專(zhuān)利名稱(chēng)：高聚能大功率電脈沖裝置的能量控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子領(lǐng)域，涉及氣體火花開(kāi)關(guān)，具體地說(shuō)是電脈沖裝置 上的能量控制器，可用于石油助采設(shè)備中控制和傳導(dǎo)電能向沖擊波能量轉(zhuǎn) 換，以提高油井增產(chǎn)量。
背景技術(shù)：
隨著油田產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)石油鉆采裝置的性能提出了越來(lái)越高的要求， 能量控制器就是提高石油鉆采技術(shù)的關(guān)鍵部件之一。能量控制器功能有兩 個(gè)-其一是在蓄能期間有效隔離儲(chǔ)能器和能量轉(zhuǎn)換器，其二是當(dāng)蓄能達(dá)到 控制閾值時(shí)，快速傳導(dǎo)儲(chǔ)能器中的電能給能量轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)脈沖功率的放 大。在實(shí)現(xiàn)脈沖功率的放大的過(guò)程中，控制器的高壓絕緣子不僅要承受工 作高電壓、井下高溫、重復(fù)頻率大電流工作下氣體老化、絕緣體沿面污染
的各種壓力問(wèn)題，而且控制器的外殼還要承擔(dān)高達(dá)50MPa的靜水壓以及高 水壓力下的水密封。在一般的能量控制中，隨著整個(gè)裝置的持續(xù)運(yùn)行，控 制電極表面受到強(qiáng)烈的燒蝕，氣體絕緣介質(zhì)在持續(xù)老化，絕緣性能在持續(xù) 下降，能量控制閾值會(huì)有較大幅度的下降。穩(wěn)定控制閾值的措施有兩種， 一種是通過(guò)控制電極材質(zhì)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以分散擊穿點(diǎn)和形成多通道來(lái) 減少電極材料的燒蝕，穩(wěn)定控制閾值；二是要通過(guò)改變外殼材料和強(qiáng)度， 提高外殼抗靜水壓的能力，擴(kuò)展有限的擴(kuò)展腔室和氣體量，減緩氣體老化， 最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量控制和快速的能量傳遞。
目前，用于電脈沖設(shè)備中的電能儲(chǔ)能和電功率放大中， 一般采用氣體火 花開(kāi)關(guān)作為控制器，電脈沖設(shè)備在蓄能過(guò)程中，控制器處于開(kāi)路狀態(tài)，以 隔離儲(chǔ)能器與能量轉(zhuǎn)換器；當(dāng)儲(chǔ)能達(dá)到設(shè)定閾值后，控制器閉合并承擔(dān)電 磁能量的傳遞和脈沖功率的放大。為此必須要求控制器在蓄能過(guò)程中有良 好的絕緣性能，有穩(wěn)定的閾值控制性能和閉合時(shí)高通流性能，以實(shí)現(xiàn)脈沖 功率放大。但是由于控制器中電極受大電流燒蝕，以及絕緣氣體在傳導(dǎo)大 電流后的絕緣性能下降，都會(huì)造成控制閾值不穩(wěn)定；而且由于受絕緣氣體
性能下降和電極材料噴濺的影響，使絕緣子沿面對(duì)地絕緣性能的下降又將 導(dǎo)致控制失效，造成不能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能期間隔離能量轉(zhuǎn)換器的嚴(yán)重問(wèn)題。 實(shí)用新型的內(nèi)容
本實(shí)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 電脈沖裝置的能量控制器，以在保證對(duì)地絕緣性能的條件下，減少電極燒 蝕和氣體老化以及絕緣子沿面污染，提高能量控制器的整體性能。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是采用一種自擊穿氣體火花開(kāi)關(guān)對(duì) 設(shè)備能量進(jìn)行的控制。該氣體火花開(kāi)關(guān)自擊穿的原理是在外電場(chǎng)作用下， 金屬電極表面會(huì)通過(guò)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)發(fā)射電子，形成氣體中的初始電 子。該初始電子在外加的加速下與絕緣氣體分子發(fā)生碰撞，在電極間隙中， 由電子碰撞電離氣體分子產(chǎn)生一個(gè)新電子，該新電子與初始電子再碰撞氣 體分子產(chǎn)生更多的次級(jí)電子，使自由電子的個(gè)數(shù)以指數(shù)形式雪崩倍增。這 些電子崩可嚴(yán)重畸變電極間隙的電場(chǎng)分布，使氣體分子可以吸收電子與粒 子復(fù)合產(chǎn)生光子電離其它區(qū)域的氣體分子，形成光電離二次電子崩。二次 電子崩與正電子崩回合，在正電子崩的正離子區(qū)域形成正負(fù)帶電粒子構(gòu)成 的等離子體，即流注。該流注不斷向后續(xù)的電子崩的方向發(fā)展，最終導(dǎo)致 電極間隙的擊穿。
本實(shí)用新型的控制原理正是基于上述氣體火花開(kāi)關(guān)中對(duì)氣體擊穿電壓 的控制，通過(guò)高聚能大功率電脈沖設(shè)備，以較低功率和較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在電容 儲(chǔ)能器中儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，由能量控制器設(shè)置控制閾值，當(dāng)達(dá)到控制閾值時(shí)，
控制器快速傳導(dǎo)儲(chǔ)能器中的電能給能量轉(zhuǎn)換器，并實(shí)現(xiàn)脈沖功率放大；然
后借助于能量轉(zhuǎn)換器在很短時(shí)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(duì)油層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)量的增長(zhǎng)。并在外殼強(qiáng)度 的保證下，盡量拓展控制器腔室，以增大腔室氣體量，延緩氣體和絕緣子 沿面的絕緣強(qiáng)度的下降，以增加控制器的工作壽命。
本實(shí)用新型的整個(gè)裝置包括上下電極、上下絕緣子和上下端頭，其 中上下電極采用圓柱形大面積結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置在上下兩個(gè)絕緣子的內(nèi)腔， 該上下絕緣子的外部分別與上下兩個(gè)端頭相固定，并通過(guò)氣室連接成一個(gè) 整體，利用大面積電極和強(qiáng)制部分區(qū)域的電場(chǎng)畸變實(shí)現(xiàn)多擊穿點(diǎn)或多電弧
通道，減少電極燒蝕和氣體老化，保證控制閾值的穩(wěn)定。
上述能量控制器，其中所述的上電極由上電極座與上電極頭組成，下
電極由下電極座與下電極頭組成，每個(gè)電極頭與電極體之間采用鉚接連接。 上述能量控制器，其中所述的上電極頭上開(kāi)有方形圓環(huán)溝槽，以強(qiáng)制
電場(chǎng)畸變，穩(wěn)定控制閾值。
上述能量控制器，其中所述的上下兩個(gè)電極座采用不銹鋼材料，上下
兩個(gè)電極頭采用Cu-W合金材料。
上述能量控制器，其中所述的上下兩個(gè)端頭分別通過(guò)在絕緣子后端的 氟橡膠墊，將絕緣子頂緊在氣室的兩端。
上述油井控制器，其中所述的上下兩個(gè)絕緣子的表面均采用凸凹結(jié)構(gòu)， 增加絕緣子表面的爬電距離。
上述能量控制器，其中所述的上下兩個(gè)絕緣子上套有緩沖墊；在上端 頭與氣室之間設(shè)有軸向上密封圈，在下端頭與氣室之間設(shè)有軸向下密封圈， 以提高高溫和高水壓下的水密封性能。
本實(shí)用新型由于采用大面積和耐燒蝕材料的電極，有效減少了電極材 料在大電流下的燒蝕，提高了控制器在大電流下的閾值穩(wěn)定性；同時(shí)由于 采用在電極表面特定區(qū)域開(kāi)設(shè)環(huán)形槽的結(jié)構(gòu)，使裝置在重復(fù)頻率運(yùn)行中強(qiáng) 制分散了電極上的擊穿點(diǎn)，并有可能形成多通道；此外由于在端頭與氣室 之間設(shè)有軸向固定有密封圈，解決了高溫和高水壓下的水密封問(wèn)題。實(shí)驗(yàn) 證明，本實(shí)用新型可在50kA電流下穩(wěn)定工作3000次，實(shí)現(xiàn)對(duì)4.5kJ的能
量控制。

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)圖2是本實(shí)用新型的上電極結(jié)構(gòu)圖3是本實(shí)用新型的下電極結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
參照?qǐng)Dl，本實(shí)用新型包括上電極4、下電極5，上絕緣子2、下絕緣 子6，上端頭l、下端頭7。上電極4由上電極座11與上電極頭12組成，如圖2所示。下電極5由下電極座13與下電極頭14組成，如圖3所示。 每個(gè)電極頭與電極座體之間采用鉚接連接。上電極4與下電極5均采用圓 柱形大面積結(jié)構(gòu)，且分別設(shè)置在上絕緣子2和下絕緣子6的內(nèi)腔。該上下 絕緣子的外部分別與上端頭1和下端頭7固定，并通過(guò)氣室3連接成一個(gè)
由于本實(shí)用新型的控制器是一種特殊的自擊穿氣體火花開(kāi)關(guān)，在隔離 蓄能階段，上電極4為高電位，外殼為零電位,下電極5是懸空?？刂破?閉合前后，上下電極和電極間隙的電場(chǎng)分布不一致，而且是突變過(guò)程，因 而控制器在蓄能期間的絕緣性能是控制器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。為此將上絕緣子2 和下絕緣子6的表面設(shè)計(jì)成凸凹結(jié)構(gòu)，以增加絕緣子表面的爬電距離，且 選用聚四氟乙烯作為絕緣子材料，以保證在井下15(TC的高溫下絕緣子機(jī) 械強(qiáng)度不減，不變性、絕緣性能不下降。由于在均勻電場(chǎng)下，控制器導(dǎo)通 時(shí)是通過(guò)電弧通道傳導(dǎo)大電流，大電流電弧對(duì)電極表面的燒蝕將引起電極 表面的粗糙度變化，微觀場(chǎng)增強(qiáng)因子增大，直接導(dǎo)致控制閾值的下降。為 此本實(shí)用新型采用在上電極的電極頭12表面開(kāi)有寬和深各為2mm的方形圓 環(huán)溝槽15，如圖2所示。該溝槽15強(qiáng)制溝槽邊緣上的場(chǎng)畸變，將擊穿點(diǎn) 控制在溝槽的邊緣。另外采用大面積電極也有形成多電弧通道的可能，形 成多電弧通道時(shí)，可以減輕單個(gè)電弧對(duì)電極表面的燒蝕。
由于控制器在一次作業(yè)中要工作3 5小時(shí)，要重復(fù)運(yùn)行500 800次， 使氣體火花開(kāi)關(guān)中的工作氣體不斷被擊穿，其絕緣性能不斷老化，加上強(qiáng) 大的工作電流，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)工作的急速下降。為此將整個(gè)控制器的外徑控 制為102mm，內(nèi)徑最多92mm，并在上絕緣子2和下絕緣子6上分別套有氟 橡膠墊8a和8b，通過(guò)該氟橡膠墊的緩沖作用將上絕緣子2和下絕緣子6 頂緊在氣室3的兩端。且上端頭1與氣室3之間設(shè)有軸向上密封圈9,下端 頭7與氣室3之間設(shè)有軸向下密封圈10。
由于氣體間隙的擊穿電g與間隙長(zhǎng)度、氣體種類(lèi)和氣體狀態(tài)有關(guān)。一 般控制閾值的氣體擊穿電壓的可由經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定
"=24.225 " 6.08V^T^
式中，d為氣體間隙距離，單位cm;《為氣體相對(duì)密度，^二2.9尸/7;
戶為氣體壓力，單位kPa， r為氣體絕對(duì)溫度單位A;
氣體開(kāi)關(guān)內(nèi)中氣體被密封在封閉的腔體中，其摩爾數(shù)保持不變，即開(kāi) 關(guān)在井上和井下的空氣的相對(duì)密度不變，在實(shí)驗(yàn)室或井上設(shè)定的擊穿電壓
不會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)對(duì)應(yīng)控制閾值為30kV時(shí)，開(kāi)關(guān)電極間隙距離選取在80 12mm可調(diào)。當(dāng)控制器氣體火花開(kāi)關(guān)擊穿電壓選取為25 30kV，外筒抗外壓 強(qiáng)度為50MPa，并在50MPa下實(shí)現(xiàn)整套以及與儲(chǔ)能器、能量轉(zhuǎn)換器的水密 封。
為了減少因安裝精度導(dǎo)致電極距離變化而影響控制器控制閾值的變 化，整個(gè)控制器的外徑控制為102mm，內(nèi)徑最多92mm。內(nèi)電極采用不銹鋼， 電極頭采用W-Cu合金。電極直徑控制為①25nim，在高壓電極頭上開(kāi)有直 徑14/18mm，深2mm的環(huán)形槽，以穩(wěn)定控制閾值。兩個(gè)電極之間的距離最 大為14ram，在電極底部和絕緣子之間采用最小0. 5mm的制式墊片調(diào)節(jié)電極 之間的距離以達(dá)到調(diào)節(jié)控制器閾值的作用。
本控制器的上端頭1和下端頭7均采取與電脈沖裝置的儲(chǔ)能器、能量 轉(zhuǎn)換器相同的標(biāo)準(zhǔn)接口，安裝在電脈沖裝置上，置入4000米深的水下。工 作時(shí)，當(dāng)蓄能達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)迅速閉合，傳導(dǎo)儲(chǔ)能器中的電能給能量轉(zhuǎn)換 器，實(shí)現(xiàn)脈沖功率的放大。
權(quán)利要求1.一種高聚能大功率電脈沖裝置的能量控制器，包括上下電極、上下絕緣子和上下端頭，其特征在于上電極(4)和下電極(5)均采用圓柱形大面積結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置在上絕緣子(2)和下絕緣子(6)的內(nèi)腔，該上下絕緣子的外部分別與上端頭(1)和下端頭(7)固定，并通過(guò)氣室(3)連接成一個(gè)整體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的能量控制器，其特征在于上電極(4)由 上電極座(11)與上電極頭(12)組成，下電極(6)由下電極座(13)與 下電極頭(14)組成，每個(gè)電極頭與電極座之間采用鉚接連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)2所述的能量控制器，其特征在于上電極頭(12) 上開(kāi)有方形圓環(huán)溝槽(15)，以穩(wěn)定控制閾值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)2所述的能量控制器，其特征在于上下電極座(ll) 和(13)采用不銹鋼材料，上下電極頭(12)和(14)采用Cu-W合金材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的能量控制器，其特征在于上下電極(4) 和(6)之間的距離最大為14mm，對(duì)應(yīng)控制閾值為30kV。
6. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的能量控制器，其特征在于上端頭(1)和 下端頭(7)分別通過(guò)氟橡膠墊(8a)和(8b)，分別將絕緣子(2)和(6) 頂緊在氣室(3)的兩端。
7. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的能量控制器，其特征在于上絕緣子(2)和 下絕緣子(6)的表面均采用凸凹結(jié)構(gòu)，增加絕緣子表面的爬電距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的能量控制器，其特征在于上端頭(1)與 氣室(3)之間設(shè)有軸向上密封圈(9),下端頭(7)與氣室(3)之間設(shè)有軸向下 密封圈(IO.)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高聚能大功率電脈沖裝置的能量控制器，主要解決現(xiàn)有能量控制器性能差的問(wèn)題。其方案是采用自擊穿氣體火花開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)在蓄能期間隔離儲(chǔ)能器與能量轉(zhuǎn)換器，當(dāng)蓄能達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)迅速閉合，傳導(dǎo)儲(chǔ)能器中的電能給能量轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行脈沖功率的放大。整個(gè)裝置包括上下電極、上下絕緣子和上下端頭，其中上下電極(4)、(5)采用圓柱形大面積結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置在上下絕緣子(2)和(6)的內(nèi)腔，該上下絕緣子的外部分別與上下端頭(1)和(7)固定，并通過(guò)氣室(3)連接成一個(gè)整體。本實(shí)用新型不僅可實(shí)現(xiàn)4.5kJ能量、50kA電流和穩(wěn)定工作3000次的能量控制器，而且可提高高溫和高水壓下的水密封性能，可用于電脈沖裝置中控制和傳導(dǎo)電能向沖擊波能量轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)E21B43/00GK201191706SQ20082002905
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)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(qǐng)人:陜西威迅石油科技有限公司