CN107869342B - 一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置，包括地面低压控制装置、传输电缆及液电脉冲激波发射器。本发明产生可利用的重复频率的高强度激波对管道或岩层的特定位置进行轰击，以实现污垢破碎脱落或岩层破裂的效果；可有效降低液体间隙的击穿场强，提高电能向液电脉冲激波机械能的转换效率，获得高强度液电脉冲激波；发射腔采用旋转抛物聚焦空腔，激波经过旋转抛物空腔的折反射，沿设定方向聚焦并向外辐射，作用于管道污垢或岩层，同时保证激波无纵向分量，不会损伤管道内的液体及管道护套，聚焦后的清垢或岩层压裂效果得到提高。不仅可有效地清除管道污垢、压裂岩层，提高渗透率，且可靠性高、环境友好及成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于高电压技术、脉冲功率技术、油气开采及岩石破碎领域，更具体地，涉及一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置。
背景技术
在液体中发生快速高电压电弧放电，电弧通道快速膨胀以及液体汽化、膨胀会向外辐射强烈的激波，该现象为“液电效应”的物理效应之一。“液电效应”的力学效应被广泛应用于管道清垢、岩石压裂造缝、油田解堵等领域。
目前常规的油气管道清垢增产手段主要包括化学解堵、压裂解堵、超声波解堵等。化学解堵与压裂解堵方法由于作业工艺复杂，且会严重污染环境，因此逐步被淘汰；超声波解堵法难以于高静压的油气管道环境产生强有力的超声波，解堵效果有限。而岩层压裂技术普遍存在速度慢、周期长和成本高等问题，油气开发中破岩的费用大于勘探开发成本的一半。传统的TNT炸药破岩的方式爆破可控性差、污染环境严重；利用超声波的机械能等方式存在破岩的效率低下等问题。
目前限制液电脉冲激波进一步应用的瓶颈之一为如何获得高强度的液电脉冲激波及如何对其进行精确的控制导向与聚焦辐射。常规的产生液电脉冲激波的方式为脉冲电源对由放电电极构成的极间液体间隙进行放电，常采用的电极形式为棒-板电极、板-板电极等，高低压电极直接裸露在放电液体中，因此电场强度最强点为阳极与阴极的尖端，电弧长度近似为极间最小间隙距离，同时由于液电脉冲激波放电电极直接放置在液体中，裸露在液体中的电极端部较大，导致在液体击穿过程中的泄漏过大，击穿时延分散性较大。板-板电极放电时电弧位置不固定，难以对激波进行精确导向，板-板间隙对激波传播有一定约束性，同时液体的击穿场强比较高，一般激波放电电极的间隙距离较小，从而使得脉冲电弧的长度较短，液电间隙的能量注入较低，无法提高能量转换效率产生更强的激波。采用针-针电极形式能够在一定程度上降低液体间隙的击穿场强，但是针电极的烧蚀性能较差，使得激波发生器的寿命显著下降。在某些高压强放电情况下，间隙击穿变得更加困难，单纯采用针电极产生电场畸变从而降低击穿场强的效果有限。
发明内容
针对现有油气管道清垢增产与岩层压裂破岩技术的污染环境严重、效率低下、可控性差等缺陷，本发明的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置具有以结构简单、通用性好、激波聚焦定向效果显著为主、兼顾环境友好型、高效率、操作简便的优点。
本发明提供了一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置，包括：地面低压控制装置、置于管道或者岩层孔洞处的液电脉冲激波发射器，以及用于连接所述地面低压控制装置和所述液电脉冲激波发射器的测井电缆；所述液电脉冲激波发射器包括：沿轴线依次同轴分布的高电压转换单元、高温储能单元、脉冲压缩单元、液电脉冲激波发射单元以及保护单元；所述高电压转换单元用于将测井电缆传输的低压交流电信号转换为直流高压信号；所述高温储能单元用于暂时将所述高电压转换单元输出的直流电压能量在较长时间内存储为液电脉冲放电的总电能；所述脉冲压缩单元用于控制将高温储能单元的能量瞬时施加到液电脉冲激波发射单元；所述液电脉冲激波发射单元用于通过液电激波放电间隙在高电压作用下击穿，通过脉冲大电流在弱压缩性的放电液体内产生强力激波，并向外传播；所述激波经过聚焦空腔的作用沿设定的聚焦方向辐射，并将激波传递到油气管道内或者岩石孔洞内，接触管道污垢或者使岩石造缝或破裂；所述保护单元用于保证在管道中运动的同轴性，避免仪器与管壁相碰撞。其中，地面低压控制装置用于设置液电脉冲放电的电气强度与放电次数，产生较强的激波从而达到较好的机械作用效果；测井电缆用于将供电及控制装置输出的工频低压高效率地传输至液电脉冲激波发射器；液电脉冲激波发射器用于产生高强度激波并经过旋转抛物空腔的作用定向地向外辐射激波，激波作用于管道清除污垢，轰击岩石产生裂缝；高效的液电脉冲激波发射器结构设计、电弧调制技术以及激波定向聚焦辐射控制技术，可以实现污垢破碎脱落或岩层破裂的效果。
更进一步地，当管道清垢与岩层压裂装置工作于水平方向的油井管道或岩层孔洞时，所述液电脉冲激波发射器还包括：爬行器，用于使所述液电脉冲激波发射器爬入所述油井管道或岩层孔洞内待作业的目标位置。
更进一步地，液电脉冲激波发射单元可作用于竖直方向的油气管道或岩石孔洞，此时凭借自身重力作用使其深入油气的固定位置完成脉冲放电，每次脉冲放电至少产生一次有效地沿径向方向传播的激波轰击管道污垢或压裂岩层。液电脉冲激波发射单元也可作用于水平方向的油气管道或岩层孔洞，此时凭借爬行器使其爬入目标位置，每次脉冲放电至少产生一次有效地径向方向的激波轰击管道或压裂岩层。
更进一步地，所述脉冲压缩单元包括脉冲压缩开关及其控制回路；脉冲压缩开关可为气体开关、真空触发开关或其它高电压固体开关；控制回路用于输出触发信号使所述脉冲压缩开关迅速导通。
更进一步地，所述液电脉冲激波发射单元包括：放电液体、高压电极、和低压电极；所述高压电极与所述低压电极均浸没于所述放电液体中，且所述高压电极与所述低压电极均以几何中轴线为轴心同轴分布，在所述高压电极与所述低压电极间的高场强形成电弧，电弧快速膨胀形成脉冲激波向外传播。
更进一步地，所述液电脉冲激波发射单元还包括：绝缘固定件，套设在所述高压电极和/或所述低压电极上，且与所述高压电极或所述低压电极同轴分布。利用绝缘固定件将电极包裹其中，仅使电极端部露出，或只用绝缘固定件将其中一个电极包裹，只露出被包裹电极端部；放电电极的绝缘固定件包裹电极的形式适用于任何电极形式，如针-针电极、棒-棒电极、针-板电极、板-板电极等。且放电电极的绝缘固定件只包裹其中一个电极时，作用效果与电极的极性无关，包裹高压电极或低压电极均能起到提高激波强度的效果。
对于本液电脉冲激波发射器，最优电极形式为针-板电极，其中针电极采用绝缘件进行包裹，只露出尖端部分；具体地，所述高压电极为包裹有所述绝缘固定件且露出端部的针状电极，所述低压电极为板状电极。
更进一步地，所述绝缘固定件与板状低压电极分别按照相同的抛物曲线方程分别加工成为上聚焦腔和下聚焦腔。
更进一步地，所述低压电极为包裹有所述绝缘固定件且露出端部的针状电极，所述高压电极为板状电极。
更进一步地，所述绝缘固定件与板状高压电极分别按照相同的抛物曲线方程分别加工成为上聚焦腔和下聚焦腔。
其中，高压电极与低压电极不仅几何中心同轴线，而且绝缘固定件或板状的低压电极设置为旋转聚焦空腔面，通过控制旋转聚焦空腔的几何参数，有利于使高低压电极间产生的近球形激波经过聚焦空腔的作用沿设定的聚焦方向辐射。
优选地，抛物曲线方程为y2＝a(x+b)，y为高压电极的中轴线，x为上聚焦空腔与下聚焦空强的水平对称轴线，a、b为常数。
更进一步地，所述绝缘固定件的材料为热缩管、环氧、聚甲醛或聚醚酮材料。裹电极的绝缘固定件可以为任何具有一定机械强度及电气绝缘强度的材料，如热缩管、环氧、聚甲醛及聚醚酮等。
根据旋转抛物空腔的参数及液电脉冲激波发射单元的几何尺寸以确定激波发射单元的最大作用面积，根据激波的作用范围及作用距离可优化参数，从而有效地提高激波的强度，增加激波的机械效果。
绝缘固定件的聚焦空腔增加了沿面击穿距离，用于提高电气绝缘强度；且电弧的几何中心恰好位于板电极和所述绝缘固定件组成的聚焦空腔的焦点，以提高激波强度达到最好的聚焦效果。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
(1)本发明提供的一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置，由于采用电弧调制技术与激波聚焦定向控制技术，不仅可有效地清除管道污垢、压裂岩层，提高渗透率，而且具有作业简单、可靠性高、环境友好型及成本低廉等特点；
(2)本发明提供的一种采用电弧调制技术的放电电极，使极间电场分布发生畸变，放电电弧发展路径长度明显高于极间最小间隙距离，从而增大液电脉冲电弧的长度和阻抗，提高液电间隙的注入能量，达到提高激波能量转换效率与提高激波强度的效果；
(3)本发明提供的一种采用激波定向聚焦辐射控制技术的发射腔，采用绝缘固定件的聚焦空腔面，会加长高压电极与低压电极间的最小沿面距离，提高两者间的击穿电压，从而提高了发射腔的电气绝缘强度，而且初始电弧的几何中心恰好位于所述板电极和所述绝缘固定件组成的聚焦空腔的焦点，极大程度地提高了激波强度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置的结构示意图；(a)为脉冲激波发射器作用于竖直方向的油气管道或岩石孔洞，(b)为脉冲激波发射器水平方向的油气管道或岩层孔洞。
图2是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中液电脉冲激波发射器的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中放电电极采用电弧调制技术的示意图；(a)采用电弧调制技术前电弧发展示意图；(b)采用电弧调制技术后电弧发展示意图。
图4是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中放电电极改造示意图；(a)为绝缘固定件均包裹高压电极和低压电极的结构示意图；(b)为绝缘固定件包裹高压电极且低压电极为棒型电极的结构示意图；(c)为绝缘固定件包裹高压电极且低压电极为板型电极的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中电极改造前后典型的电压、电流及激波波形示意图；(a)采用电弧调制技术前典型放电电压、电流及激波波形示意图；(b)采用电弧调制技术后典型放电电压、电流及激波波形示意图。
图6是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中电极改造前后电弧发展动态示意图；(a)为采用电弧调制技术前电弧发展动态示意图；(b)为采用电弧调制技术后电弧发展动态示意图。
图7是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置电弧调制前后激波强度试验结果散点图。
图8是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中电极改造前后击穿时延分布规律示意图。
图9是本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中激波强度与电弧长度、电流峰值对应关系的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置，包括：地面低压控制装置100、传输电缆200及液电脉冲激波发射器300。地面低压控制装置100、传输电缆200及液电脉冲激波发射器300通过油井接头保证良好的电气绝缘和机械强度。根据管道或岩石的实际工况，通过控制低压控制装置100可设置液电脉冲激波发射器300产生激波400，从而控制其强度与次数、重复频率从而达到最优化的管道清垢或岩层压裂500效果。
本发明核心在于液电脉冲激波发射器300的结构设计、电弧调制技术以及对于激波强度方向的控制，以实现对管道或岩石的特定位置轰击、破裂的目的。本发明的具体工作过程为：根据实际工况制定解堵增产作业规范；对液电激波发射器300确定最优的放电型式，每次液电脉冲放电产生一次有效地高强度的激波，并以近球形的方式向外膨胀；激波经过旋转抛物空腔的折反射，呈放射式的激波沿水平方向聚焦并向外辐射，作用于油气管道或者岩石孔洞，使附着于管道周围的堵塞物破裂，经过液体静压力的作用进入油井，实现管道清垢；激波作用于岩石层表面，使岩石出现沿径向伸张的逐步加深的贯穿性平面型裂缝，多次强激波使岩石达到压裂的效果。
其中，液电脉冲激波发射器300用于产生高强度激波并经过旋转抛物空腔的作用沿设定的方向辐射激波，激波作用于管道清除污垢实现油气的增产或轰击岩石产生裂缝致其破碎。
其中，液电脉冲激波发射器300可作用于竖直方向的油气管道或岩石孔洞，此时凭借自身重力作用使其深入油气的固定位置完成脉冲放电，至少产生一次有效的水平方向的聚焦激波轰击管道或破碎岩石。
其中，液电脉冲激波发射器300可作用于水平方向的油气管道，此时凭借爬行器可使液电脉冲激波发射器进入目标位置，每次脉冲放电产生至少一次有效地竖直方向的聚焦激波轰击管道或破碎岩石。
本发明提供的液电脉冲激波发射器300包括：高电压转换单元301、高温储能单元302、脉冲压缩单元303、液电脉冲激波发射单元304以及保护单元305。所述液电脉冲激波发射器的各个单元沿轴线同轴分布，有利于增强整体的机械强度。其中保护单元305用于保证在管道中运动的同轴性，避免仪器与管壁相碰撞；高电压转换单元301用于将测井电缆传输的低压交流电通过全桥或半桥整流方式高效地输出直流高压；高温储能单元302采用耐短路电流冲击、高温性能优良、寿命长的多级级联的脉冲电容器单元，用于暂时将所述高电压转换单元301输出的直流电压能量在较长时间内存储为液电脉冲放电的总电能；脉冲压缩单元303用于控制将高温储能单元的能量瞬时施加到液电脉冲激波发射单元。
其中，脉冲压缩单元303包括脉冲压缩开关及其控制回路，地面低压控制装置100通过专用传输电缆传输的触发控制信号施加到脉冲压缩开关的预置触发极；其中，脉冲压缩开关可为气体开关、真空触发开关或其它高电压固体开关；控制回路用于输出触发信号使所述脉冲压缩开关迅速导通。
液电脉冲激波发射单元304的工作过程为：液电激波放电间隙在高电压作用下击穿，通过脉冲大电流，在弱压缩性的放电液体内产生强力激波，并向外传播；激波经过聚焦空腔的作用沿设定的聚焦方向辐射，最终将激波传递到油气管道内或者岩石孔洞内，接触管道污垢或者使岩石造缝或破裂。
其中，液电脉冲激波发射单元304包括放电液体3040、高压电极3041、低压电极3042以及绝缘固定件3044；高压电极3041与低压电极3042沿轴心同轴分布，绝缘固定件3044与高压电极3041、低压电极3042同轴分布；高压电极3041与低压电极3042均浸于放电液体，构成液电脉冲激波发射单元304。
本发明提供的一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂的装置采用电弧调制技术，将高压电极3041与低压电极3042利用绝缘固定件3044将放电电极包裹其中，仅电极端部露出，或只用绝缘固定件3044将其中一个电极包裹，只露出被包裹电极端部；此时由于绝缘表面附着的空间电荷极间电场分布发生畸变，电弧将沿着电场畸变点发展，库仑力的作用使其长度明显高于极间最小间隙距离，利于提高激波强度。
其中，采用电弧调制技术的绝缘固定件3044包裹电极的形式适用于任何电极形式，如针-针电极、棒-棒电极、针-板电极、板-板电极等。
其中，采用电弧调制技术的绝缘固定件3044只包裹其中一个电极时，作用效果与电极的极性无关。一定程度上，包裹高电压电极3041或低电压电极3042均能提高激波强度的效果。
其中，采用电弧调制技术的包裹放电电极的绝缘固定件3044可以为任何具有一定机械强度及电气绝缘强度的材料，如热缩管、环氧及聚甲醛等。
本发明提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置中，发射腔采用激波定向聚焦辐射控制技术，采用棒型的高压电极3041与板型的低压电极3042的几何中心同轴线，高压电极3041采用绝缘固定件3044包裹其中，低压电极3042直接裸露于放电液体3040中。将绝缘固定件3044与板状的低压电极3042按照抛物曲线方程分别加工成为上聚焦空腔和下聚焦空腔，根据线性反射定律，位于抛物焦点处的球状激波通过聚焦空腔的反射作用，沿空腔的方向平行辐射，实现对于激波的聚焦定向辐射控制。
其中，由绝缘固定件3044与低压电极3042形成的抛物聚焦空腔，其空腔面可按照抛物方程y2＝a(x+b)旋转形成；其中，y为高压电极的中轴线，x为上聚焦空腔与下聚焦空强的水平对称轴线，a、b为常数。
其中，聚焦空腔的几何中心恰好位于激波发射器300的轴线，所述激波发射器300的直径为确定值，因此设定抛物线的开口系数a与系数b，可确定旋转抛物聚焦空腔的最大开口直径d以及激波发射单元的最大作用面积s。液电脉冲激波能量以及作用距离均一定的情况下，激波发射单元的最大作用面积s决定激波作用点处的能量密度。因此，根据激波发射器300的实际作业工况以及所需的能量密度，可确定激波的作用范围及作用距离，从而设置聚焦空腔的开孔直径d，从而达到最优的激波聚焦定向的作用效果。
其中，由于绝缘固定件3044的聚焦空腔面使得沿面击穿距离增加了，可以提高电气绝缘强度；且初始电弧的几何中心恰好位于板电极和绝缘固定件组成的聚焦空腔的焦点，以提高激波强度达到最好的聚焦效果。
图1示出了本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置的结构，其中，图(a)为脉冲激波发射器作用于竖直方向的油气管道或岩石孔洞，图(b)为脉冲激波发射器水平方向的油气管道或岩层孔洞。为了便于说明，现结合附图和具体实例详述如下：
图(a)和图(b)两种液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置的结构均包括地面低压供电控制装置100、测井电缆200及液电脉冲激波发射器300。其中，地面低压供电控制装置可采用220V/50Hz的交流发电机作为供电电源，发电机的功率不小于10kW，运输、操作方便。地面低压供电控制装置将220V的工频电压转变为频率为1kHz、0-1.8kV可调的中频电压。测井电缆的额定电压为6kV，电缆电阻为30Ω/km。测井电缆另一端通过油井通用接口与液电脉冲激波发射器相连。
两者的差异在于图(a)工作于竖直方向的油井管道或岩层孔洞，依靠自身重力可将激波发射器定位于工作位置；图(b)为工作于水平方向的油井管道或岩层孔洞，此时凭借爬行器306使其爬入目标位置；爬行器306接于测井电缆200和液电脉冲激波发射器300之间。若需将液电脉冲激波发射器300置于水平方向的井管道或岩层孔洞，则发出指令，打开爬行器306的四个牵引臂，使爬行器306的四个行走轮紧紧压在油井套管或者岩层孔洞的壁内。通过一套机械传动装置带动爬行器306的四个行走轮沿着套管行走，从而将测井仪输送到指定位置。当测井仪到达预定位置时，爬行器停止行走，收回牵引臂。此时液电脉冲激波发射器300开始进行液电脉冲放电操作。每次脉冲放电至少产生一次有效地沿设定方向辐射的激波轰击管道或压裂岩层，从而实现管道清垢或岩层造缝、压裂。
本实施例提供的液电脉冲激波发射器是本发明的核心，其结构示意如图2所示。具体而言，所述液电脉冲激波发射器300包括：高电压转换单元301、高温储能单元302、脉冲压缩单元303、液电脉冲激波发射单元304以及保护单元305，其中保护单元305用于保证在管道中运动的同轴性，避免仪器与管壁相碰撞；所述高电压转换单元301用于将工频低压转换为中高频高压，再经整流输出直流高压；所述高温储能单元302用于暂时将所述高电压转换单元301输出的直流电压能量在较长时间内存储为液电脉冲放电的总电能；所述脉冲压缩单元303用于控制将高温储能单元302储存的能量瞬时施加至液电脉冲激波发射单元304；液电脉冲激波发射单元304极间高电场诱导的电弧通道辐射的一次高强度激波沿聚焦可控的方向传播。其中，液电脉冲激波发射器300的基本参数：外径为102mm，总长度为5.7m。其中高电压转换单元输出直流电压为30kV。高温储能单元的单级电容量为1.5μF，额定电压为30kV。本实施例中采用2级级联，高温储能单元的电容量为3.0μF，额定储能为1.35kJ，额定工作温度为120℃，寿命大于10000次。脉冲压缩单元采用真空触发开关，额定电压为30kV，最大电流峰值为50kA，电荷转移量大于100kC。
液电脉冲激波发射单元304采用电弧调制技术前后电弧发展示意图分别如图3(a)、图(b)所示。不管是否采用电弧调制技术，液电脉冲激波发射单元304均包括放电液体3040、高压电极3041、低压电极3042等。采用电弧调制技术的高压电极3041与低压电极3042外面包裹绝缘固定件3044。图(a)所示的电弧3043长度近似等于极间的最短距离，而采用电弧调制技术的图(b)的放电电弧3043发展路径长度明显高于极间最小间隙距离，这是由于绝缘表面附着的空间电荷极间电场分布发生畸变，电弧将沿着电场畸变点发展的缘故。因此，采用电弧调制技术可提高电弧长度，从而增大液电脉冲电弧的长度和阻抗，提高液电间隙的注入能量，达到提高激波能量转换效率与提高激波强度的效果。
液电脉冲激波发射单元304的绝缘固定件可包裹高压电极3041、低压电极3042，如图4(a)，亦可只包裹其中的高压电极且低压电极的尖端可设置为棒型或板型型式，如图4(b)、(c)所示。所述高压电极3041与低压电极3042均沿轴线同轴分布，绝缘固定件3044与高压电极3041、低压电极3042同轴分布。高压电极3041与低压电极3042均浸于放电液体3040。此外，板型的低压电极3042与绝缘固定件3044可设计为旋转抛物聚焦腔，如图4(c)所示。将绝缘固定件3044与板状的低压电极3042按照相同的抛物曲线方程分别加工成为上聚焦腔和下聚焦腔，根据线性反射定律，位于焦点处的球状激波通过聚焦腔的反射作用，沿空腔的开口方向平行辐射，实现对于激波的聚焦定向辐射控制。根据激波发射器的实际作业工况可确定所需激波的作用面积及作用距离，从而设置聚焦腔的开孔直径d，从而达到最优的激波聚焦定向的作用效果。
本实施例采用电弧调制技术前后典型放电电压、电流及激波波形分别示于图5(a)、(b)。可见，采用常规的放电电极，其击穿时延明显高于采用电弧调制技术的，其预击穿过程消耗的能量较多，能量转换效率较低，因此激波强度较低。采用电弧调制技术，激波测量探头距离激波发射器正中位置的水平距离为17cm，测量得到的激波强度约为6MPa，脉宽约为50μs。采用电弧调制技术的放电电极，所能击穿的最大液体间隙约为采用常规电极的两倍，相当于击穿场强降低到原来的一半。
图6(a)、(b)分别示出了本实例采用电弧调制技术前后电弧发展动态示意图。可知，采用电弧调制技术后，极间的电弧长度由17mm提高到28mm，且电弧由直线型变为弯曲型。此时击穿时刻全部电能转换为注入电弧通道的能量由约3％提高到10％，激波强度提高了约1倍。
图7是本发明实例采用电弧调制前后激波强度试验结果散点图。采用电弧调制技术前，其激波强度平均值约为3.55MPa；采用电弧调制技术后，其激波强度平均值为6.74MPa。由试验结果可知，采用电弧调制技术前后，其产生的激波强度平均值由3.55MPa提升至了6.74MPa，激波强度提升效果显著。
图8所示为本实例采用不同的电极型式预击穿时延的分布规律。结果表明，采用常规的放电电极，不仅平均预击穿时延达到几百微秒，而且其分散性非常大；采用电弧调制技术，不管是针-针电极还是针-板电极，是将高低压放电电极包裹其中，仅电极端部露出，还是只用绝缘件将高压电极包裹，只露出被包裹电极端部，其击穿时延平均值均仅约十个微秒，且一致性好。
图9所示为本实例采用电弧调制技术后激波强度与电弧长度、电流峰值对应关系的示意图。随着电弧长度的增加，电流峰值逐渐减低，但激波强度呈现增加的趋势。液电脉冲激波的强度随着注入液电间隙的能量增加而提高，而注入间隙的能量与液电脉冲电弧的阻抗密切相关，电弧阻抗越大，注入能量越大。
为验证此种液电脉冲激波产生的管道清垢与岩层压裂的效果，将此装置室温、常压的大气环境进行初步试验模拟。其中，液电脉冲激波发射器位于油井管道或岩石孔洞的中心位置。采用水泥筒模拟油井管道结构，内部为不锈钢内筒，表面开有直径为20mm的孔，模拟射孔。内同外敷的水泥层厚度为12mm，经过一次液电脉冲激波作用后，作用范围内的堵塞孔100％被疏通。采用外径670mm、内径130mm、高度500mm的岩石样品模拟其对岩层压裂效果。随着放电次数的增加，岩石样品由内向外出现纵向贯穿性的裂痕；经过约20次放电，岩石样品沿着纵向的贯穿性裂痕断裂，达到造缝、破碎岩石的效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于液电脉冲激波的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，包括：地面低压控制装置(100)、置于管道或者岩层孔洞处的液电脉冲激波发射器(300)，以及用于连接所述地面低压控制装置(100)和所述液电脉冲激波发射器(300)的测井电缆(200)；
所述液电脉冲激波发射器(300)包括：沿轴线依次同轴分布的高电压转换单元(301)、高温储能单元(302)、脉冲压缩单元(303)、液电脉冲激波发射单元(304)以及保护单元(305)；
所述高电压转换单元(301)用于将测井电缆传输的低压交流电信号转换为直流高压信号；
所述高温储能单元(302)用于暂时将所述高电压转换单元(301)输出的直流电压能量在较长时间内存储为液电脉冲放电的总电能；
所述脉冲压缩单元(303)用于控制将高温储能单元(302)的能量瞬时施加到液电脉冲激波发射单元；
所述液电脉冲激波发射单元(304)用于通过液电激波放电间隙在高电压作用下击穿，通过脉冲大电流在弱压缩性的放电液体内产生强力激波，并向外传播；所述激波经过聚焦空腔的作用沿设定的聚焦方向辐射，并将激波传递到油气管道内或者岩石孔洞内，接触管道污垢或者使岩石造缝或破裂；
所述保护单元(305)用于保证在管道中运动的同轴性，避免仪器与管壁相碰撞；
所述液电脉冲激波发射单元(304)包括：放电液体(3040)、高压电极(3041)、和低压电极(3042)；
所述高压电极(3041)与所述低压电极(3042)均浸没于所述放电液体(3040)中，且所述高压电极(3041)与所述低压电极(3042)均以几何中轴线为轴心同轴分布，在所述高压电极(3041)与所述低压电极(3042)间的高场强完成间隙击穿并形成电弧(3043)，电弧及空腔(3043)快速膨胀形成脉冲激波向外传播；
所述液电脉冲激波发射单元(304)还包括：绝缘固定件(3044)，套设在所述高压电极(3041)和/或所述低压电极(3042)上，且与所述高压电极(3041)或所述低压电极(3042)同轴分布；
所述高压电极(3041)为包裹有所述绝缘固定件(3044)且露出端部的针状电极。
2.如权利要求1所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，当管道清垢与岩层压裂装置工作于水平方向的油井管道或岩层孔洞时，所述液电脉冲激波发射器(300)还包括：爬行器(306)，用于使所述液电脉冲激波发射器(300)爬入所述油井管道或岩层孔洞内待作业的目标位置。
3.如权利要求1所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，所述脉冲压缩单元(303)包括脉冲压缩开关及其控制回路；脉冲压缩开关可为气体开关、真空触发开关或其它高电压固体开关；控制回路用于输出触发信号使所述脉冲压缩开关迅速导通。
4.如权利要求1所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，所述低压电极(3042)为板状电极。
5.如权利要求1所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，所述低压电极(3042)为针状电极。
6.如权利要求1所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，所述绝缘固定件(3044)与板状低压电极分别按照相同的抛物曲线方程分别加工成为上聚焦腔和下聚焦腔。
7.如权利要求6所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，所述抛物曲线方程为y2＝a(x+b)，y为高压电极的中轴线，x为上聚焦空腔与下聚焦空强的水平对称轴线，a、b为常数。
8.如权利要求5-6任一项所述的管道清垢与岩层压裂装置，其特征在于，所述绝缘固定件(3044)的材料为耐高温、耐腐蚀的高强度绝缘材料，如热缩管、环氧、聚甲醛或聚醚酮材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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