脈沖/s實現單位能耗降低20%。單個脈沖能量的增加會提高電弧等離子體的能效。在砂巖巖樣中，使用35 kV的驅動電壓，每個脈沖的能量為61 J，最終在10脈沖/s的頻率下實現鉆井單位能耗803 J/cm3，在5脈沖/s的頻率，每個脈沖的能量122.5 J的情況下實現鉆井單位能耗474 J/cm3［14］。因此，為了將電弧等離子技術的效率最大化，需要優化脈沖放電的參數，特別是施加的電壓、脈沖重復頻率和單個脈沖的能量。

4 結論與建議

Conclusions and suggestions

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

（2）電弧等離子鉆井技術采用非接觸式熱力破巖，機械鉆速受巖石熱力學性質如熔點、沸點和導熱系數等影響，而傳統旋轉鉆井技術機械鉆速與巖石機械性質如硬度、強度等有關。電弧等離子鉆井技術針對玄武巖、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，鉆井過程中能實時進行在線光譜分析，實時調整鉆井參數。

（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，可以充當臨時套管，在一定時間內提高了井壁穩定性。為了保持井眼長期穩定，可以采用添加劑分層技術，使金屬粉末在井壁沉積，形成類似套管的結構。

（4）電弧等離子體脈沖放電功率可達兆瓦級，產生區域性電脈沖，形成沖擊波壓力，可以在巖石中產生大量的微縫隙，提高油氣導流能力。具有施工方便、儲層改造范圍大、不需要消耗大量水和化學試劑等特點，適用于頁巖油氣、致密油氣和煤層氣等非常規油氣的儲層增產作業。

（5）電弧等離子技術采用非接觸式方式對套管進行磨銑，對工具不會造成磨損。與常規套管磨銑技術相比，速度更快，同時，不會產生金屬碎屑，減少了作業引起的卡堵、設備失效等，減少非生產時間，降低作業成本。該技術未來還可以用于磨銑井下卡堵工具和套管開窗側鉆，應用前景廣闊。

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

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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.電弧等離子技術在石油工程中的應用前景［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.

中石化科技部項目“石油工程技術裝備發展趨勢與戰略對策”（編號：P15163）。

光新軍（1986-），2011年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲碩士學位，現主要從事鉆井前瞻技術及石油工程戰略規劃方面的研究工作，工程師。地址：（100101）北京市朝陽區北辰東路8號北辰時代大廈9層。電話：010-84988695。E-mail：guangxinjun@126.com