电解的脉冲放电特性
时间：10-02
整理：3721RD
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①电解电容器的脉冲放电特性
随着石油及天然气的不断开采, 造成地压力下降, 同时由于钻井、完井等生产过程使油层近井地带被杂质堵塞, 使油层渗透率
降低, 产量下降。利用高压脉冲放电产生的压力效应, 可使井筒周围介质振动, 对地层造成微裂缝, 解除油层的污染, 达到解堵增产增注的目的。早期的井下电脉冲设备采用油浸电容器作为储能元件, 电容器采用并联工作方式, 其优点是内阻小, 放电的电流峰值大、频率高,因此, 其能量转换效率高, 所产生的脉冲压力的峰值和频率也较高。由于体积大, 重量也较大, 特别是高温时电容器的漏油问题没有解决, 故一直未能得到广泛的应用。本文通过对电解电容器的脉冲放电试验和高温寿命试验的研究, 证实了电解电容器用于高压脉冲放电的可行性。
2 设备工作原理
井下电脉冲设备的工作原理如图1 所示。高压直流电源给串联电容器组充电, 充到预定值后由控制触发电路给出控制信号, 触
发主放电开关G 使其导通, 电容器储存的电能通过放电电极F 在水中放电, 产生强大的脉冲压力波。放电结束后, 电源重新给储能电容器充电, 然后放电, 如此循环, 便可产生周期性的脉冲压力波, 该压力波作用于油井的出油孔即可达到解堵增油的目的。为保证设备的放电稳定性和工作可靠性, 放电电压设置为4～ 5kV , 采用16 或18只电容器串联。
3、电解电容器脉冲放电试验311 脉冲放电参数测试由于电解电容器不能承受反压, 因此进行脉冲放电试验时应尽量减小回路电感, 保证放电为非振荡性放电。试验时采用五台M a rcon CW P - M 型电容器串联, 放电电压为117kV , 电容器储能为1136kJ , 放电电极距离为4mm 。当采用十几只电容器串联时, 典型的放电电流波形如图3 曲线2 所示。放电电极间
的电压波形如图4 所示。放电电压为4kV , 电容器储能为2124kJ , 放电电极距离为4mm ,
放电介质为盐水介质。根据放电电极间的电压、电流波形可以计算出实际放电能量约700J , 放电效率(实际放电能量与电容器储
能之比) 约32à 。放电电极击穿后, 水电阻可视为常值, 因而, 设备的放电回路可用R、L 、C 二阶电路来模拟, 根据试验数据, U = 4kV , Im = 6. 4kA ,tm = 40Ls, T = 780Ls, L = 10LH , C = 280LF ,推算出回路等效电阻约0158 , 每个电容器的
等效电阻为20～ 25m 8。表1 是电解电容器脉冲放电参数表。3000m 的油层附近, 温度多在80～ 90℃, 因此, 电容器的寿命成为其能否投入实际生产的关键因素。由于电容器工作方式的特殊性(大电流脉冲放电方式) , 已不能用产品的额定参数来衡量其性能, 如纹波电流, 使用寿命等, 而代之以放电次数。根据使用要求, 我们选择了五种电解电容器进行高温下的寿命试验(国内尚未有合适的产品) , 放电电压约为额定电压的80à ,放电频率为3 次?m in, 试验结果见表2。温度容量特性好的电容器其放电次数较多, 实际应用时选用M a rcon 和Chem icon 的产品, 即每组电容器寿命超过5000 次, 可以满足生产需要。电容器的寿命、工作场强和工作温度的关系是互为制约, 通过对电解电容器高温下寿命试验的初步研究, 一般选其放电电压为额定电压的80à , 三者间的确切关系尚有待进一步的研究。
4、电解电容器使用中的几个问题实际使用过程中电容器的损坏有三种表现形式: 短路、断路、防爆阀动作。其中, 由于设备长期未使用而突加电压进行大电流放电导致防爆阀动作的占半数以上, 其余则为大电流冲击造成绝缘击穿形成短路或电容器内部引出线受力过大而断裂形成断路。因此, 在实际应用中应注意以下几点。411 电容器的选择选择一致性较好的电容器, 包括静电容
量、漏电流等。容量偏差越小, 每个电容器上的电压分布越均匀, 其工作状态具有较好的一致性(必要时可加均压电阻) ; 漏电流越小(一般为5mA 以下, 好的在1mA 以下) , 表明它具有较高质量的氧化膜和合适的工作电解质, 高温时漏电流增加较缓慢, 功率消耗小,内部温升也较小[1 ], [2 ]。412 放电电压的选择放电电压越高, 储能越大, 放电产生的压力波越强, 但电容器的放电次数则减少。实际应用时应根据具体情况有针对性地选择放电电压, 如井温高时, 可以降低放电电压, 来减少电容器的损坏, 以较小的投入获得较高的经济效益。413 电容器的老练当设备闲置一段时间后, 使用前应重新赋能老练, 即给电容器组充以额定电压数小时而不放电, 以修补电解电容器的氧化层介质, 避免突加高压后大电流放电导致电容器
的损坏。
5、现场试验结果我们研制的井下电脉冲设备在辽河油田共进行16 口井的解堵施工, 累计放电60828次, 增油614115t, 成功率93175à , 投入产出比为1∶3. 84[3 ]; 在华北油田共进行17 口油、水井试验, 有效率达90à , 累计增液619216t, 增油3121t, 增注7765155m 3[4 ]; 在河南油田现场作业7 井次, 累计增油836t (作业井还处于有效期) , 投入产出比大于1∶5[5 ]。
6、结论 电解电容器作为储能元件, 具有体积小,重量轻, 高温性能好等特点, 能够满足井下电脉冲设备的工作要求。大电流放电时产生的脉冲电压力波, 可有效地解除油层的污染, 达到增产增注的目的。
随着石油及天然气的不断开采, 造成地压力下降, 同时由于钻井、完井等生产过程使油层近井地带被杂质堵塞, 使油层渗透率
降低, 产量下降。利用高压脉冲放电产生的压力效应, 可使井筒周围介质振动, 对地层造成微裂缝, 解除油层的污染, 达到解堵增产增注的目的。早期的井下电脉冲设备采用油浸电容器作为储能元件, 电容器采用并联工作方式, 其优点是内阻小, 放电的电流峰值大、频率高,因此, 其能量转换效率高, 所产生的脉冲压力的峰值和频率也较高。由于体积大, 重量也较大, 特别是高温时电容器的漏油问题没有解决, 故一直未能得到广泛的应用。本文通过对电解电容器的脉冲放电试验和高温寿命试验的研究, 证实了电解电容器用于高压脉冲放电的可行性。
2 设备工作原理
井下电脉冲设备的工作原理如图1 所示。高压直流电源给串联电容器组充电, 充到预定值后由控制触发电路给出控制信号, 触
发主放电开关G 使其导通, 电容器储存的电能通过放电电极F 在水中放电, 产生强大的脉冲压力波。放电结束后, 电源重新给储能电容器充电, 然后放电, 如此循环, 便可产生周期性的脉冲压力波, 该压力波作用于油井的出油孔即可达到解堵增油的目的。为保证设备的放电稳定性和工作可靠性, 放电电压设置为4～ 5kV , 采用16 或18只电容器串联。
3、电解电容器脉冲放电试验311 脉冲放电参数测试由于电解电容器不能承受反压, 因此进行脉冲放电试验时应尽量减小回路电感, 保证放电为非振荡性放电。试验时采用五台M a rcon CW P - M 型电容器串联, 放电电压为117kV , 电容器储能为1136kJ , 放电电极距离为4mm 。当采用十几只电容器串联时, 典型的放电电流波形如图3 曲线2 所示。放电电极间
的电压波形如图4 所示。放电电压为4kV , 电容器储能为2124kJ , 放电电极距离为4mm ,
放电介质为盐水介质。根据放电电极间的电压、电流波形可以计算出实际放电能量约700J , 放电效率(实际放电能量与电容器储
能之比) 约32à 。放电电极击穿后, 水电阻可视为常值, 因而, 设备的放电回路可用R、L 、C 二阶电路来模拟, 根据试验数据, U = 4kV , Im = 6. 4kA ,tm = 40Ls, T = 780Ls, L = 10LH , C = 280LF ,推算出回路等效电阻约0158 , 每个电容器的
等效电阻为20～ 25m 8。表1 是电解电容器脉冲放电参数表。3000m 的油层附近, 温度多在80～ 90℃, 因此, 电容器的寿命成为其能否投入实际生产的关键因素。由于电容器工作方式的特殊性(大电流脉冲放电方式) , 已不能用产品的额定参数来衡量其性能, 如纹波电流, 使用寿命等, 而代之以放电次数。根据使用要求, 我们选择了五种电解电容器进行高温下的寿命试验(国内尚未有合适的产品) , 放电电压约为额定电压的80à ,放电频率为3 次?m in, 试验结果见表2。温度容量特性好的电容器其放电次数较多, 实际应用时选用M a rcon 和Chem icon 的产品, 即每组电容器寿命超过5000 次, 可以满足生产需要。电容器的寿命、工作场强和工作温度的关系是互为制约, 通过对电解电容器高温下寿命试验的初步研究, 一般选其放电电压为额定电压的80à , 三者间的确切关系尚有待进一步的研究。
4、电解电容器使用中的几个问题实际使用过程中电容器的损坏有三种表现形式: 短路、断路、防爆阀动作。其中, 由于设备长期未使用而突加电压进行大电流放电导致防爆阀动作的占半数以上, 其余则为大电流冲击造成绝缘击穿形成短路或电容器内部引出线受力过大而断裂形成断路。因此, 在实际应用中应注意以下几点。411 电容器的选择选择一致性较好的电容器, 包括静电容
量、漏电流等。容量偏差越小, 每个电容器上的电压分布越均匀, 其工作状态具有较好的一致性(必要时可加均压电阻) ; 漏电流越小(一般为5mA 以下, 好的在1mA 以下) , 表明它具有较高质量的氧化膜和合适的工作电解质, 高温时漏电流增加较缓慢, 功率消耗小,内部温升也较小[1 ], [2 ]。412 放电电压的选择放电电压越高, 储能越大, 放电产生的压力波越强, 但电容器的放电次数则减少。实际应用时应根据具体情况有针对性地选择放电电压, 如井温高时, 可以降低放电电压, 来减少电容器的损坏, 以较小的投入获得较高的经济效益。413 电容器的老练当设备闲置一段时间后, 使用前应重新赋能老练, 即给电容器组充以额定电压数小时而不放电, 以修补电解电容器的氧化层介质, 避免突加高压后大电流放电导致电容器
的损坏。
5、现场试验结果我们研制的井下电脉冲设备在辽河油田共进行16 口井的解堵施工, 累计放电60828次, 增油614115t, 成功率93175à , 投入产出比为1∶3. 84[3 ]; 在华北油田共进行17 口油、水井试验, 有效率达90à , 累计增液619216t, 增油3121t, 增注7765155m 3[4 ]; 在河南油田现场作业7 井次, 累计增油836t (作业井还处于有效期) , 投入产出比大于1∶5[5 ]。
6、结论 电解电容器作为储能元件, 具有体积小,重量轻, 高温性能好等特点, 能够满足井下电脉冲设备的工作要求。大电流放电时产生的脉冲电压力波, 可有效地解除油层的污染, 达到增产增注的目的。