基于晶閘管的放電沖擊波油氣增產裝置研制

陸金波, 賀宗鑒, 朱鑫磊, 黃昆

(1.西南石油大學電氣信息學院, 成都 610000; 2.清華四川能源互聯網研究院, 成都 610200)

能源是人類生存和發展的重要物質基礎,全世界一次能源主要依靠化石能源。中國作為全球范圍內主要的能源生產國和消費國,石油需求量常年居高不下?，F階端,國內外常規稀油油藏勘探開發難度逐年增大,開采效率持續下降,為保障國家能源安全必須對油田實施相應增產措施,如二氧化碳吞吐、壓裂、酸壓、反抽等[1-3]。傳統油層解堵增產措施主要分為兩類:一類是化學解堵,即利用化學試劑改變儲層性質,實現增產,解堵效果明顯,但會破壞生態環境[4-7]。另一類是物理解堵,可避免生態問題,但研發成本高,設備工藝煩瑣且不同結構的油層需應用不同的解堵技術[8-9]。井下電脈沖技術是近年來出現的一種新型高技術物理增產法,其通過在油層堵塞處產生強大的沖擊波能量,疏通出油通道,提高油層滲透率,實現增產[10-14]。在多種增產技術中,電脈沖采油技術憑借其對環境友好、方便快捷和可重復性使用等優點,得到了各大機構的廣泛研究。

周海濱等[15]利用脈沖大電流引爆含能材料在水中產生能量更大的沖擊波,從而在一定程度上提高了儲層的透氣性和滲透率。劉毅等[16]采用重復頻率液電脈沖激波作用于模擬油氣井,可有效解除油氣井堵塞,增加巖層裂縫,提高油氣產量。徐旭哲等[17]研發的深井電脈沖壓裂裝置,可連續工作2 000次以上,能很好地滿足下井應用需求。以上脈沖裝置均采用自觸發氣體開關作為放電開關,此類開關雖能承受高電壓,傳導大電流,但可控性差,擊穿電壓分散性大,不利于脈沖電源的精確控制,從而限制了氣體開關在脈沖裝置中的進一步使用。近年來,隨著電力電子技術的飛速發展,半導體器件工藝逐漸成熟,出現了導通快,易驅動,可控性良好的大功率固態開關[18]。因此,采用全固態電子器件研制井下電脈沖裝置變得切實可行。

綜上所述,現選取晶閘管作為放電開關,設計一種放電電壓可控調節的新型油氣井增產實驗裝置[19]。首先,簡要闡述實驗裝置的結構組成、設計參數以及工作原理;其次,提出動靜結合的均壓方案并選取主要元件;然后,基于現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)構建裝置控制系統;最后,進行井下模擬實驗,驗證新型油氣井增產實驗裝置的有效性與可行性。

1 新型油氣井增產實驗裝置

團隊所設計的初代基于自觸發氣體開關的油氣井增產裝置實物圖,如圖1所示。該裝置被封裝在外徑102 mm的不銹鋼外筒內,具有良好的絕緣性能和機械強度,現已于新疆油田生產井(儲層為砂礫巖)開展了實地井下作業,使用結果顯示油井產油量相比于裝置施工前提高了196%[20]。然而,由于使用環境的特殊性,氣體開關式增產裝置無法在井下直接改變氣體開關間隙來達到調節裝置放電電壓的目的,從而限制了其使用靈活性。針對初代裝置放電電壓不可控的缺點,選用半控性器件晶閘管作為放電開關,研發了新一代油氣井增產實驗裝置。

新型油氣井增產實驗裝置包括脈沖電源系統與控制系統,基本電路如圖2所示。脈沖電源系統包括儲能充電單元、放電開關和換能器;控制系統包括控制電路、驅動電路及高壓取能單元。裝置設計參數如下:儲能電容50～250 μF,放電電壓2～6 kV,放電電流10～50 kA,最高儲能4.5 kJ。

由圖2可知,初始能源AC經升壓變壓器T和整流器D升壓整流后,通過放電電阻R1向高壓電容器C持續充電,當電容電壓達到預設電壓時,由R2和R3構成的分壓器輸出信號至控制電路,控制電路對輸入信號進行閾值比較和分頻處理等操作,最終輸出兩路方波信號。一路信號用于斷開時間繼電器S1,迫使高壓電容器停止充電。另一路信號經驅動電路隔離傳輸后導通放電開關(高壓取能單元為驅動電路提供供電電源),使電容器中的儲能通過換能器轉換為水中沖擊波,最終實現脈沖放電。時間繼電器和放電開關在完成一次放電過程后迅速恢復至初始工作狀態,高壓電容器重新開始充電,如此循環,以完成多次重復工作。由于新型油氣井增產實驗裝置沿用了初代裝置中的儲能充電單元和換能器部分,故僅對放電開關、控制電路、驅動電路及高壓取能單元四部分進行設計介紹。

2 新型油氣井增產實驗裝置設計

2.1 放電開關

在電力電子器件中,晶閘管具有耐壓高、通流能力強等優點,廣泛應用于大功率高電壓場合下。但受限于半導體發展水平,現階端還無法制造出滿足本裝置耐壓要求的單個晶閘管,因此將多個晶閘管進行串聯,提高整個開關模塊的耐壓能力是解決問題的關鍵所在。

晶閘管串聯應用需要解決以下問題。

(1)晶閘管處于截止狀態時,由于晶閘管自身斷態阻值不同,會導致各個晶閘管電壓分布不均,致使承受過電壓的晶閘管擊穿損壞,并進而引起其他晶閘管鏈式擊穿。

(2)晶閘管處于開通或關斷過程時,由于晶閘管自身動態特性及驅動電路性能差異,會導致串聯晶閘管無法同步動作,晚開通和早關斷的晶閘管都會承受瞬時大電壓,一旦電壓超過其額定電壓晶閘管便會擊穿損壞,并進而引起其他晶閘管鏈式擊穿。

基于此,為防止上述現象出現,當晶閘管串處于截止狀態或開通、關斷過程中時均需對其進行均壓操作,即晶閘管靜態與動態均壓處理。

2.1.1 均壓電路原理

串聯晶閘管均壓電路原理圖如圖3所示,其中靜態均壓電阻、瞬態電壓抑制二極管共同構成均壓電路,避免晶閘管承受過電壓。高壓電容器用于儲存電能。

RP為靜態均壓電阻;TVS為瞬態電壓抑制二極管;Ce為高壓電容器;SCR為晶閘管;RL為放電負載

靜態均壓為晶閘管因為自身泄漏電流參數的差異,在截至狀態下所分電壓不均勻時,在晶閘管陽極和陰極之間并聯一個均壓電阻用于電壓均衡。動態均壓為晶閘管因為串動同步性較差,致使某個晶閘管遭受過電壓擊穿時,采取晶閘管反并聯瞬態電壓抑制二極管的方式,用于吸收電路上的瞬態過電壓,其工作原理是當二極管反向承受瞬態高能量沖擊時,二極管阻抗在皮秒內降至低阻抗狀態并吸收數千瓦的浪涌功率,從而避免晶閘管受到浪涌脈沖的破壞。該方案相較于其他均壓電路不僅能遏制串聯晶閘管運行時出現的分壓不均衡現象,還能降低器件使用數量及電路復雜度,有效提高了裝置經濟性。

2.1.2 晶閘管的選取

晶閘管的選取主要從額定電壓和額定電流等方面入手。晶閘管的額定電壓一般應高于實際電路中最大工作電壓的1.5倍,額定電流一般應高于實際電路中的工作電流,但由于裝置放電過程在百微秒內即可完成,所以允許晶閘管出現短時過流情況。裝置設計提供幅值2～6 kV的高壓脈沖,因此選用3個臺基公司生產的Y50KPJ型號晶閘管串聯構成開關模塊,其額定電壓為3.5 kV,額定電流為1 kA,滿足放電開關設計要求。

2.1.3 均壓電阻的選取

靜態均壓電阻RP的選取主要考慮晶閘管的漏電阻和自身熱損耗。針對RP的設計,可根據串聯晶閘管在額定電壓下的漏電流求出漏電阻,RP取為其中最小漏電阻的1/10左右,其數學表達式為

(1)

式(1)中:UDRM為晶閘管額定電壓;IDRM為斷態漏電流。查閱數據手冊,選用1 MΩ的高壓電阻作為靜態均壓電阻。

由于RP流過電流時會發熱自損耗,故而需考慮電阻功率,其數學表達式為

(2)

式(2)中:PRP為電阻功率;KRP為系數1;Um為晶閘管可能承受的峰值電壓;n為晶閘管串聯數量。由式(1)知RP=1 MΩ,計算可得PRP≥6 W。

綜上所述,均壓電阻RP最終選用阻值1 MΩ、功率10 W的高壓電阻。

2.1.4 瞬態電壓抑制二極管的選取

二極管的選取主要考慮其截止電壓及鉗位電壓。通常單個瞬態電壓抑制二極管的反向擊穿電壓僅為百伏水平,遠低于所設計的單個晶閘管最大工作電壓2 kV。因此采取4個1.5KE600A的TVS二極管串聯應用方式,使得二極管模塊滿足截止電壓大于晶閘管最高工作電壓2 kV, 鉗位電壓低于晶閘管額定電壓3.5 kV的使用要求,具體參數如表1所示。

表1 1.5KE600A參數

2.2 控制系統

2.2.1 控制電路

傳統控制信號的產生方式有單片機、DSP以及由分立元件構成的PWM信號發生器等。但單片機存在工作頻率較低、不利于實現脈沖電源的高頻化且缺乏I/O口資源等缺點;采用串行處理機制的DSP又易出現死機及程序跑飛現象;分立元件電路又過于復雜、調試煩瑣。FPGA作為一種主要以數字電路為主的集成芯片,具有更快的運算速度,其基于VHDL硬件語言的模塊化編程,可提高系統集成度和抗干擾能力,現已逐漸替代傳統信號發生器,廣泛應用于各領域[21]。因此選取FPGA作為控制電路的主控芯片用于提供控制信號。

FPGA選用Altera公司Cyclone IV系列芯片作為主芯片,型號為EP4CE10F17C8N。該開發板擁有179個可配置的I/O口,充分滿足用戶的使用需求;采用并行處理機制,大幅提高數據處理能力;具有板載容量為16 Mbit的Flash芯片,保證FPGA掉電后程序不丟失;內部含有50 MHz的有源晶振,用于提供精度高、穩定性好的基準時鐘。FPGA通過對基準時鐘進行分頻處理、占空比調節等一系列操作后,最終獲得滿足要求的控制信號。

2.2.2 驅動電路

新型增產實驗裝置正常工作時,由晶閘管構成的放電開關會處于很高的對地電位上,控制電路與之相比被視為地電位。驅動電路作為放電開關與控制電路間的連接樞紐,能否有效避免兩者間的信號串擾,將直接影響整個裝置的可靠性。因此,在設計驅動電路之前選擇一種電氣隔離效果顯著的信號傳輸通道,避免裝置因過大電位差出現擊穿損壞現象,顯得尤為重要。

常用的電氣隔離方式有以下幾種:光耦隔離、脈沖變壓器隔離、光纖隔離。在這些隔離方式中,光纖隔離憑借電-光-電模式傳輸脈沖信號,不僅能增強系統的電磁抗干擾能力,同時還能夠產生分散性小、前沿陡的門極觸發脈沖,有利于串聯晶閘管的同時觸發?；谝陨咸攸c,選用光纖用于進行控制電路與放電開關間的信號傳輸。

晶閘管驅動電路的實現形式有以下兩類:①分立元件構成的驅動電路;②專用集成驅動電路。由于晶閘管沒有專用驅動電路,故特地設計了一款由分立元件構成的驅動電路,用于直接驅動晶閘管,電路原理圖如圖4所示。圖4(a)中HFBR-1414TZ和HFBR-2412TZ為安華高公司生產的光纖收發器,用于進行光電脈沖信號轉換,以實現電氣隔離功能。圖4(b)中UCC27322為單通道柵極驅動器,常應用于IGBT和MOSFET驅動電路中,通過與分立元件相結合,使其適用于晶閘管。經光纖隔離傳輸后的驅動信號如圖5所示。

ANODM為控制信號正極;CATHODE為控制信號負極;VCC為HFBR-2412TZ供電電壓;DATA為輸出數據;COMMON為共地端;VDD為UCC27322工作電壓;IN為UCC27322輸入信號;ENBL為使能端;AGND為模擬地;PGND為保護地;OUT為輸出信號;G為晶閘管門極;K為晶閘管陰極

圖5 驅動信號

2.2.3 高壓取能單元

由圖4可知,新型油氣井增產實驗裝置工作時驅動電路需配備5 V和12 V的直流電源,分別用于光纖接收器HFBR-2412TZ和驅動芯片UCC27322工作供電。但由于該裝置是以應用于油氣井實現增產為目標,所以當其在工況復雜的深井中工作時,驅動電路可能無法從地面獲得可靠的供電電源。因此直接利用晶閘管兩端電位差設計了高壓取能單元,分別為3個驅動電路提供獨立的供電電源,既確保了驅動電路的可靠供電,又消除了電源間的互相干擾,高壓取能單元如圖6所示。

A為晶閘管陽極;K為晶閘管陰極;2596為穩壓芯片型號

當裝置的儲能充電單元停止充電時,晶閘管SCR兩端電壓將不再變化,高壓取能單元開始工作。此時,若MOS管T處于導通狀態,電感L則通過晶閘管開始儲能,二極管D反向截至,其數學表達式為

UL-ON=U0-UCe

(3)

式(3)中:UL-ON為MOS管T導通狀態下電感電壓;U0為晶閘管兩端電壓;UCe為儲能電容電壓。

若MOS管T處于關斷狀態,電感L由充電狀態轉化為放電狀態,二極管D正向導通,其數學表達式為

UL-OFF=-UCe

(4)

式(4)中:UL-OFF為MOS管T關斷狀態下電感電壓。

根據電感穩態時,電感上平均電壓為0,可得

UL-ONTON+UL-OFFTOFF=0

(5)

式(5)中:TON為MOS管T開通時間;TOFF為MOS管T關斷時間。

將式(3)和式(4)代入式(5)可得

(6)

式(6)中:D為MOS管T的脈沖占空比。

綜上所述,通過控制MOS管的脈沖占空比D,即可調節儲能電容電壓UCe,UCe經2596穩壓芯片穩壓后,最終向驅動電路提供穩定的5 V和12 V供電電源,電源波形如圖7所示。

圖7 驅動電源波形

3 新型油氣井增產裝置實驗驗證

新型裝置下井應用時,在面臨井下工況復雜的情況下,裝置可能無法達到預期的增產效果。因此,先利用該裝置進行一系列小能量模擬實驗,驗證新型油氣井增產裝置的可靠性和有效性顯得尤為重要。實驗中電壓測量選用利利普光電EDS-204T型示波器,帶寬200 MHz,采樣率2 GSa/s;高壓信號提取采用泰克P6015A型高壓探頭,帶寬75 MHz,分壓比1 000∶1。

3.1 均壓對比實驗

為驗證所設計的串聯晶閘管均壓方案有效性,現選取兩只晶閘管在1 kV放電電壓下進行對比實驗。第一組實驗中串聯晶閘管不加均壓電路,第二組實驗中串聯晶閘管加入均壓電路(對比實驗僅使用一只TVS二極管用于動態均壓),電壓波形如圖8所示。可以看出,在無均壓電路的情況下,各單元晶閘管在關斷狀態下的實際電壓分配值與平均電壓相差較大,同時在開通過程中晚導通的晶閘管會承受幅值遠大于平均電壓的尖峰電壓,此時,如若裝置繼續增大放電電壓,將大概率擊穿晶閘管。而在有均壓電路的情況下,各單元晶閘管電壓分配較為均勻,晚導通晶閘管在開通期間所承受的尖峰電壓被有效抑制,波形較為理想。由此可見,所設計的均壓方案能有效解決晶閘管串聯使用時帶來的電壓分配不均問題,滿足裝置設計要求。

圖8 晚開通晶閘管集-射極電壓波形

3.2 放電實驗

在進行放電實驗時,選擇3個晶閘管串聯構成放電開關并加入均壓電路(每只晶閘管反并聯4個TVS二極管用于動態均壓),設置高壓電容器為100 μF,放電電壓為3.5 kV,負載波形如圖9所示。其中區域1處于晶閘管開通前,此時負載與晶閘管被近似為串聯電阻,兩者共同承受電容電壓,故而開關閉合前,負載會分得小部分電壓。區域2、區域3和區域4處于晶閘管開通后,其中區域2為水中脈沖放電預擊穿階段,此時換能器周圍會產生強電場汽化液體生成微小氣泡為液電效應做準備,所以放電能量會有損耗,造成負載電壓下降;區域3為水中脈沖放電完全擊穿階段,在此期間預擊穿生成的氣泡被相繼擊穿,主電路近似等效為RLC二階電路,負載波形呈振蕩狀態;區域4為裝置單次放電完成階段,負載電壓趨于零,等待下一次放電?；谝陨咸攸c可知,使用晶閘管作為新型油氣井增產實驗裝置的放電開關,能夠正常進行脈沖放電工作,得到較為理想的負載波形。

框1～框4內曲線表示所研究的4個區域

3.3 可控性測試實驗

在進行可控性測試實驗時,同樣選擇3個晶閘管串聯構成放電開關并加入均壓電路(每個晶閘管反并聯4個TVS二極管用于動態均壓),設置高壓電容器為100 μF,放電電壓分別為3、3.5、4 kV,不同放電電壓下的負載波形如圖10所示。可以看出,裝置在使用晶閘管作為放電開關的情況下,能夠直接通過控制系統控制開關閉合,實現裝置自動調節放電電壓的功能。彌補了基于自觸發氣體開關裝置井下作業時改變放電電壓需要出井調節開關間隙的不足,提高了裝置可控性。

圖10 不同放電電壓下的負載波形

3.4 模擬井下作業實驗

在進行模擬井下作業實驗時,選用特制換能器用于將巖石樣品固定于放電電極四周,以實現模擬儲層堵塞情況,換能器結構如圖11所示。實驗中選用圓柱狀的砂巖巖樣(直徑2.5 cm,高5 cm)放置于換能器中,設置放電電壓為4 kV,總共放電100次,每25次取出一塊砂巖巖樣,實驗結果如圖12所示?？芍?裝置放電25次時(從左到右放電次數依次增加),巖樣表面已出現細微破碎,隨著放電次數的持續增加,表面破碎與凹陷愈發明顯,滲透率與放電次數正相關。

圖11 換能器結構圖

圖12 巖樣對比圖

4 結論

針對團隊所研發的初代油氣井增產裝置放電電壓不可控的問題,設計了一種利用晶閘管串聯構成放電開關的新型油氣井增產實驗裝置,構建了一套以FPGA為主控芯片的控制系統,并開展了相應的井下模擬實驗研究,最后得到如下結論。

(1)相較于團隊研發的上一代基于自觸發氣體開關的油氣井增產裝置,本裝置采用串聯晶閘管作為放電開關,能隨時控制開關閉合輸出不同放電電壓,解決了初代裝置改變放電電壓需要出井調節的弊端。

(2)采用靜態與動態均壓相結合的方式,使裝置具有良好的電壓鉗位能力,避免晶閘管在串聯使用中出現過電壓損壞。

(3)設計的高壓取能單元可為各個驅動電路提供獨立穩定的供電電源,即能確保裝置正常工作于深井環境中,又能消除供電電源間的互相干擾,有效提高了裝置的可靠性。

(4)實驗結果表明,所設計的新型油氣井增產實驗裝置可靠性高,解堵效果明顯,對于裝置后續的下井應用具有重要指導意義。