深井電脈沖壓裂裝置研制

徐旭哲，孫鷂鴻

（1．中國科學(xué)院電工研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

深井電脈沖壓裂裝置研制

徐旭哲1,2，孫鷂鴻1,2

（1．中國科學(xué)院電工研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

研制了一種用于油氣藏增產(chǎn)增注的深井電脈沖壓裂裝置。裝置通過饋電電纜下放至2 000 m到3 000米m的深井中進(jìn)行工作?？紤]到饋電電纜耐壓和分布參數(shù)的影響，高壓充電電源采用兩級升壓，工作頻率為1 kHz；儲能元件采用同軸型高儲能密度脈沖電容器總儲能為5 kJ（25 kV）。通過測試得到工作電壓22 kV時(shí)放電電流約為30 kA。初步實(shí)驗(yàn)表明，研制的深井電脈沖壓裂裝置在額定電壓下可以連續(xù)穩(wěn)定工作2 000次以上。

電脈沖壓裂；水中放電；油氣藏增產(chǎn)

Abstract：In this paper,a new type of electric pulse punching device for increasing the injection of oil and gas in deep wells is developed.The device is carried out by feeding cable in a deep well of 2 000 m to 3 000 m.Considering the influence of the voltage and the distribution parameters of the feed cable,the high voltage charging power supply adopts the two stage boost mode whose working frequency is 1 kHz.A high energy storage density pulse capacitor with a total storage capacity of 5 kJ（25 kV）is used as the energy storage element.The discharge current under the condition of 22 kV is obtained by the test,and the discharge current was about 30 kA.The preliminary experiment shows that the electric pulse punching device for deep wells can be continuously and stably for more than 2 000 times under the rated voltage condition.

Keywords:electric pulse;discharge in water;oil-gas reservoir stimulation

在傳統(tǒng)的油氣藏增產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中，水力壓裂技術(shù)作為一種重要的油氣增產(chǎn)措施在國內(nèi)外被廣泛的應(yīng)用。但是其需要消耗大量的水資源，同時(shí)注入的化學(xué)液體（壓裂液）容易造成儲層傷害，不利于油氣增產(chǎn)。電脈沖壓裂技術(shù)是一種低能耗、低傷害的新型油氣藏增產(chǎn)技術(shù)手段，具有良好的應(yīng)用前景。高壓電脈沖壓裂技術(shù)以“液電”效應(yīng)理論為基礎(chǔ)，在有限空間內(nèi)的流體介質(zhì)中產(chǎn)生放電，電弧高溫引起通道內(nèi)壓力升高，形成沖擊波，產(chǎn)生的壓力幅值可達(dá)幾十甚至是幾百M(fèi)Pa。

因鉆井鉆孔的尺寸、井下高壓高溫環(huán)境和井用電纜規(guī)格等因素的限制，井下電脈沖壓裂裝置的設(shè)計(jì)受到很多條件的約束。國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究單位很少。中國科學(xué)院電工研究所是國內(nèi)早期開展電脈沖壓裂實(shí)驗(yàn)研究的單位之一，目前實(shí)驗(yàn)室用電脈沖壓裂裝置儲能可以達(dá)到100 kJ。

1 深井電脈沖壓裂裝置簡介

井下電脈沖壓裂裝置包括地面控制系統(tǒng)、深井傳輸電纜、高壓充電單元、儲能裝置、放電開關(guān)和換能器等部分，如圖1所示，其中，地面控制系統(tǒng)是在地面工作，高壓充電單元、儲能裝置、放電開關(guān)和換能器在深井下工作。

井下電脈沖壓裂裝置基本參數(shù)如下：最高儲能5 kJ；放電電壓25 kV；放電電流≥30 kA；裝置尺寸直徑102 mm,長度＜7 m；放電次數(shù)3次/min。

圖1 深井下電脈沖壓裂裝置原理框圖Fig.1 Block diagram of the electrical pulse fracturing apparatus under deep well

圖1中，高壓充電單元由初級并聯(lián)、次級整流后再串聯(lián)的6組升壓變壓器組成；儲能裝置采用電容儲能方式，選用同軸結(jié)構(gòu)的金屬化薄膜電容器4只（4×4 μF）并聯(lián)。金屬化薄膜電容器的特點(diǎn)是有很強(qiáng)的自愈能力，儲能密度高，非常適合脈沖放電應(yīng)用。其單個(gè)電容器額定工作電壓25 kV，外徑85 mm，長度1.1 m。井用饋電電纜耐壓小于1 000 V，為了減小深井電纜自身的熱損耗，需要盡量提高傳輸電壓。所以地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出電壓為交流600 V、1 kHz的方波電壓輸出形式；地面控制系統(tǒng)采用PWM調(diào)制方式的逆變電源方案，通過調(diào)節(jié)占空比，可以調(diào)節(jié)高壓充電電源充電時(shí)間。

在數(shù)千米深井下，電容器的充電電壓不易精確測量和采集。同時(shí)過長的傳輸電纜也不容易傳遞電壓幅值較小的控制信號。為了提高整個(gè)裝置的可靠性，放電開關(guān)采用空氣間隙的雙電極自觸發(fā)開關(guān)設(shè)計(jì)。放電電壓的閾值通過調(diào)節(jié)放電電極的極間距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，觸發(fā)電壓可在18～25 kV之間人為設(shè)定。換能器采用傳統(tǒng)的同軸對極放電電極。

2 高壓充電回路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

高壓充電回路如圖2所示，市電經(jīng)整流后形成300 V左右的直流電壓，經(jīng)全橋式逆變電路和變比為1:2的升壓變壓器T1，產(chǎn)生頻率為1 kHz、幅值為600 V左右的交流方波，由數(shù)千米左右的深井電纜傳遞至井下高壓升壓變壓器T2的輸入端。高壓中頻變壓器T2的等效變比為1:60，升壓后經(jīng)整流電路給儲能電容器充電。充電電源為典型的開環(huán)控制的電壓源，在儲能電容前端串有限流電阻R2，防止電容器充電初期充電電流過大。

圖2 高壓充電回路原理Fig.2 Schematic of high voltage charging circuit

圖2中，R1是深井饋電電纜的等效電阻。深井饋電電纜采用的是W7BP型號的測井電纜，電纜電阻為32 Ω/km，采用三芯并聯(lián)，則電阻為10 Ω/km。整個(gè)回路長度為6～7 km （按下井深度3 000 m計(jì)算），電纜電阻為70 Ω左右。R2是高壓測的限流電阻，阻值為7.5 kΩ，由4根30 kΩ/100 W的高壓電阻并聯(lián)而成。當(dāng)儲能電容C1短路放電時(shí)，在C1上產(chǎn)生一定幅值的反向電壓，而儲能電容反充的能量會通過整流橋Ref2釋放，反向電流被R2限制在5 A以內(nèi)，整流橋Ref2得到保護(hù)。

高壓充電回路的充電電流和充電時(shí)間決定了電脈沖壓裂裝置的平均功率。高壓充電電源采用電壓源方案，充電電流指數(shù)上升，其充電等效電路如圖3所示。圖中U1為等效直流電壓，Re為等效限流電阻，包括深井電纜電阻R1，高壓回路限流電阻等效到原邊R'2，高壓變壓器副邊線圈電阻等效到原邊 R'coil。

圖3 充電等效電路Fig.3 Charging equivalent circuit

占空比設(shè)為D，設(shè)定適當(dāng)?shù)某潆姇r(shí)間，將有利于升壓變壓器T1、高壓變壓器T2、限流電阻R2的功率設(shè)計(jì)。充電時(shí)間常數(shù)τ=ReC1，則充電電路的電路方程為

式中：U1為升壓變壓器副邊電壓；D為占空比；Re為等效充電電阻，包括R1、R2，等效到原邊的R'2和高壓變壓器副邊線圈電阻等效到原邊R'coil；U'c為電容電壓反射到高壓變壓器原邊的電壓，等于電容器C1充電電壓除以高壓變壓器變比；C'1為等效到高壓變壓器原邊的儲能電容，等效到高壓變壓器原邊等于電容乘上變比的平方；t為等效的充電時(shí)間；t'為實(shí)際的充電時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)測試中，預(yù)估R'2=5 Ω。用100 Ω的線繞電阻模擬2 000 m的深井電纜的等效電阻。則Re= 110 Ω。調(diào)制脈寬為208 μs，開關(guān)頻率為1 kHz，占空比D為0.41。

當(dāng)充電電壓為22 kV時(shí)，等效到原邊的電壓為366 V，儲能電容器折算到高壓變壓器原邊的C'1為0.057 6 F，則計(jì)算的充電時(shí)間為

如圖4所示為充電時(shí)間為16 s，高壓變壓器的原邊輸入電壓、電流波形。計(jì)算的充電時(shí)間和實(shí)際充電時(shí)間稍有不同，主要原因是等效電阻值的估算和實(shí)際的等效電阻存在一定的偏差。

圖4 充電波形Fig.4 Waveforms of charging

3 高壓變壓器設(shè)計(jì)

高壓變壓器的溫升控制在70℃以內(nèi)，工作頻率為1 kHz。高壓變壓器由6組小升壓變壓器組成，原邊并聯(lián)，副邊經(jīng)整流后串聯(lián)，如圖5所示。電脈沖壓裂裝置工作頻率最低為20 s/次。實(shí)際按15 s放電一次計(jì)算各個(gè)系統(tǒng)元器件的功率容量。整個(gè)系統(tǒng)能量為5 000 J，則高壓充電電源的充電速率為333 J/s?？紤]到充電電源采用電壓源方案，充電電流呈指數(shù)形式下降，充電初期的峰值功率非常大。變壓器至少需要按1 kW的功率容量設(shè)計(jì)。

高壓變壓器采用型號為ED25×25×50的厚0.1 mm的硅鋼片鐵芯，初級繞制 250匝，次級繞制2 500匝。整流橋采用10 kV/0.3 A硅堆組合而成，環(huán)氧澆注。

圖5 高壓變壓器電路Fig.5 Circuit of high voltage transformer

4 高壓放電回路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

高壓儲能電容的大部分能量經(jīng)過高壓放電開關(guān)，放電換能器傳送給水介質(zhì)，在水介質(zhì)中放電電弧能量產(chǎn)生高溫氣體和高溫等離子體，迅速膨脹。產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波能量擴(kuò)散到周圍巖體。當(dāng)放電發(fā)生在有限空間內(nèi)時(shí)，由于井壁的限制，通常不會形成氣泡脈沖。同樣條件下，井筒直徑越小，產(chǎn)生的壓力越高。當(dāng)放電產(chǎn)生的壓力大于材料（巖石等）的抗壓強(qiáng)度時(shí)，材料便會產(chǎn)生裂紋并破碎。沖擊波壓力的大小與放電能量成正比，與放電能量持續(xù)時(shí)間成反比。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，放電回路應(yīng)盡量短，減少分布電感，降低放電周期。

如圖6所示為放電電流和儲能電容器形成反壓，通過整流橋釋放的反向電流波形。采用羅氏線圈測量，變比為12 kA/V。由圖可見，當(dāng)放電電壓為22 kV，峰值放電電流為30 kA；反向電流峰值接近2.5 A。

圖6 放電電流波形Fig.6 Waveforms of discharge current

高壓開關(guān)采用圓盤式空氣隙開關(guān)，其外形結(jié)構(gòu)如圖7所示，放電電壓閾值通過間隙距離調(diào)節(jié)。放電換能器采用對電極式放電電極，如圖8所示。圓盤式空氣隙放電開關(guān)內(nèi)部由兩個(gè)圓形平面的銅柱電極構(gòu)成，電極的直徑為Φ20 mm，間距為5~8 mm。通過氣隙的調(diào)整，可以調(diào)節(jié)放電電壓。隨著放電次數(shù)的增加，放電開關(guān)會被氣體放電游離出的碳污染，逐漸降低放電電壓，此時(shí)就需要更換新的放電開關(guān)。

圖7 放電開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Structure design of discharge switch

圖8 同軸對極式換能器Fig.8 Coaxial counter electrode transducers

5 結(jié)語

深井中的電脈沖壓裂裝置與普通的高壓放電電源的設(shè)計(jì)有很大的差別，工作空間狹小，工作溫度較高。采用同軸型的高壓金屬化薄膜電容器可以很好地適應(yīng)井下金屬筒結(jié)構(gòu)；高壓變壓器采用原邊并聯(lián)，副邊整流后串聯(lián)的方案也可以大大減小變壓器和整流器的尺寸，更好地適應(yīng)深井要求。采用自觸發(fā)的放電開關(guān)，可以連續(xù)工作2 000次以上，可以很好地滿足下井1～2次的應(yīng)用需求。

另外，深井電纜在高壓電源的設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重考慮，深井電纜的電阻、電容、電感對高頻高壓電源的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要的影響。電纜的容性電流會增加地面控制系統(tǒng)的無功功率輸出，電纜的電感會在高頻時(shí)產(chǎn)生壓降，影響高壓變壓器的輸出電壓。

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Design of Electric Pulse Fracturing Device in Deep Well

XU Xuzhe1,2,SUN Yaohong1,2
（1.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

徐旭哲

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.165

TM386

A

2015-12-10；

2016-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51577176）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51577176）

徐旭哲（1979-），男，碩士，工程師，研究方向：脈沖功率技術(shù)，E-mail：xzxu@ mail.iee.ac.cn。

孫鷂鴻（1968-），男，通信作者，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向：脈沖功率技術(shù)，E-mail：yhsun@mail.iee.ac.cn。