一种高压放电驱动含能电极释放能量产生冲击波的方法

摘要

一种井下由高压脉冲放电等离子体驱动含能材料释放能量产生冲击波的方法，以高功率脉冲放电产生的等离子体触发夹装在装置高压电极中地电极之间的一个由中心金属丝符合含能材料制成的圆柱体（简称含能电极）快速反应，在50微秒内瞬间释放能量并产生产大量气体，产生高能冲击波，和由于气泡压缩膨胀产生的激荡复合作用于地层，从而达到井下解堵、除垢、形成裂隙，改善渗流条件，提高渗透率，沟通微通道的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生冲击波的方法，具体涉及一种井下由高压脉冲放电等离子体驱动含能材料释放能量产生冲击波的方法。

背景技术

传统上，在水中产生冲击波的方式有化学能释放和机械能利用两种。以化学爆炸，爆燃产生冲击波的方式中，为了降低起爆能量，无论是采取雷电管还是火雷管，需要提高炸药和火药的敏感性，但同时增大了炸药，火药的危险，给生产安全和社会稳定带来了很大的危害，所以各种高含能的炸药，火药受到严格的管制。以高分子有机化合物为主的各种炸药，火药同时还是有毒物质，对环境产生污染。在地质勘探中，所谓人工震源实际是以机械能在地面产生冲击波，通过地表的曼波层耦合到关心的地层，效率低下，分辨率差。

在油气类化石能源的开采中，改造储层的各种技术措施均是以静力学原理实现的。基于静力学原理储层改造技术需要大量的能量和传递能量的介质，并且只能产生特定方向上的改造效果，如水力压裂。国内一口页岩气井的压力规模是万方水，千方砂以上，导致即使无偿采用美国的开发技术，也难以实现中国页岩气的经济开发。受地应力的限制，在各种基于静力学原理的储层改造技术条件下，国内石油开发的采收率仅仅30%，大量能源还未采出。

在水下产生冲击波，除了以化学爆炸，爆炸方法外，还有以液电效应产生的冲击波的方式。液电效应以在水中进行高压放电，仅仅15%左右；改良型的液电效应采用在放电间隙预置一根金属丝，以强大的短路放电电流迅速加热，气化，电离，爆炸产生等离子体通道转换电磁能量为冲击波能量，可以大幅度提高冲击波的能量转换效率到70%。无论是以高电压击穿水还是以大电流爆炸金属丝阐述冲击波，都受到电脉冲装置的储能限制。世界上，美国的电储能技术最好，储能密度达到2MJ/M，但严格禁止向外国出售，而国内的储能技术约在0.2MJ/cm水平。受储能密度的限制，以液电效应阐述的冲击波应用领域受到限制。

化学能的储能密度远高于电能的储能密度，1克TNT炸药的含能量为4.8KJ，密度约为1.6G/CM，多种含能混合物的含能密度与TNT在一个数量级上。含能混合物释放能量需要前提条件，即引爆。一般采用瞬间的高温，高压引发含能混合物释放能量。

电热复合电脉冲技术就是将电脉冲技术与含能混合物的引爆技术相复合，综合利用脉冲电磁能量与含能混合物的化学能的瞬间释放获得冲击波。由于采用了高功率脉冲技术，可以降低各种含能混合物的敏感性，提高生产中的安全性，并可实现多次对含能混合物更为精确的可控应用，例如：在油气井中控制冲击波既不伤害套管，又能通过多次作用实现一次不可控爆炸所带来的危害。

在地质勘探中，爆炸震源还是最好的震源，所获得信号分辨率最好，但是化学炸药不安全，引爆方式的安全性极差，爆炸产物对环境的危害都导致爆炸震源受到限制，甚至禁用。

以静力学原理对油气储层进行改造的成本较大，在页岩气开发中甚至成为经济开发的最大障碍，单次爆炸，爆燃的有效和对井筒的损伤导致共存，虽然有效，但对井筒造成了极大的伤害。

包括炸药在内的各种含能混合物瞬间释放能量的前提是高温和高冲击波，能以更为严格的技术手段为含能混合物提供高温和高冲击，则可降低含能混合物的敏感度，提高安全性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种井下由高压脉冲放电等离子体驱动含能材料释放能量产生冲击波的方法，以高功率脉冲放电产生的等离子体触发夹装在装置高压电极中地电极之间的一个由中心金属丝符合含能材料制成的圆柱体（简称含能电极）快速反应，在50微秒内瞬间释放能量并产生产大量气体。产生高能冲击波，和由于气泡压缩膨胀产生的激荡复合作用于地层，从而达到井下解堵、除垢、形成裂隙，改善渗流条件，提高渗透率，沟通微通道的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种井下由高压脉冲放电等离子体驱动含能材料释放能量产生冲击波的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据需要的冲击波参数，选择含能材料的材质、配方，和几何形状、尺寸；

2)不同的含能材料引燃需要热或者冲击波，根据引燃需求不同，选择不同材质、尺寸的金属丝；

3)根据不同材质和尺寸的金属丝配置不同的容量和峰值功率的高功率脉冲电源；

4)以金属丝为轴线，将含能材料包敷在金属丝的周围支撑棒状，并将含能材料与金属丝组成的复合体送至上下电极之间；

5)隔离脉冲电容器与金属丝的联系，高压直流电源为脉冲电容器充电；

6)当同轴型储能脉冲电容器电结束后，触发器指令隔离切换开关与爆炸丝连接；

7)脉冲电容器通过金属丝放电，金属丝发生电爆炸；

8)金属丝电爆炸产生的热能、光能或冲击波能量或单独、或共同作用引燃含能混合物产生冲击波。

所述的本方法在有限的区域内将电能迅速转换为热能、光能和冲击波形式的机械能，以爆炸丝产生的热能或冲击波能量引燃包括炸药在内的各种含能混合物。

所述的含能混合物裹覆到金属丝上，将金属丝直接串接到脉冲电容器的放电回路中，当金属丝爆炸时，所产生的热能、光能和冲击波能量几乎直接作用到含能混合物上，引燃含能混合物。

本发明的有益效果是：

本发明采用高功率脉冲驱动源驱动含能混合物产生冲击波，使得仅仅以高功率脉冲电源通过击穿水的液电效应或者水中电爆炸产生冲击波的能量发生巨大的变换，仅以高功率脉冲驱动源产生冲击波的能量受驱动源本身储能的限制，高功率脉冲驱动源只起到点火的作用，用于产生冲击波的化学能比驱动源本身的储能量高出几十倍，。如应用于在油气井下处理储层的电脉冲装置储能仅为4.5kJ，而一克含能混合物的含能都在数kJ，采用一克TNT时，就达到了整个装置的储能量。

将高功率脉冲技术与含能混合物的引爆技术相复合，提高了含能混合物的安全性和可控性以及环保性。为地质勘探提供安全，环保性震源弹，为油气储层改造提供一种安全，环保的脉冲改造技术，为特种环境中的有限爆破提供一种安全，可控，环保的爆破弹等。

附图说明

图1为本方法应用于油气井中的结构示意图。

图2为本方法基于电热复合电脉冲技术的环保型震源装置示意图。

图3为实施例3实验装置图。

图4为实施例4实验装置图。

图5为实施例3冲击波形曲线图。

图6为实施例4冲击波形曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

实施例1

如图1所示，一种井下由高压脉冲放电等离子体驱动含能材料释放能量产生冲击波的方法，是应用于油气井中的电热复合电脉冲装置，高压直流电源2与同轴型储能脉冲电容器4、隔离切换开关5以及复合在金属丝6上的含能混合物7集成一个同轴型整体，内导体是高压电极，外壳为地电极。由下井电缆2与地面电源控制柜1相连接，并放置到井下储层位置。

实施方式是：

工作人员在地面启动电源控制柜1，通过下井电缆2为高压直流电源3供电，高压直流电源3为储能脉冲电容器4充电。隔离控制开关5一端与脉冲电容器的高压端相接，一段与金属丝的一端相接。充电期间，隔离切换开关切断脉冲电容器与金属丝及含能混合物的电接触。金属丝6的另一端与装置底部的外壳相接。当脉冲电容器4充电结束后，隔离切换开关5迅速将脉冲电容器4的高压端切换到金属丝的一端，使得脉冲电容器的高压端直接通过金属丝对地短路。强大的短路放电电流迅速以焦耳加热的方式加热金属丝，使其升温、融化、汽化、电离，将脉冲电容器中储存的电能转换为热能、光能和冲击波。金属丝转换的各种能量几乎全部作用到裹覆在其周围的含能混合物上，引燃含能混合物快速释放能量传输强大冲击波。

实施例2

如图2所示，一种井下由高压脉冲放电等离子体驱动含能材料释放能量产生冲击波的方法，是基于电热复合电脉冲技术的环保型震源装置，装置由控制柜1、高压直流电源2、脉冲电容器3、隔离切换开关4、触发器5、高压同轴电缆6、金属丝7和含能混合物8组成。

实施方式是；

控制柜1为高压直流电源2提供初级电源，高压直流电源为脉冲电容器充电。脉冲电容器的高压端与高压直流电源的输出端以及隔离切换开关的一端连接。充电期间，隔离切换开关4断开脉冲电容3与输出高压同轴电缆6间的连接。高压同轴电缆6连接隔离切换开关（4）的一端与金属丝7，金属丝7一段与高压同轴电缆6相接，一端直接接地。当脉冲电容器3充电结束后，触发器6指令隔离切换开关（4）导通，脉冲电容器3通过高压直流电缆6以及金属丝7对地短路放电。

实施例3

电爆震和含能电极发生器冲击波能量对比实验

电爆震实验装置；

电爆震实验装置由以下环节组成（如图3所示），1水池，2电爆震空气气隙，3电爆震，4高压连线，5高压电源，6传感器，7传感器屏蔽线，8信号变换器，9示波器。

电爆震实验方法；

电爆震3放在水箱1的中间，将传感器6放在和电爆震气隙2水平高度一致、距电爆震气隙2有一定距离的地方，电爆震3通过高压导线4连接到高压电源5上，当高压电源5给电爆震3供电工作时，电爆震气隙2产生冲击波，传感器6拾取爆炸的冲击波信号，经过传感器屏蔽线7，将冲击波信号送到信号变换器8里，经过信号变换器8处理后的信号传送给示波器9，在示波器9里观察波形并记录波形，最后分析波形的状态。图（5）是电爆震产生的波形图

实施例4

含能电极冲击波发生器实验装置；

含能电极冲击波发生器实验装置由以下环节组成（如图4所示），1水池，2含能电极，3含能电极冲击波发生器，4高压连线，5高压电源，6传感器，7传感器屏蔽线，8信号变换器，9示波器。

含能电极冲击波发生器实验方法；

含能电极冲击波发生器3放在水箱1的中间，将传感器6放在和含能电极2水平高度一致、距含能电极2有一定距离的地方，电爆震3通过高压导线4连接到高压电源5上，当高压电源5给含能电极冲击波发生器3供电工作时，含能电极2产生爆炸冲击波，传感器6拾取爆炸的冲击波信号，经过传感器屏蔽线7，将冲击波信号送到信号变换器8里，经过信号变换器8处理后的信号传送给示波器9，在示波器9里观察波形并记录波形，最后分析波形的状态。图（6）是含能电极冲击波发生器的含能电极爆炸产生的波形图.

两个实验图形比较我们可以发现，在爆炸的起始和终了产生的脉冲波波形图中，脉冲高度和后期的脉宽、振幅、振幅时间长度，含能电极都要比电爆震气隙产生的冲击波图形中的脉宽、振幅、振幅时间长度都要大。这就说明含能电极要比电爆震气隙产生的能量大，并且持续时间长。所以在工作中产生的效果好。