CN115504844B - 一种凝胶状含能材料、制备方法及相关系统和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凝胶状含能材料、制备方法及相关系统和装置，所述凝胶状含能材料能够在无外壳的情况下长时间稳定装填在水间隙内并连通间隙正负电极。其他成分不含有危险品条目中的爆炸物，常见的配方为包含硝基甲烷、铝粉、金属氧化物的混合物，经火工品测试摩擦感度、撞击感度均为零，安全性极高。并且配方成分不溶于或极难溶于水，在水长时间浸泡下不失效、不分解，仍能在脉冲电流作用下正常起爆。凝胶状含能材料装填于水间隙中后在特定参数脉冲源的驱动下能够产生固定幅值、冲量与能量的冲击波，同时具有极好的可重复性。相比于原参数下的水间隙放电极大提升了冲击波的幅值、冲量与能量，具有极大的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新型炸药领域，涉及一种凝胶状含能材料、制备方法及相关系统和装置。
背景技术
液电效应是指高电压大电流通过液体介质后能量迅速转化并伴生多种极端物理效应的复杂物理过程，其产生的包括机械效应、声学效应、光效应、化学效应等在工业上具有巨大应用前景。尤其是基于液电效应的水中冲击波产生技术，在包括机械加工成型、电脉冲清洗、体外碎石、油气解堵、储层改造等场景中得到广泛应用。水间隙放电是常见的基于液电效应的水中冲击波产生技术，当间隙两端电极加载强电场后，电极间的水介质发生电击穿并形成等离子体放电通道，能量进一步注入使得放电通道迅速膨胀，并推动外部水介质形成强冲击波向外传播，具备可控、安全、重复性好等优点。相比基于金属丝电爆炸的水中冲击波产生技术，水间隙放电不需要配套的送丝设备，水间隙在电容能量释放完毕后会自动恢复未击穿状态，为下一次放电做好准备，因此在高效重复工作场景中更具备优势。但是，水间隙放电与水中金属丝电爆炸均受到脉冲电容器储能其能量转化效率较低的限制，当装置体积受制于复杂、狭小的工作环境(井下、矿洞、隧道等)时无法产生足够能量的冲击波。
基于这种背景，在水中金属丝电爆炸研究领域人们提出钝感含能材料包覆于金属丝外的负载构型，利用金属丝电爆炸点燃外层钝感含能材料，耦合丝爆冲击波与含能材料冲击波以提升单次作业所能产生的冲击波能量。所用含能材料往往不含有危险品条目中的爆炸物，常见的配方为包含硝基甲烷、铝粉、金属氧化物的混合物。但是这种方式存在以下缺点：1)需要结构复杂的送弹机构等帮助完成重复工作，价格昂贵且转轮、轴承等结构在强冲击波作用下容易出现故障；2)液态含能材料需要装填在外壳中形成含能弹，但是强冲击下储存仓中的含能弹壳容易破损影响重复工作；3)利用醋酸纤维素等增稠剂的液态含能材料黏度不够，存在沉降问题且无法静置超过24小时。
因此，研制可用于水间隙放电的含能材料是亟待解决的关键问题，从而实现复杂、狭小作业地形下单次强冲击波的可靠产生。此外还需要解决以下关键问题：1)研制具备自支撑特性、不溶于水的钝感含能材料，能够在无外壳情况下长时间稳定保持在水间隙内；2)研制可推送含能材料至水间隙的连续工作装置，适用于现有水间隙放电装置，结构简单可靠，储存仓内含能材料长时间稳定储存，不分解、不失效、不殉爆；3)研制配套的含能材料制备装置，能够制备均匀、无杂质、无气泡的含能材料。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种凝胶状含能材料、制备方法及相关系统和装置。
第一方面，本发明提供一种凝胶状含能材料，按照质量份数计，包括30～65份的硝基甲烷、10～30份的金属氧化物粉末、15～40份的铝粉以及1～3份疏水性气相二氧化硅凝胶化。
第二方面，本发明提供一种凝胶状含能材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将金属氧化物粉末和铝粉混合均匀，得到铝粉/金属氧化物粉末；
步骤2：将铝粉/金属氧化物粉末加入硝基甲烷中，在室温下搅拌，使硝基甲烷与铝粉/金属氧化物粉末均匀混合，得到铝粉/金属氧化物/硝基甲烷粉末；
步骤3：向铝粉/金属氧化物/硝基甲烷粉末加入疏水性气相二氧化硅，在室温下搅拌，使混合物凝胶化，得到凝胶状含能材料；
所述步骤2和步骤3中，搅拌的转速为50r/min～500r/min。
第三方面，本发明提供一种用于制备凝胶状含能材料的装置，包括：
腔体，所述腔体设置腔体密封盖，内部设置有螺旋搅拌杆，底部开设有搅拌杆安装孔；
腔体密封盖，所述腔体密封盖上开设有加压阀；
螺旋搅拌杆，所述螺旋搅拌杆的底部设置安装座，所述安装座设置于搅拌杆安装孔内，所述安装座上开设有与腔体相连通的灌装口，所述灌装口的出口处设有沉孔，用于连接搅拌延长杆；
搅拌延长杆，所述搅拌延长杆的末端连接搅拌电机，用于驱动螺旋搅拌杆旋转。
第四方面，本发明提供一种制备凝胶状含能材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将金属氧化物粉末和铝粉混合均匀，得到铝粉/金属氧化物粉末；
步骤2：向腔体中加入硝基甲烷，再向腔体中加入铝粉/金属氧化物粉末，盖上腔体密封盖，启动搅拌电机驱动螺旋搅拌杆在室温下旋转搅拌，使硝基甲烷与铝粉/金属氧化物粉末均匀混合，关闭搅拌电机；
步骤3：打开腔体密封盖，向腔体中加入疏水性气相二氧化硅，盖上腔体密封盖，启动搅拌电机驱动螺旋搅拌杆在室温下旋转搅拌，使混合物凝胶化，得到凝胶状含能材料。
第五方面，本发明提供一种凝胶状含能材料连续推送装置，包括壳体，所述壳体为由前壳体、中壳体和后壳体拼装而成的筒体结构；
所述前壳体的内部为含能材料存储仓，前端开设与含能材料存储仓相连通的含能材料推送口，后端设置转接插座；所述含能材料存储仓内填充有所述的凝胶状含能材料；
所述中壳体内设置电机，前端设置转接插座，后端设置密封转接插座，前端的转接插座用于与前壳体后端的转接插座连接；所述电机安装在螺杆上；所述螺杆的前端安装推动活塞块，推动活塞块上套设有密封圈；推动活塞块与电机之间固定设置有硅油隔板和滚珠丝杠，滚珠丝杠位于电机与硅油隔板之间；中壳体内，硅油隔板与中壳体后端的密封转接插座之间填充有硅油；
所述后壳体内设置有电池和控制模块，前端设置密封转接插座，用于与中壳体后端的密封转接插座密封连接，后壳体的后端为封闭结构；所述控制模块安装在电池上，并与电机的控制端连接；电池与电机的电源端连接；所述电机驱动推动活塞块将凝胶状含能材料由含能材料推送口推出，形成锥形含能材料块。
第六方面，本发明提供一种间隙放电装置，包括集成式间隙放电脉冲源和所述的凝胶状含能材料连续推送装置；
所述集成式间隙放电脉冲源包括后端开口的外壳，所述外壳的前端内部设置有小型电容，所述小型电容与电缆插口之间设置充电绝缘，所述充电绝缘上开设电缆插口，用于小型电容与外接电缆相连；小型电容后端设置气体开关，气体开关一端与小型电容相连，另一端连接高压传输杆，高压传输杆外侧套设电极绝缘，高压传输杆的末端设置高压电极；所述外壳的后端设置回流柱，所述回流柱与连续推送装置的前壳体密封连接，二者之间形成起爆间隙，所述高压电极位于起爆间隙内；连续推送装置的含能材料推送口与起爆间隙相连通，连续推送装置将凝胶状含能材料推送至起爆间隙，形成锥形含能材料块。
第七方面，本发明提供一种水间隙放电实验系统，包括水间隙放电实验平台和所述的间隙放电装置；
所述水间隙放电实验平台包括水缸、大型电容和示波器；所述间隙放电装置竖直设置于水缸内，前端安装同轴传输装置；所述同轴传输装置的后端连接间隙放电装置的前端，前端连接同轴电缆的一端，同轴电缆的另一端通过三电极开关连接大型电容；
所述水缸内的水中设置有冲击波压力探头和成型板件，所述冲击波压力探头和成型板件分别设置于锥形含能材料块的两侧，并位于锥形含能材料块爆轰产生冲击波的路径上；所述示波器分别与冲击波压力探头、电压探头和电流探头相连；电压探头设置于同轴电缆上，电流探头设置于同轴电缆和三电极开关的接地线上。
第八方面，本发明提供一种水间隙放电实验方法，包括以下步骤：
步骤1：将间隙放电装置安装在同轴传输装置下方，高压电极与含能材料推送口形成20mm长度的水间隙，并将间隙放电装置浸没在水中；
步骤2：控制高压电源向大型电容充电，大型电容电压到达10kV，储能达到300J时停止充电；
步骤3：触发三电极开关预放电，控制模块拾取到磁场信号后控制电机工作；
步骤4：凝胶状含能材料被推送至水间隙，形成锥形含能材料块；
步骤5：在距离锥形含能材料块15cm的位置安装用于测量锥形含能材料块爆轰产生冲击波的幅值、冲量与能量密度的冲击波压力探头；
步骤6：控制高压电源向大型电容充电，大型电容电压到达20kV，储能达到1200J时停止充电；
步骤7：触发三电极开关形成放电回路，电能注入锥形含能材料块后使其发生爆轰，产生水中冲击波。
第十方面，本发明提供一种破岩系统，包括携式电源以及所述的间隙放电装置；所述间隙放电装置设置于具有致裂需求的目标岩体内预制的若干孔洞内，间隙放电装置的电缆插口通过携式同轴电缆连接携式电源。
第十一方面，本发明提供一种破岩方法，包括以下步骤：
步骤1，首先确定目标岩体的致裂需求，所述致裂需求包括致裂位置和裂纹形态；
步骤2，根据致裂需求在目标岩体的表面设置若干孔洞；
步骤3，将若干间隙放电装置分别安装于对应孔洞中；
步骤4，控制电源充电，预放电启动凝胶状含能材料连续推送装置；
步骤5，凝胶状含能材料连续推送装置将凝胶状含能材料推送至起爆间隙内，形成锥形含能材料块；
步骤6，控制电源向电容器充电；
步骤7，电容器电压达到气体开关极限耐受电压；
步骤8，气体开关击穿，形成放电回路，能量注入起爆间隙；
步骤9，起爆间隙放电起爆锥形含能材料块；
步骤10，判断目标岩体是否达到致裂效果，若不符合预期，则返回步骤5，且起爆时形成的放电回路将再次启动连续推送装置，若符合预期，执行步骤11；
步骤11，将间隙放电装置安装至新的工作位置，重复上述步骤2-10，直至所有目标区域都达到的致裂效果。
第十二方面，本发明提供一种页岩油储层改造系统，包括控制平台以及所述的间隙放电装置，所述间隙放电装置设置在垂直井或水平井内；控制平台通过电缆连接间隙放电装置引爆起爆间隙中的锥形含能材料块，产生冲击波。
第十三方面，本发明提供一种页岩油储层改造方法，包括以下步骤：
步骤1，确定作业场景的类型，所述作业场景的类型包括垂直井和水平井；
步骤2，若为垂直井，则通过传输同轴电缆在将间隙放电装置安装在作业位置；
若为水平井，则通过连续油管将间隙放电装置推送至加热井作业位置；
步骤3，控制平台控制电源通过电缆向电容器充电，预放电启动凝胶状含能材料连续推送装置；
步骤4，凝胶状含能材料连续推送装置将凝胶状含能材料推送至起爆间隙内，形成锥形含能材料块；
步骤5，控制平台控制电源通过电缆向电容器充电；
步骤6，电容器电压达到气体开关极限耐受电压；
步骤7，气体开关击穿，形成放电回路，能量注入起爆间隙；
步骤8，起爆间隙放电起爆锥形含能材料块；
步骤9，评估储层改造效果，若不符合预期，返回步骤4；若符合预期，执行步骤10；
步骤10，将间隙放电装置安装至新作业位置，重复步骤1～步骤9，直至所有作业场景改造完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的凝胶状含能材料，采用的疏水性二氧化硅添加剂使其能在水中实现自支撑，在质量为10g时形成高度超过5cm，保持时间超过10min的锥形含能材料块，能够在无外壳的情况下长时间稳定装填在水间隙内并连通间隙正负电极。含能材料的其他成分不含有危险品条目中的爆炸物，常见的配方为包含硝基甲烷、铝粉、金属氧化物的混合物，经火工品测试摩擦感度、撞击感度均为零，安全性极高。并且配方成分不溶于或极难溶于水，在水长时间浸泡下不失效、不分解，仍能在脉冲电流作用下正常起爆。凝胶状含能材料装填于水间隙中后在特定参数脉冲源的驱动下能够产生固定幅值、冲量与能量的冲击波，同时具有极好的可重复性。相比于原参数下的水间隙放电极大提升了冲击波的幅值、冲量与能量，具有极大的工程应用前景。
本发明的凝胶状含能材料制备装置，采用的螺旋搅拌杆能够使粉末成分(铝粉、金属氧化物粉末)、液体成分(硝基甲烷)与凝胶添加剂(疏水性气相SiO2)快速混合、在短时间内制备均匀、无杂质、无气泡的凝胶状含能材料。制备装置采用密封结构，解决了制备过程中硝基甲烷的挥发问题，并杜绝了搅拌制备过程中杂质混入含能材料。凝胶状含能材料的各成分配比直接影响到起爆效果，制备完成后直接通过制备装置灌装至连续推送工作装置，减少制备、分装、装填过程中的损耗，实现含能材料的精准配比。
本发明的凝胶状含能材料连续推送装置，适用于所有经改造的水间隙放电装置，可直接作为回流装置的一部分安装于地电极一侧。含能材料储存于推送装置内部，由直线电机经活塞结构推送至水间隙电极间，起爆后极大提升了冲击波的幅值、冲量与能量。凝胶状含能材料能够自支撑且防水，直接贮存于推送装置内部，不需要装填弹壳等其他材料，推送装置结构简单可靠，且集成度高。并且由于含能材料外不装填弹壳，因此冲击波不会对含能材料造成泄露、殉爆等问题影响装置重复工作。连续推送装置外壳一体化设计并与地电极稳定连接，起爆时大电流直接经外壳流入大地而不通过贮存的含能材料，无静电起爆风险。装置整体密封设计，含能材料可在其内部存储超过一个月不失效、不分解、不殉爆，仍能稳定起爆。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明凝胶状含能材料制备装置的结构示意图。
图2为本发明凝胶状含能材料连续推送装置的结构示意图。
图3为本发明间隙放电装置的结构示意图。
图4为本发明水间隙放电实验系统的结构示意图。
图5为实施例1的放电波形图。
图6为实施例4的放电波形图。
图7为实施例1的冲击波压力波形图。
图8为实施例2的冲击波压力波形图。
图9为实施例3的冲击波压力波形图。
图10为实施例4的冲击波压力波形图。
图11为对比例1的冲击波压力波形图。
图12为对比例2的冲击波压力波形图。
图13为对比例3的冲击波压力波形图。
图14为本发明破岩系统的示意图。
图15为本发明破岩方法的流程图。
图16为本发明垂直井页岩储层改造系统的示意图。
图17为本发明水平井页岩储层改造系统的示意图。
图18为本发明页岩油储层改造方法的流程图。
其中，1-凝胶状含能材料制备装置，2-凝胶状含能材料连续推送装置，3-水间隙放电实验平台，4-集成式间隙放电脉冲源，101-加压阀，102-螺旋搅拌杆，103-腔体密封盖，104-腔体，105-搅拌杆安装孔，106-灌装口，107-搅拌延长杆，201-电池，202-控制模块，203-密封转接插座，204-电机控制线，205-电机电源线，206-电机，207-硅油，208-滚珠丝杠，209-硅油隔板，210-螺杆，211-泄压孔，212-密封圈，213-推送活塞块，214-含能材料储存仓，215-装配螺纹，216-含能材料推送口，217-凝胶状含能材料，218-锥形含能材料块，301-大型电容，302-三电极开关，303-电流探头，304-同轴电缆，305-电压探头，306-同轴传输装置，307-冲击波，308-冲击波压力探头，309-成型板件，310-水缸，311-示波器，401-回流柱，402-高压电极，403-电极绝缘，404-高压传输杆，405-气体开关，406-小型电容，407-充电绝缘，408-电缆插口，409-携式同轴电缆，501-目标岩体，502-孔洞，503-携式电源，601-控制平台，602-垂直井，603-传输同轴电缆，604-复杂裂缝网络，605-抽油机，606-加热井，607-连续油管，608-采油井，609-低渗页岩油，610-水平井。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明实施例公开了一种自支撑的凝胶状含能材料，能够在无外壳的情况下长时间稳定装填在间隙内，以质量份数计，包括30～40份的硝基甲烷，10～30份的金属氧化物粉末，20～60份的铝粉，并且采用1～2份疏水性气相二氧化硅凝胶化。其中，金属氧化物粉末的种类包括但不限于氧化铜、二氧化锰、三氧化二铁和四氧化三铁，金属氧化物粉末粒度范围是1μm～100μm，铝粉的粒度范围是1μm～100μm。
本发明实施例公开了一种上述凝胶状含能材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将金属氧化物粉末和铝粉混合均匀，得到铝粉/金属氧化物粉末；
步骤2：将铝粉/金属氧化物粉末加入硝基甲烷中，在室温下以50r/min～500r/min的转速进行搅拌，使硝基甲烷与铝粉/金属氧化物粉末均匀混合，得到铝粉/金属氧化物/硝基甲烷粉末；
步骤3：向铝粉/金属氧化物/硝基甲烷粉末加入疏水性气相二氧化硅，在室温下以50r/min～500r/min的转速进行搅拌，使混合物凝胶化，得到凝胶状含能材料。
如图1所示，本发明实施例公开了一种实现上述凝胶状含能材料的制备方法的凝胶状含能材料制备装置1，包括腔体104、腔体密封盖103、螺旋搅拌杆102和搅拌延长杆107。腔体104设置腔体密封盖103，内部设置有螺旋搅拌杆102，底部开设有搅拌杆安装孔105；腔体密封盖103上开设有加压阀101；螺旋搅拌杆102的底部设置安装座安装座设置于搅拌杆安装孔105内安装座上开设有与腔体104相连通的灌装口106灌装口106的出口处设有沉孔，用于连接搅拌延长杆107；搅拌延长杆107的末端连接搅拌电机，用于驱动螺旋搅拌杆102旋转。
凝胶状含能材料制备原料放置于腔体104内，螺旋搅拌杆102通过搅拌杆安装孔105安装在腔体内，使各原料均匀混合并凝胶化。搅拌延长杆107一端连接螺旋搅拌杆102，另一端可连接搅拌电机进行低速搅拌，也可手动搅拌。由于硝基甲烷具有挥发性，整个搅拌过程中使用腔体密封盖103对整个腔体104及内部进行密封。凝胶状含能材料制备完成后，卸下搅拌延长杆107露出内部中空的灌装口106，通过加压阀101对腔体104内部进行加压，含能材料从灌装口106中挤出分装，实现含能材料的精准配比。
实施例1：
本实施例公开了一种凝胶状含能材料，以质量份数计，包括40.375份的硝基甲烷，23份的氧化铜粉，34.5份的铝粉，并且采用1～2份疏水性气相二氧化硅凝胶化。
本实施例还公开了一种凝胶状含能材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤101：将23份的氧化铜粉末和34.5份的铝粉置于三维混匀仪中混合30分钟使其完全混合均匀；其中氧化铜粉末的粒度范围为1μm～100μm，铝粉粒度范围为1μm～100μm；
步骤102：将螺旋搅拌杆102安装在凝胶状含能材料制备装置1的腔体104上，取40.375份的硝基甲烷置于腔体104中，再将20g已完全混合的铝粉/氧化铜粉末置于腔体104中，盖上腔体密封盖103，螺旋搅拌杆102在室温下低速旋转搅拌10分钟使硝基甲烷与混合粉末均匀混合；其中硝基甲烷的纯度＞99％，室温为10℃～30℃，低速旋转搅拌为50r/min～500r/min；
步骤103：打开腔体密封盖103，取2.125份疏水性气相二氧化硅置于腔体104中，盖上腔体密封盖103，螺旋搅拌杆102在室温下低速旋转搅拌10分钟使含能材料凝胶化；
步骤104：打开腔体密封盖103上的加压阀101，并打开螺旋搅拌杆102下方灌装口106，加压，将凝胶状含能材料灌装至凝胶状含能材料连续推送装置2的含能材料储存仓214中。
步骤105：将凝胶状含能材料连续推送装置2的含能材料储存仓214安装至凝胶状含能材料连续推送装置2。
表1实施例2-4，对比例1-3
对比例1与实施例1-4不同的是：没有预放电启动连续推送工作装置，含能材料推送口与高压电极间形成的仍然为20mm长度的水间隙，不含凝胶状含能材料块。
对比例2与实施例3不同的是：没有添加疏水性气相SiO2使含能材料凝胶化。
对比例3与实施例3不同的是：锥形凝胶状含能材料块质量为1.6g，电极间隙距离调整为10mm。
如图5所示，为实施例1的放电波形图。可以看出三电极开关触发后形成放电回路，高电压迅速加载至高压电极，在0μs～2.5μs时间段内含能材料发生击穿过程，电压从7.5kV下降至3kV，电流从0kA迅速上升至30kA，这段时间内，含能材料内部能量沉积速率较慢，爆轰未开始。在2.5μs～10μs时间段内，含能材料内部完全击穿，形成等离子体放电通道。一方面，电容中的储能在含能材料内部迅速沉积，使击穿通道中的含能材料温度迅速上升。另一方面，温升导致凝胶含能材料中的氧化铜粉末与铝粉发生剧烈的铝热反应，进一步提升含能材料温度。两者共同作用导致硝基甲烷发生爆轰，产生幅值、冲量与能量极强的冲击波。含能材料的爆轰同时会约束等离子体通道的向外扩张，使得等离子体通道阻值较高，维持较高能量沉积功率。在10μs～40μs时间段内，含能材料内部形成稳定的放电通道，电压电流波形表现出同步的震荡衰减，直至为零。在这个过程中，电容仍持续向含能材料的放电通道中沉积能量，维持凝胶状含能材料中爆轰波的进一步发展，直至电容中的1200J储能释放完毕。
参见图6，为实施例4的放电波形图。相比于实施例1，其掺杂的铝粉与氧化铜比例较少，这使得其形成的锥形含能材料块电阻较大，因此电极开关触发后，高电压加载至高压电极并在0μs～2.5μs时间段内维持20kV的电容电压。在2.5μs～5μs时间段内含能材料发生击穿过程，电压从20kV下降至3kV，电流从0kA迅速上升至27kA，这段时间内，含能材料内部能量沉积速率较慢，爆轰未开始。在5μs～12μs时间段内，含能材料内部完全击穿，形成等离子体放电通道使其爆轰。对比实施例1与4的放电过程，可知铝粉与氧化铜粉末的掺杂会影响击穿与放电通道的形成，并且影响后续能量沉积效率。铝粉在这个过程中起到了决定性的作用，因为相比于硝基甲烷、氧化铜粉末和水，其本身电阻较小，有利于击穿和放电通道的形成。铝粉的含量越高，含能材料击穿的时间越短，峰值电流越大，能量沉积效率越高，也约有利于含能材料的爆轰。因此凝胶状含能材料中必须掺杂一定份数的铝粉和氧化铜粉末，才能使硝基甲烷发生爆轰。
参见表2，基于上述水间隙放电实验平台对多种配比下凝胶状含能材料进行实验测试，驱动源储能均为1200J，最终得到的实验结果。
表2多种配比下凝胶状含能材料实验结果
| 名称 | 驱动源储能/J | 冲击波峰值/MPa | 冲量密度/Pa·s | 能量密度/J·m-2 |
| 实施例1 | 1200 | 10.1 | 529.7 | 1751.7 |
| 实施例2 | 1200 | 11.2 | 503 | 1710.8 |
| 实施例3 | 1200 | 11.5 | 566.9 | 2180.1 |
| 实施例4 | 1200 | 6.5 | 257.4 | 478.9 |
| 对比例1 | 1200 | 6.5 | 74.5 | 69.1 |
| 对比例2 | 1200 | 6.5 | 155.5 | 117.4 |
| 对比例3 | 1200 | 6.8 | 337.6 | 799.3 |
参见图7～图10，由实施例1～4可以看出，凝胶状含能材料在1200J驱动源储能下均能起爆，产生产生幅值与冲量极强的冲击波，具有一定的工程应用价值。其原理为脉冲源在短时间内向含能材料间隙中注入大量能量，使其发生击穿并形成放电通道。并且金属氧化物与铝粉发生剧烈铝热反应放出大量热量，两者协同作用使得凝胶状含能材料发生爆炸，爆轰波一方面向外传播起爆外层含能材料增强冲击波，另一方面向内限制放电通道的膨胀，使其保持较高电阻加速电能沉积功率，维持爆轰波的传播与发展。
对比实施例1～4可以看出，不同配比下凝胶状含能材料起爆产生的冲击波峰值、冲量密度与能量密度不同。实施例3产生的冲击波最强，这是由于其配比最适合爆轰波的形成与发展。当凝胶状含能材料中硝基甲烷的占比过高时，形成的锥形含能材料块电阻过高，击穿与放电通道的形成较为困难，使得电能沉积功率较低，不利于起爆以及爆轰波的传播发展。而当凝胶状含能材料中硝基甲烷的占比过低时，尽管锥形含能材料块起爆较为容易，但是爆轰波传播过程中硝基甲烷含量太低，也不利于进一步发展。因此，配比对于凝胶状含能材料最终爆炸产生的冲击波具有调控作用。在实际工程中，可根据需要调节凝胶状含能材料配方，以得到理想的冲击波峰值、冲量密度与能量密度。
参见图9和图11，对比实施例3和对比例1的冲击波波形。实施例3的冲击波峰值压力为11.5MPa，冲量密度为566.9Pa·s，能量密度为2180.1J/m2，对比例1的冲击波峰值压力为6.5MPa，冲量密度为74.5Pa·s，能量密度为69J/m2。结果表明质量3.2g，高度20mm的锥形凝胶含能材料块能够将冲击波峰值压力提升1.8倍，冲量密度提升7.6倍，能量密度提升31.6倍。因此装载凝胶状含能材料的连续推送装置能够显著提升单发冲击波的幅值，能量密度与冲量密度，且能够可靠连续产生冲击波。
参见图9和图12，对比实施例3和对比例2的冲击波波形。实施例3的冲击波峰值压力为11.5MPa，冲量密度为566.9Pa·s，能量密度为2180.1J/m2，对比例2的冲击波峰值压力为6.5MPa，冲量密度为155.5Pa·s，能量密度为117.4J/m2。结果表明，未凝胶化的含能材料几乎无法提升水间隙放电的冲击波。因为未凝胶化的含能材料没有自支撑效果，仍为流体状态。在无外壳情况下无法维持在电极间隙内起爆，因此产生的冲击波与水间隙放电类似。对于掺杂了其他增稠剂的固液复合含能材料结果也类似，例如添加醋酸纤维素等，因为这些情况下均无法使含能材料凝胶化，形成自支撑特性。
参见图9和图13，对比实施例3和对比例3的冲击波波形。实施例3的冲击波峰值压力为11.5MPa，冲量密度为566.9Pa·s，能量密度为2180.1J/m2，对比例3的冲击波峰值压力为6.8MPa，冲量密度为337.6Pa·s，能量密度为799.3J/m2。结果表明连续推送装置单次推送的含能材料块质量越大，产生的冲击波越强。在质量为10g时凝胶状含能材料能够形成高度超过5cm，在水中保持时间超过10min的锥形含能材料块。在实际工程中，可根据需要调节凝胶状含能材料的质量以及间隙距离，以得到理想的冲击波峰值、冲量密度与能量密度。
综上所述，本发明的凝胶状含能材料及其连续推送装置有以下几个优势：
1、大幅提升水间隙放电单发冲击波峰值压力、冲量密度与能量密度，并且兼容所有经改造的集成式间隙放电脉冲源4。
2、凝胶状含能材料具备自支撑效应，可在无外壳情况下直接推送至水间隙内，长时间浸泡下不失效、不分解，仍能在脉冲电流作用下正常起爆，同时无外壳结构大幅降低的制造、运输、使用过程中的成本，提升装置可靠性。
3、连续推送装置结构简单可靠、集成度高，储存仓内含能材料长时间稳定储存，不分解、不失效、不殉爆。
4、凝胶状含能材料的配方以及填充质量对冲击波具有调控作用，在实际工程中可根据需要调节以得到理想的冲击波峰值、冲量密度与能量密度。
如图2所示，本发明实施例公开了一种凝胶状含能材料连续推送装置2，包括壳体，壳体为由前壳体、中壳体和后壳体拼装而成的筒体结构；
前壳体的内部为含能材料存储仓214，前端开设与含能材料存储仓214相连通的含能材料推送口216，后端设置转接插座；含能材料存储仓214内填充有凝胶状含能材料217；中壳体内设置电机206，前端设置转接插座，后端设置密封转接插座203，前端的转接插座用于与前壳体后端的转接插座连接；电机206安装在螺杆210上；螺杆210的前端安装推动活塞块213，推动活塞块213上套设有密封圈212；推动活塞块213与电机206之间固定设置有硅油隔板209和滚珠丝杠208，滚珠丝杠208位于电机206与硅油隔板209之间；中壳体内，硅油隔板209与中壳体后端的密封转接插座203之间填充有硅油207；后壳体内设置有电池201和控制模块202，前端设置密封转接插座203，用于与中壳体后端的密封转接插座203密封连接，后壳体的后端为封闭结构；控制模块202安装在电池201上，并与电机206的控制端连接；电池201与电机206的电源端连接；电机206驱动推动活塞块213将凝胶状含能材料217由含能材料推送口216推出，形成锥形含能材料块218。
凝胶状含能材料储存在含能材料储存仓214中，在推送活塞块213的作用下，由含能材料推送口216推出形成锥形含能材料块218。推送活塞块213由螺杆210向前推进，并安装环形密封圈212与外界密封。电机206与螺杆210另一端相连并提供推进动力，电机206整体浸泡在硅油207中保持绝缘，通过滚珠丝杠208与硅油隔板209进行密封。推进过程中硅油隔板209与推送活塞块213之间设置多个泄压孔211保持装置内外水压一致。电机206由电池201供电、控制模块202控制，经密封转接插座203后通过电机控制线204和电机电源线205相连。控制模块202内部安装霍尔传感器、振动传感器等，可采集电流信号、磁场信号、振动信号等控制电机206工作。装配螺纹215可将凝胶状含能材料连续推送装置2安装在经改造的集成式间隙放电脉冲源4上，提升冲击波的幅值、冲量与能量。
本发明凝胶状含能材料连续推送装置2的工作原理如下：
凝胶状含能材料连续推送装置2可安装在所有经改造的集成式间隙放电脉冲源4上，作为冲击波能量的重要补充。一般来说，凝胶状含能材料连续推送装置2安装在地电极一侧，含能材料推送口216取代原本水间隙放电装置的地电极，与其高压电极形成水间隙。初始工作时，可采用预放电的方式，使控制模块202拾取到磁场信号启动电机206工作，也可在间隙间预设含能材料。当电机206工作后通过螺杆210推动推送活塞块213挤压含能材料储存仓214中的凝胶状含能材料217，凝胶状含能材料217会从含能材料推送口216中被挤出从而在水间隙间形成锥形含能材料块218。操作人员控制外部电源向电容充电后，触发三电极开关形成放电回路，电能迅速注入锥形含能材料块218。锥形含能材料块218内部发生电击穿并形成等离子体放电通道，产生的高温、辐射等效应使锥形含能材料块218发生爆轰，并推动水介质形成冲击波。在放电过程中控制模块202再次拾取磁场信号和振动信号，并启动电机206推送凝胶状含能材料217。间隙间又能形成锥形含能材料块218，为下次放电做好准备，形成连续工作条件。含能材料推送口216可设计为多孔、特斯拉阀等形态防止传爆点燃含能材料储存仓214内的凝胶状含能材料217。并且由于含能材料储存仓214安装在地电极一侧，电流直接通过含能材料推送口216形成回路而不经过整体结构，因此含能材料储存仓214内的凝胶状含能材料217无殉爆风险。而凝胶状含能材料连续推送装置2长时间浸没在水中时，含能材料推送口216处的硝基甲烷会逐渐溶于水，留下疏水性气相二氧化硅形成疏水保护层，使得含能材料推送口216内凝胶状含能材料217可存储超过一个月不失效、不分解，仍能稳定起爆。
如图3所示，本发明实施例公开了一种间隙放电装置，包括集成式间隙放电脉冲源4和凝胶状含能材料连续推送装置2；
集成式间隙放电脉冲源4包括后端开口的外壳，外壳的前端内部设置有小型电容406，小型电容406与电缆插口408之间设置充电绝缘407，充电绝缘407上开设电缆插口408，用于小型电容406与外接电缆相连；小型电容406后端设置气体开关405，气体开关405一端与小型电容406相连，另一端连接高压传输杆404，高压传输杆404外侧套设电极绝缘403，高压传输杆404的末端设置高压电极402；外壳的后端设置回流柱401，回流柱401与连续推送装置2的前壳体密封连接，二者之间形成起爆间隙，高压电极402位于起爆间隙内；连续推送装置2的含能材料推送口216与起爆间隙相连通，连续推送装置2将凝胶状含能材料217推送至起爆间隙，形成锥形含能材料块218。
本发明间隙放电装置可适用于室外作业环境，包括矿山、油井、隧道等。其高度集成了气体开关405与小型电容406，通过携式同轴电缆409经电缆插口408向小型电容406充电，并通过高压传输杆404与高压电极402传输电能至水间隙，再通过回流柱401形成回路，电极绝缘403与充电绝缘407用于内部绝缘。使用时连续推送装置安装在回流柱401一侧，其含能材料推送口216与高压电极402形成水间隙。
如图4所示，为本发明实施例公开了一种水间隙放电实验系统，包括水间隙放电实验平台3和上述间隙放电装置；
水间隙放电实验平台3包括水缸310、大型电容301和示波器311；间隙放电装置竖直设置于水缸310内，前端安装同轴传输装置306；同轴传输装置306的后端连接间隙放电装置的前端，前端连接同轴电缆304的一端，同轴电缆304的另一端通过三电极开关302连接大型电容301；
水缸310内的水中设置有冲击波压力探头308和成型板件309，冲击波压力探头308和成型板件309分别设置于锥形含能材料块218的两侧，并位于锥形含能材料块218爆轰产生冲击波307的路径上；示波器311分别与冲击波压力探头308、电压探头305和电流探头303相连；电压探头305设置于同轴电缆304上，电流探头303设置于同轴电缆和三电极开关302的接地线上。
凝胶状含能材料连续推送装置2安装于同轴传输装置306下方，凝胶状含能材料217储存于凝胶状含能材料连续推送装置2内部。凝胶状含能材料连续推送装置2整体置于装满水的水缸301中，凝胶状含能材料连续推送装置2工作后在水间隙间形成锥形含能材料块218。实验室大型电容301充电后，触发三电极开关302，电能经同轴电缆304注入锥形含能材料块218。锥形含能材料块218内部发生电击穿后形成等离子体通道，产生的高温、辐射等效应使锥形含能材料块218发生爆轰，并推动水介质形成冲击波307。冲击波信号由冲击波压力探头308拾取，放电的电压信号由电压探头305拾取，电流信号由电流探头303拾取，以上所有信号由示波器311记录并保存。水间隙放电实验平台3所产生的冲击波为自由水域冲击波，可应用于机械加工成型、电脉冲清洗等场景。将成型板件309置于水中，设置合适的冲击波参数即可对其进行加工。
本发明实施例公开了一种水间隙放电实验方法，包括以下步骤：
步骤1：安装凝胶状含能材料连续推送装置2：
步骤101：将凝胶状含能材料连续推送装置2安装在同轴传输装置306正下方，高压电极402与含能材料推送口216形成20mm长度的水间隙，并将凝胶状含能材料连续推送装置2浸没在水中。
步骤102：控制高压电源向大型电容301充电，大型电容301电压到达10kV，储能达到300J时停止充电。
步骤103：触发三电极开关302预放电，控制模块202拾取到磁场信号后控制电机206工作。
步骤104：凝胶状含能材料217被推送至电极间隙间，形成质量3.2g，高度20mm的锥形含能材料块218。
步骤2：起爆锥形含能材料块218。
步骤201：在距离负载15cm的位置安装压力传感器PCB 138用于测量含能材料产生冲击波的幅值、冲量与能量密度；
步骤202：控制高压电源向大型电容301充电，大型电容301电压到达20kV，储能达到1200J时停止充电。
步骤203：触发三电极开关302形成放电回路，电能注入锥形含能材料块218后使其发生爆轰，产生水中强冲击波。
如图14所示，本发明实施例公开了一种破岩系统，包括携式电源503以及间隙放电装置；间隙放电装置设置于具有致裂需求的目标岩体501内预制的若干孔洞502内，间隙放电装置的电缆插口408通过携式同轴电缆409连接携式电源503。
本实施例为双孔定向破岩场景。根据致裂需求目标岩体501侧面设置了两个平行的孔洞502，孔洞502尺寸略大于凝胶状含能材料连续推送装置2与集成式间隙放电脉冲源4组装完毕后的整体尺寸，孔洞502间距根据岩体抗拉强度、目标裂纹形态等多参数联合确定。一般来说，岩体抗拉强度越大，目标裂纹形态约复杂，则孔洞502间距越近。野外作业时装置由携式电源503供电，连接装置后开始执行破岩操作。双孔定向破岩将形成连接双孔的定向裂缝，适用于煤层顶板切缝等应用场景。
如图15所示，本发明公开了一种采用上述破岩系统的破岩方法，包括以下步骤：
步骤1，首先确定岩体所需致裂位置、裂纹形态。
步骤2，根据致裂需求在岩体表面设置一定数量、间距的孔洞。
步骤3，组装与岩体孔洞相同数量的连续推送装置与集成式间隙放电脉冲源，连续推送装置已预装凝胶状含能材料。
步骤4，将组装完毕的整体装置安装在岩体孔洞中。
步骤5，控制电源充电，预放电启动连续推送装置。
步骤6，推送装置将凝胶状含能材料推送至间隙内，形成锥形含能材料块218。
步骤7，控制电源向电容器充电。
步骤8，电容器电压达到气体开关极限耐受电压。
步骤9，开关击穿，形成放电回路，能量注入间隙。
步骤10，间隙放电起爆锥形含能材料块218。
步骤11，判断目标岩体是否达到致裂效果，若不符合预期，则返回步骤6，且起爆时形成的放电回路将再次启动连续推送装置，若符合预期，执行步骤12。
步骤12，携带装置至新的工作位置，重复上述步骤2-11，直至所有目标区域都达到理想的致裂效果。
如图16所示，本发明实施例公开了一种垂直井页岩储层改造系统，包括控制平台601以及间隙放电装置，所述间隙放电装置设置在垂直井内；控制平台601通过电缆连接间隙放电装置引爆起爆间隙中的锥形含能材料块218，产生冲击波。
如图17所示，本发明实施例公开了一种水平井页岩储层改造系统，包括控制平台601以及间隙放电装置，所述间隙放电装置设置在水平井内；控制平台601通过电缆连接间隙放电装置引爆起爆间隙中的锥形含能材料块218，产生冲击波。
本实施例为垂直井与水平井页岩储层改造，根据页岩油储层改造场景选取装置安装方式，若为垂直井602，则借助传输同轴电缆603在重力作用下将装置安装在作业位置，若为水平井610，则借助连续油管607将装置推送至加热井606作业位置。通过地面控制平台601通过电缆向电容器充电，预放电启动连续推送装置。推送装置将凝胶状含能材料推送至间隙内，形成锥形含能材料块218，再次启动地面控制平台向电容器充电，电容器电压达到气体开关极限耐受电压后开关击穿，形成放电回路，能量注入间隙后起爆锥形含能材料块218产生强冲击波。强冲击波耦合进入储层形成复杂裂缝网络604，在同一作业位置重复特定次数的冲击波，在目标作业位置附近制造复杂缝网，提高页岩油渗透率。储层改造效果达到预期后，垂直井场景下可直接采取常规方法开采页岩油，水平井场景下需要在加热井中进行原位加热，提升采油井608中低渗页岩油609的渗透率，随后使用采油机605对低渗页岩油进行开采。该装置除储层改造外，还可用于油气解堵，油井增产等场景，作业流程与方式与上述类似。
参见图18，本发明公开了一种页岩油储层改造方法，包括以下步骤：
步骤1，确定作业场景为垂直井还是水平井。
步骤2，若为垂直井，则借助传输同轴电缆603在重力作用下将装置安装在作业位置，若为水平井，则借助连续油管607将装置推送至加热井作业位置。
步骤3，在地面控制电源通过电缆向电容器充电，预放电启动连续推送装置。
步骤4，推送装置将凝胶状含能材料推送至间隙内，形成锥形含能材料块218。
步骤5，在地面控制电源通过电缆向电容器充电。
步骤6，电容器电压达到气体开关极限耐受电压。
步骤7，开关击穿，形成放电回路，能量注入间隙。
步骤8，间隙放电起爆锥形含能材料块218。
步骤9，在同一作业位置重复特定次数的步骤4～步骤8，在目标作业位置附近制造复杂缝网，提高页岩油渗透率。
步骤10，借助同轴电缆或连续油管将装置安装至新作业位置。
步骤11，评估储层改造效果，若不符合预期，则返回步骤1将装置重新下井，若符合预期，执行步骤12。
步骤12，垂直井场景下直接开采页岩油，水平井场景下通过在加热井中原位加热提升低渗页岩油渗透率，在采油井中开采页岩油。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于间隙放电的凝胶状含能材料，其特征在于，按照质量份数计，包括30~65份的硝基甲烷、10~30份的金属氧化物粉末、15~40份的铝粉以及1~3份疏水性气相二氧化硅凝胶化。
2.根据权利要求1所述的用于间隙放电的凝胶状含能材料，其特征在于，所述硝基甲烷的纯度大于99%；所述金属氧化物粉末和铝粉的粒度均为1 μm~100 μm；所述金属氧化物采用氧化铜、二氧化锰、三氧化二铁或四氧化三铁。
3.一种权利要求1或2所述用于间隙放电的凝胶状含能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将金属氧化物粉末和铝粉混合均匀，得到铝粉/金属氧化物粉末；
步骤2：将铝粉/金属氧化物粉末加入硝基甲烷中，在室温下搅拌，使硝基甲烷与铝粉/金属氧化物粉末均匀混合，得到铝粉/金属氧化物/硝基甲烷粉末；
步骤3：向铝粉/金属氧化物/硝基甲烷粉末加入疏水性气相二氧化硅，在室温下搅拌，使混合物凝胶化，得到凝胶状含能材料；
所述步骤2和步骤3中，搅拌的转速为50r/min~500r/min。
4.一种权利要求1或2所述用于间隙放电的凝胶状含能材料的制备方法，所述方法基于一种用于制备凝胶状含能材料的装置，所述装置包括：腔体（104）、腔体密封盖（103）、螺旋搅拌杆（102）和搅拌延长杆（107）；
所述腔体（104）设置腔体密封盖（103），内部设置有螺旋搅拌杆（102），底部开设有搅拌杆安装孔（105）；
所述腔体密封盖（103）上开设有加压阀（101）；
所述螺旋搅拌杆（102）的底部设置安装座，所述安装座设置于搅拌杆安装孔（105）内，所述安装座上开设有与腔体（104）相连通的灌装口（106），所述灌装口（106）的出口处设有沉孔，用于连接搅拌延长杆（107）；
所述搅拌延长杆（107）的末端连接搅拌电机，用于驱动螺旋搅拌杆（102）旋转；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将金属氧化物粉末和铝粉混合均匀，得到铝粉/金属氧化物粉末；
步骤2：向腔体（104）中加入硝基甲烷，再向腔体（104）中加入铝粉/金属氧化物粉末，盖上腔体密封盖（103），启动搅拌电机驱动螺旋搅拌杆（102）在室温下旋转搅拌，使硝基甲烷与铝粉/金属氧化物粉末均匀混合，关闭搅拌电机；
步骤3：打开腔体密封盖（103），向腔体（104）中加入疏水性气相二氧化硅，盖上腔体密封盖（103），启动搅拌电机驱动螺旋搅拌杆（102）在室温下旋转搅拌，使混合物凝胶化，得到凝胶状含能材料。
5.根据权利要求4所述的用于间隙放电的凝胶状含能材料的制备方法，其特征在于，得到凝胶状含能材料之后，拆掉搅拌延长杆（107），打开腔体密封盖（103）上的加压阀（101），通过加压阀（101）向腔体（104）内加压，使凝胶状含能材料由灌装口（106）排出。
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