等离子体发生装置及铣井方法与流程

1.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装置及铣井方法。


背景技术：

2.目前，全世界的石油行业中，已经不再产油的无用井的数量非常大。然而，这些无用井的固井材料还可以继续进行二次利用，但是这些固井材料均置于井下，不便于取出。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明提出了一种等离子体发生装置，旨在解决现有技术的无用井中的固井材料不便于取出的问题。本发明还提出了一种铣井方法。
4.一个方面，本发明提出了一种等离子体发生装置，该装置包括：阴极体、内部中空的阳极体和进气机构；其中，阴极体为柱状结构，阴极体的第一端与进气机构相连接，阴极体的第二端设置有凸起部，凸起部的径向尺寸大于阴极体的径向尺寸，以形成凸字形结构；阳极体套设于阴极体的外部且与阴极体之间具有间隙以形成放电室，阳极体的第一端与进气机构相连接，阳极体的第二端为自由端且其径向尺寸不大于凸起部的径向尺寸，阳极体的第二端与凸起部之间具有预设距离以形成与放电室相连通的环形的放电口；进气机构用于向放电室内输送工质气。
5.进一步地，上述等离子体发生装置中，阴极体的第二端与凸起部之间为平滑过渡；阳极体为筒状结构，阳极体的内径由第一端至第二端逐渐增大，以使阳极体的第二端处呈喇叭状结构。
6.进一步地，上述等离子体发生装置中，进气机构包括：本体；其中，本体与阴极体的第一端和阳极体的第一端均连接，本体的内部设置有气体腔，本体开设有进气口和至少两个与放电室连通的出气口，进气口和各出气口均与气体腔相连通。
7.进一步地，上述等离子体发生装置中，本体靠近放电室处的内部设置有至少两个与气体腔相连通的螺旋出气孔，每个螺旋出气孔的出口均形成一个出气口。
8.进一步地，上述等离子体发生装置还包括：阴极冷却机构；其中，阴极冷却机构用于对阴极体进行冷却。
9.进一步地，上述等离子体发生装置中，阴极冷却机构包括：外管、用于输送阴极冷却水的内管和环形的连接件；其中，外管套设于内管的外部且与内管之间具有间隙以形成环形空间，内管的第一端置于外管的外部，连接件盖设于环形空间；外管与阴极体的第一端相连接，阴极体的第一端开设有向第二端处凹陷的阴极冷却通道，内管的第二端悬置于阴极冷却通道内且与阴极冷却通道的内壁之间具有预设间隙；外管的侧壁开设有用于将阴极冷却水输出的输出口；进气机构呈环形且套设于外管的外部。
10.进一步地，上述等离子体发生装置还包括：阳极冷却机构；其中，阳极冷却机构设置于阳极体的外部，用于对阳极体进行冷却。
11.进一步地，上述等离子体发生装置中，阳极冷却机构包括：两端开口的壳体、以及
均呈环形的分隔板和盖体；其中，壳体套设于阳极体的外部，并且，壳体的第一端与阳极体的第二端相连接，盖体套设于阳极体的第一端的外部且与壳体的第二端相连接；分隔板设置于壳体内，并且，分隔板的第一端与盖体相连接，分隔板的第二端与阳极体的第二端之间具有预设距离；盖体对应于分隔板与阳极体之间的空间开设有冷却水输入口，盖体对应于分隔板与壳体之间的空间开设有冷却水输出口。
12.本发明中，阳极体与阴极体之间的间隙形成放电室，放电室的第一端对应于进气机构处，第二端呈敞口状态以形成环形的放电口，这样，阴极体与阳极体在通电后且在工质气作用下产生的等离子电弧由放电室的第二端输出后呈圆周状分布，有效地扩大了等离子电弧的作用区域，当等离子体发生装置应用于铣井时，呈圆周分布的等离子电弧作用于井壁的固井材料，利用等离子电弧的高温切割固井材料，便于固井材料的取出进而对固井材料进行再次利用，解决了现有技术的无用井中的固井材料不便于取出的问题。
13.另一方面，本发明还提出了一种利用上述等离子体发生装置进行铣井的方法，该方法包括如下步骤：输送步骤，向阴极体与阳极体之间的放电室内输送工质气；其中，阳极体的内部中空且套设于阴极体的外部，阳极体与阴极体之间的间隙形成放电室，并且，阴极体的其中一端设置有其径向尺寸大于阴极体径向尺寸的凸起部，阳极体靠近凸起部的端部径向尺寸不大于凸起部的径向尺寸，并且，阳极体的该端部与凸起部之间具有预设距离以形成与放电室相连通的环形的放电口；产弧步骤，对阴极体与阳极体通电，以在放电室内产生等离子电弧；分割步骤，等离子电弧由放电口输出后分割井壁的固井材料；取出步骤，将分割后的固井材料取出。
14.进一步地，上述铣井方中，产弧步骤还包括：对阳极体进行冷却；对阴极体进行冷却。
15.本发明中，阴极体与阳极体在通电后且在工质气作用下产生的等离子电弧由放电室输出后呈圆周状分布，有效地扩大了等离子电弧的作用区域，并且，等离子电弧作用于井壁的固井材料，进而切割固井材料，便于固井材料的取出进而再次利用。
附图说明
16.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：
17.图1为本发明实施例提供的等离子体发生装置的结构示意图；
18.图2为本发明实施例提供的等离子体发生装置的工质气流动示意图；
19.图3为本发明实施例提供的等离子体发生装置的冷却水流动示意图；
20.图4为本发明实施例提供的铣井方法的流程图。
具体实施方式
21.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。
22.等离子体发生装置实施例：
23.参见图1，图1为本发明实施例提供的等离子体发生装置的结构示意图。如图所示，等离子体发生装置包括：阴极体1、阳极体2和进气机构3。其中，阴极体1为柱状结构，阴极体1的第二端(图1所示的右端)设置有凸起部7，该凸起部7的径向尺寸大于阴极体1的径向尺寸，则阴极体1与凸起部7形成凸字形结构。优选的，凸起部7与阴极体1为一体成型。优选的，阴极体1的第二端与凸起部7之间为平滑过渡。更为优选的，阴极体1为圆柱状结构，凸起部7也为圆柱状结构，阴极体1的轴向中心线与凸起部7的轴向中心线处于同一直线上。
24.进气机构3设置于阴极体1的一侧，图1所示的右侧，进气机构3与阴极体1的第一端相连接，该连接可以为可拆卸连接，也可以为固定连接，本实施例对此不做任何限制。
25.阳极体2的内部中空，阳极体2套设于阴极体1的外部，并且，阳极体2与阴极体1之间具有一定的间隙，该间隙形成放电室4。阳极体2的第一端(图1所示的左端)与进气机构3相连接，阳极体2的第二端(图1所示的右端)为自由端，并且，阳极体2的第二端的径向尺寸不大于(即小于等于)凸起部7的径向尺寸，并且，阳极体2的第二端与凸起部7之间具有预设距离，该预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。阳极体2的第二端与凸起部7之间的距离形成一个环形的放电口8，该放电口8与放电室4相连通，并且，放电口8的中心轴线沿阳极体2的径向方向，即放电口8的朝向为阳极体2的径向方向。其中，径向方向为图1中a方向，即与阳极体2的长度方向相垂直的方向。
26.具体地，阳极体2的截面呈圆环形，阳极体2的第一端与阴极体1的第一端之间具有间隙，阳极体2的第二端处外壁面所在环形置于凸起部7的外壁面所在环形内，或者，两个环形相重合，并且，阳极体2的第二端与凸起部7也具有间隙，则放电室4从阳极体2的第一端处延伸至阳极体2的第二端处。由于阴极体1呈柱状结构，所以放电室4整体呈环形。将放电室4对应于阳极体2的第一端处记做放电室4的第一端(图1所示的右端)，将放电室4对应于阳极体2的第二端处记做放电室4的第二端(图1所示的左端)，放电室4第一端处的环形空间较小，而第二端处的环形空间较大。放电室4的第一端处被进气机构3阻挡，放电室4的第二端处呈敞口状态以与井底相连通，并且，放电室4第二端的敞口呈圆形分布一圈形成放电口8。
27.优选的，阳极体2为筒状结构，阳极体2的内径由第一端至第二端逐渐增大，使得阳极体2的第二端处呈喇叭状结构。具体地，阳极体2的内壁为平滑过渡，即呈锥形，则放电室4整体呈环形且其壁面为弧形。
28.进气机构3用于向放电室4内输送工质气，在放电室4内，阳极体2和阴极体1通电后且在工质气的作用下产生等离子电弧。
29.等离子发生装置可以应用铣井，也可以应用于其他领域，本实施例对此不做任何限制。当等离子发生装置应用于铣井时，等离子电弧由放电室4输送至井壁处并作用于井壁，则等离子电弧会对井壁的固井材料进行分割，以便于将固井材料取出进行再次利用。
30.可以看出，本实施例中，阳极体2与阴极体1之间的间隙形成放电室4，放电室4的第一端对应于进气机构3处，第二端呈敞口状态以形成环形的放电口，这样，阴极体1与阳极体2在通电后且在工质气作用下产生的等离子电弧由放电室4的第二端输出后呈圆周状分布，有效地扩大了等离子电弧的作用区域，当等离子体发生装置应用于铣井时，呈圆周分布的等离子电弧作用于井壁的固井材料，利用等离子电弧的高温切割固井材料，便于固井材料
的取出进而对固井材料进行再次利用，解决了现有技术的无用井中的固井材料不便于取出的问题。
31.参见图1和图2，上述实施例中，进气机构3可以包括：本体31。其中，本体31与阴极体1的第一端和阳极体2的第一端均连接，并且，阴极体1的第一端对应于本体31上的位置和阳极体2的第一端对应于本体31上的位置之间有一定的距离，则本体31置于阴极体1的第一端和阳极体2的第一端之间的部分对应于放电室4处。本体31的内部设置有气体腔32，本体31的侧壁开设有进气口，该进气口与气体腔32相连通。本体31对应于放电室4处开设有至少两个出气口，各出气口与气体腔32和放电室4均连通，则工质气经进气口输送至气体腔32内，再由各出气口输送至放电室4内。
32.优选的，各出气口在本体31对应于放电室4处为均匀分布，以使工质气能够均匀分布地输送至放电室4内。
33.优选的，本体31靠近放电室4处的内部设置有至少两个螺旋出气孔33，各螺旋出气孔33均与气体腔32相连通，并且，每个螺旋出气孔33的出口均形成一个出气口，即每个螺旋出气孔33的出口即为一个出气口。具体地，各螺旋出气孔33均设置于本体31的内部，并且靠近放电室4处，每个螺旋出气孔33的出口均设置于本体31对应于放电室4处，每个螺旋出气孔33用于将气体腔32内的工质气输送至放电室4内。螺旋出气孔33的设置，能够使得工质气均匀地输送至放电室4内，尤其是当螺旋出气孔33的数量为至少两个时，各螺旋出气孔33的出口在本体31对应于放电室4处呈圆周均匀分布，不仅便于工质气的输送，还能保证工质气在放电室内的均匀分布，进而保证等离子电弧的稳定产生。
34.可以看出，本实施例中，通过工质气输送至气体腔32内进行存储，然后再通过多个出气口输送至放电室4内，保证工质气稳定、分散地输送至放电室4内，进而使得产生的等离子电弧分布更为均匀。
35.参见图1和图3，上述各实施例中，等离子发生装置还可以包括：阴极冷却机构5。其中，阴极冷却机构5用于对阴极体1进行冷却。优选的，阴极冷却机构5设置有阴极冷却水流动通道，通过阴极冷却水与阴极体1进行换热，使得阴极体1的温度降低，而阴极冷却水的温度升高，再将阴极冷却水输出。
36.阴极冷却机构5可以包括：外管51、内管52和环形的连接件53。其中，外管51套设于内管52的外部，并且，外管51与内管52之间具有一定的间隙，该间隙形成环形空间。内管52的第一端(图1所示的右端)置于外管51的外部，内管52的第二端(图1所示的左端)在外管51的内部延伸。连接件53盖设于环形空间，具体地，连接件53套设于内管52的外部，并且，连接件53与内管52和外管51均连接，通过连接件53对环形空间进行封闭。具体实施时，连接件53的外周壁与外管51的端部相连接。
37.外管51与阴极体1的第一端相连接，优选的，外管51与阴极体1的第一端为可拆卸连接。阴极体1的第一端开设有向第二端处凹陷的阴极冷却通道11，内管52置于阴极冷却通道11的内部，并且，内管52的第二端悬置于阴极冷却通道11内，即内管52的第二端与阴极冷却通道11的底部(图1所示的左端部)之间具有一定的距离。内管52与阴极冷却通道11的内壁之间具有预设间隙，该预设间隙可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
38.内管52用于输送阴极冷却水，外管51的侧壁开设有用于将阴极冷却水输出的输出口511，则阴极冷却水随内管52输送至阴极冷却通道11内，到达阴极冷却通道11的底部后，
沿阴极冷却通道11与内管52之间的间隙流动，再沿内管52与外管51之间的间隙流动，最终由输出口511输出。冷却水在阴极冷却通道11内流动时能够与阴极体1进行换热，使得阴极体1的温度降低。这样一来，内管52的内部、阴极冷却通道11与内管52之间的间隙、内管52与外管51之间的间隙共同构成了阴极冷却水流动通道。
39.进气机构3呈环形，进气机构3套设于外管51的外部。具体地，本体31内部中空以形成环形，本体31套设于外管51的外部。
40.可以看出，本实施例中，通过阴极冷却机构5对阴极体1进行冷却，避免阴极体1温度过高而损坏，进而影响产生等离子电弧，并且，通过阴极冷却水对阴极体1进行降温，结构简单。
41.参见图1和图3，上述各实施例中，等离子发生装置还可以包括：阳极冷却机构6。其中，阳极冷却机构6设置于阳极体2的外部，阳极冷却机构6用于对阳极体2进行冷却。优选的，阳极冷却机构6设置有阳极冷却水流动通道，通过阳极冷却水与阳极体2进行换热，使得阳极体2的温度降低，而阳极冷却水的温度升高，再将阳极冷却水输出。
42.阳极冷却机构6可以包括：壳体61、分隔板62和盖体63。其中，壳体61的两端均为开口端，壳体61套设于阳极体2的外部，并且，壳体61的第一端(图3所示的左端)与阳极体2的第二端相连接。由于阳极体2的第一端的内径小于第二端的内径，所以壳体61的第二端(图3所示的右端)与阳极体2的第一端之间具有一定的距离，盖体63呈环形，盖体63套设于阳极体2的第一端的外部且与壳体61的第二端相连接，这样，壳体61、阳极体2与盖体63围设成一个锥形空间。
43.分隔板62呈环形，分隔板62设置于壳体61内，即分隔板62置于锥形空间内。分隔板62的第一端(图3所示的右端)与盖体63相连接，分隔板62的第二端(图3所示的左端)与阳极体2的第二端之间具有预设距离，该预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。分隔板62将锥形空间内分隔成两个空间，并且，两个空间在分隔板62的第二端的端部相连通。
44.盖体63对应于分隔板62与阳极体2之间的空间开设有冷却水输入口631，盖体63对应于分隔板62与壳体61之间的空间开设有冷却水输出口632，则阳极冷却水经冷却水输入口631输送至分隔板62与阳极体2之间的空间内，再经由分隔板62的第二端与阳极体2的第二端之间的间隙处流动至分隔板62与壳体61之间的空间内，再由冷却水输出口632输出。阳极冷却水在锥形空间内流动时与阳极体2进行换热，以对阳极体2进行降温冷却。这样一来，分隔板62与阳极体2之间的空间、分隔板62的第二端与阳极体2的第二端之间的间隙、分隔板62与壳体61之间的空间共同构成了阳极冷却水流动通道。
45.可以看出，本实施例中，通过阳极冷却机构6对阳极体2进行冷却，避免阳极体2温度过高而损坏，进而影响产生等离子电弧，并且，通过阳极冷却水对阳极体2进行降温，结构简单。
46.参见图1，为了使各部件的结构更为紧凑，整体美观，进气机构3中的本体31套设于外管51的外部，并且，本体31的第一端(图1的所示的左端)与阴极体1的第一端相接触，本体31的第二端(图1的所示的右端)的外部设置有环形体34，环形体34与本体31连接后的整体截面形状呈t型，环形体34开设有进气通道35，该进气通道35与本体31的进气口相连通，进而与气体腔32相连通。优选的，本体31与环形体34为一体成型。
47.具体实施时，盖体63可以与环形体34相接触且相连接，则环形体34对应于盖体63的冷却水输入口631处和冷却水输出口632处均开设有相对应的连通口633，这样，阳极冷却水依次经其中一个连通口633和冷却水输入口631输送至分隔板62与阳极体2之间的空间内，由分隔板62与壳体61之间的空间流出的阳极冷却水依次经冷却水输出口632和对应的另一个连通口633输出。
48.综上所述，本实施例中，放电室4的第一端对应于进气机构3处，第二端呈敞口状态以形成环形的放电口，这样，阴极体1与阳极体2在通电后且在工质气作用下产生的等离子电弧由放电室4的第二端输出后呈圆周状分布，有效地扩大了等离子电弧的作用区域，当等离子体发生装置应用于铣井时，呈圆周分布的等离子电弧作用于井壁的固井材料，利用等离子电弧的高温切割固井材料，便于固井材料的取出进而对固井材料进行再次利用。
49.铣井方法实施例：
50.本实施例还提出了一种铣井方法，参见图4，图4为本发明实施例提供的铣井方法的流程图。如图所示，铣井方法包括如下步骤：
51.输送步骤s1，向阴极体与阳极体之间的放电室内输送工质气。其中，阳极体的内部中空且套设于阴极体的外部，阳极体与阴极体之间的间隙形成放电室，并且，阴极体的其中一端设置有其径向尺寸大于阴极体径向尺寸的凸起部，阳极体靠近凸起部的端部径向尺寸不大于(即小于等于)凸起部的径向尺寸，并且，阳极体的该端部与凸起部之间具有预设距离以形成与放电室相连通的环形的放电口。
52.具体地，参见图1，阴极体1为柱状结构，阴极体1的第二端(图1所示的右端)设置有凸起部7，该凸起部7的径向尺寸大于阴极体1的径向尺寸，则阴极体1与凸起部7形成凸字形结构。优选的，凸起部7与阴极体1为一体成型。优选的，阴极体1的第二端与凸起部7之间为平滑过渡。更为优选的，阴极体1为圆柱状结构，凸起部7也为圆柱状结构，阴极体1的轴向中心线与凸起部7的轴向中心线处于同一直线上。
53.阳极体2的内部中空，阳极体2套设于阴极体1的外部，并且，阳极体2与阴极体1之间具有一定的间隙，该间隙形成放电室4。阳极体2的第一端(图1所示的左端)与阴极体1的第一端相对应，阳极体2的第二端(图1所示的右端)为自由端，阳极体2的第二端的径向尺寸不大于凸起部7的径向尺寸，并且，阳极体2的第二端与凸起部7之间具有预设距离，以形成一个环形的放电口8，该放电口8与放电室4相连通，并且，放电口8的中心轴线沿阳极体2的径向方向，即放电口8的朝向为阳极体2的径向方向。其中，径向方向为图1中a方向，即与阳极体2的长度方向相垂直的方向。
54.阴极体1的第一端和阳极体2的第一端均与进气机构3相连接，进气机构3用于向放电室4内输送工质气。其中，阴极体1、阳极体2和进气机构3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。
55.产弧步骤s2，对阴极体与阳极体通电，以在放电室内产生等离子电弧。
56.具体地，对阴极体和阳极体进行通电，在工质气的作用下，产生等离子电弧。
57.等离子电弧产生时，阴极体和阳极体的温度均会升高，则对阳极体和阴极体进行冷却。优选的，通过阳极冷却水对阳极体进行冷却；和/或，通过阴极冷却水对阴极体进行冷却。
58.分割步骤s3，等离子电弧由放电口输出后分割井壁的固井材料。
59.具体地，等离子电弧由放电口输出后也呈圆周状分布，进而作用于井壁的固井材料，使得固井材料进行分隔。
60.取出步骤s4，将分割后的固井材料取出。
61.可以看出，本实施例中，阴极体与阳极体在通电后且在工质气作用下产生的等离子电弧由放电室输出后呈圆周状分布，有效地扩大了等离子电弧的作用区域，并且，等离子电弧作用于井壁的固井材料，进而切割固井材料，便于固井材料的取出进而对固井材料进行再次利用。
62.需要说明的是，本发明中的等离子发生装置及利用该等离子发生装置进行铣井的方法的原理相同，相关之处可以相互参照。
63.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。