CN113006747A - 一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置及方法，包括电流发生装置，电流发生装置连接有基座，基座固定连接有铜基合金罩，铜基合金罩包括固定连接的罩顶和罩底，罩顶为圆柱形，罩底为中空圆锥形；罩顶贯穿基座，罩底的外侧周向上设置有外部电极，外部电极为圆柱形结构，外部电极的中部开设有与罩底相适配的通孔，外部电极、基座以及铜基合金罩之间设置有绝缘空腔，绝缘空腔内设置有绝缘体。本发明通过新型电磁加热使铜基合金罩达到流固耦合状态；通过新型电磁驱动控制电磁方向、强弱、电流方向大小等因素，对损伤单元的形成和加速过程更有效的进行控制，形成效能更高、可控性更好的细金属射流并穿透岩体，产生裂缝。
Description
技术领域
本发明涉及石油页岩气压裂开采工程技术领域，涉及电磁瞬态压溃驱动铜基合金结构形成聚能射流的装置，具体是指电磁能量瞬态释放驱动能使合金罩材料形成超高速金属射流的一种新型装置及方法。
背景技术
页岩储层甲烷原位燃爆压裂技术是实现我国页岩气开采变革性新突破的关键，针对页岩储层低孔隙度、低渗透率的特性，页岩气开采十分困难，必须采用压裂措施在储层内创造裂缝网格，为页岩气提供高效运移通道，提高气井产量，而传统的水力压裂技术要求用大量掺入化学物质的水灌入页岩层进行液压碎裂以开采页岩气，给环境带来了极大的伤害，现急需一种创新型压裂技术实现聚能射孔，实现储层的高效起裂，为解决上述现有难题，提出了一种变革性的电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，包括电流发生装置，所述电流发生装置连接有基座，所述基座固定连接有铜基合金罩，所述铜基合金罩包括固定连接的罩顶和罩底，所述罩顶为圆柱形，所述罩底为中空圆锥形；所述罩顶贯穿所述基座，所述罩底的外侧周向上设置有外部电极，所述外部电极为圆柱形结构，所述外部电极的中部开设有与所述罩底相适配的通孔，所述罩底的开口端与外部电极之间固定连接有圆环导板；所述外部电极、基座以及铜基合金罩之间设置有绝缘空腔，所述绝缘空腔内设置有绝缘体，所述基座、绝缘体和外部电极的直径相同且上下对应布置。
优选的，所述铜基合金罩为钨铜合金、镍铜合金、钼铜合金中的任意一种。
优选的，所述罩顶的直径为5～15mm，所述罩底的直径为30～50mm，所述罩底的锥度为30～70°，所述罩底的内壁厚度为1～3mm。
优选的，所述基座、绝缘体和外部电极的直径为70～80mm。
优选的，所述基座和铜基合金罩通过螺母固定连接，所述罩顶外侧设置有与螺母相适配的螺纹，所述螺母与基座之间设置有垫片。
优选的，所述外部电极、基座、圆环导板、螺母和垫片的材质为铝基金属。
优选的，所述铝基金属为铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金中的任意一种。
一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的方法，基于上述的电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，包括以下步骤：
步骤一：电流发生装置加载1～10KA加热电流，对铜基合金罩进行加热处理，使铜基合金罩温度上升至1000～1600℃，使得铜基合金罩处于流固耦合态，形态得到延展，材料强度下降；
步骤二：电流发生装置加载3～8MA的驱动电流，在数微秒至数十微秒内，绝缘空腔内部感生脉冲强磁场，电流与感生强磁场相互作用产生1～10GPA级别的洛伦兹力驱动铜基合金罩沿压垮角瞬时冲击，在装置轴向相继互相碰撞，形成超过3～5km/s的超高速聚能射流。
本发明公开了以下技术效果：本发明采用电磁能驱动的方式实现聚能射流，铜基合金较其他合金而言，可压缩性小，聚能过程中不气化，密度大，延性好，射流延伸1～2倍而不断裂，可满足合金罩厚度增加为普通电磁能驱动起爆的1～2倍。本发明通过新型电磁加热使铜基合金罩达到流固耦合状态；通过新型电磁驱动控制电磁方向、强弱、电流方向大小等因素，对损伤单元的形成和加速过程更有效的进行控制，形成效能更高、可控性更好的细金属射流并穿透岩体，产生裂缝。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明新型装置剖视图；
图2为本发明新型装置结构示意图；
图3为本发明铜基合金罩结构示意图；
其中，1为电流发生装置，21为螺母，22为垫片，3为基座，4为绝缘体，5为外部电极，6为铜基合金罩，61为罩顶，62为罩底，7为圆环导板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3，本发明提供一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，包括电流发生装置1，电流发生装置1为高功率电流发生装置，其可储能1～10MJ。所述电流发生装置1连接有基座3，所述基座3固定连接有铜基合金罩6，所述铜基合金罩6包括固定连接的罩顶61和罩底62，所述罩顶61为圆柱形，所述罩底62为中空圆锥形；所述罩顶61贯穿所述基座3，所述基座3和铜基合金罩6通过螺母21固定连接，所述罩顶61外侧设置有与螺母21相适配的螺纹，所述螺母21与基座3之间设置有垫片22。螺母21和垫片22的材质为铝基金属，其具有高强度、导电性好的性能。铝基金属为铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金中的任意一种，可以根据实际需要进行选择。
所述罩底62的外侧周向上设置有外部电极5，所述外部电极5为圆柱形结构，所述外部电极5的中部开设有与所述罩底62相适配的通孔，所述罩底62的开口端与外部电极5之间固定连接有圆环导板7；所述外部电极5、基座3以及铜基合金罩6之间设置有绝缘空腔，所述绝缘空腔内设置有绝缘体4，绝缘体4确保输入电流不发生短路等故障，可以保证电流回路的实现。所述基座3、绝缘体4和外部电极5的直径相同且上下对应布置，整个装置在完成后需要进一步做绝缘处理，防止发生漏电事故。所述外部电极5、基座3和圆环导板7的材质为铝基金属，其导电性能良好。铝基金属为铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金中的任意一种，可以根据实际需要进行选择。
所述铜基合金罩6为钨铜合金、镍铜合金、钼铜合金中的任意一种，其由具有良好导电性、热导性的铜基金属材质制成，有利于电磁能驱动过程中高温高压的实现。所述铜基合金罩6均是通过铜粉和添加粉模压成型制备具有孔隙且具有一定强度、密度的多孔合金骨架，再向其骨架渗以熔融铜液，通过升温渗铜获得合金。当铜基合金罩6为钨铜合金罩时，采用质量百分比为10～20％、粒度为12～18μm的电解铜粉，质量百分比50～75％，粒度为3～8μm的钨粉，混合均匀模压成型，制备孔隙率在30～40％且具有一定强度、密度的多孔钨铜骨架，再向多孔钨铜骨架渗以熔融铜液，通过升温渗铜，获得25～50wt％为铜和余量为钨的高铜含量钨铜合金，之后对合金进行表面处理，除去氧化物、油污等，以保证铜基合金罩6界面的清洁，有利于电流的传导，回路的产生。
所述罩顶61的直径为5～15mm，所述罩底62的直径为30～50mm，所述罩底62的锥度为30～70°，所述罩底62的内壁厚度为1～3mm。所述基座3、绝缘体4和外部电极5的直径为70～80mm。
一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的方法，基于上述的电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，包括以下步骤：
步骤一：电流发生装置1加载1～10KA加热电流，对铜基合金罩6进行加热处理，使铜基合金罩6温度上升至1000～1600℃，使得铜基合金罩6处于流固耦合态，形态得到延展，材料强度下降。
步骤二：电流发生装置1加载3～8MA的驱动电流，在数微秒至数十微秒内，绝缘空腔内部感生脉冲强磁场，电流与感生强磁场相互作用产生1～10GPA级别的洛伦兹力驱动铜基合金罩6沿压垮角瞬时冲击，由于罩底62为中空圆锥形，使射流在装置轴向相继互相碰撞，在锥形结构下使其形成超过3～5km/s的超高速聚能射流。超高速度聚能射流并穿透岩体，产生裂缝。
铜基合金罩选择具有良好导电性、热导性、可压缩性和弹塑性较好的钨铜合金、镍铜合金、钼铜合金等材质。当电流发生装置加载脉冲电流流经由两个临近的合金罩和金属外壳所构成的回路时，会使铜基合金罩加热至流固耦合状态，并在之间的间隙中感生脉冲强磁场，脉冲电流与感生强磁场互相作用产生的洛伦兹力推动合金罩微元以压垮角在轴线处会聚，在会聚处产生高温高压，同时也将能量传递给合金罩，铜基合金的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的绝大部分表现为动能形式，避免高压膨胀引起的能量分散而使能量更为集中，且罩壁在轴线处碰撞时，罩内表面的速度比合金罩压垮闭合时的速度高出1～2倍，使合金罩的动能进一步提高，从而形成高速、高密度的细金属射流并穿透岩体，产生裂缝。
本发明采用电磁能驱动的方式实现聚能射流，铜基合金较其他合金而言，可压缩性小，聚能过程中不气化，密度大，延性好，射流延伸1～2倍而不断裂，可满足合金罩厚度增加为普通电磁能驱动起爆的1～2倍。本发明通过新型电磁加热使铜基合金罩达到流固耦合状态；通过新型电磁驱动控制电磁方向、强弱、电流方向大小等因素，对损伤单元的形成和加速过程更有效的进行控制，形成效能更高、可控性更好的细金属射流并穿透岩体，产生裂缝。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：包括电流发生装置(1)，所述电流发生装置(1)连接有基座(3)，所述基座(3)固定连接有铜基合金罩(6)，所述铜基合金罩(6)包括固定连接的罩顶(61)和罩底(62)，所述罩顶(61)为圆柱形，所述罩底(62)为中空圆锥形；所述罩顶(61)贯穿所述基座(3)，所述罩底(62)的外侧周向上设置有外部电极(5)，所述外部电极(5)为圆柱形结构，所述外部电极(5)的中部开设有与所述罩底(62)相适配的通孔，所述罩底(62)的开口端与外部电极(5)之间固定连接有圆环导板(7)；所述外部电极(5)、基座(3)以及铜基合金罩(6)之间设置有绝缘空腔，所述绝缘空腔内设置有绝缘体(4)，所述基座(3)、绝缘体(4)和外部电极(5)的直径相同且上下对应布置。
2.根据权利要求1所述的一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：所述铜基合金罩(6)为钨铜合金、镍铜合金、钼铜合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：所述罩顶(61)的直径为5～15mm，所述罩底(62)的直径为30～50mm，所述罩底(62)的锥度为30～70°，所述罩底(62)的内壁厚度为1～3mm。
4.根据权利要求3所述的一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：所述基座(3)、绝缘体(4)和外部电极(5)的直径为70～80mm。
5.根据权利要求1所述的一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：所述基座(3)和铜基合金罩(6)通过螺母(21)固定连接，所述罩顶(61)外侧设置有与螺母(21)相适配的螺纹，所述螺母(21)与基座(3)之间设置有垫片(22)。
6.根据权利要求5所述的一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：所述外部电极(5)、基座(3)、圆环导板(7)、螺母(21)和垫片(22)的材质为铝基金属。
7.根据权利要求6所述的一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：所述铝基金属为铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金中的任意一种。
8.一种电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的方法，基于权利要求1-7任意一项所述的电磁驱动铜基合金罩形成聚能射流的新型装置，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：电流发生装置(1)加载1～10KA加热电流，对铜基合金罩(6)进行加热处理，使铜基合金罩(6)温度上升至1000～1600℃，使得铜基合金罩(6)处于流固耦合态，形态得到延展，材料强度下降；
步骤二：电流发生装置(1)加载3～8MA的驱动电流，在数微秒至数十微秒内，绝缘空腔内部感生脉冲强磁场，电流与感生强磁场相互作用产生1～10GPA级别的洛伦兹力驱动铜基合金罩(6)沿压垮角瞬时冲击，在装置轴向相继互相碰撞，形成超过3～5km/s的超高速聚能射流。
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