CN201206447Y - 高聚能大功率电脉冲装置能量转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高聚能大功率电脉冲装置能量转换器。根据液电效应将储能器存储的电能在油井射孔段的水中瞬间转换成冲击波能量。其结构包括支套(2)、内电极(3)、绝缘子(4)、绝缘子外筒(5)和上套(8)，该内电极(3)设置在绝缘子(4)的内体中心，绝缘子外筒(5)套在绝缘子(4)的外部，这三个部件浇铸为一体，连接在支套(2)和上套(8)的体内，并在内电极(3)与绝缘子(4)的结合处设有五道台阶结构(9)，在绝缘子(4)与绝缘子外筒(5)的接触面上，设有三道台阶结构(10)。本实用新型具有密封性好、耐高水压和高强冲击的优点，可用于电脉冲装置实现对油层地质结构的处理，提高油井产量。

Description

高聚能大功率电脉冲装置能量转换器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电脉冲转换器，可用于在电脉冲装置中，以较低功率在较长的时间内在电容储能器中储存电场能量，在很短时间内将电能转换成冲击波能量释放到油层，以冲击波对油层地质结构进行处理，实现油井增产。

背景技术

能量转换器是电脉冲装置的重要部件之一，它不仅要承受工作高电压、井下高温、高达50MPa的静水压以及高水压力下的水密封，而且还要承受能量转换时对绝缘子的高速冲击。特别是作为高聚能大功率电脉冲装置的能量转换器，必须在深度4000～5000米，直径为140mm的石油油井工作，高电压、高温、高水压、和高水压下的密封问题极其严重。

液电效应中电能向机械能，即冲击波能量的转换是一个复杂的过程，受多种因素制约。比如，在放电过程中还有光能、电磁能、电离能、辐射能和漏电能等，受放电过程时间长短，电能向机械能转换的效率大有不同。

液体中脉冲大电流放电时所产生的最大压力值与放电能量、放电波形及液体的特性有关，其关系近似为：

$P_{\max }\≈{\mathrm{\β}}_1\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_1\·W}{t_p\·T}}---\left(1\right)$

其中P_max为冲击波波前最大压力，β₁为复杂积分函数，对水介质取0.7，ρ₀为介质密度，W为放电通过单位长度的脉冲能量，T为脉冲持续的时间，t_p为波前时间。可见，液电效应产生的压力与放电能量的平方根成正比，与放电脉冲的前沿和脉宽的平方根成反比。随着放电的脉冲前沿的加长，即放电电流的减小，放电所产生的峰值压力减小。

液电效应产生的压力峰值与放电能量、电路等关系之所以如此复杂，是因为放电过程中的能量转换不仅仅是电能与热能之间的转换，其中还伴随着电离和辐射的能量转换。在电容量3μF和回路电感3.85μH的放电回路中，实验测得到放电产生的冲击波峰值压力与放电电压和放电能量的关系为：

P_m＝9.4U(kg/cm²)        (2)

P_m＝7.7W^0.5(kg/cm²)     (3)

同样的能量下，放电电压越高，储能器容量越小，放电周期越短，所以式(1)和(2)的结果与式(1)的结论是一致的。如果放电回路的电感减小到1μH时，对于4.5kJ的放电能量和30kV的放电电压，冲击波压力峰值将会大于100MPa，所以能量转换器耐冲击波峰值压力按200MPa设计。

对于放电能量约1.5kJ的能量转换器来说，一般材料和结构已不能承受冲击波对绝缘子的破坏。对于更高的放电能量，绝缘子要在解决抗冲击能力问题的同时，综合考虑高水压下的静压，高水压下的密封和高电压下的电绝缘。目前还没有能够满足转换器绝缘子要求的材料，要综合解决这些问题需要从材料和绝缘子结构两个方面入手，更重要的是通过理论分析和实验数据选择绝缘子的结构，以结构弥补材料性能上的不足。

实用新型的内容

本实用新型的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种高聚能大功率电脉冲装置的能量转换器，以保证在高温高电压绝缘、高静压和高静压下的水密封要求下，实现高效率和可靠的能量转换。

实现本实用新型目的的技术方案是通过设计电极和绝缘子的结构，选取其材质，使能量转换器克服在能量转换时对绝缘子的高速冲击，实现在高温、高水压和高冲击条件下将高功率脉冲电能向冲击波能量的有效转换。整个能量转换器包括支套、内电极绝缘子、绝缘子外筒和上套，其中绝缘子与内电极浇铸为一体，连接在支套和上套的体内。

所属的内电极浇铸在绝缘子的内腔中心，该内电极与绝缘子的接触面积的大小，采用经验公式；σ＝F/πDh<102kg/cm²计算确定，σ为内电极对绝缘子的压强，F为冲击波峰值压力，D为内电极与绝缘子接触面的最大直径，h为D与内电极穿过绝缘子的孔径之间的差值。

所述的内电极与绝缘子的整体部件上设有五道台阶结构，以增强绝缘子与内电极金属之间的接触力和密封性。

所述的绝缘子的外部浇铸有绝缘子外筒，该绝缘子外筒上套有缓冲垫和密封圈，并设置在上套内。

所述的绝缘子采用硬度为90的氟橡胶材料，其两端采用U形结构，且在绝缘子与绝缘子外筒的接触面上，设有三道台阶。

所述的支套采用由一块整体材料加工成三根支柱组成的开放式结构。该支套内装载有地电极，且支套与上套连接为一体。

本发明具有如下优点：

1、由于采用U形绝缘子与内电极浇铸为一体的结构，解决了在直径102mm的装置中30kV高电压下的绝缘问题和绝缘子抗50MPa净水压和高水压下的密封问题；

2、由于绝缘子选择材料强度为90的氟橡胶材料，解决了抗100MPa的强冲击问题；

3、由于密封圈和缓冲垫采用氟橡胶材料，解决了密封圈和缓冲垫在150℃下的耐高温问题；

4、由于采用经验公式确定电极端面与绝缘子表面的接触面积大小，使绝缘子的耐冲击力可达到200MPa。

试测表明，本转换器能够工作在储能4.5kJ和脉冲功率100MW下，极大地提高了单次激波能量和对油层作用的有效性。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图；

图2是本实用新型的内电极和绝缘子结构图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型主要由地电极1、支套2、内电极3、绝缘子4、绝缘子外筒5、缓冲垫6、耐高温密封圈7和上套8组成。其中内电极3设置在绝缘子4的内部中心，绝缘子的外部有绝缘子外筒5，这三个部件采用浇铸工艺浇铸成一个整体部件，如图2所示。该整体部件上在内电极3与绝缘子4的结合处设有五道台阶9，以增强绝缘子材料与内电极金属材料之间的接触力，提高高压水下内电极与绝缘子之间的密封性能；该整体部件的内电极3与绝缘子4的接触面积大小，采用经验公式；σ＝F/πDh<102kg/cm²计算确定。即电水锤效应的冲击波峰值压力在绝缘子端面上产生的压强小于102k/cm²，其中σ为内电极对绝缘子的压强，F为冲击波峰值压力，D为内电极与绝缘子接触面的最大直径，h为D与内电极穿过绝缘子的孔径之间的差值。该绝缘子4的两端采用U形结构，且在绝缘子与绝缘子外筒5的接触面上，设有三道台阶结构10，以增加爬电距离，解决井筒污水中的高电压绝缘问题，增加内电极与绝缘子的接触面，并增强绝缘子与绝缘子外筒之间的接触力和密封水的性能，特别是在工作冲击中绝缘子外筒与上套之间的高水压密封。该地电极1装载在支套2内，支套2与上套8相连接。该缓冲垫6和密封圈7套接在整体部件的绝缘子外筒5上，放置在上套8的体内。该支套2采用由一块高强度棒料，并经热处理，加工成三根支柱组成的开放式结构，以保证工作期间，在地电极和内电极之间冲击峰值压力下支套和上套之间的连接强度。同时，绝缘子4采用硬度为90的氟橡胶材料，以实现绝缘子抗100MPa的强冲击效果；缓冲垫6及密封圈7均采用氟橡胶材料，以解决密封圈和缓冲垫在150℃下的耐高温问题；上套8采用高强度无缝钢管加工，且采取与能量控制器相同的标准接口。安装时，该能量转换器通过标准T84×1.5螺纹和能量控制器连接，连接密封面采用外径91.5、环径3.7的氟橡胶密封圈实现水密封，能量转换器的工作间隙设置为6～8mm。

工作时，地电极1、支套2、绝缘子外筒5和上套8为低电位，内电极3为30kV的高电位，整个能量转换器置入4000米深的水下，静水压为50MPa，温度为150℃。其工作原理是：高聚能大功率电脉冲装置的储能器通过能量控制器将电能传输到能量转换器后，储存在储能器中的电能，通过能量转换器的工作间隙突然向水中释放，使水中间隙形成放电电弧通道，电弧通道加热周围水介质。由于热交换，放电通道周围的液体迅速汽化，急剧膨胀，形成包围着火花通道的一层极薄的“蒸汽—气体套”，压力经此薄层迅速传给液体，使之外移，液体转移速度将超过放电通道扩张速度，形成空腔，产生第一个压力冲击波，该冲击波是一个包含许多频率的宽带脉冲波，能量密度很高，高频部分形成陡峭的波阵面。陡峭的波阵面与近井地带的油层相互作用后，衰减为“二次脉冲”低频声波，向介质发射新的应力波。当放电刚一停止，空腔就以声速或超声速闭拢，形成空化现象，产生与第一个压力冲击波方向相反的第二个压力应力波。这两次冲击波都有很大的能量。第一个冲击波对地层产生内压，第二个冲击波对地层产生拉力，相当于对地层产生挤压。这两种不同的冲击波通过射孔眼交替反复地作用于地层。

当本能量转换器每作业10口井，即工作6000～10000次后，地电极1受电流冲击会形成凹坑，要拆下地电极将凹坑打磨平整后再用，但应根据打磨掉的电极厚度，在地电极与支套连接端面采用垫片调节工作间隙，且在规定的范围之内更换最好。

Claims (8)

1.一种高聚能大功率电脉冲装置的能量转换器，包括支套(2)、内电极(3)、绝缘子(4)、绝缘子外筒(5)和上套(8)，其特征在于内电极(3)设置在绝缘子(4)的内体中心，绝缘子外筒(5)套在绝缘子(4)的外部，这三个部件浇铸为一体，连接在支套(2)和上套(8)的体内。

2.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于内电极(3)与绝缘子(4)的结合处设有五道台阶结构(9)。

3.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于在绝缘子(4)的两端采用U形结构，绝缘子(4)与绝缘子外筒(5)的接触面上，设有三道台阶结构(10)。

4.根据权利要求2所述的能量转换器，其特征在于绝缘子外筒(5)上套有缓冲垫(6)和密封圈(7)，并设置在上套(8)内。

5.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于支套(2)由一块整体材料加工成三根支柱组成的开放式结构。

6.根据权利要求1或2所述的能量转换器，其特征在于支套(2)内装载有地电极(1)，且支套(2)与上套(8)相连接。

7.根据权利要求1或3所述的能量转换器，其特征在于绝缘子(4)采用硬度为90的氟橡胶材料。

8.根据权利要求1所述的能量控制器，其特征在于内电极(3)与绝缘子(4)的接触面积大小，采用经验公式： $\mathrm{\&sigma;}=\frac{F}{\mathrm{\&pi;Dh}}<102\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2$ 计算确定，σ为内电极对绝缘子的压强，F为冲击波峰值压力，D为内电极与绝缘子接触面的最大直径，h为D与内电极穿过绝缘子的孔径之间的差值。

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