孙鹞鸿 左公宁
中国科学院电工研究所 北京100080
0 引言
“液电效应”法是油井解堵增油的新技术、新方法。国外已有商业化油井解堵设备，国内也有类似的研究工作［1～3］，现场试验都取得较好的效果，但升压整流、储能电容器和脉冲放电单元置于井下，由于井筒体积的限制，储能均在5kJ以下。
中科院电工所从事电火花震源的研制开发工作已几十年，震源的系列产品在陆地和水域的地震勘探中应用效果较好，它的特点是井上储能，井下放电解堵。目前国内尚无此类研究，其单台震源储能最大可达400 kJ。该振动采油的原理是储存在电容器中的电能通过特种传输电缆及放电电极在井下进行脉冲放电，产生强大的脉冲压力波作用于出油孔，可清除油孔的堵塞。由于传输电缆存在着损耗，井下放电电极间的能量即设备的电能转换成为研究重点。故与河南油田合作进行了传输式电火花震源电气技术参数的测试，并建立了相应的数学模型。
1 工作原理及测试原理
传输式电火花震源由LDZ200/10型车载陆地电火花震源(储能为200kJ)，一条长666m芯线截面70mm2的特种传输电缆和特制的放电电极组成，其原理见图1。高压直流电源给两组储能电容器C1、C2充电，以触发两个放电开关G1、G2导通，电容器储存的电能通过传输电缆在置于井下液体介质中的放电电极F释放，产生强大的脉冲压力波，故电容器储存的电能转换为压力波能量的能量转换元件是放电电极间的电弧电阻。
测试原理见图2。测放电电流i(t)、放电电极间的电压u(t)波形时分别用分流器R1、分压器R2和R3取得信号，用TCH-1000波形存储器存储i(t)、TCH-4000波形存储器存储u(t)，X-Y记录仪绘出波形，采样间隔10 μs。
2 试验项目及结果
2.1 放电电极距离d对电极间能量W1的影响
电极间能量W1= 因无法从波形上得到u(t)，i(t)的数学表达式，故计算时采用的经验公式为：
W1=K·Sv·Si/t(J)
式中，Sv表示u(t)曲线与时间轴所包围的面积；Si表示i(t)曲线与时间轴所包围的面积；K取1.1。电能转换效率η=W1/WC，WC为电容器储能。试验在人工湖进行，WC=162kJ。试验及计算结果见表1，说明W1在d为26时最大，η＝17%。
2.2 电极深度H对W1的影响
试验套管直径140mm，d=26mm改变H(即改变静水压)和工作电压U时的结果(见表2)表明：随着U和WC的增加，im随之增大，效率随之提高，H对W1影响不大，平均η为16.5%。
文［4］认为，Wc<1500J时，静水压自0.1至5MPa内,η下降(10～20)%，5～15MPa内η基本不变；随着Wc的增加，η也同时增加，静水压对η的影响减弱。但当Wc为200kJ时静水压对η的影响还有待研究。典型的放电电流和电压波形见图3、4。
2.3 波形分析
实际工作电路模型见图5。图3放电电流出现两个峰值为试验现场受油井设备和条件限制，放电开关G1、G2同步误差1ms所致。
采用集中参数进行计算［5］，仅G1导通时，C1＝2000μF，L＝110μH，R=R1+R2=0.42Ω。二阶电路的特征方程为：
理论计算得到的放电电流波形见图6。曲线1为两组电容器同步放电的电流波形，曲线2为第二组电容器延时1 ms放电的电流波形。设电弧电阻为0.07Ω，放电时间为8ms，按 计算，两曲线放电能量相差～10%，故对实验数据有关W1、η的分析的影响不大。
实测电压波形的始端有一短时振荡(电压波的入射和反射)及波形下降过程有一个脉冲凸起(水阻的非线性)，这是由于长电缆具有分布参数引起的［6］，电路接通后，水间隙的击穿有几百μｓ的延时，水间隙击穿后电极间的电压迅速下降，放电电流随之增大；随着放电的继续，当电流较小(不足以维持电弧的燃烧)时，电弧熄灭，水阻阻值迅速增大，使得电流瞬时降到零，放电开关断开，电容器上的残余电荷无法泄放，形成～几百伏残余电压。
2.4 短传输电缆的放电试验
传输电缆长78m，截面积为40mm2，工作电压9kV时的试验结果见表3。
3 实用计算
为简化放电回路参数的模拟计算，传输电缆的分布参数用集中参数代替，两个放电开关完全同步，将电弧电阻线性化，并依据实测电流峰值及峰值时间计算其等效电阻值，为某一特定参数下设备放电能量的估算提供基础数据。
1) 传输电缆长度为666m，截面积为70mm2，设R2＝0.07Ω，R=0.42Ω，C=4 000μF，L＝110μH，U=9kV ，计算得W1＝26.3kJ，iｍ＝16.7kA，η＝16.2%。
2) 传输电缆长度为78m，截面积为40mm2，设R2＝0.06Ω，R=0.126Ω，C=4 000μF，L＝15μH，U＝9kV ，计算得W1＝77.1kJ，iｍ＝53.1kA，η＝47.6%。
上述计算结果与表2、3实测数据基本一致(误差在5%内)，表明了该计算方法可满足工程要求。
4 结论
a.对设备放电电流、放电电极间电压波形的分析与计算获得的设备电能转换效率，可为设备的放电回路参数给出明确的数据。
b.用近km长的传输电缆放电时，将电缆的电阻和电感看作集中参数、电弧电阻看作线性电阻进行简化计算可满足工程需要。
参考文献
1 韩雯等.脉冲大电流放电技术在疏通油井上的应用.电工电能新技术，1998，17(1)：36
2 孙凤举等.一种用于油水井解堵的脉冲大电流源.高电压技术，1999，25(2)：47
3 孙鹞鸿等.井下电脉冲仪的电特性.电工电能新技术，2000，19(3)：55
4 周越.不同静水压下液中放电电特性的研究.北京：中科院电工所硕士论文，1988
5 黄慕义.电网络理论.武汉：华中工 [1] [2] 下一页
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