CN112483000A - 一种水平入孔式高功率冲击波发生装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平入孔式高功率冲击波发生装置和方法，电池直流电经逆变器逆变成工频电，工频电经变压器升压为高压电，高压电经整流后成为高压直流电向储能电容器充电，储能电容器的电压达到额定电压后，可控气体开关击穿导通，向能量转换器发出一个脉冲高压大电流，脉冲高压大电流驱动能量转换器中的电极发生电爆炸或电化学爆炸，在水中激发出高功率冲击波，高功率冲击波透过井筒筛管或套管射孔作用于储层，在有效作用半径内可以解堵、造缝，沟通和延伸原有裂缝，从而达到改造储层的目的。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率领域，具体的说是一种水平入孔式高功率冲击波发生装置和方法。
背景技术
密集钻孔、深孔预裂爆破、二氧化碳爆破、水力喷射切割等技术是目前煤矿瓦斯抽采的主要方法。密集钻孔法以增大单位面积钻孔数量提高瓦斯抽采量，操作工艺简单，但工期长、钻孔及管线成本高，在低渗储层效果不理想。深孔预裂爆炸法在一个或数个钻孔中，逐孔或隔孔安置炸药（火药）柱，同时起爆，一次性对整个实施区域进行增透，能提高瓦斯抽采效果，但安全性差、处理深度短（处理孔深不超过60米）、不能重复使用。二氧化碳爆破法用液态二氧化碳代替炸药，一次性对整个实施区域进行增透，能提高瓦斯抽采效果，但同样存在安全性差、处理深度短（处理孔深不超过60米）、不能重复使用等不足。水力喷射切割法以高压水射流切割煤层，以增大储层暴露面积、扩大卸压范围为主要目的，同时能够促进瓦斯解吸，贯通储层裂隙，其缺点是设备复杂、高压水作业安全性差、水资源消耗大、污染地下水、不能深孔作业。
本技术以小当量重复脉冲冲击波的形式作用于储层，一次仅对瓦斯孔的一小段进行作业，通过移动设备实现整个瓦斯孔的作业，通过调整当量和作业次数可保护孔壁、不伤害储层，能够对任何深度的瓦斯孔进行作业，可对同一瓦斯孔进行重复作业，具有节能、环保、安全、作业时间短、抽采效率高、抽采效果最好、综合成本低等优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对传统瓦斯抽采方法的缺点，提出了一种水平入孔式高功率冲击波发生装置和方法,提高冲击效率和效果。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，包括作用于瓦斯孔口的封堵器、推进机构、控制器、冲击波发生器和若干数量的空心通缆钢管，所述封堵器包括法兰、注水孔、压力表、阀门，所述冲击波发生器由低压电源、直流高压电源、可控气体开关、储能电容器、能量转换器依次组成；
所述若干根空心通缆钢管可依次连接，其中一根空心通缆钢管的头端与冲击波发生器连接，推进机构驱动空心通缆钢管的移动，将瓦斯孔内的冲击波发生器送至预定作业点；
所述控制器通过设置在空心通缆钢管内的电缆向冲击波发生器发出工作指令。
进一步地，所述低压电源包括可充电电池和逆变器，逆变器将可充电电池的低压直流电逆变为220V/50Hz的交流电。
进一步地，所述直流高压电源包括升压变压器和整流器，所述升压变压器将220V/50Hz的交流电升压为额定的高压交流电，所述整流器将高压交流电整流为高压直流电，所述直流高压电源向所述储能电容器充电。
进一步地，所述可控气体开关由直流步进电机、可移动的高压电极和固定的地电极组成，高压电极与直流步进电机的丝杠相连，可在直流步进电机的控制下在一定的行程内做往复运动。
进一步地，所述能量转换器由换能窗口、电极仓和送电极机构组成，换能窗口包括一根电极，电极仓内储藏有若干个电极，送电极机构通过控制器的控制，将电极仓内电极向换能窗口推送出新的电极。
进一步地，所述电极为一根长度为60－100mm的金属丝，或者由该金属丝外包敷硝酸铵和铝粉按一定的比例混合而成的混合物。
进一步地，所述冲击波发生器的头端为管螺纹结构，其中一根与该处螺纹结构相互配合的空心通缆钢管上开有若干处错开设置的条形通孔。
进一步地，所述推进机构为丝杠传动机构，丝杠传动机构包括作用于空心通缆钢管轴端的传动座。
本发明还提供一种水平入孔式高功率冲击波的方法，包括以下步骤：
S1:依次将低压电源、直流高压电源、可控气体开关、储能电容器、能量转换器组装成冲击波发生器；
S2:冲击波发生器头端与一根带有条形通孔的空心通缆钢管螺纹连接，并将冲击波发生器推入瓦斯孔内，且空心通缆钢管的一部分露出在瓦斯孔外；
S3:瓦斯孔外的空心通缆钢管可以依次连接，并通过推进机构驱动空心通缆钢管的移动，将瓦斯孔内的冲击波发生器送至预定作业点；
S4:用封堵器封闭瓦斯孔口，打开封堵器上的阀门，注入淡水使作业点位置压力保持0.1～0.5MPa左右；
S5：启动控制器，通过空心通缆钢管内的电缆，将信号传输给冲击波发生器，低压电源向高压电源供电，高压电源向储能电容器充电，储能电容器的电压上升到额定电压后，直流步进电机驱动可控气体开关的高压电极向地电极移动，可控气体开关被击穿导通，储能电容器向能量转换器发出高压脉冲电流，高压脉冲电流激发电极发生爆炸，在水中激发出能量高达4.5～15kJ的冲击波；
S6:重复步骤S5，直到该作业点完成预定的冲击波次数，完成一个点的作业后，通过推进机构将冲击波发生器往外拉至相邻的作业点，并且拆卸多余的空心通缆钢管。
进一步地，所述步骤S4还可以是如下步骤：
S41：用封堵器封闭瓦斯孔口，关闭封堵器上的阀门，淡水从空心通缆钢管内注入，并从空心通缆钢管上的条形通孔排出，注满淡水使作业点位置压力保持0.1～0.5MPa左右。
本发明有益效果如下：
1.能量转换器以电极爆炸产生高功率冲击波，冲击波的峰值功率高，能量和功率可控，安全性好。
2.装置一次入孔可以重复产生50－3000个高功率冲击波，作业效率高，对储层的改造效果好。
3.以可充电电池和逆变器组成的低压电源代替孔外高压供电，极大地提高了作业的安全性和操作的便捷性。
4.冲击波发生器通过空心通缆钢管在推进机构作用下，使其在瓦斯孔内移动，极大了减少了劳动强度，降低了作业成本。
5.通过增加、减少空心通缆钢管的数量，可以实现不同深度瓦斯孔的作业。
附图说明
图1为本发明的水平入孔式高功率冲击波发生装置结构示意图；
图2为本发明煤矿瓦斯孔现场作业示意图；
图3为本发明低压电源的结构示意图；
图4为本发明高压电源的结构示意图；
图5为本发明可控气体开关的结构示意图
图6为本发明储能电容器的结构示意图；
图7为本发明能量转换器的结构示意图；
图中：1-冲击波发生器，2-空心通缆钢管，3-控制器，4-推进机构，5-封堵器，11-低压电源,12-直流高压电源，13-可控气体开关，14-储能电容器，15-能量转换器，111-可充电电池，112-逆变器，121-升压变压器，122-整流器，131-直流步进电机，132-高压电极，133-地电极，151-换能窗口，152-电极仓，153-送电极机构，154-电极。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1至7所示一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，包括作用于瓦斯孔口的封堵器5、推进机构4、控制器3、冲击波发生器1和若干数量的空心通缆钢管2，所述封堵器5包括法兰、注水孔、压力表、阀门，其中冲击波发生器1由低压电源11、直流高压电源12、可控气体开关13、储能电容器14、能量转换器15依次组成，低压电源11和能量转换器15一端设有螺纹结构，直流高压电源12、可控气体开关13和储能电容器14两端均设有螺纹结构，依次通过螺纹连接成一个整体，且各个部分的外径相同。
若干根空心通缆钢管2可依次连接，其中一根空心通缆钢管2的头端与冲击波发生器1连接，推进机构4驱动空心通缆钢管2的移动，将瓦斯孔内的冲击波发生器1送至预定作业点，空心通缆钢管2为无缝钢管，钢管外径50mm，壁厚3-4mm，每根长度1.5m-2.5m，空心通缆钢管2两端设有管连接螺纹。空心通缆钢管2轴心位置安装有多芯电缆，电缆长度略长于钢管长度，电缆两端为防水接口，电缆两端分别连接控制器3和冲击波发生器1。
控制器3通过设置在空心通缆钢管2内的电缆向冲击波发生器1发出工作指令并接收反馈的冲击波信号，空心通缆钢管2内的电缆用于传输控制信号，推进机构4通过空心通缆钢管2将冲击波发生器1送至预定作业点，水下冲击波发生器1用于产生高功率冲击波。
低压电源11包括可充电电池111和逆变器112，逆变器112将可充电电池111的低压直流电逆变为220V/50Hz的交流电，可充电电池111向水下冲击波发生器1提供产生冲击波所需的全部电能，逆变器112将可充电电池111的低压直流电逆变为220V的工频电并输出给直流高压电源12。
直流高压电源12包括升压变压器121和整流器122，升压变压器121将220V/50Hz的交流电升压为额定的高压交流电，整流器122将高压交流电整流为高压直流电，整流器122将高压交流电整流为高压直流电并向储能电容器14充电。
可控气体开关13由直流步进电机131、可移动的高压电极132和固定的地电极133组成，高压电极132与直流步进电机131的丝杠相连，可在直流步进电机131的控制下在一定的行程内做往复运动，当储能电容器14充电到额定的放电电压时，直流步进电机131驱动高压电极132向地电极133移动直到两个电极接触，从而使可控气体开关13击穿导通，储能电容器14通过可控气体开关13向能量转换器15放电，向能量转换器15发出一个高压电脉冲，储能电容器14放电结束后，直流步进电131驱动高压电极132回复原位，直流高压电源12再次向储能电容器14充电，此过程循环往复，直到冲击波作业结束。
能量转换器15由换能窗口151、电极仓152和送电极机构153组成，换能窗口151包括一根电极154，电极仓152内储藏有若干个电极154，送电极机构153通过控制器3的控制，将电极仓152内电极154向换能窗口151推送出新的电极154，其中储能电容器14的输出端、可控气体开关13的两处电极和能量转换器15的高压端的轴心在同一条直线上，以减少放电回路的电感。
上述电极154为一根长度为60－100mm的金属丝，或者由该金属丝外包敷硝酸铵和铝粉按一定的比例混合而成的混合物，电极154在高压电脉冲驱动下，金属丝会发生电爆炸，金属丝上包敷的含能混合物会发生电化学爆炸，产生能量为4.5kJ至15kJ的高功率冲击波。
冲击波发生器1的头端设有螺纹结构，其中一根与该处螺纹结构相互配合的空心通缆钢管2上设有若干处错开设置的条形通孔，可以通过空心通缆钢管2内注水，由于条形通孔的存在，淡水从空心通缆钢管2内向外流出，从而注满瓦斯孔。
推进机构4为丝杠传动机构，丝杠传动机构包括作用于空心通缆钢管2轴端的传动座，将第一根带有条形通孔的空心通缆钢管2与冲击波发生器1相连接，然后通过传动座推动第一根空心通缆钢管2，冲击波发生器1往瓦斯孔内推进一根空心通缆钢管2的距离，再将第二根空心通缆钢管2与第一根空心通缆钢管2相连接，然后再通过传动座将冲击波发生器1往瓦斯孔内推进一根空心通缆钢管2的距离，直到将冲击波发生器1推送到指定的作业点。
一种水平入孔式高功率冲击波的方法，包括以下步骤：
S1:依次将低压电源11、直流高压电源12、可控气体开关13、储能电容器14、能量转换器15组装成冲击波发生器1；
S2:冲击波发生器1头端与一根带有条形通孔的空心通缆钢管2螺纹连接，并将冲击波发生器1推入瓦斯孔内，且空心通缆钢管2的一部分露出在瓦斯孔外；
S3:瓦斯孔外的空心通缆钢管2可以依次连接，并通过推进机构4驱动空心通缆钢管2的移动，将瓦斯孔内的冲击波发生器1送至预定作业点；
S4:用封堵器5封闭瓦斯孔口，打开封堵器5上的阀门，注入淡水使作业点位置压力保持0.1～0.5MPa左右；
S5：启动控制器3，通过空心通缆钢管2内的电缆，将信号传输给冲击波发生器1，低压电源11向高压电源12供电，高压电源12向储能电容器14充电，储能电容器14的电压上升到额定电压后，直流步进电机131驱动可控气体开关13的高压电极132向地电极133移动，可控气体开关13被击穿导通，储能电容器14向能量转换器15发出高压脉冲电流，高压脉冲电流激发电极发生爆炸，在水中激发出能量高达4.5～15kJ的冲击波；
S6:重复步骤S5，直到该作业点完成预定的冲击波次数，完成一个点的作业后，通过推进机构4将冲击波发生器1往外拉至相邻的作业点，并且拆卸多余的空心通缆钢管2。
所述步骤S4还可以是如下步骤：
S41：用封堵器5封闭瓦斯孔口，关闭封堵器5上的阀门，淡水从空心通缆钢管2内注入，并从空心通缆钢管2上的条形通孔排出，注满淡水使作业点位置压力保持0.1～0.5MPa左右。
Claims (10)
1.一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，包括作用于瓦斯孔口的封堵器（5）、推进机构(4)、控制器（3）、冲击波发生器（1）和若干数量的空心通缆钢管(2)，所述封堵器（5）包括法兰、注水孔、压力表、阀门，其特征在于：所述冲击波发生器(1)由低压电源(11)、直流高压电源(12)、可控气体开关(13)、储能电容器(14)、能量转换器(15)依次组成；
所述若干根空心通缆钢管(2)可依次连接，其中一根空心通缆钢管(2)的头端与冲击波发生器(1)连接，推进机构(4)驱动空心通缆钢管(2)的移动，将瓦斯孔内的冲击波发生器(1)送至预定作业点；
所述控制器(3)通过设置在空心通缆钢管(2)内的电缆向冲击波发生器(1)发出工作指令。
2.根据权利要求1所述一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述低压电源(11)包括可充电电池(111)和逆变器(112)，逆变器(112)将可充电电池(111)的低压直流电逆变为220V/50Hz的交流电。
3.根据权利要求1所述一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述直流高压电源(12)包括升压变压器(121)和整流器(122)，所述升压变压器(121)将220V/50Hz的交流电升压为额定的高压交流电，所述整流器(122)将高压交流电整流为高压直流电，所述直流高压电源(12)向所述储能电容器(14)充电。
4.根据权利要求1所述一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述可控气体开关(13)由直流步进电机(131)、可移动的高压电极(132)和固定的地电极(133)组成，高压电极(132)与直流步进电机(131)的丝杠相连，可在直流步进电机(131)的控制下在一定的行程内做往复运动。
5.根据权利要求1所述一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述能量转换器(15)由换能窗口(151)、电极仓(152)和送电极机构(153)组成，换能窗口(151)包括一根电极(154)，电极仓(152)内储藏有若干处电极(154)，送电极机构(153)通过控制器(3)的控制，将电极仓(152)内电极向换能窗口(151)推送出新的电极。
6.根据权利要求5所述一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述电极(154)为一根长度为60－100mm的金属丝，或者由该金属丝外包敷硝酸铵和铝粉按一定的比例混合而成的混合物。
7.根据权利要求书1所述一种水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述冲击波发生器(1)的头端为管螺纹结构，其中一根与该处螺纹结构相互配合的空心通缆钢管（2）上开有若干处错开设置的条形通孔。
8.根据权利要求书1所述水平入孔式高功率冲击波发生装置，其特征在于：所述推进机构(4)为丝杠传动机构，丝杠传动机构包括作用于空心通缆钢管(2)轴端的传动座。
9.一种由权利要求1至8任一所述水平入孔式高功率冲击波的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:依次将低压电源(11)、直流高压电源(12)、可控气体开关(13)、储能电容器(14)、能量转换器(15)组装成冲击波发生器(1)；
S2:冲击波发生器(1)头端与一根带有条形通孔的空心通缆钢管(2)螺纹连接，并将冲击波发生器(1)推入瓦斯孔内，且空心通缆钢管(2)的一部分露出在瓦斯孔外；
S3:瓦斯孔外的空心通缆钢管(2)可以依次连接，并通过推进机构(4)驱动空心通缆钢管(2)的移动，将瓦斯孔内的冲击波发生器(1)送至预定作业点；
S4:用封堵器(5)封闭瓦斯孔口，打开封堵器(5)上的阀门，注入淡水使作业点位置压力保持0.1～0.5MPa左右；
S5：启动控制器(3)，通过空心通缆钢管(2)内的电缆，将信号传输给冲击波发生器（1），低压电源(11)向高压电源(12)供电，高压电源(12)向储能电容器(14)充电，储能电容器(14)的电压上升到额定电压后，直流步进电机(131)驱动可控气体开关(13)的高压电极(132)向地电极(133)移动，可控气体开关(13)被击穿导通，储能电容器(14)向能量转换器(15)发出高压脉冲电流，高压脉冲电流激发电极发生爆炸，在水中激发出能量高达4.5～15kJ的冲击波；
S6:重复步骤S5，直到该作业点完成预定的冲击波次数，完成一个点的作业后，通过推进机构（4）将冲击波发生器(1)往外拉至相邻的作业点，并且拆卸多余的空心通缆钢管(2)。
10.根据权利要求9所述一种水平入孔式高功率冲击波的方法，其特征在于：所述步骤S4还可以是如下步骤：
S41：用封堵器(5)封闭瓦斯孔口，关闭封堵器(5)上的阀门，淡水从空心通缆钢管(2)内注入，并从空心通缆钢管(2)上的条形通孔排出，注满淡水使作业点位置压力保持0.1～0.5MPa左右。
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