專利名稱：高聚能大功率電脈沖裝置能量轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及電脈沖轉(zhuǎn)換器，可用于在電脈沖裝置中， 以較低功率在較長的時間內(nèi)在電容儲能器中儲存電場能量，在很短時間內(nèi)將 電能轉(zhuǎn)換成沖擊波能量釋放到油層，以沖擊波對油層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行處理，實 現(xiàn)油井增產(chǎn)。
背景技術(shù)：
能量轉(zhuǎn)換器是電脈沖裝置的重要部件之一，它不僅要承受工作高電壓、
井下高溫、高達50MPa的靜水壓以及高水壓力下的水密封，而且還要承受 能量轉(zhuǎn)換時對絕緣子的高速沖擊。特別是作為高聚能大功率電脈沖裝置的能 量轉(zhuǎn)換器，必須在深度4000 5000米，直徑為140mm的石油油井工作，高 電壓、高溫、高水壓、和高水壓下的密封問題極其嚴(yán)重。
液電效應(yīng)中電能向機械能，即沖擊波能量的轉(zhuǎn)換是一個復(fù)雜的過程，受 多種因素制約。比如，在放電過程中還有光能、電磁能、電離能、輻射能和 漏電能等，受放電過程時間長短，電能向機械能轉(zhuǎn)換的效率大有不同。
液體中脈沖大電流放電時所產(chǎn)生的最大壓力值與放電能量、放電波形及 液體的特性有關(guān)，其關(guān)系近似為-
尸瞎a艮j^ (1) 其中P^^為沖擊波波前最大壓力，A為復(fù)雜積分函數(shù)，對水介質(zhì)取0.7，
^為介質(zhì)密度，『為放電通過單位長度的脈沖能量，r為脈沖持續(xù)的時間， ^為波前時間?？梢?，液電效應(yīng)產(chǎn)生的壓力與放電能量的平方根成正比，與 放電脈沖的前沿和脈寬的平方根成反比。隨著放電的脈沖前沿的加長，即放 電電流的減小，放電所產(chǎn)生的峰值壓力減小。
液電效應(yīng)產(chǎn)生的壓力峰值與放電能量、電路等關(guān)系之所以如此復(fù)雜，是 因為放電過程中的能量轉(zhuǎn)換不僅僅是電能與熱能之間的轉(zhuǎn)換，其中還伴隨著
電離和輻射的能量轉(zhuǎn)換。在電容量3pF和回路電感3.85pH的放電回路中，
實驗測得到放電產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力與放電電壓和放電能量的關(guān)系為
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同樣的能量下，放電電壓越高，儲能器容量越小，放電周期越短，所 以式(1)禾B (2)的結(jié)果與式(1)的結(jié)論是一致的。如果放電回路的電感 減小到lpH時，對于4.5kJ的放電能量和30kV的放電電壓，沖擊波壓力峰 值將會大于100MPa，所以能量轉(zhuǎn)換器耐沖擊波峰值壓力按200MPa設(shè)計。
對于放電能量約1.5kJ的能量轉(zhuǎn)換器來說， 一般材料和結(jié)構(gòu)已不能承受沖 擊波對絕緣子的破壞。對于更高的放電能量，絕緣子要在解決抗沖擊能力問 題的同時，綜合考慮高水壓下的靜壓，高水壓下的密封和高電壓下的電絕緣。 目前還沒有能夠滿足轉(zhuǎn)換器絕緣子要求的材料，要綜合解決這些問題需要從 材料和絕緣子結(jié)構(gòu)兩個方面入手，更重要的是通過理論分析和實驗數(shù)據(jù)選擇 絕緣子的結(jié)構(gòu)，以結(jié)構(gòu)彌補材料性能上的不足。 實用新型的內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服已有技術(shù)的缺陷，提供一種高聚能大功率電 脈沖裝置的能量轉(zhuǎn)換器，以保證在高溫高電壓絕緣、高靜壓和高靜壓下的水 密封要求下，實現(xiàn)高效率和可靠的能量轉(zhuǎn)換。
實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案是通過設(shè)計電極和絕緣子的結(jié)構(gòu)，選取 其材質(zhì)，使能量轉(zhuǎn)換器克服在能量轉(zhuǎn)換時對絕緣子的高速沖擊，實現(xiàn)在高溫、 高水壓和高沖擊條件下將高功率脈沖電能向沖擊波能量的有效轉(zhuǎn)換。整個能 量轉(zhuǎn)換器包括支套、內(nèi)電極絕緣子、絕緣子外筒和上套，其中絕緣子與內(nèi)電 極澆鑄為一體，連接在支套和上套的體內(nèi)。
所屬的內(nèi)電極澆鑄在絕緣子的內(nèi)腔中心，該內(nèi)電極與絕緣子的接觸面積 的大小，采用經(jīng)驗公式；a二i7;r"/^l()2kg/cn^計算確定，ff為內(nèi)電極對絕 緣子的壓強，F(xiàn)為沖擊波峰值壓力，D為內(nèi)電極與絕緣子接觸面的最大直徑， /2為D與內(nèi)電極穿過絕緣子的孔徑之間的差值。
所述的內(nèi)電極與絕緣子的整體部件上設(shè)有五道臺階結(jié)構(gòu)，以增強絕緣子 與內(nèi)電極金屬之間的接觸力和密封性。200820029050.2
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所述的絕緣子的外部澆鑄有絕緣子外筒，該絕緣子外筒上套有緩沖墊和 密封圈，并設(shè)置在上套內(nèi)。
所述的絕緣子采用硬度為90的氟橡膠材料，其兩端采用U形結(jié)構(gòu)，且 在絕緣子與絕緣子外筒的接觸面上，設(shè)有三道臺階。
所述的支套采用由一塊整體材料加工成三根支柱組成的開放式結(jié)構(gòu)。該 支套內(nèi)裝載有地電極，且支套與上套連接為一體。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1、 由于采用U形絕緣子與內(nèi)電極澆鑄為一體的結(jié)構(gòu)，解決了在直徑
102mm的裝置中30kV高電壓下的絕緣問題和絕緣子抗50MPa凈水壓和高水 壓下的密封問題；
2、 由于絕緣子選擇材料強度為90的氟橡膠材料，解決了抗lOOMPa的 強沖擊問題；
3、 由于密封圈和緩沖墊采用氟橡膠材料，解決了密封圈和緩沖墊在150 'C下的耐高溫問題；
4、 由于采用經(jīng)驗公式確定電極端面與絕緣子表面的接觸面積大小，使 絕緣子的耐沖擊力可達到200MPa。
試測表明，本轉(zhuǎn)換器能夠工作在儲能4.5kJ和脈沖功率IOOMW下，極 大地提高了單次激波能量和對油層作用的有效性。

圖1是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)圖2是本實用新型的內(nèi)電極和絕緣子結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式

參照圖l，本實用新型主要由地電極l、支套2、內(nèi)電極3、絕緣子4、 絕緣子外筒5、緩沖墊6、耐高溫密封圈7和上套8組成。其中內(nèi)電極3設(shè) 置在絕緣子4的內(nèi)部中心，絕緣子的外部有絕緣子外筒5，這三個部件采用 澆鑄工藝澆鑄成一個整體部件，如圖2所示。該整體部件上在內(nèi)電極3與絕 緣子4的結(jié)合處設(shè)有五道臺階9，以增強絕緣子材料與內(nèi)電極金屬材料之間 的接觸力，提高高壓水下內(nèi)電極與絕緣子之間的密封性能；該整體部件的內(nèi) 電極3與絕緣子4的接觸面積大小，采用經(jīng)驗公式；CT = i0rf^<lO2kg/cm2
5
計算確定。即電水錘效應(yīng)的沖擊波峰值壓力在絕緣子端面上產(chǎn)生的壓強小于
102k/cm2，其中"為內(nèi)電極對絕緣子的壓強，F(xiàn)為沖擊波峰值壓力，D為內(nèi) 電極與絕緣子接觸面的最大直徑，/z為D與內(nèi)電極穿過絕緣子的孔徑之間的 差值。該絕緣子4的兩端采用U形結(jié)構(gòu)，且在絕緣子與絕緣子外筒5的接觸 面上，設(shè)有三道臺階結(jié)構(gòu)10，以增加爬電距離，解決井筒污水中的高電壓絕 緣問題，增加內(nèi)電極與絕緣子的接觸面，并增強絕緣子與絕緣子外筒之間的 接觸力和密封水的性能，特別是在工作沖擊中絕緣子外筒與上套之間的高水 壓密封。該地電極1裝載在支套2內(nèi)，支套2與上套8相連接。該緩沖墊6 和密封圈7套接在整體部件的絕緣子外筒5上，放置在上套8的體內(nèi)。該支 套2采用由一塊高強度棒料，并經(jīng)熱處理，加工成三根支柱組成的開放式結(jié) 構(gòu)，以保證工作期間，在地電極和內(nèi)電極之間沖擊峰值壓力下支套和上套之 間的連接強度。同時，絕緣子4采用硬度為90的氟橡膠材料，以實現(xiàn)絕緣 子抗100MPa的強沖擊效果；緩沖墊6及密封圈7均采用氟橡膠材料，以解 決密封圈和緩沖墊在15(TC下的耐高溫問題；上套8采用高強度無縫鋼管加 工，且采取與能量控制器相同的標(biāo)準(zhǔn)接口。安裝時，該能量轉(zhuǎn)換器通過標(biāo)準(zhǔn) T84x1.5螺紋和能量控制器連接，連接密封面采用外徑91.5、環(huán)徑3.7的氟 橡膠密封圈實現(xiàn)水密封，能量轉(zhuǎn)換器的工作間隙設(shè)置為6 8mm。
工作時，地電極l、支套2、絕緣子外筒5和上套8為低電位，內(nèi)電極3 為30kV的高電位，整個能量轉(zhuǎn)換器置入4000米深的水下，靜水壓為50MPa， 溫度為15(TC。其工作原理是高聚能大功率電脈沖裝置的儲能器通過能量 控制器將電能傳輸?shù)侥芰哭D(zhuǎn)換器后，儲存在儲能器中的電能，通過能量轉(zhuǎn)換 器的工作間隙突然向水中釋放，使水中間隙形成放電電弧通道，電弧通道加 熱周圍水介質(zhì)。由于熱交換，放電通道周圍的液體迅速汽化，急劇膨脹，形 成包圍著火花通道的一層極薄的"蒸汽一氣體套"，壓力經(jīng)此薄層迅速傳給 液體，使之外移，液體轉(zhuǎn)移速度將超過放電通道擴張速度，形成空腔，產(chǎn)生 第一個壓力沖擊波，該沖擊波是一個包含許多頻率的寬帶脈沖波，能量密度 很高，高頻部分形成陡峭的波陣面。陡峭的波陣面與近井地帶的油層相互作 用后，衰減為"二次脈沖"低頻聲波，向介質(zhì)發(fā)射新的應(yīng)力波。當(dāng)放電剛一 停止，空腔就以聲速或超聲速閉攏，形成空化現(xiàn)象，產(chǎn)生與第一個壓力沖擊
波方向相反的第二個壓力應(yīng)力波。這兩次沖擊波都有很大的能量。第一個沖 擊波對地層產(chǎn)生內(nèi)壓，第二個沖擊波對地層產(chǎn)生拉力，相當(dāng)于對地層產(chǎn)生擠 壓。這兩種不同的沖擊波通過射孔眼交替反復(fù)地作用于地層。
當(dāng)本能量轉(zhuǎn)換器每作業(yè)10 口井，即工作6000 10000次后，地電極l 受電流沖擊會形成凹坑，要拆下地電極將凹坑打磨平整后再用，但應(yīng)根據(jù)打 磨掉的電極厚度，在地電極與支套連接端面采用墊片調(diào)節(jié)工作間隙，且在規(guī) 定的范圍之內(nèi)更換最好。
權(quán)利要求1. 一種高聚能大功率電脈沖裝置的能量轉(zhuǎn)換器，包括支套(2)、內(nèi)電極(3)、絕緣子(4)、絕緣子外筒(5)和上套(8)，其特征在于內(nèi)電極(3)設(shè)置在絕緣子(4)的內(nèi)體中心，絕緣子外筒(5)套在絕緣子(4)的外部，這三個部件澆鑄為一體，連接在支套(2)和上套(8)的體內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于內(nèi)電極(3)與 絕緣子(4)的結(jié)合處設(shè)有五道臺階結(jié)構(gòu)(9)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于在絕緣子(4) 的兩端采用U形結(jié)構(gòu)，絕緣子(4)與絕緣子外筒(5)的接觸面上，設(shè) 有三道臺階結(jié)構(gòu)(10)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于絕緣子外筒(5) 上套有緩沖墊(6)和密封圈(7)，并設(shè)置在上套(8)內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于支套(2)由一 塊整體材料加工成三根支柱組成的開放式結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于支套(2)內(nèi) 裝載有地電極(1)，且支套(2)與上套(8)相連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l或3所述的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于絕緣子(4) 采用硬度為90的氟橡膠材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的能量控制器，其特征在于內(nèi)電極(3)與絕緣子(4)的接觸面積大小，采用經(jīng)驗公式"-^^102kg/cmH十算確定，^為內(nèi)電極對絕緣子的壓強，F(xiàn)為沖擊波峰值壓力，D為內(nèi)電極與絕 緣子接觸面的最大直徑，/2為D與內(nèi)電極穿過絕緣子的孔徑之間的差值。
專利摘要本實用新型公開了一種高聚能大功率電脈沖裝置能量轉(zhuǎn)換器。根據(jù)液電效應(yīng)將儲能器存儲的電能在油井射孔段的水中瞬間轉(zhuǎn)換成沖擊波能量。其結(jié)構(gòu)包括支套(2)、內(nèi)電極(3)、絕緣子(4)、絕緣子外筒(5)和上套(8)，該內(nèi)電極(3)設(shè)置在絕緣子(4)的內(nèi)體中心，絕緣子外筒(5)套在絕緣子(4)的外部，這三個部件澆鑄為一體，連接在支套(2)和上套(8)的體內(nèi)，并在內(nèi)電極(3)與絕緣子(4)的結(jié)合處設(shè)有五道臺階結(jié)構(gòu)(9)，在絕緣子(4)與絕緣子外筒(5)的接觸面上，設(shè)有三道臺階結(jié)構(gòu)(10)。本實用新型具有密封性好、耐高水壓和高強沖擊的優(yōu)點，可用于電脈沖裝置實現(xiàn)對油層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的處理，提高油井產(chǎn)量。
文檔編號E21B28/00GK201206447SQ200820029050
公開日2009年3月11日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者呂曉琳, 張永民 申請人:陜西威迅石油科技有限公司