CN113374407A - 一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反馈控制的预击穿‑储能放电破岩系统，包括电连接的预击穿模块、信号检测装置与控制放电模块；预击穿模块用于预击穿介质内部形成等离子通道；信号检测装置用于检测预击穿以及充电完成的信号；控制放电模块用于控制高电流释放到所述等离子通道中，等离子通道膨胀，岩石受高能作用导致破碎。本发明优化了当前高压电脉冲破岩电路结构，针对等离子通道的预击穿阶段与膨胀破岩阶段实现分级放电，且与常规电脉冲破岩相比，增加了预击穿阶段信号检测与反馈模块，优化了储能电路结构，实现交替循环放电，破岩效率和能耗效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及放电破岩领域，尤其涉及一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统。
背景技术
钻井的实质是破碎岩石。采用不同的破岩技术对钻井效率和经济效益影响是巨大的。常规机械钻井手段受限于其钻进速度，有时无法达到钻井要求，且随着对爆破可控、能源节约和环境友好破碎技术的追求，一些全新的钻井方法便体现了其所具有的独特优势，在一定程度上解决了钻井过程中普遍存在速度慢、周期长和成本高的问题。
这些全新的岩石破碎方法主要分为两类，一类是利用机械能对岩石进行破碎，包括超声波、弹射冲击波、高压水射流等方法；另一类是利用热能对岩石进行破碎，包括表面热射流、脉冲电子束、激光和红外照射等方法。新式机械能破碎岩石的方法是利用冲击载荷作用于岩石而达到砸碎和凿碎的效果，岩石在冲击载荷的作用下承受了很高的应变从而破碎，这也是与常规机械破岩的区别。
高压电脉冲钻井技术是一种利用高压脉冲发生器，在岩石中形成高能等离子通道以破碎岩石的新型钻井技术，其基本原理是充分利用由高能等离子体形成的等离子通道破碎岩石。该技术在室内试验取得了一定成功，有望成为一种简单易行、经济、高效、环保的新型实用钻井技术。高压电脉冲破岩分为电破岩和液电破岩两类。当击穿电压上升时间小于500ns时，击穿场强为水>岩石>空气，以水作为液体绝缘介质，先击穿岩石，形成等离子通道，岩石破碎的动力来自于等离子体膨胀时产生的张力，这种破碎方法称为电破岩；而当击穿电压上升时间大于500ns时，击穿场强排序为岩石>水>空气，电极与岩石不接触，放电通道直接发生在液体介质中，利用放电产生的冲击波或者水射流对岩石进行破碎，这种效应称液电破岩。液电破岩为间接破碎，电破岩为直接破岩：电破岩时等离子体通道在岩石的内部形成，直接作用于岩石内部。显然，电破岩能实现充分破碎，其效率更高。
为了加快高压电脉冲破岩技术的应用和发展,需要结合电脉冲破岩机理对其能耗和效率做进一步优化。但目前鲜有结合具体电脉冲破岩过程设计的电脉冲破岩配套工具，也鲜有人根据具体的电脉冲破岩机理提出增加电脉冲破岩效率的方法。这使得设计出来的电脉冲破岩装置的效率相对较低。因此，结合电脉冲破岩的具体过程归纳出高效的电脉冲破岩方法，并设计相应的电脉冲破岩装置对电脉冲破岩技术的工业应用和推广至关重要。
发明内容
为了解决以上问题，本发明方目的是提供一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，包括电连接的预击穿模块、信号检测装置与控制放电模块；所述预击穿模块用于预击穿介质内部形成等离子通道；所述信号检测装置用于检测预击穿以及充电完成的信号；所述控制放电模块用于控制高电流释放到所述等离子通道中。
进一步的是，所述信号检测装置包括第一信号检测装置、第二信号检测装置以及第三信号检测装置；所述第一信号检测装置用于检测预击穿完成的信号；所述第二信号检测装置以及第三信号检测装置用于检测所述控制放电模块中充电完成的信号。
进一步的是，所述控制放电模块包括反馈控制模块与储能放电模块；所述反馈控制模块用于接收所述信号检测装置检测的信号并控制储能放电模块进行充放电；所述储能放电模块用于将储存的高电流释放到所述等离子通道中。
进一步的是，所述反馈控制模块包括第一控制模块、第二控制模块；所述第一控制模块用于接收预击穿完成的信号，并控制所述储能放电模块进行充放电；所述第二控制模块用于接收所述储能放电模块充电完成的信号，并控制所述储能放电模块结束放电。
进一步的是，所述储能放电模块包括第一储能模块与第二储能模块；所述第一信号检测装置、第三信号检测装置、反馈控制模块与储能放电模块形成第一放电循环子系统；所述第一信号检测装置、第二信号检测装置、反馈控制模块与储能放电模块形成第二放电循环子系统；所述第一放电循环子系统与第二放电循环子系统进行循环交替的充放电，实现对所述离子通道进行高电流释放。
进一步的是，所述第一放电循环子系统中，所述第三信号检测装置用于检测所述第二储能模块充电完成的信号；所述第一放电循环子系统工作流程为：所述第一控制模块接收到所述第一信号检测装置检测到的预击穿成功的信号，控制所述第一储能模块进行放电，所述第二储能模块进行充电，当所述第三信号检测装置检测到所述第二储能模块充满电后发出信号，传到所述第二控制模块，控制第一储能模块停止放电。
进一步的是，所述第二放电循环子系统中，所述第二信号检测装置用于检测所述第一储能模块充电完成的信号；所述第二放电循环子系统工作流程为：所述第一控制模块接收到所述第一信号检测装置检测到的预击穿成功的信号，控制所述第二储能模块进行放电，所述第一储能模块进行充电，当所述第二信号检测装置检测到所述第一储能模块充满电后发出信号，传到所述第二控制模块，控制第一储能模块停止放电，所有模块复位到第一个放电循环开始时的状态。
本发明的有益效果：
本发明优化了当前高压电脉冲破岩电路结构，针对等离子通道的预击穿阶段和等离子通道的膨胀破岩阶段实现分级放电。本发明与常规电脉冲破岩电路相比，增加了预击穿阶段的信号检测装置和反馈控制模块，针对具体的破岩过程优化了储能电路结构，实现交替循环放电。本发明的核心优势在于结合电脉冲的具体破岩阶段来设计电路，破岩效率和能耗效率更高。
附图说明
图1为一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统示意图；
图2为实施例1中一种放电破岩电路结构；
图3为实施例3中电路结构示意图；
图4为“针-针”并排型电极排布结构图。
图中：1、预击穿模块；2、第一信号检测装置；3、第二信号检测装置；4、第三信号检测装置；5、第一控制模块；6、第二控制模块；7、第一储能模块；8、第二储能模块；9、介质；10、高压脉冲发生器；11、电脉冲破岩工作液；12、岩石；13、高压电极；14、接地电极；15、罗氏线圈一；16、第一控制器；17、第二控制器；18、罗氏线圈二；19、罗氏线圈三；20、第二电容；21、第一电容；22、电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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和简化描述，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。
实施例1
如图1所示，一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，包括电连接的预击穿模块1、信号检测装置与控制放电模块；所述预击穿模块1用于预击穿介质9内部形成等离子通道；所述信号检测装置用于检测预击穿以及充电完成的信号；所述控制放电模块用于控制高电流释放到所述等离子通道中。
进一步的是，信号检测装置包括第一信号检测装置2、第二信号检测装置3以及第三信号检测装置4；所述第一信号检测装置2用于检测预击穿完成的信号；所述第二信号检测装置3以及第三信号检测装置4用于检测所述控制放电模块中充电完成的信号。
进一步的是，控制放电模块包括反馈控制模块与储能放电模块；所述反馈控制模块包括第一控制模块5、第二控制模块6；所述第一控制模块5用于接收预击穿完成的信号，并控制开关实现所述储能放电模块的充放电；所述第二控制模块6用于接收所述储能放电模块充电完成的信号，并控制开关来结束所述储能放电模块的放电。
如图2所示，一种放电破岩电路结构:包括电连接的预击穿模块1、第一信号检测装置2、第二信号检测装置3、第一控制模块5与第一储能模块7，预击穿模块1对介质9进行预击穿，并在介质9内部形成等离子通道，第一信号检测装置2检测到预击穿完成的信号并反馈给第一控制模块5，第一控制模块5控制第一开关S1闭合实现第一储能模块7放电，对等离子通道释放高电流。第一储能模块7高电流释放完毕，第一控制系统控制第一开关S1断开、第三开关S3闭合，终止高电流释放，同时电源U2对第一储能模块7进行充电，充电完成，第二信号检测装置3检测信号反馈给第二控制系统，第二控制系统控制第一开关闭合继续实现储能系统对等离子通道的高电流释放。
实施例2
如图1所示，本实施例是在上述实施例1的基础上展开的，具体的，公开了一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，所述储能放电模块包括第一储能模块7与第二储能模块8；所述第一信号检测装置2、第三信号检测装置4、反馈控制模块与储能放电模块形成第一放电循环子系统；所述第一信号检测装置2、第二信号检测装置3、反馈控制模块与储能放电模块形成第二放电循环子系统；所述第一放电循环子系统与第二放电循环子系统进行循环交替的充放电，实现对所述离子通道进行高电流释放。
如图1所示，本实施例公开了一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩电路结构，包括预击穿模块1、第一信号检测装置2、第二信号检测装置3、第三信号检测装置4、第一控制模块5、第二控制模块6、第一储能模块7、第二储能模块8；预击穿模块1与介质9直接连接对介质9进行预击穿，在介质9内部形成等离子通道，第一信号检测装置2与介质9串联检测预击穿完成的信号。第一控制模块5与第一信号检测装置2串联，接收第一信号检测装置2检测预击穿完成的信号；第一控制模块5控制开关的开闭实现第一储能模块7与第二模块交替循环地进行对介质9内部的等离子通道高电流释放；所述第一信号检测装置2、第三信号检测装置4、反馈控制模块与储能放电模块形成第一放电循环子系统；所述第一信号检测装置2、第二信号检测装置3、反馈控制模块与储能放电模块形成第二放电循环子系统；所述第一放电循环子系统与第二放电循环子系统进行循环交替的充放电，实现对离子通道循环交替地进行高电流释放。
具体的，结合图1所示，第一放电循环子系统工作流程为：预击穿模块1对介质9进行预击穿，所述第一控制模块5接收到所述第一信号检测装置2检测到的预击穿成功的信号，控制第一开关S1、第三开关S3闭合，第四开关S4断开，此时所述第一储能模块7向介质9放电，同时电源22向所述第二储能模块8充电，当所述第三信号检测装置4检测到所述第二储能模块8充满电后发出信号，传到所述第二控制模块6，此时所述第二控制模块6控制第一开关S1断开。
结合图1所示，第二放电循环子系统工作流程为：所述第一控制模块5接收到所述第一信号检测装置2检测到的预击穿成功的信号，控制第二开关S2、第四开关S4闭合，第三开关S3断开，此时所述第二储能模块8向介质9放电，同时电源U2向所述第一储能模块7充电，当所述第二信号检测装置3检测到所述第一储能模块7充满电后发出信号，传到所述第二控制模块6，此时所述第二控制模块6控制第二开关S2断开，所有开关和储能放电模块复位到第一个放电循环开始时的状态。
本实施例与实施例1不同的是：本实施例公开了一种循环交替放电系统，在第一储能模块7放电的同时，电源U2对第二储能模块8进行充电，当第三信号检测装置4检测到第二储能模块8充电完成，第二控制模块6控制开关实现第二储能模块8进行放电，同时对第一储能模块7进行充电，当第二信号检测装置3检测到第一储能模块7充电完成，第二控制模块6控制开关结束第二储能模块8的放电，此时电路状态回到第一储能模块7放电的状态，形成循环交替放电。循环交替放电系统实现第一储能模块7与第二储能模块8循环交替放电，在结合电脉冲具体破岩阶段实行高效破岩的同时，也做到了电脉冲持续钻进破岩，充分提高了破岩工作效率，降低了破岩过程中能量损耗，还具有实用性强和适用性强的优点。
实施例3
如图3所示，本实施例是在上述实施例的基础上展开的，本发明中一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，适用于以电破岩和液电破岩方式为基本破岩原理的高压电脉冲破岩工具，高压电脉冲破岩工具的放电电极排布方式包括“针-针”并排型、“针-针”对排型、“针-板”型、“板-板”型和“同轴式”。如图4所示，本实施例以“针-针”并排型电极排布方式进行实施例的描述。
具体的，结合图3所示，本实施例公开了一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统具体实施的电路结构，此电路由高压脉冲发生器10、高压电极13、电脉冲破岩工作液11、岩石12、接地电极14、罗氏线圈一15、罗氏线圈二18、罗氏线圈三19、第一控制器16、第二控制器17、第一电容21与第二电容20构成；其中，高压脉冲发生器10与岩石12上的高压电极13直接连接，对岩石12进行预击穿，在岩石12内部形成等离子通道；岩石12放置在电脉冲破岩工作液11中，电脉冲破岩工作液11一般为水或去离子水；罗氏线圈一15用于检测预击穿完成的信号，罗氏线圈二18用于检测第一电容21充电完成的信号，罗氏线圈三19用于检测第二电容20充电完成的信号；第一控制器16用于接收罗氏线圈一15检测的信号并且控制开关的开闭实现电容的充放电，第二控制器17用于接收罗氏线圈二18与罗氏线圈三19检测的电容充电完成的信号并控制开关实现结束第一电容21或第二电容20的充电。罗氏线圈一15、罗氏线圈三19、第一控制器16、第二控制器17、第一电容21与第二电容20形成第一放电循环子系统，罗氏线圈一15、罗氏线圈二18、第一控制器16、第二控制器17、第一电容21与第二电容20形成第二放电循环子系统，第一放电循环子系统与第二放电循环子系统进行循环交替的充放电，实现对离子通道进行高电流释放。
具体的，结合图3所示，第一次放电循环子系统工作流程为：高压脉冲发生器10放电对岩石12进行预击穿，罗氏线圈一15把预击穿成功的信号传递到第一控制器16，第一控制器16控制第一开关S1、第三开关S3闭合，第四开关S4断开。此时储能第一电容21向岩石12放电，同时电源22向储能第二电容20充电。当罗氏线圈三19检测到储能第二电容20充满电后发出信号到第二控制器17，此时第二控制器17控制第一开关S1断开。
结合图3所示，第二次放电循环子系统工作流程为：罗氏线圈一15把预击穿成功的信号传递到第一控制器16，第一控制器16控制第二开关S2、第四开关S4闭合，第三开关S3断开。此时储能第二电容20向岩石12放电，同时电源22向储能第一电容21充电。当罗氏线圈二18检测到储能第一电容21充满电后发出信号到第二控制器17，此时第二控制器17控制第二开关S2断开，此时所有开关和储能电容复位到上一次储能第一电容21向岩石12放电之前的状态，如此一来就形成了交替循环放电。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：包括电连接的预击穿模块(1)、信号检测装置与控制放电模块；所述预击穿模块(1)用于预击穿介质(9)内部形成等离子通道；所述信号检测装置用于检测预击穿以及充电完成的信号；所述控制放电模块用于控制高电流释放到所述等离子通道中。
2.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：所述信号检测装置包括第一信号检测装置(2)、第二信号检测装置(3)以及第三信号检测装置(4)；所述第一信号检测装置(2)用于检测预击穿完成的信号；所述第二信号检测装置(3)以及第三信号检测装置(4)用于检测所述控制放电模块充电完成的信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：所述控制放电模块包括反馈控制模块与储能放电模块；所述反馈控制模块用于接收所述信号检测装置检测的信号并控制储能放电模块进行充放电；所述储能放电模块用于将储存的高电流释放到所述等离子通道中。
4.根据权利要求3所述的一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：所述反馈控制模块包括第一控制模块(5)、第二控制模块(6)；所述第一控制模块(5)用于接收预击穿完成的信号，并控制所述储能放电模块进行充放电；所述第二控制模块(6)用于接收所述储能放电模块充电完成的信号，并控制所述储能放电模块结束放电。
5.根据权利要求4所述的一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：所述储能放电模块包括第一储能模块(7)与第二储能模块(8)；所述第一信号检测装置(2)、第三信号检测装置(4)、反馈控制模块与储能放电模块形成第一放电循环子系统；所述第一信号检测装置(2)、第二信号检测装置(3)、反馈控制模块与储能放电模块形成第二放电循环子系统；所述第一放电循环子系统与第二放电循环子系统进行循环交替的充放电，实现对所述离子通道进行高电流释放。
6.根据权利要求5所述的一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：所述第一放电循环子系统中，所述第三信号检测装置(4)用于检测所述第二储能模块(8)充电完成的信号；所述第一放电循环子系统工作流程为：所述第一控制模块(5)接收到所述第一信号检测装置(2)检测到的预击穿成功的信号，控制所述第一储能模块(7)进行放电，所述第二储能模块(8)进行充电，当所述第三信号检测装置(4)检测到所述第二储能模块(8)充满电后发出信号，传到所述第二控制模块(6)，控制第一储能模块(7)停止放电。
7.根据权利要求5所述的一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统，其特征在于：所述第二放电循环子系统中，所述第二信号检测装置(3)用于检测所述第一储能模块(7)充电完成的信号；所述第二放电循环子系统工作流程为：所述第一控制模块(5)接收到所述第一信号检测装置(2)检测到的预击穿成功的信号，控制所述第二储能模块(8)进行放电，所述第一储能模块(7)进行充电，当所述第二信号检测装置(3)检测到所述第一储能模块(7)充满电后发出信号，传到所述第二控制模块(6)，控制第二储能模块(8)停止放电，所有模块复位到第一个放电循环开始时的状态。
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