面向化石能源开发的电爆炸冲击波技术研究进展

发布时间：2019-07-13 22:07

【摘要】：针对化石能源开发中储层改造技术的局限性,创新性地提出了重复脉冲强冲击波增透储层新技术。分析了水中放电、金属丝电爆炸和电爆炸等离子体驱动含能混合物产生冲击波的3种机理。介绍了冲击波作用储层的机理研究和现场应用结果,从理论、实验和现场实践验证了冲击波技术增透储层的可行性。结果表明,以电爆炸等离子体驱动含能混合物产生更强的和区域可控的冲击波,可针对储层做单点多次、分段式的增透改造,在化石能源开发中的意义重大。
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图片说明：嗤⑶矣跋焖?中击穿过程的因素很多。为此，，国内外进行了深入而持续的研究，如俄罗斯的Ushakov[7]、法国波城大学[8-9]、国内中科院电工所[10]、华中科技大学[11-13]、国防科技大学[3]、浙江大学[14]、哈尔滨理工大学[15]、西北核技术研究所[16]等单位均开展了水中高压脉冲放电的相关研究。近十年来，西安交通大学与西安贯通能源科技有限公司对水中电击穿冲击波产生技术开展了较为系统的研究，并在石油增产应用方面取得了较好的作业效果，其装置的典型结构、放电电流电压和冲击波波形如图1所示(U0为充电电压；UB为击穿电压；Pm为冲击波峰值压力)。但该技术存在一些固有的缺点：放电间隙的能量泄漏严重，能量转换效率低，放电不稳定[17]，受温度、介质电导等影响严重等。1.2金属丝电爆炸产生冲击波技术水中金属丝电爆炸是对水中电击穿产生冲击波技术的发展，其机理是：沉积在金属丝上的电能首先引发相变，若储能充足，汽化的放电通道进一步发生击穿，形成电弧放电。相爆和等离子体通道图1水中电击穿电极结构和典型电流电压及冲击波波形Fig.1Electrodestructureandtypicalwaveformsofcurrent,voltageandshockwaveinunderwaterhighvoltagebreakdown的膨胀，向外推动周围水介质，由于水的压缩系数很小（4.74×1010m2/N），与空气相比同等压缩体积下可产生更大的压强变化，产生更强的冲击波。由于电压直接施加在低阻抗金属丝上，绝缘结构承受高电压脉冲时间短，可大大减少异常放电等故障的发生；同时无水中电击穿存在击穿延迟、能量泄漏等固有缺陷，使得能量更有效地沉积到金属丝负载上，金属丝电爆炸冲击波能量转换效率可达24%[18-19]。近些年来，美国Sandia国家实验室
文内图片：金属丝放电电极结构和典型电流电压及冲击波波形

图片说明：张永民，邱爱慈，周海滨，等：面向化石能源开发的电爆炸冲击波技术研究进展1011大学以及日本、韩国、法国等多家研究机构均对水中金属丝电爆炸进行了深入研究[20-25]，研究目的多是利用丝爆产生温密物质或者研究高温高压下的物质特性，而在利用水中丝爆产生冲击波的工程应用方面的研究较少。目前西安交通大学已对该技术进行了较为系统的研究[18,26-33]，主要包括金属丝材质、长度及直径等参数对放电特性、能量转换效率以及所产生的冲击波特性等的影响规律。典型金属丝负载结构、放电电流电压和冲击波波形，如图2所示。该技术的优势在于放电可靠性高、绝缘要求低和能量转换效率高，难点是在不同应用环境中实现稳定可靠的爆炸丝输送。1.3丝爆驱动含能材料产生冲击波技术无论采用水中电击穿还是金属丝电爆炸产生冲击波，所输出冲击波能量都仅依赖于装置的储能，而油气井（孔）中空间有限，装置储能提高受到限制。为进一步提高冲击波强度，提出将含能材料包裹在金属丝周围，利用金属丝电爆炸产生的等离子体、冲击波以及强电磁辐射等效应驱动含能材料释能的技术。含能材料具有在隔绝空气条件下发生化学反应并瞬间输出巨大功率的独特性质[34-35]，其反应由多种因素引发，可归纳为热和冲击波两种机制[36]。热和冲击波在含能材料内部局部升温形成“热点”并引发化学反应，进而导致含能材料整体迅速释能[37-41]，借助于含能材料的化学能可以数十倍地增加冲击波能量。在驱动过程中，通过金属丝与含能材料的参数优化，可安全、可控、重复地产生参数可调的冲击波以适应不同工程需求。相对于传统化学爆炸，新的驱动机理更安全、可控，典型金属丝复合含能混合物负载结构、冲击波压力和冲量波形如图3所示。国内外相关研
【作者单位】：西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室;西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室;西安贯通能源科技有限公司;
【基金】：国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA064502) 国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB228004)~~
【分类号】：O38

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