CN108180003B - 金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及脉冲功率技术应用及能源开采技术领域，具体涉及金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，包括以下步骤：采用特定的脉冲功率驱动源驱动不同材质、不同直径、不同长度的金属丝使其发生电爆炸，记录相应的金属丝相变时间、放电电流波形和发射光谱强度；制作不同配方的冲击波负载分别进行水下冲击波实验；采用冲击波探头实测冲击波波形，并与要求的波形比对，确定冲击波比冲能与冲击波负载的对应关系；根据所需的冲击波参数，由冲击波比冲能与冲击波负载的对应关系选择相应的冲击波负载置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，在水下进行驱动，产生可控冲击波。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术应用及能源开采技术领域，具体涉及金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法。
背景技术
目前，全世界的一次能源主要依靠化石能源，非化石能源占一次能源消费的比重仅为15％左右。化石能源的开发需要对储集层岩石进行一定的改造，才能获得工业产量。目前，对储层(煤层)改造增透的唯一技术措施是力学方法，即以静力学或动力学方式在井中给储层施加压力，导致储层破裂以汇聚更多的油气。
以水力压裂为代表的静力学方式用高压水流给储层施加巨大的压力，导致储层以井筒为轴沿最小地应力方向张开对称的一条裂缝汇集百米范围内的油气。但是，水力压裂并不能增大储集层岩石的渗透率，仍需要基于储层本身的渗透率渗流，而且借助于水力改造储层的方法需要向地层注入大量的压裂液，会对地层造成污染。
多年来，已经有高能气体压裂、深孔预裂爆破等措施以动力学冲击波方式对储层进行预裂。以高能气体压裂、深孔预裂爆破等措施沿用了传统的雷管起爆方式，只能整体性、单次作用于储层。如果要提高作用的效果，需要增大装药量以产生更强的冲击波，这将对井(孔)的结构强度有着非常不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有储层改造方法对储层结构的不利影响，而提供了一种金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，在固定脉冲功率驱动源的情况下，实现了冲击波的可控性。
本发明的技术方案是：
金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属丝选择
1.1)采用特定的脉冲功率驱动源驱动不同材质、不同直径、不同长度的金属丝92使其发生电爆炸，记录相应的金属丝相变时间、放电电流波形和发射光谱强度；
1.2)以步骤1.1)获得的放电电流波形形状判断金属丝电爆炸等离子体与脉冲功率驱动源匹配关系，金属丝在放电电流波形突降时发生相变，
若放电电流波形突降时的幅值大于或等于其峰值的50％，并且放电电流波形的振荡周期小于或等于一个周期，则认为匹配关系好，属于有效驱动，对该金属丝执行步骤1.3)；
若放电电流波形突降时的幅值小于其峰值的50％，并且放电电流波形的振荡周期大于一个周期，则认为匹配关系不好，驱动失败，放弃该金属丝；
1.3)根据发射光谱强度越高越容易起爆含能材料的原则，选用发射光谱强度高的金属丝；
(2)冲击波负载制作
2.1)冲击波负载加工
制作圆柱形绝缘外壳，将选好的金属丝沿轴向固定在绝缘外壳中心并穿出绝缘外壳两端，在金属丝和绝缘外壳之间填充不同配方的含能材料，制成不同配方的冲击波负载；
2.2)冲击波负载实验
将不同配方的冲击波负载置于步骤1所确定的脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，对步骤2.1)所制作的不同配方的冲击波负载分别进行水下冲击波实验；
2.3)确定冲击波负载与冲击波参数的对应关系
采用冲击波探头实测冲击波波形，并与要求的波形比对，确定冲击波比冲能与冲击波负载的对应关系。
(3)产生可控冲击波
根据所需的冲击波参数，由步骤2.3)的对应关系选择相应的冲击波负载置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，在水下进行驱动，产生可控冲击波。
进一步地，所述步骤2.1)具体包括以下步骤：
2.1.1)采用绝缘材料制作试管形外壳本体，并在试管形外壳本体的开口端设置端盖；
2.1.2)在端盖、外壳本体封闭端中心开孔，将选好的金属丝穿过开孔并置于外壳本体的中心轴线上，金属丝的两端部伸出开孔0.5mm，然后在金属丝和外本体壳之间填充不同配方的含能材料；
2.1.3)固定金属丝与端盖以及端盖与外壳本体制成冲击波负载。
进一步地，所述步骤2.2)具体包括以下步骤：
2.2.1)准备冲击波实验装置
将不同配方的冲击波负载置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，再将脉冲功率驱动源输出端置于充满水的水箱之中，以控制开关隔离储能电容器，用高压直流电源向储能电容器充电；
2.2.2)进行定能驱动实验：
当储能电容器充电到设定值，停止充电，启动触发器，由触发器启动控制开关工作，储能电容器向冲击波负载输出脉冲大电流，冲击波负载中的金属丝电爆炸所产生的等离子体驱动含能材料反应，在水中产生冲击波。
进一步地，所述步骤2.3)具体包括以下步骤：
2.3.1)将冲击波负载装载到脉冲功率驱动源输出端，置入水箱水面以下，在与冲击波负载同一深度位置安装多个PCB1138冲击波探头，检测所产生冲击波及其衰减规律；
2.3.2)记录不同配方含能材料制成的冲击波负载所产生的冲击波波形；
2.3.3)以PCB1138冲击波探头测得的冲击波波形计算冲击波比冲能，与同等质量的TNT炸药比冲能作比较，若冲击波比冲能大于或等于同等质量TNT炸药比冲能的60％，则该冲击波负载合格；
所述TNT比冲能计算公式为：
其中，ee为TNT比冲击波能(kJ/g)，R为测点距源的距离(m)，W为装药量(kg)，Ke＝0.966kJ/g；
所述冲击波比冲能计算公式为：
其中，ew为测点处的比冲击波能(J·kg-1)，ρw为水的密度(kg·m-3)，Cw为水中声速(m·s-1)，R为测点距源的距离(m)，p(t)为随时间变化的自由场冲击波压力(Pa)，θ为冲击波衰减的时间常数(s)，W为装药量(kg)。
进一步地，所述水箱为圆桶形，水箱的直径大于2m，深度大于1.5m，冲击波负载设在水面50cm以下，PCB1138冲击波探头的敏感点与聚能棒处于同一深度，径向距离聚能棒30-50cm远。
进一步地，所述脉冲功率驱动源的储能为1.5kJ，额定工作电压30kV，输出脉冲电流30kA以上。
进一步地，所述金属丝材质为：钨、钽、铝或铜材，长度60-120mm，直径小于0.5mm。
进一步地，所述含能材料为纯净物或混合物，所述纯净物为硝酸铵、黑索金、奥克托今、六硝基芪、六硝基六氮杂异伍兹烷；所述混合物为高氯酸铵+铝粉、高氯酸钾+铝粉、过氧化钡+铝粉，或者三氧化二铁+铝粉，且所述混合物的配方设计原则为零氧平衡。
进一步地，所述含能材料的填充密度为1.0-1.4g/cm3。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、采用特定的脉冲功率驱动源驱动不同材质、不同直径、不同长度的金属丝电爆炸，根据电流波形和发射光谱选出有效驱动的金属丝材质、直径和长度，填充不同含能材料加工成冲击波负载进行驱动实验并计算能量效率，可以同时得出金属丝、含能材料与冲击波参数的对应关系，在实际过程中仅需根据能量需求选取合适的聚能棒，即可产生单次可控冲击波。
2、金属丝电爆炸等离子体驱动含能材料产生冲击波的方法要求应用在水中，脉冲功率驱动源的体积、重量、储能和结构都受到了严格限制，脉冲功率驱动源工作参数与金属丝材质、长度、丝径以及含能材料严格匹配后，可以提高脉冲功率驱动源储能转换为等离子体能量的效率，缩小脉冲功率源的体积。
附图说明
图1为本发明实施例中脉冲功率驱动源的结构框图；
图2为本发明实施例中验证筛选装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中有效驱动的金属丝电爆炸图；
图4为本发明实施例中驱动失败的金属丝电爆炸图；
图5为本发明实施例中易起爆含能材料的金属丝发射光谱；
图6为本发明实施例中难起爆含能材料的金属丝发射光谱；
图7为本发明实施例中冲击波负载的结构示意图；
图8为金属丝电爆炸驱动黑索金产生的冲击波波形；
图9为金属丝电爆炸驱动奥克托今产生的冲击波波形；
图10为金属丝电爆炸驱动CL-20产生的冲击波波形。
图中：1-高压直流电源，2-储能电容器，3-控制开关，4-触发器，5-输出电缆，6-冲击波负载支架；7-电容分压器，8-冲击波探头，9-冲击波负载，91-绝缘外壳，92-金属丝，93-含能材料，911-外壳本体，912-端盖，913-开孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1和图2所示，脉冲功率驱动源包括高压直流电源1、储能电容器2、控制开关3、触发器4、输出电缆5和输出端的冲击波负载支架6，脉冲功率驱动源的储能为1.5kJ，额定工作电压30kV，输出脉冲电流30kA以上，触发器4输出触发脉冲电压80kV，同轴型负载上集成电容分压器7，分压比3000：1，脉冲电流传感器，灵敏度1kA/V。
(1)金属丝选择
1.1)将不同材质的金属丝92置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，以控制开关3隔离储能电容器2，以高压直流电源1向储能电容器2充电；当储能电容器2充电到实验设定值，停止充电；
启动触发器4，由触发器4启动控制开关3工作，将储能电容器2的高压端通过输出电缆5连接到金属丝92，向金属丝92输出脉冲大电流，使其发生电爆炸，记录相应的金属丝相变时间、放电电流波形和发射光谱强度；
1.2)以步骤1.1)获得的放电电流波形形状判断金属丝92电爆炸等离子体与脉冲功率驱动源匹配关系，金属丝92在放电电流波形突降时发生相变，
如图3所示，若放电电流波形突降时的幅值大于或等于其峰值的50％，并且放电电流波形的振荡周期小于或等于一个周期，则认为匹配关系好，属于有效驱动，对该金属丝执行步骤1.3)；
如图4所示，若放电电流波形突降时的幅值小于其峰值的50％，并且放电电流波形的振荡周期大于一个周期，则认为匹配关系不好，驱动失败，放弃该金属丝；
1.3)根据发射光谱强度越高越容易起爆含能材料的原则，如图5所示，选用发射光谱强度高的金属丝92；如图6所示，放弃光谱强度低的金属丝92；
(2)冲击波负载制作
2.1)冲击波负载加工
制作圆柱形绝缘外壳91，将选好的金属丝92沿轴向固定在绝缘外壳91中心并穿出绝缘外壳91两端，在金属丝92和绝缘外壳91之间填充不同配方的含能材料93，制成不同配方的冲击波负载9；
2.1.1)采用绝缘材料制作试管形外壳本体911，并在试管形外壳本体911的开口端设置端盖912；
2.1.2)在端盖912、试管形外壳本体911封闭端中心开孔，将选好的金属丝92穿过开孔913并置于外壳本体911的中心轴线上，金属丝92的两端部伸出开孔0.5mm，然后在金属丝92和外壳本体911之间填充不同配方的含能材料93；
2.1.3)固定金属丝92与端盖912以及端盖912与外壳本体911制成如图7所示冲击波负载9。
2.2)冲击波负载实验
将不同配方的冲击波负载9置于步骤1)所确定的脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，对步骤2.1)所制作的不同配方的冲击波负载9分别进行水下冲击波实验；
2.2.1)准备冲击波实验装置
将不同配方的冲击波负载9置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，再将脉冲功率驱动源输出端置于充满水的水箱之中，以控制开关4隔离储能电容器2，用高压直流电源1向储能电容器2充电；
2.2.2)进行定能驱动实验：
当储能电容器2充电到设定值，停止充电，启动触发器3，由触发器3启动控制开关4工作，储能电容器2向冲击波负载9输出脉冲大电流，冲击波负载9中的金属丝92电爆炸所产生的等离子体驱动含能材料93反应，在水中产生冲击波。
如图2所示，验证筛选装置在冲击波实验装置的基础上加装冲击波测量探头8和记录示波器，在特定脉冲功率驱动源下，确定冲击波负载与冲击波参数的对应关系。
2.3)确定冲击波负载与冲击波参数的对应关系
采用冲击波探头8实测冲击波波形，并与要求的波形比对，确定冲击波比冲能与冲击波负载的对应关系。
2.3.1)将冲击波负载9装载到脉冲功率驱动源输出端，置入水箱水面以下，在与冲击波负载9同一深度位置安装多个PCB1138冲击波探头8，检测所产生冲击波及其衰减规律；
2.3.2)记录不同配方含能材料制成的冲击波负载9所产生的冲击波波形和脉冲功率源输出的电流波形；
2.3.3)以PCB1138冲击波探头8测得的冲击波波形计算冲击波比冲能，与同等质量的TNT炸药比冲能作比较，若冲击波比冲能大于或等于同等质量TNT炸药比冲能的60％，则该冲击波负载合格；
所述TNT比冲能计算公式为：
其中，ee为TNT比冲击波能(kJ/g)，R为测点距源的距离(m)，W为装药量(kg)，Ke＝0.966kJ/g；6克TNT炸药在53cm处产生的比冲能为0.84kJ/g。
冲击波比冲能计算公式为：
其中，ew为测点处的比冲击波能(J·kg-1)，ρw为水的密度(kg·m-3)，Cw为水中声速(m·s-1)，R为测点距源的距离(m)，p(t)为随时间变化的自由场冲击波压力(Pa)，θ为冲击波衰减的时间常数(s)，W为装药量(kg)。
(3)产生可控冲击波
3.1)根据所需的冲击波参数，由冲击波比冲能与冲击波负载的对应关系选择相应的冲击波负载置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，再将脉冲功率驱动源输出端置于充满水的水箱之中，以控制开关4隔离储能电容器2，用高压直流电源1向储能电容器2充电；
3.2)进行驱动实验：
当储能电容器2充电到设定值，停止充电，则储能电容器2中的储能量确定，启动触发器3，由触发器3启动控制开关4工作，储能电容器2向冲击波负载9输出脉冲大电流，冲击波负载9中的金属丝92电爆炸所产生的等离子体驱动含能材料93在水中产生冲击波。
所述水箱为空心圆柱形，水箱的直径大于2m，深度为1.5m冲击波负载设在水面50cm以下，PCB1138冲击波探头的敏感点与冲击波负载处于同一深度，径向距离冲击波负载30-50cm远。
所述金属丝材质为：钨、钽、铝或铜材，长度60-120mm，直径小于0.5mm。所述含能材料为纯净物或混合物，所述纯净物为硝酸铵、黑索金奥克托今、六硝基芪、六硝基六氮杂异伍兹烷；所述混合物为高氯酸铵+铝粉、高氯酸钾+铝粉、过氧化钡+铝粉或三氧化二铁+铝粉，且所述混合物的配方设计原则为零氧平衡。含能材料的填充密度为1.0-1.4g/cm3。
利用本发明的方法可以得到冲击波负载参数-冲击波参数匹配数据关系，表1仅列举了3种常用钽丝和不同含能材料配方冲击波负载的对应关系。
Claims (9)
1.金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属丝选择
1.1)采用特定的脉冲功率驱动源驱动不同材质、不同直径、不同长度的金属丝使其发生电爆炸，记录相应的金属丝相变时间、放电电流波形和发射光谱强度；
1.2)以步骤1.1)获得的放电电流波形形状判断金属丝电爆炸等离子体与脉冲功率驱动源匹配关系，金属丝在放电电流波形突降时发生相变，
若放电电流波形突降时的幅值大于或等于其峰值的50％，并且放电电流波形的振荡周期小于或等于一个周期，则认为匹配关系好，属于有效驱动，对该金属丝执行步骤1.3)；
若放电电流波形突降时的幅值小于其峰值的50％，并且放电电流波形的振荡周期大于一个周期，则认为匹配关系不好，驱动失败，放弃该金属丝；
1.3)根据发射光谱强度越高越容易起爆含能材料的原则，选用发射光谱强度高的金属丝；
(2)冲击波负载制作
2.1)冲击波负载加工
制作圆柱形绝缘外壳，将选好的金属丝沿轴向固定在绝缘外壳中心并穿出绝缘外壳两端，在金属丝和绝缘外壳之间填充不同配方的含能材料，制成不同配方的冲击波负载；
2.2)冲击波负载实验
将不同配方的冲击波负载置于步骤1)所确定的脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，对步骤2.1)所制作的不同配方的冲击波负载分别进行水下冲击波实验；
2.3)确定冲击波负载与冲击波参数的对应关系
采用冲击波探头实测冲击波波形，并与要求的波形比对，确定冲击波比冲能与冲击波负载的对应关系；
(3)产生可控冲击波
根据所需的冲击波参数，由步骤2.3)的对应关系选择相应的冲击波负载置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，在水下进行驱动，产生可控冲击波。
2.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述步骤2.1)具体包括以下步骤：
2.1.1)采用绝缘材料制作试管形外壳本体，并在试管形外壳本体的开口端设置端盖；
2.1.2)在端盖、试管形外壳本体封闭端中心开孔，将选好的金属丝穿过开孔并置于外壳本体的中心轴线上，金属丝的两端部伸出孔口0.5mm，然后在金属丝和外壳本体之间填充不同配方的含能材料；
2.1.3)固定金属丝与端盖以及端盖与外壳本体制成冲击波负载。
3.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述步骤2.2)具体包括以下步骤：
2.2.1)准备冲击波实验装置
将不同配方的冲击波负载置于脉冲功率驱动源输出端的高低压电极之间，再将脉冲功率驱动源输出端置于充满水的水箱之中，以控制开关隔离储能电容器，用高压直流电源向储能电容器充电；
2.2.2)进行定能驱动实验：
当储能电容器充电到设定值，停止充电，启动触发器，由触发器启动控制开关工作，储能电容器向冲击波负载输出脉冲大电流，冲击波负载中的金属丝电爆炸所产生的等离子体驱动含能材料反应，在水中产生冲击波。
4.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述步骤2.3)具体包括以下步骤：
2.3.1)将冲击波负载装载到脉冲功率驱动源输出端，置入水箱水面以下，在与冲击波负载同一深度位置安装多个PCB1138冲击波探头，检测所产生冲击波及其衰减规律；
2.3.2)记录不同配方含能材料制成的冲击波负载所产生的冲击波波形和脉冲功率源输出的电流波形；
2.3.3)以PCB1138冲击波探头测得的冲击波波形计算冲击波比冲能，与同等质量的TNT炸药比冲能作比较，若冲击波比冲能大于或等于同等质量TNT炸药比冲能的60％，则该冲击波负载合格；
所述TNT比冲能计算公式为：
其中，ee为TNT比冲击波能(kJ/g)，R为测点距源的距离(m)，W为装药量(kg)，Ke＝0.966kJ/g；
所述冲击波比冲能计算公式为：
其中，ew为测点处的比冲击波能(J·kg-1)，ρw为水的密度(kg·m-3)，Cw为水中声速(m·s-1)，R为测点距源的距离(m)，p(t)为随时间变化的自由场冲击波压力(Pa)，θ为冲击波衰减的时间常数(s)，W为装药量(kg)。
5.根据权利要求3或4所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述水箱为圆桶形，水箱的直径大于2m，深度大于1.5m，冲击波负载设在水面50cm以下，冲击波探头的敏感点与聚能棒处于同一深度，径向距离聚能棒30-50cm远。
6.根据权利要求1-4任一所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述脉冲功率驱动源的储能为1.5kJ，额定工作电压30kV，输出脉冲电流30kA以上。
7.根据权利要求6所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述金属丝材质为：钨、钽、铝或铜材，长度60-120mm，直径小于0.5mm。
8.根据权利要求7所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述含能材料为纯净物或混合物，所述纯净物为硝酸铵、黑索金、奥克托今、六硝基芪或六硝基六氮杂异伍兹烷；所述混合物为高氯酸铵+铝粉、高氯酸钾+铝粉、过氧化钡+铝粉，或者三氧化二铁+铝粉，且所述混合物的配方设计原则为零氧平衡。
9.根据权利要求8所述的金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法，其特征在于：所述含能材料的填充密度为1.0-1.4g/cm3。
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