陸金波, 賀宗鑒, 朱鑫磊, 黃昆

(1.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院, 成都 610000; 2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 成都 610200)

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),全世界一次能源主要依靠化石能源。中國作為全球范圍內(nèi)主要的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國,石油需求量常年居高不下?，F(xiàn)階端,國內(nèi)外常規(guī)稀油油藏勘探開發(fā)難度逐年增大,開采效率持續(xù)下降,為保障國家能源安全必須對油田實(shí)施相應(yīng)增產(chǎn)措施,如二氧化碳吞吐、壓裂、酸壓、反抽等[1-3]。傳統(tǒng)油層解堵增產(chǎn)措施主要分為兩類:一類是化學(xué)解堵,即利用化學(xué)試劑改變儲層性質(zhì),實(shí)現(xiàn)增產(chǎn),解堵效果明顯,但會破壞生態(tài)環(huán)境[4-7]。另一類是物理解堵,可避免生態(tài)問題,但研發(fā)成本高,設(shè)備工藝煩瑣且不同結(jié)構(gòu)的油層需應(yīng)用不同的解堵技術(shù)[8-9]。井下電脈沖技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型高技術(shù)物理增產(chǎn)法,其通過在油層堵塞處產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波能量,疏通出油通道,提高油層滲透率,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[10-14]。在多種增產(chǎn)技術(shù)中,電脈沖采油技術(shù)憑借其對環(huán)境友好、方便快捷和可重復(fù)性使用等優(yōu)點(diǎn),得到了各大機(jī)構(gòu)的廣泛研究。

周海濱等[15]利用脈沖大電流引爆含能材料在水中產(chǎn)生能量更大的沖擊波,從而在一定程度上提高了儲層的透氣性和滲透率。劉毅等[16]采用重復(fù)頻率液電脈沖激波作用于模擬油氣井,可有效解除油氣井堵塞,增加巖層裂縫,提高油氣產(chǎn)量。徐旭哲等[17]研發(fā)的深井電脈沖壓裂裝置,可連續(xù)工作2 000次以上,能很好地滿足下井應(yīng)用需求。以上脈沖裝置均采用自觸發(fā)氣體開關(guān)作為放電開關(guān),此類開關(guān)雖能承受高電壓,傳導(dǎo)大電流,但可控性差,擊穿電壓分散性大,不利于脈沖電源的精確控制,從而限制了氣體開關(guān)在脈沖裝置中的進(jìn)一步使用。近年來,隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,半導(dǎo)體器件工藝逐漸成熟,出現(xiàn)了導(dǎo)通快,易驅(qū)動(dòng),可控性良好的大功率固態(tài)開關(guān)[18]。因此,采用全固態(tài)電子器件研制井下電脈沖裝置變得切實(shí)可行。

綜上所述,現(xiàn)選取晶閘管作為放電開關(guān),設(shè)計(jì)一種放電電壓可控調(diào)節(jié)的新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置[19]。首先,簡要闡述實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)參數(shù)以及工作原理;其次,提出動(dòng)靜結(jié)合的均壓方案并選取主要元件;然后,基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)構(gòu)建裝置控制系統(tǒng);最后,進(jìn)行井下模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的有效性與可行性。

1 新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置

團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的初代基于自觸發(fā)氣體開關(guān)的油氣井增產(chǎn)裝置實(shí)物圖,如圖1所示。該裝置被封裝在外徑102 mm的不銹鋼外筒內(nèi),具有良好的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度,現(xiàn)已于新疆油田生產(chǎn)井(儲層為砂礫巖)開展了實(shí)地井下作業(yè),使用結(jié)果顯示油井產(chǎn)油量相比于裝置施工前提高了196%[20]。然而,由于使用環(huán)境的特殊性,氣體開關(guān)式增產(chǎn)裝置無法在井下直接改變氣體開關(guān)間隙來達(dá)到調(diào)節(jié)裝置放電電壓的目的,從而限制了其使用靈活性。針對初代裝置放電電壓不可控的缺點(diǎn),選用半控性器件晶閘管作為放電開關(guān),研發(fā)了新一代油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置。

新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置包括脈沖電源系統(tǒng)與控制系統(tǒng),基本電路如圖2所示。脈沖電源系統(tǒng)包括儲能充電單元、放電開關(guān)和換能器;控制系統(tǒng)包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及高壓取能單元。裝置設(shè)計(jì)參數(shù)如下:儲能電容50～250 μF,放電電壓2～6 kV,放電電流10～50 kA,最高儲能4.5 kJ。

由圖2可知,初始能源AC經(jīng)升壓變壓器T和整流器D升壓整流后,通過放電電阻R1向高壓電容器C持續(xù)充電,當(dāng)電容電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時(shí),由R2和R3構(gòu)成的分壓器輸出信號至控制電路,控制電路對輸入信號進(jìn)行閾值比較和分頻處理等操作,最終輸出兩路方波信號。一路信號用于斷開時(shí)間繼電器S1,迫使高壓電容器停止充電。另一路信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離傳輸后導(dǎo)通放電開關(guān)(高壓取能單元為驅(qū)動(dòng)電路提供供電電源),使電容器中的儲能通過換能器轉(zhuǎn)換為水中沖擊波,最終實(shí)現(xiàn)脈沖放電。時(shí)間繼電器和放電開關(guān)在完成一次放電過程后迅速恢復(fù)至初始工作狀態(tài),高壓電容器重新開始充電,如此循環(huán),以完成多次重復(fù)工作。由于新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置沿用了初代裝置中的儲能充電單元和換能器部分,故僅對放電開關(guān)、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及高壓取能單元四部分進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹。

2 新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 放電開關(guān)

在電力電子器件中,晶閘管具有耐壓高、通流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于大功率高電壓場合下。但受限于半導(dǎo)體發(fā)展水平,現(xiàn)階端還無法制造出滿足本裝置耐壓要求的單個(gè)晶閘管,因此將多個(gè)晶閘管進(jìn)行串聯(lián),提高整個(gè)開關(guān)模塊的耐壓能力是解決問題的關(guān)鍵所在。

晶閘管串聯(lián)應(yīng)用需要解決以下問題。

(1)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),由于晶閘管自身斷態(tài)阻值不同,會導(dǎo)致各個(gè)晶閘管電壓分布不均,致使承受過電壓的晶閘管擊穿損壞,并進(jìn)而引起其他晶閘管鏈?zhǔn)綋舸?/p>

(2)晶閘管處于開通或關(guān)斷過程時(shí),由于晶閘管自身動(dòng)態(tài)特性及驅(qū)動(dòng)電路性能差異,會導(dǎo)致串聯(lián)晶閘管無法同步動(dòng)作,晚開通和早關(guān)斷的晶閘管都會承受瞬時(shí)大電壓,一旦電壓超過其額定電壓晶閘管便會擊穿損壞,并進(jìn)而引起其他晶閘管鏈?zhǔn)綋舸?/p>

基于此,為防止上述現(xiàn)象出現(xiàn),當(dāng)晶閘管串處于截止?fàn)顟B(tài)或開通、關(guān)斷過程中時(shí)均需對其進(jìn)行均壓操作,即晶閘管靜態(tài)與動(dòng)態(tài)均壓處理。

2.1.1 均壓電路原理

串聯(lián)晶閘管均壓電路原理圖如圖3所示,其中靜態(tài)均壓電阻、瞬態(tài)電壓抑制二極管共同構(gòu)成均壓電路,避免晶閘管承受過電壓。高壓電容器用于儲存電能。

RP為靜態(tài)均壓電阻;TVS為瞬態(tài)電壓抑制二極管;Ce為高壓電容器;SCR為晶閘管;RL為放電負(fù)載

靜態(tài)均壓為晶閘管因?yàn)樽陨硇孤╇娏鲄?shù)的差異,在截至狀態(tài)下所分電壓不均勻時(shí),在晶閘管陽極和陰極之間并聯(lián)一個(gè)均壓電阻用于電壓均衡。動(dòng)態(tài)均壓為晶閘管因?yàn)榇畡?dòng)同步性較差,致使某個(gè)晶閘管遭受過電壓擊穿時(shí),采取晶閘管反并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管的方式,用于吸收電路上的瞬態(tài)過電壓,其工作原理是當(dāng)二極管反向承受瞬態(tài)高能量沖擊時(shí),二極管阻抗在皮秒內(nèi)降至低阻抗?fàn)顟B(tài)并吸收數(shù)千瓦的浪涌功率,從而避免晶閘管受到浪涌脈沖的破壞。該方案相較于其他均壓電路不僅能遏制串聯(lián)晶閘管運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的分壓不均衡現(xiàn)象,還能降低器件使用數(shù)量及電路復(fù)雜度,有效提高了裝置經(jīng)濟(jì)性。

2.1.2 晶閘管的選取

晶閘管的選取主要從額定電壓和額定電流等方面入手。晶閘管的額定電壓一般應(yīng)高于實(shí)際電路中最大工作電壓的1.5倍,額定電流一般應(yīng)高于實(shí)際電路中的工作電流,但由于裝置放電過程在百微秒內(nèi)即可完成,所以允許晶閘管出現(xiàn)短時(shí)過流情況。裝置設(shè)計(jì)提供幅值2～6 kV的高壓脈沖,因此選用3個(gè)臺基公司生產(chǎn)的Y50KPJ型號晶閘管串聯(lián)構(gòu)成開關(guān)模塊,其額定電壓為3.5 kV,額定電流為1 kA,滿足放電開關(guān)設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 均壓電阻的選取

靜態(tài)均壓電阻RP的選取主要考慮晶閘管的漏電阻和自身熱損耗。針對RP的設(shè)計(jì),可根據(jù)串聯(lián)晶閘管在額定電壓下的漏電流求出漏電阻,RP取為其中最小漏電阻的1/10左右,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式(1)中:UDRM為晶閘管額定電壓;IDRM為斷態(tài)漏電流。查閱數(shù)據(jù)手冊,選用1 MΩ的高壓電阻作為靜態(tài)均壓電阻。

由于RP流過電流時(shí)會發(fā)熱自損耗,故而需考慮電阻功率,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

式(2)中:PRP為電阻功率;KRP為系數(shù)1;Um為晶閘管可能承受的峰值電壓;n為晶閘管串聯(lián)數(shù)量。由式(1)知RP=1 MΩ,計(jì)算可得PRP≥6 W。

綜上所述,均壓電阻RP最終選用阻值1 MΩ、功率10 W的高壓電阻。

2.1.4 瞬態(tài)電壓抑制二極管的選取

二極管的選取主要考慮其截止電壓及鉗位電壓。通常單個(gè)瞬態(tài)電壓抑制二極管的反向擊穿電壓僅為百伏水平,遠(yuǎn)低于所設(shè)計(jì)的單個(gè)晶閘管最大工作電壓2 kV。因此采取4個(gè)1.5KE600A的TVS二極管串聯(lián)應(yīng)用方式,使得二極管模塊滿足截止電壓大于晶閘管最高工作電壓2 kV, 鉗位電壓低于晶閘管額定電壓3.5 kV的使用要求,具體參數(shù)如表1所示。

表1 1.5KE600A參數(shù)

2.2 控制系統(tǒng)

2.2.1 控制電路

傳統(tǒng)控制信號的產(chǎn)生方式有單片機(jī)、DSP以及由分立元件構(gòu)成的PWM信號發(fā)生器等。但單片機(jī)存在工作頻率較低、不利于實(shí)現(xiàn)脈沖電源的高頻化且缺乏I/O口資源等缺點(diǎn);采用串行處理機(jī)制的DSP又易出現(xiàn)死機(jī)及程序跑飛現(xiàn)象;分立元件電路又過于復(fù)雜、調(diào)試煩瑣。FPGA作為一種主要以數(shù)字電路為主的集成芯片,具有更快的運(yùn)算速度,其基于VHDL硬件語言的模塊化編程,可提高系統(tǒng)集成度和抗干擾能力,現(xiàn)已逐漸替代傳統(tǒng)信號發(fā)生器,廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[21]。因此選取FPGA作為控制電路的主控芯片用于提供控制信號。

FPGA選用Altera公司Cyclone IV系列芯片作為主芯片,型號為EP4CE10F17C8N。該開發(fā)板擁有179個(gè)可配置的I/O口,充分滿足用戶的使用需求;采用并行處理機(jī)制,大幅提高數(shù)據(jù)處理能力;具有板載容量為16 Mbit的Flash芯片,保證FPGA掉電后程序不丟失;內(nèi)部含有50 MHz的有源晶振,用于提供精度高、穩(wěn)定性好的基準(zhǔn)時(shí)鐘。FPGA通過對基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行分頻處理、占空比調(diào)節(jié)等一系列操作后,最終獲得滿足要求的控制信號。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路

新型增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置正常工作時(shí),由晶閘管構(gòu)成的放電開關(guān)會處于很高的對地電位上,控制電路與之相比被視為地電位。驅(qū)動(dòng)電路作為放電開關(guān)與控制電路間的連接樞紐,能否有效避免兩者間的信號串?dāng)_,將直接影響整個(gè)裝置的可靠性。因此,在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路之前選擇一種電氣隔離效果顯著的信號傳輸通道,避免裝置因過大電位差出現(xiàn)擊穿損壞現(xiàn)象,顯得尤為重要。

常用的電氣隔離方式有以下幾種:光耦隔離、脈沖變壓器隔離、光纖隔離。在這些隔離方式中,光纖隔離憑借電-光-電模式傳輸脈沖信號,不僅能增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁抗干擾能力,同時(shí)還能夠產(chǎn)生分散性小、前沿陡的門極觸發(fā)脈沖,有利于串聯(lián)晶閘管的同時(shí)觸發(fā)?；谝陨咸攸c(diǎn),選用光纖用于進(jìn)行控制電路與放電開關(guān)間的信號傳輸。

晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)形式有以下兩類:①分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路;②專用集成驅(qū)動(dòng)電路。由于晶閘管沒有專用驅(qū)動(dòng)電路,故特地設(shè)計(jì)了一款由分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,用于直接驅(qū)動(dòng)晶閘管,電路原理圖如圖4所示。圖4(a)中HFBR-1414TZ和HFBR-2412TZ為安華高公司生產(chǎn)的光纖收發(fā)器,用于進(jìn)行光電脈沖信號轉(zhuǎn)換,以實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能。圖4(b)中UCC27322為單通道柵極驅(qū)動(dòng)器,常應(yīng)用于IGBT和MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中,通過與分立元件相結(jié)合,使其適用于晶閘管。經(jīng)光纖隔離傳輸后的驅(qū)動(dòng)信號如圖5所示。

ANODM為控制信號正極;CATHODE為控制信號負(fù)極;VCC為HFBR-2412TZ供電電壓;DATA為輸出數(shù)據(jù);COMMON為共地端;VDD為UCC27322工作電壓;IN為UCC27322輸入信號;ENBL為使能端;AGND為模擬地;PGND為保護(hù)地;OUT為輸出信號;G為晶閘管門極;K為晶閘管陰極

圖5 驅(qū)動(dòng)信號

2.2.3 高壓取能單元

由圖4可知,新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電路需配備5 V和12 V的直流電源,分別用于光纖接收器HFBR-2412TZ和驅(qū)動(dòng)芯片UCC27322工作供電。但由于該裝置是以應(yīng)用于油氣井實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)為目標(biāo),所以當(dāng)其在工況復(fù)雜的深井中工作時(shí),驅(qū)動(dòng)電路可能無法從地面獲得可靠的供電電源。因此直接利用晶閘管兩端電位差設(shè)計(jì)了高壓取能單元,分別為3個(gè)驅(qū)動(dòng)電路提供獨(dú)立的供電電源,既確保了驅(qū)動(dòng)電路的可靠供電,又消除了電源間的互相干擾,高壓取能單元如圖6所示。

A為晶閘管陽極;K為晶閘管陰極;2596為穩(wěn)壓芯片型號

當(dāng)裝置的儲能充電單元停止充電時(shí),晶閘管SCR兩端電壓將不再變化,高壓取能單元開始工作。此時(shí),若MOS管T處于導(dǎo)通狀態(tài),電感L則通過晶閘管開始儲能,二極管D反向截至,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

UL-ON=U0-UCe

(3)

式(3)中:UL-ON為MOS管T導(dǎo)通狀態(tài)下電感電壓;U0為晶閘管兩端電壓;UCe為儲能電容電壓。

若MOS管T處于關(guān)斷狀態(tài),電感L由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)化為放電狀態(tài),二極管D正向?qū)?其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

UL-OFF=-UCe

(4)

式(4)中:UL-OFF為MOS管T關(guān)斷狀態(tài)下電感電壓。

根據(jù)電感穩(wěn)態(tài)時(shí),電感上平均電壓為0,可得

UL-ONTON+UL-OFFTOFF=0

(5)

式(5)中:TON為MOS管T開通時(shí)間;TOFF為MOS管T關(guān)斷時(shí)間。

將式(3)和式(4)代入式(5)可得

(6)

式(6)中:D為MOS管T的脈沖占空比。

綜上所述,通過控制MOS管的脈沖占空比D,即可調(diào)節(jié)儲能電容電壓UCe,UCe經(jīng)2596穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后,最終向驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的5 V和12 V供電電源,電源波形如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電源波形

3 新型油氣井增產(chǎn)裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

新型裝置下井應(yīng)用時(shí),在面臨井下工況復(fù)雜的情況下,裝置可能無法達(dá)到預(yù)期的增產(chǎn)效果。因此,先利用該裝置進(jìn)行一系列小能量模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證新型油氣井增產(chǎn)裝置的可靠性和有效性顯得尤為重要。實(shí)驗(yàn)中電壓測量選用利利普光電EDS-204T型示波器,帶寬200 MHz,采樣率2 GSa/s;高壓信號提取采用泰克P6015A型高壓探頭,帶寬75 MHz,分壓比1 000∶1。

3.1 均壓對比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的串聯(lián)晶閘管均壓方案有效性,現(xiàn)選取兩只晶閘管在1 kV放電電壓下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)中串聯(lián)晶閘管不加均壓電路,第二組實(shí)驗(yàn)中串聯(lián)晶閘管加入均壓電路(對比實(shí)驗(yàn)僅使用一只TVS二極管用于動(dòng)態(tài)均壓),電壓波形如圖8所示?？梢钥闯?在無均壓電路的情況下,各單元晶閘管在關(guān)斷狀態(tài)下的實(shí)際電壓分配值與平均電壓相差較大,同時(shí)在開通過程中晚導(dǎo)通的晶閘管會承受幅值遠(yuǎn)大于平均電壓的尖峰電壓,此時(shí),如若裝置繼續(xù)增大放電電壓,將大概率擊穿晶閘管。而在有均壓電路的情況下,各單元晶閘管電壓分配較為均勻,晚導(dǎo)通晶閘管在開通期間所承受的尖峰電壓被有效抑制,波形較為理想。由此可見,所設(shè)計(jì)的均壓方案能有效解決晶閘管串聯(lián)使用時(shí)帶來的電壓分配不均問題,滿足裝置設(shè)計(jì)要求。

圖8 晚開通晶閘管集-射極電壓波形

3.2 放電實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí),選擇3個(gè)晶閘管串聯(lián)構(gòu)成放電開關(guān)并加入均壓電路(每只晶閘管反并聯(lián)4個(gè)TVS二極管用于動(dòng)態(tài)均壓),設(shè)置高壓電容器為100 μF,放電電壓為3.5 kV,負(fù)載波形如圖9所示。其中區(qū)域1處于晶閘管開通前,此時(shí)負(fù)載與晶閘管被近似為串聯(lián)電阻,兩者共同承受電容電壓,故而開關(guān)閉合前,負(fù)載會分得小部分電壓。區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域4處于晶閘管開通后,其中區(qū)域2為水中脈沖放電預(yù)擊穿階段,此時(shí)換能器周圍會產(chǎn)生強(qiáng)電場汽化液體生成微小氣泡為液電效應(yīng)做準(zhǔn)備,所以放電能量會有損耗,造成負(fù)載電壓下降;區(qū)域3為水中脈沖放電完全擊穿階段,在此期間預(yù)擊穿生成的氣泡被相繼擊穿,主電路近似等效為RLC二階電路,負(fù)載波形呈振蕩狀態(tài);區(qū)域4為裝置單次放電完成階段,負(fù)載電壓趨于零,等待下一次放電?；谝陨咸攸c(diǎn)可知,使用晶閘管作為新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的放電開關(guān),能夠正常進(jìn)行脈沖放電工作,得到較為理想的負(fù)載波形。

框1～框4內(nèi)曲線表示所研究的4個(gè)區(qū)域

3.3 可控性測試實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行可控性測試實(shí)驗(yàn)時(shí),同樣選擇3個(gè)晶閘管串聯(lián)構(gòu)成放電開關(guān)并加入均壓電路(每個(gè)晶閘管反并聯(lián)4個(gè)TVS二極管用于動(dòng)態(tài)均壓),設(shè)置高壓電容器為100 μF,放電電壓分別為3、3.5、4 kV,不同放電電壓下的負(fù)載波形如圖10所示?？梢钥闯?裝置在使用晶閘管作為放電開關(guān)的情況下,能夠直接通過控制系統(tǒng)控制開關(guān)閉合,實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)放電電壓的功能。彌補(bǔ)了基于自觸發(fā)氣體開關(guān)裝置井下作業(yè)時(shí)改變放電電壓需要出井調(diào)節(jié)開關(guān)間隙的不足,提高了裝置可控性。

圖10 不同放電電壓下的負(fù)載波形

3.4 模擬井下作業(yè)實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行模擬井下作業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí),選用特制換能器用于將巖石樣品固定于放電電極四周,以實(shí)現(xiàn)模擬儲層堵塞情況,換能器結(jié)構(gòu)如圖11所示。實(shí)驗(yàn)中選用圓柱狀的砂巖巖樣(直徑2.5 cm,高5 cm)放置于換能器中,設(shè)置放電電壓為4 kV,總共放電100次,每25次取出一塊砂巖巖樣,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示?？芍?裝置放電25次時(shí)(從左到右放電次數(shù)依次增加),巖樣表面已出現(xiàn)細(xì)微破碎,隨著放電次數(shù)的持續(xù)增加,表面破碎與凹陷愈發(fā)明顯,滲透率與放電次數(shù)正相關(guān)。

圖11 換能器結(jié)構(gòu)圖

圖12 巖樣對比圖

4 結(jié)論

針對團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的初代油氣井增產(chǎn)裝置放電電壓不可控的問題,設(shè)計(jì)了一種利用晶閘管串聯(lián)構(gòu)成放電開關(guān)的新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置,構(gòu)建了一套以FPGA為主控芯片的控制系統(tǒng),并開展了相應(yīng)的井下模擬實(shí)驗(yàn)研究,最后得到如下結(jié)論。

(1)相較于團(tuán)隊(duì)研發(fā)的上一代基于自觸發(fā)氣體開關(guān)的油氣井增產(chǎn)裝置,本裝置采用串聯(lián)晶閘管作為放電開關(guān),能隨時(shí)控制開關(guān)閉合輸出不同放電電壓,解決了初代裝置改變放電電壓需要出井調(diào)節(jié)的弊端。

(2)采用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)均壓相結(jié)合的方式,使裝置具有良好的電壓鉗位能力,避免晶閘管在串聯(lián)使用中出現(xiàn)過電壓損壞。

(3)設(shè)計(jì)的高壓取能單元可為各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路提供獨(dú)立穩(wěn)定的供電電源,即能確保裝置正常工作于深井環(huán)境中,又能消除供電電源間的互相干擾,有效提高了裝置的可靠性。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的新型油氣井增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置可靠性高,解堵效果明顯,對于裝置后續(xù)的下井應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。