CN112711063A - 一种深井大功率电火花震源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深井大功率电火花震源，包括中央控制箱，所述中央控制箱的顶部设置有主控箱，所述中央控制箱的一侧表面固定安装有电源输入接口，所述中央控制箱的一侧设置有绞车，所述绞车的表面设置有导电滑环，所述绞车的一侧设置有滑轮，所述导电滑环的一侧设置有下井电缆。本发明通过储能电容和激发探头部分紧密相邻，在电缆上损耗的能量低，本***激发能量达20KJ，通过增加储能电容，还可以拓展至更大的激发能量，检测深度可达5000米以上，目前国内尚未研制出现同类产品，填补了国内深井电火花震源领域的空白，发射探头耐高温、耐磨损、抗腐蚀，置于装满盐水的密封橡胶囊内，能量转换率高，激发效果好。

Description

一种深井大功率电火花震源

装置领域

本发明涉及石油测井技术领域，具体是一种深井大功率电火花震源。

背景装置

目前，在石油勘探中常用的震源有***震源、锤击震源、可控震源、***震源、电火花震源等，***震源具有能量大、频率丰富等优点，但具有一定的危险性且对环境具有破坏性，锤击震源、可控震源一般体积、重量比较大，不适合深井激发，***震源常用于海洋、江河、湖泊中施工，不适合陆地和井下勘探，电火花震源的工作原理是将储存在高压电容器中的电能在极短的瞬间(微妙级)由放电电极释放出，通过电能转换成脉冲压力波能量去进行地震勘探的一种非***震源，该类震源具有体积小、能量大、安全环保无破坏的等点，是一种绿色勘探震源，适合于野外各种环境(地面、水上、井下)的作业。由于电火花震源的多种优点，使其在VSP测井、井间地震层析成像、单井的一发多收、井底的超前预报、振动采油和工程勘探等方面都得到广泛使用，取得较好的使用效果。

国外，在六十年代初，美国开始研制电火花震源。1966年，Miller取得了陆地电火花震源专利，20世纪80年代，Barbier研制出海洋勘探用的编码电火花震源，国内，中科院电工所1975年与大庆油田合作，研制电火花震源，到90年代投入生产，国外ASL(AvalonSciences Ltd.)公司生产的深井电火花震源耐压70MPa，耐温150℃，最大激发能量仅1000J，其激发能量不能满足大跨距勘探要求，目前国内尚未发现有1000米以上深井大功率电火花震源设备研制成功。

现有的各类井下电火花震源设备一般由地面、井下两部分组成，且普遍采用将设备的主控制箱、储能电容、充电升压、放电开关等均安装在地面，仅激发探头置于井下的模式，地面的电容储能通过几千米的下井电缆输送至井下探头激发，在线缆上损耗能量非常大，还存在深井内激发能量小、激发不稳定(在原油井中探头甚至无法激发)、抗干扰能力差、***故障率高、维修保养难度大、使用成本高等问题，随着油田勘探开发程度的不断加深，石油资源日渐枯竭，地表浅层石油已经开采殆尽，为确保油田可持续发展，深井、超深井勘探任务越来越多，目前市场上现有的电火花震源设备由于耐高压耐高温等级不足、发射能量小等问题，很难应对勘探深层石油储层复杂的地质特征以及适用于深井中高温高压的苛刻环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深井大功率电火花震源，以解决上述背景装置中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：

一种深井大功率电火花震源，包括中央控制箱，所述中央控制箱的顶部设置有主控箱，所述中央控制箱的一侧表面固定安装有电源输入接口，所述中央控制箱的一侧设置有绞车，所述绞车的表面设置有导电滑环，所述绞车的一侧设置有滑轮，所述导电滑环的一侧设置有下井电缆，所述下井电缆的一端与中央控制箱连接，所述下井电缆与滑轮滚动连接，所述下井电缆的一端固定安装有探头，所述探头的内侧设置有储能电容，所述储能电容的一端通过高压接插件卡合安装有放电开关，所述放电开关的一侧固定安装有激发炮头。

作为本发明进一步的方案：所述探头由多节探拼接管组合而成，所述探头的内部分别固定安装有第一地震波接收传感器和第二地震波接收传感器，所述探头靠近下井电缆一端的内部分别固定安装有温度传感器和压力传感器。

作为本发明再进一步的方案：所述高压接插件包括设置在探头内侧部件连接处的插接公座，所述插接公座的一侧设置有导电接头，所述插接公座一侧插合安装有插接母座，所述插接母座的一端设置有导电接口，且导电接头和导电接口皆为三组。

作为本发明进一步的方案：所述下井电缆的表面设置有外层钢铠，所述外层钢铠的内侧设置有内层钢铠，所述内层钢铠的内侧设置有屏蔽层，所述屏蔽层的内侧环绕设置有控制芯，所述控制芯内侧设置有绝缘层，且绝缘层的内侧设置有高压芯。

作为本发明进一步的方案：所述放电开关的内部一侧固定安装有复位弹簧，所述复位弹簧的一端固定安装有线圈，且放电开关采用圆柱形设计直径为80cm。

作为本发明进一步的方案：所述激发炮头的内部设置有橡胶囊，所述橡胶囊的内部中心位置处固定安装有激发电极，且激发电极的一侧设置有钢内衬。

作为本发明进一步的方案：所述激发电极的一端外侧环绕设置有负极，所述负极的内侧设置有绝缘垫，且绝缘垫的内侧设置有正极。

作为本发明进一步的方案：所述导电滑环的一侧设置有转子边，所述转子边的一侧设置有定子边，且定子边的一侧设置有主控箱连接端口。

与现有装置相比，本发明的有益效果是：

本发明通过储能电容和激发探头部分紧密相邻，在电缆上损耗的能量低，本***激发能量达20KJ，通过增加储能电容，还可以拓展至更大的激发能量，检测深度可达5000米以上，目前国内尚未研制出现同类产品，填补了国内深井电火花震源领域的空白，发射探头耐高温、耐磨损、抗腐蚀，置于装满盐水的密封橡胶囊内，能量转换率高，激发效果好，可以在无水耦合井中，或者充满原油的井中激发，使的电火花震源的适用范围得到扩展，在各种复杂的石油井液环境中的激发的稳定性大幅提升。

本发明通过地面中央控制箱采用PLC智能控制技术，升压、控制、监测等器件和模块安装在工程塑料箱体安装固定，全密封设计，无高压端子外露。操作安全性和智能化程度得到大幅提升，地面主控箱采用485通讯电缆与中央控制箱连接，主控机采用低压供电，与中央控制箱高低压分离，全部采用触摸屏操作，确保保证操作人员的绝对安全。同时配有液晶显示屏，可操作及监视整个***状态，当出现故障时，***自动保护并报警显示报警原因，提升了电火花震源装置的自动化程度和安全性。

本发明在高压深井电缆、高压接插件、高压导电滑环、高压放电开关等电气元件尺寸结构、性能方面取得了突破，可以引申并用于其他高压深井装备，深井大功电火花率震源的产生的脉冲压力波，可用于振动解堵，恢复老油井产能。

本发明深井大功电火花率震源可广泛应用于石油勘探领域，包括VSP测井、井间地震层析成像、单井的一发多收、井底的超前预报、井下地震反射等领域，用于探明储层厚度，含油气饱和度、孔隙度等参数、岩性/沉积相分析、储层连通性分析等，深井大功电火花率震源在煤田、矿山等地球深部资源井下地震勘探中也具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为一种深井大功率电火花震源的组成示意图。

图2为一种深井大功率电火花震源的探头部分组成示意图。

图3为一种深井大功率电火花震源的高压接插件组成示意图。

图4为一种深井大功率电火花震源的下井电缆截面图。

图5为一种深井大功率电火花震源的放电开关部分结构示意图。

图6为一种深井大功率电火花震源的激发炮头内部结构示意图。

图7为一种深井大功率电火花震源的激发电极部分结构示意图.

图8为一种深井大功率电火花震源的导电滑环部分结构示意图。

图9为一种深井大功率电火花震源的工作原理方框图。

图中所示：1、电源输入接口；2、主控箱；3、中央控制箱；4、绞车；5、滑轮；6、下井电缆；7、储能电容；8、放电开关；9、激发炮头；10、高压接插件；11、高压芯；12、外层钢铠；13、复位弹簧；14、线圈；15、激发电极；16、钢内衬；17、橡胶囊；18、负极；19、正极；20、绝缘垫；21、导电滑环；22、转子边；23、定子边；24、主控箱连接端口；25、第一地震波接收传感器；26、第二地震波接收传感器；27、内层钢铠；28、温度传感器；29、导电接头；30、插接公座；31、插接母座；32、导电接口；33、探头；34、屏蔽层；35、控制芯；36、绝缘层；37、压力传感器。

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装置方案进行清楚、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，本领域普通装置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。

请参阅图1～9，本发明实施例中，一种深井大功率电火花震源，包括中央控制箱3，中央控制箱3的顶部设置有主控箱2，中央控制箱3的一侧表面固定安装有电源输入接口1，地面部分的中央控制箱3集成了***的充电、升压、放电、激发控制、状态监测及故障预警、自检、安全保护等功能，为保证操作人员安全，不直接对中央控制箱3进行操作，而是通过主控箱2人机交互界面操控全套震源***，中央控制箱3、主控箱2采用德国西门子PLC智能控制，中央控制箱3、主控箱2安装在控制室内，通过主控机的触摸屏交互界面可操作整套***，同时通过主控机液晶显示屏可监视整套***的工作状态，当出现故障时，***自动保护并报警显示报警原因。主控机软件提供参数设置界面，充电、停止、放炮界面，状态指示界面，***故障显示等界面，中央控制箱3的一侧设置有绞车4，绞车4的表面设置有导电滑环21，绞车4的一侧设置有滑轮5，导电滑环21的一侧设置有下井电缆6，下井电缆6的一端与中央控制箱3连接，下井电缆6与滑轮5滚动连接，下井电缆6的一端固定安装有探头33，探头33由多节探拼接管组合而成，探头33的内侧设置有储能电容7，将储能电容7设计成多节方式，每节之间通过高压接插件10连接，每一节内置有高储能密度的圆柱形高压储能电容7，直径70mm长度2500mm，两端配有接线座，设计最高充电电压U为10KV，电容器采用耐温聚酯薄膜材料，耐温150摄氏度，根据实际需要，储能电容7可灵活增减、拓展，储能电容7部分探管可以增加至3节、4节或更多节，每节长度为4.2米，储能电容7拓展后，电容量增大，激发能量更大，储能电容7的一端通过高压接插件10卡合安装有放电开关8，探管内任意相邻两节之间皆通过高压接插件10电气连接，且每节探管之间通过T型螺纹传动两节外管紧固和密封，每节之间设计有多层O型圈止水密封，可增加部件之间的连接稳定性和密封性，对内部器件起到较好的保护作用，放电开关8的一侧固定安装有激发炮头9，探头33的内部分别固定安装有第一地震波接收传感器25和第二地震波接收传感器26，探头33靠近下井电缆6一端的内部分别固定安装有温度传感器28和压力传感器37，用于监测探头33在井下承受的温度和压力，高压放电开关7节的上方安装了多个接收传感器，接收传感器用于接收井筒波及孔壁或者孔底的反射波，激发时可以测量井筒波、直达波、井壁或者井底的反射波等波形。

高压接插件10包括设置在探头33内侧部件连接处的插接公座30，插接公座30的一侧设置有导电接头29，插接公座30一侧插合安装有插接母座31，插接母座31的一端设置有导电接口32，且导电接头29和导电接口32皆为三组，采用插针式设计，分成公母两部分，公端采用插针，母端为插孔方式，通过增加正负两极爬电距离提高耐压等级，增大动静触头接触面积及通电流截面积来提高充放电电流，同时该接插件采用高低压传输芯分离方式设计，下井电缆6的表面设置有外层钢铠12，外层钢铠12的内侧设置有内层钢铠27，内层钢铠27的内侧设置有屏蔽层34，屏蔽层34的内侧环绕设置有控制芯35，控制芯35内侧设置有绝缘层36，且绝缘层36的内侧设置有高压芯11，通过下井电缆6将高压直流电输送至井下给电容器充电，为确保高压电远距离的安全输送，下井电缆6方案采用特制的9芯双层铠装电缆，设计的抗拉力10吨，9芯电缆由内至外依次为中心1芯，绝缘层36，***8芯，屏蔽层34，最外面为双层铠装，中间1芯加粗用于传输高压，并采用镀银工艺，耐压10KV，外面8芯中的6芯耐压设计为1KV，主要用于控制信号传输，外面8芯中的2芯为光纤，主要用于信号和数据的高速传输，中间1芯和***8芯线缆之间设计有绝缘层36，且绝缘层36厚度被特别加粗使之能耐压10KV，外面8芯中的任意2芯为地0V负极，其余6芯线，用于控制线，通过不同的颜色区分，放电开关8的内部一侧固定安装有复位弹簧13，复位弹簧13的一端固定安装有线圈14，高压放电开关8内封装一对动静触头，触头材料采用耐磨且低截流值的Cu－W－Wc，这样在满足开断性能的条件下，减小开断过程中由于截流引起的过电压，提高了高压开关的使用电寿命，当驱动电路给井下电磁线圈通控制电压时，衔铁带动推进杆使动触头与高压开关内静触头接通，电磁线圈断电后，由于复位弹簧13作用，使触头断开，且放电开关8采用圆柱形设计直径为80cm，便于安装在井下探管内，同时开关驱动电路安装在地面中央控制箱3内，井下的高压开关部分可耐高温高压，激发炮头9的内部设置有橡胶囊17，橡胶囊17的内部中心位置处固定安装有激发电极15，将激发炮头9的放电电极安装在密闭橡胶囊17内，橡胶囊17内装满盐水，因为当水中导电离子含量较低时，激发炮头9正负极电弧电阻增加，同时放电时间加长，容易出现电容电量不能完全释放干净的情况，则导致压力波形不稳定，相反，加入适当浓度的盐水，增加导电率使压力峰值保持在一个相对较好的值域，所以需限定盐水的浓度，进而提高能量效率，确保探头每一次都能稳定激发，且激发电极15的一侧设置有钢内衬16，钢内衬16四周开椭圆形的能量发射窗口及气泡孔，便于能量发射，激发炮头9正负极采用同心环结构设计，中心为炮头的正极19，外面为炮头的负极18，正负极之间通过聚四氟绝缘，正负极使用特种钢做电极材料，减少磨损，提高了探头的使用寿命，激发电极15的一端外侧环绕设置有负极18，负极18的内侧设置有绝缘垫20，且绝缘垫20的内侧设置有正极19，导电滑环21的一侧设置有转子边22，转子边22的一侧设置有定子边23，且定子边23的一侧设置有主控箱连接端口24，在地面的高压电缆绞线盘的滚筒轴内设计高压导电滑环21，避免高压电缆在旋转过程中造成损坏。

高压直流电给井下电容器充电，电容器上的电压U伏特随后升高，如电容器的电容量为C法拉，则电容器所存储的能量W焦耳可用下列公式求得：

由上式可见，***储能大小主要和电容器的充电电压和电容容量有关，因此，为加大上述电容储能量W焦耳，需要增大电容器两端的充电电压、以及电容量，为井下高压作业安全起见，充电电压不宜过高，因此只能通过加大电容器的储能量。而且由于石油钻井直径普遍都很小，设计的井下电容器尺寸受到孔径制约。

工作原理：当需要对石油测井工作时，首先将深井电火花震源的主控箱2、中央控制箱3、电缆绞车4安装在测井车的控制室内，发电机的AC220V输出，连接至中央控制箱3的电源输入，主控箱2通过控制线连接至中央控制箱3，通过主控箱2控制软件完成对整套***进行操控，深井电火花震源的井下部分，将下井探头33的多节进行连接，先将两节储能电容7搁在地面安装支架上，两节储能电容7轴心对齐，接口按公、母顺序对准，检查接口处的O型密封圈是否完整、检查O型密封圈老化程度，然后通过旋紧T型螺纹传动两节外管紧固和密封，按照所需激发能量的大小可以选择连接1节、2节或者多节储能电容7(储能电容7最少需1节)，再依次连接上高压放电开关8探管、激发炮头9探管，直至多节探管按顺序全部连接完成，井下探头33部分的多节连接完成后，将绞车4的高压电缆的出线端与下井探头33上端连接，下井电缆6与探头33连接完成后，通过启动绞车4将整个探头33部分下放至井下预定的深度，开启发电机，开启中央控制箱3电源，启动主控箱2操作软件，进入设置界面，设置充电电压、充电时间、放电时间等***参数，点击主控箱2操作界面“充电”按钮，开始井下探头33储能电容7进行充电，充电至指定电压时停止充电，点击“放炮”按钮，井下的高压放电开关闭合，井下电容储能通过炮头激发，产生地震波，震源在该深度激发完成后，通过控制地面绞车4，提升或者下放井下探头33，改变深度，再次充电、放炮，直至整口井测量结束，深井电火花震源***提供两种工作模式，井间(井地)模式和单井模式，第一种井间(井地)模式，常用于跨孔对穿/跨孔地震CT、或者井下激发地面接收检测，井间(井地)工作模式时需要在另一口井下布置若干地震检波器串或者在地面布置地震检波器排列，深井电火花震源井下激发产生的地震波信号被井下或者地面的多个检波器接收，检波器信号通过多通道地震仪进行采集、记录、存储，该工作模式时，需要将深井电火花震源主控箱上的外触发输出信号与地震仪的外触发输入连接，确保电火花震源激发的地震波的同步被地震仪所采集，第二种单井模式，深井电火花震源在井下激发产生的地震波信号通过电火花震源井下探头33内自带的多个传感器同步接收并采集，该模式常用于单井一发双收孔壁波速测试、单发单收测试、井底超前预报、单孔反射、井筒波探测等，常用于探测井的周围几米到几百米范围的裂缝、断层或层界面。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的装置人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的装置方案进行修改，或者对其中部分装置特征进行等同替换，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 (8)

1.一种深井大功率电火花震源，包括中央控制箱(3)，其特征在于：所述中央控制箱(3)的顶部设置有主控箱(2)，所述中央控制箱(3)的一侧表面固定安装有电源输入接口(1)，所述中央控制箱(3)的一侧设置有绞车(4)，所述绞车(4)的表面设置有导电滑环(21)，所述绞车(4)的一侧设置有滑轮(5)，所述导电滑环(21)的一侧设置有下井电缆(6)，所述下井电缆(6)的一端与中央控制箱(3)连接，所述下井电缆(6)与滑轮(5)滚动连接，所述下井电缆(6)的一端固定安装有探头(33)，所述探头(33)的内侧设置有储能电容(7)，所述储能电容(7)的一端通过高压接插件(10)卡合安装有放电开关(8)，所述放电开关(8)的一侧固定安装有激发炮头(9)。

2.根据权利要求1所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述探头(33)由多节探拼接管组合而成，所述探头(33)的内部分别固定安装有第一地震波接收传感器(25)和第二地震波接收传感器(26)，所述探头(33)靠近下井电缆(6)一端的内部分别固定安装有温度传感器(28)和压力传感器(37)。

3.根据权利要求1所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述高压接插件(10)包括设置在探头(33)内侧部件连接处的插接公座(30)，所述插接公座(30)的一侧设置有导电接头(29)，所述插接公座(30)一侧插合安装有插接母座(31)，所述插接母座(31)的一端设置有导电接口(32)，且导电接头(29)和导电接口(32)皆为三组。

4.根据权利要求1所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述下井电缆(6)的表面设置有外层钢铠(12)，所述外层钢铠(12)的内侧设置有内层钢铠(27)，所述内层钢铠(27)的内侧设置有屏蔽层(34)，所述屏蔽层(34)的内侧环绕设置有控制芯(35)，所述控制芯(35)内侧设置有绝缘层(36)，且绝缘层(36)的内侧设置有高压芯(11)。

5.根据权利要求1所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述放电开关(8)的内部一侧固定安装有复位弹簧(13)，所述复位弹簧(13)的一端固定安装有线圈(14)，且放电开关(8)采用圆柱形设计直径为80cm。

6.根据权利要求1所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述激发炮头(9)的内部设置有橡胶囊(17)，所述橡胶囊(17)的内部中心位置处固定安装有激发电极(15)，且激发电极(15)的一侧设置有钢内衬(16)。

7.根据权利要求6所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述激发电极(15)的一端外侧环绕设置有负极(18)，所述负极(18)的内侧设置有绝缘垫(20)，且绝缘垫(20)的内侧设置有正极(19)。

8.根据权利要求1所述的一种深井大功率电火花震源，其特征在于：所述导电滑环(21)的一侧设置有转子边(22)，所述转子边(22)的一侧设置有定子边(23)，且定子边(23)的一侧设置有主控箱连接端口(24)。

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