一种用于油水井解堵的脉冲大电流源

图1　装置组成等效电路示意图

图中1为变频恒流电源；2为绞车电缆；3为井下升压变压器；4为高压硅堆；5为高压脉冲电容器；6为自击穿控制开关；7为液体放电间隙。井下采用桥式高压硅堆整流，不用增加变压器绕组匝数，提高了电容器充电速度。但高压绕组两出线端对地绝缘水平相同，增加了绝缘的难度，我们利用特殊的工艺和结构，采用油纸复合绝缘解决了这一难题。整流硅堆和脉冲电容器之间的隔离电感是为了防止封闭开关击穿时产生的电压截波引起高压硅堆电压分布不均，导致瞬时过压击穿。设备工作过程为中频恒流交流电，经2　000　m强化电力电缆传输到井下变压器，经升压整流单元，获得数10　mA的恒流给储能电容器充电，当冲击波形成单元的控制开关达到一定电压时，产生脉冲高压使井下液体间隙大电流脉冲放电。由于采用约为30　kV的充电电压，放电电流峰值大、上升沿陡、产生的冲击波强度大。

2　封闭式气体开关和尖板液体开关
　　用于图1中的控制开关为气体火花隙开关，因为解堵放电频率较低，工作环境恶劣，要求开关寿命长、价格便宜、结构简单、运行稳定可靠。我们选择了封闭式气体火花隙开关，用它来控制储能电容器的充电电压，使设备井上部分与井下单元连线减少，降低成本。放电回路由脉冲电容器、控制开关、液体间隙和回路电阻、电感组成，它们构成同轴圆柱状，结构紧凑，回路分散电感小。为了防止水开关击穿放电时产生的冲击压力对密封绝缘件的破坏，水开关采用了缓冲结构，大大提高了密封气体开关的抗冲击波破坏能力，显著减小了液体脉冲大电流放电产生的冲击波对控制开关密封绝缘的破坏。井下开关结构如图2所示，其中1为封闭式气体火花隙开关；2为液体放电间隙。冲击波的强度与水开关的形状、间隙大小有关，一般在保证液体间隙能够形成电离火花通道情况下，液体间隙大，沉积到液体中的能量大，产生的冲击波要强，采用的水开关为可调尖板间隙，根据液体介质选择合适的液体放电间隙。

图2　开关结构图

3　主要技术参数
　　1) 变频恒流电源供电电压：单相50　Hz/220　V，功率<1　kW；
　　2) 井下储能电容器充电电压25～30　kV，最大储能1.8　kJ；
　　3) 井下放电器直径为102　mm，长度约4　m，工作温度80℃，重量约100　kg；
　　4) 放电峰值电流30　kA，周期17.2　μs；
　　5) 频率3～6次/min可调；
　　6) 电缆绞车作业深度2　000　m。

4　试验结果
4.1　实验室放电试验
　　在实验室中对井上变频恒流电源带假负载工作状态进行了实验研究，自行研制了长寿命控制开关、间隙可调与控制开关连接成一体的水开关、井下中频升压变压器。外协研制了井下用耐高温高压脉冲电容器。还试验了液体介质为水、油水混合物、油水泥沙混合物对放电的影响，以便根据不同的油井介质条件，选择合适的水开关间隙，实验表明井下电容器充电电压为28　kV，所设计的尖板间隙在上述3种液体介质中都能形成放电通道。图3为实验室常温，储能电容器充电电压为28　kV时，液体(自来水)间隙放电电流波形，图中ch1为放电电流，峰值电流约30　kA；ch2为施加于液体间隙的脉冲高压，放电电流周期约17.2　μs，回路等效电感约为1.87　μH。研究了利用集中参数的电感、电阻模拟数km传输电缆对井下变压器供电的影响，油田现场试验表明，用集中参数的电阻、电感模拟电力电缆是可行的；还进行了设备的非放电时耐受80℃温度试验，井下密封部件、脉冲电容器和变压器正常；控制开关、水开关连续放电5　000次，工作正常，预期寿命超过数万次；井下升压整流单元、高压脉冲电容器、控制开关和水开关30　MPa压力下密封可靠；整套设备连续试验，放电频率约10　s一次，工作数h正常。

　　　　　图3　放电电流波形

4.2　油田现场试验
　　1998年6月在油田现场试验了4口井，每口井放电解堵处理约500次。根据油田提供的资料，统计日期截止到8月31日，上述井继续有效，增产效果如表1所示。

表1　脉冲放电采油作业效果

作者单位：西安交通大学(西安710049)　孙凤举　曾正中　邱毓昌　　　　
西北核技术研究所(西安710024)　曾江涛　许日　盖同阳　周国振
作者简介：孙凤举　1967年生，1989年毕业于西安交通大学，硕士，在读博士生，助理研究员，从事等离子体开关技术和脉冲功率技术应用研究，电话：(029)3263456。