CN109973052A - 一种多级储能可控冲击波产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级储能可控冲击波产生装置，包括控制器、储能单元和负载，所述储能单元包括直流储能单元和脉冲储能单元，以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波的能量转换器，以及用于控制设备的运行并为设备提供电源的控制器。本发明有效解决油气井中的大斜度井、水平井和海上油水井在不起管柱的情况下，以连续油管作为中间储能电容器，并通过水间隙放电器产生的冲击波直接在管柱中实施储层解堵，达到储层解堵的作用。

Description

一种多级储能可控冲击波产生装置

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体为一种多级储能可控冲击波产生装置。

背景技术

当前，国内几乎所有的油气储层都要进行改造才能获得工业产量，其主要原因是油气储层在抽采中容易因渗流形成通道的堵塞。为解决储层堵塞的问题，国内外相继发展了多种技术和方法，其中，重复脉冲冲击波解堵技术就是一种跨学科、多行业交叉的油气储层解堵新方法，又名电脉冲、电爆震和低频振荡等等，俄罗斯德的瓦斯公司则将其称为等离子体脉冲谐振。重复脉冲冲击波解堵技术的物理思想是以水中高压放电产生冲击波，利用冲击波作用于储层，从而实现油气储层的解堵。传统上，水中高压放电均是采用初级电源向储能电容器充电，储能电容器直接对水间隙放电的模式。根据储能方式的不同，冲击波产生设备有地面储能方式和地下储能方式的不同。典型的地面储能方式有如河南油田研制的地面储能设备，通过特制的高压电缆将储能电容器连接到井下水间隙负载，实现在储层位置实施高压放电，这种储能方式的特点是在地面实现大容量储能、在井下放电，但是因为放电电流巨大，电能利用效率太低，当传输电缆超过500米以上时，电能传输效率不足5%。典型的地下储能方式采用同轴式高压直流（初级）电源和同轴式储能电容器，实现在井下对储能电容器的充电和水间隙负载的放电，其电能传输效率得到极大提高。但是，其缺点是储能电容器和高压直流（初级）电源的体积、结构和尺寸受到油气井筒的限制，储能量小。近年来，针对大斜度井、水平井、海上油水井的储层解堵需求明显增加。但是这些油气井的起管柱费用昂贵，现有的重复脉冲冲击波解堵技术无法实施，因此，急需一种能够在管柱中下到储层位置的冲击波源，实现不动管柱条件下的冲击波解堵作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级储能可控冲击波产生装置，具备了在管柱中下到储层位置的冲击波源，实现不动管柱条件下的冲击波解堵作业的优点，解决了现有的重复脉冲冲击波解堵技术无法实施的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多级储能可控冲击波产生装置，包括控制器、储能单元和负载，储能单元包括直流储能单元和脉冲储能单元，所述脉冲储能单元为同轴连接器，同轴连接器外层为连续油管或者管柱，同轴连接器内层为内导体，内导体和连续油管或者管柱之间设有绝缘层。

本发明中，控制器用于控制设备的运行并为设备提供电源，包括电源和启停组件，启停组件包括承担设备的启动和停止的开关和显示井下设备的工作状态的显示屏。

本发明中的负载是能量转换器，以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波。

具体的，本发明的同轴连接器外层为连续油管，连续油管和内导体之间设有绝缘支撑，绝缘层和连续油管之间设有液体层。

或者具体的，本发明中的同轴连接器外层由若干个管柱连接而成，内导体由若干个多级内导体连接而成，多级内导体一端设有公护套，多级内导体另外一端设有母护套，公护套和母护套之间设有大电流无感连接器。

本发明中的大电流无感连接器两端设有圆盘形电极板，圆盘形电极板之间通过弹簧连接，弹簧中心设有金属软线，金属软线两端分别和两个圆盘形电极板连接。

本发明中的能量转换器包括地电极和高压电极，高压电极外部设有高压绝缘子，高压绝缘子外部设有管柱，地电极和管柱连接，高压电极和内导体电性连接，高压电极和地电极四周的管柱上设有冲击波输出窗口。

优选的，本发明中高压电极通过三根筋与管柱连接。

本发明中，直流储能单元包括初级储能电容器和开关，开关为自击穿气体火花开关，自击穿气体火花开关内部设有左电极和右电极，左电极外侧设有第一绝缘子，右电极外部设有第二绝缘子，第一绝缘子和第二绝缘子外设有外壳。

本发明中电源为高压恒流电源。

本发明中的同轴连接器外导体是连续油管或者管柱。

本发明由连续油管或管柱改造成的脉冲储能电容器的直径根据连续油管或者管柱的直径确定。

采用连续油管设计脉冲储能电容器时，设备可以实现不动管柱的作业，在距设备中心轴70mm处，自由场的冲击波主脉冲幅值大于100MPa，冲击波底脉宽大于50μs。

本发明所输出的冲击波幅值大于储层的抗压强度，而小于井筒钢材的抗压强度。

本发明能够通过脉冲储能单元的反复充电连续、重复产生冲击波。

本发明所述的整体设备工作于水中，在静水压30MPa以上的水中产生冲击波。

本发明采用地面直流储能单元和井下脉冲储能单元两级串联，直流储能单元也是初级储能单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用连续油管作为脉冲储能单元，则可以通过增加连续油管的长度而增加脉冲储能电容器的电容量，使得冲击波产生器的储能量提高到8kJ以上。

本发明中的初级储能单元采用脉冲电容器，利用高压恒流电源和自击穿气体火花开关控制整个装置运行，控制器和初级储能单元设置于地面或海上平台。高压直流电源对工频220/380V电源升压整流到30kV，再向初级储能电容器充电。因无井筒空间的限制，在地面或海上平台可以采用多种结构的初级储能电容器。

本发明的脉冲储能单元采用油管和自制内导体构成脉冲储能电容器，配合能量转换器产生冲击波。用油管的脉冲储能电容器的一个电极板，其结构为同轴型，其电容量既取决于油管和内导体半径，也取决于绝缘介质的介电常数、厚度和连续油管的长度。

本发明可以有效解决油气井中的大斜度井、水平井和海上油水井在不起管柱的情况下，以连续油管作为中间储能电容器，并通过水间隙放电器产生的冲击波直接在管柱中实施储层解堵，达到储层解堵的作用。

附图说明

图1为本发明多级储能式冲击波产生器原理图；

图2为本发明脉冲储能单元径向截面图；

图3为本发明带多级内导体的管柱截面图；

图4为本发明大电流无感连接器结构示意图；

图5为本发明自击穿气体火花开关结构图；

图6为本发明能量转换器结构图。

图1-6中：1-脉冲储能单元、2-能量转换器、3-控制器、4-管柱、5-绝缘层、6-内导体、7-支撑体、8-大电流无感连接器、9-弹簧、10-圆板型电极、11-金属软线、12-左电极、13-右电极、14-第一绝缘子、15-第二绝缘子、16-外壳、17-地电极、18-高压电极、19-冲击波输出窗口、20-高压绝缘子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中及附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中能量转换器2、控制器3、管柱4、内导体6、弹簧9、10-圆板型电极、金属软线11、左电极12、右电极13、第一绝缘子14、第二绝缘子15、外壳16、地电极17、高压电极18、高压绝缘子20都可通过普通市场途径采购获得。

实施例一：

本发明提供了一种多级储能可控冲击波产生装置，包括控制器3、储能单元和负载，储能单元包括直流储能单元和脉冲储能单元1，所述脉冲储能单元1为同轴连接器，同轴连接器外层为连续油管，同轴连接器内层为内导体6，内导体6和连续油管之间设有绝缘层5。

本发明中，控制器3用于控制设备的运行并为设备提供电源，包括电源和启停组件，启停组件包括承担设备的启动和停止的开关和显示井下设备的工作状态的显示屏。

具体的，本发明的同轴连接器外层为连续油管，连续油管和内导体6之间设有绝缘支撑7和绝缘层5，绝缘层5和连续油管之间设有液体层。

本发明中的负载是能量转换器2，以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波。

本发明由连续油管或管柱4改造成的脉冲储能电容器的直径根据连续油管的直径确定。

本发明中的能量转换器2包括地电极17和高压电极18，高压电极18外部设有高压绝缘子20，高压绝缘子20外部设有管柱4，地电极17和管柱4连接，高压电极18和内导体6电性连接，高压电极18和地电极17四周的管柱上设有冲击波输出窗口19。

优选的，本发明中高压电极18通过三根筋与管柱连接。

本发明中，直流储能单元包括初级储能电容器和开关，如说明书附图5所示，开关为自击穿气体火花开关，自击穿气体火花开关内部设有左电极12和右电极13，左电极12外侧设有第一绝缘子14，右电极13外部设有第二绝缘子15，第一绝缘子14和第二绝缘子15外设有外壳16，其中第一绝缘子14和第二绝缘子15要采用耐受150℃的高温绝缘材料。

本发明中电源为高压恒流电源。

实施例二：

本发明采用地面直流储能单元和井下脉冲储能单元两级串联，直流储能单元也是初级储能单元。如说明书附图1所示，高压直流电源、初级（直流）储能电容器和开关置于地面或海上平台；高压直流电源对工频220/380V电源升压整流到30kV，再向初级储能电容器充电；因无井筒空间的限制，在地面或海上平台可以采用多种结构的初级储能电容器。

本发明中的同轴连接器外层由若干个管柱4连接而成，内导体6由若干个多级内导体连接而成，多级内导体一端设有公护套，多级内导体另外一端设有母护套，公护套和母护套之间设有大电流无感连接器8，实现两根管柱4连接。如说明书附图2所示，管柱4、绝缘层5和内导体6构成脉冲储能电容器，以管柱4构成的脉冲储能电容器，其结构为同轴型，其电容量既取决于管柱4和内导体6半径、绝缘层5的介电常数和厚度、连续管柱4的长度，带绝缘层5的内导体6在两段由支撑体7和同轴支撑，管柱4与内导体6的间隙可以过水；采用如图3所示的管柱4改制脉冲储能电容器时，两根管柱4由如图4所示的大电流无感连接器8连接；大电流无感连接器由弹簧9、两端圆板型电极10和中间金属软线11组成；圆板型电极10由金属软线11穿过弹簧9连接；弹簧9将两段的圆板型电极10与两侧钻杆的内导体6顶紧实现电连接。

具体的，本发明的管柱4为连续管柱，管柱4和内导体6之间设有绝缘支撑体7，绝缘层5和管柱4之间设有液体层。

本发明中的管柱是油管或者钻杆。

如说明书附图6，地电极17与外壳16连接，在高压电极18与地电极的间隙区域，豁开外壳体，形成冲击波输出窗口19，高压绝缘子20将高压电极支撑在外壳体上。采用连续管柱4改制脉冲储能电容器时，设计半径为20mm，绝缘层5的厚度为1mm的内导体6，穿入内径为30mm的1.75in多级管柱4中，形成一个同轴型电容器。经计算，该多级油管式脉冲储能电容器的单位电容量为1.46nF/m，采用4000米长度的多级管柱4时，总电容量为5.83μF；以18μF的初级储能电容器向5.83μF的脉冲储能电容器充电，当初级储能电容器充电电压为30kV时，脉冲储能电容器的充电电压为45kV，则脉冲储能电容器的储能为5.9kJ。

工作原理：本发明一种多级储能可控冲击波产生装置使用时，启动高压恒流电源向初级储能单元，也就是初级储能电容器充电，充电电压由自击穿气体火花开关设定。当初级储能电容器充电到自击穿气体火花开关的设定值后，自击穿气体火花开关接通。初级储能电容器通过自击穿气体火花开关向由管柱4构成的脉冲储能电容器脉冲充电，充电电压由能量转换器2设定。当脉冲储能电容器充电到能量转换器2的设定值时，能量转换器2将脉冲储能电容器的地电极17连接到水间隙放电器的高压电极18上。当脉冲高电压加载到水间隙放电器的高压电极18与地电极17的间隙上，导致水间隙击穿形成短路放电，强大的放电电流加热间隙间的水，并电离间隙中的水介质产生冲击波穿透套管作用于储层。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多级储能可控冲击波产生装置，包括控制器、储能单元和负载，其特征在于，所述储能单元包括直流储能单元和脉冲储能单元，所述脉冲储能单元为同轴连接器，同轴连接器外层为连续油管或者管柱，同轴连接器内层为内导体，内导体和连续油管或者管柱之间设有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述控制器包括电源和启停组件。

3.根据权利要求1所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述负载是能量转换器。

4.根据权利要求1所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述同轴连接器外层为连续油管，连续油管和内导体之间设有绝缘支撑，绝缘层和连续油管之间设有液体层。

5.根据权利要求1所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述同轴连接器外层由若干个管柱连接而成，内导体由若干个多级内导体连接而成，多级内导体一端设有公护套，多级内导体另外一端设有母护套，公护套和母护套之间设有大电流无感连接器。

6.根据权利要求5所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述大电流无感连接器两端设有圆盘形电极板，圆盘形电极板之间通过弹簧连接，弹簧中心设有金属软线，金属软线两端分别和两个圆盘形电极板连接。

7.根据权利要求3所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述能量转换器包括地电极和高压电极，高压电极外部设有高压绝缘子，高压绝缘子外部设有管柱，地电极和管柱连接，高压电极和内导体电性连接，高压电极和地电极四周的管柱上设有冲击波输出窗口。

8.根据权利要求7所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述高压电极通过三根筋与管柱连接。

9.根据权利要求1或2所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述直流储能单元包括开关和初级储能电容器，开关为自击穿气体火花开关，自击穿气体火花开关内部设有左电极和右电极，左电极外侧设有第一绝缘子，右电极外部设有第二绝缘子，第一绝缘子和第二绝缘子外设有外壳。

10.根据权利要求2所述的一种多级储能可控冲击波产生装置，其特征在于，所述电源为高压恒流电源。