基于晶闸管的放电冲击波油气增产装置研制

2024-03-22陆金波贺宗鉴朱鑫磊黄昆

科学技术与工程 2024年5期

陆金波, 贺宗鉴, 朱鑫磊, 黄昆

(1.西南石油大学电气信息学院, 成都 610000; 2.清华四川能源互联网研究院, 成都 610200)

能源是人类生存和发展的重要物质基础,全世界一次能源主要依靠化石能源。中国作为全球范围内主要的能源生产国和消费国,石油需求量常年居高不下。现阶端,国内外常规稀油油藏勘探开发难度逐年增大,开采效率持续下降,为保障国家能源安全必须对油田实施相应增产措施,如二氧化碳吞吐、压裂、酸压、反抽等[1-3]。传统油层解堵增产措施主要分为两类:一类是化学解堵,即利用化学试剂改变储层性质,实现增产,解堵效果明显,但会破坏生态环境[4-7]。另一类是物理解堵,可避免生态问题,但研发成本高,设备工艺烦琐且不同结构的油层需应用不同的解堵技术[8-9]。井下电脉冲技术是近年来出现的一种新型高技术物理增产法,其通过在油层堵塞处产生强大的冲击波能量,疏通出油通道,提高油层渗透率,实现增产[10-14]。在多种增产技术中,电脉冲采油技术凭借其对环境友好、方便快捷和可重复性使用等优点,得到了各大机构的广泛研究。

周海滨等[15]利用脉冲大电流引爆含能材料在水中产生能量更大的冲击波,从而在一定程度上提高了储层的透气性和渗透率。刘毅等[16]采用重复频率液电脉冲激波作用于模拟油气井,可有效解除油气井堵塞,增加岩层裂缝,提高油气产量。徐旭哲等[17]研发的深井电脉冲压裂装置,可连续工作2 000次以上,能很好地满足下井应用需求。以上脉冲装置均采用自触发气体开关作为放电开关,此类开关虽能承受高电压,传导大电流,但可控性差,击穿电压分散性大,不利于脉冲电源的精确控制,从而限制了气体开关在脉冲装置中的进一步使用。近年来,随着电力电子技术的飞速发展,半导体器件工艺逐渐成熟,出现了导通快,易驱动,可控性良好的大功率固态开关[18]。因此,采用全固态电子器件研制井下电脉冲装置变得切实可行。

综上所述,现选取晶闸管作为放电开关,设计一种放电电压可控调节的新型油气井增产实验装置[19]。首先,简要阐述实验装置的结构组成、设计参数以及工作原理;其次,提出动静结合的均压方案并选取主要元件;然后,基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)构建装置控制系统;最后,进行井下模拟实验,验证新型油气井增产实验装置的有效性与可行性。

1 新型油气井增产实验装置

团队所设计的初代基于自触发气体开关的油气井增产装置实物图,如图1所示。该装置被封装在外径102 mm的不锈钢外筒内,具有良好的绝缘性能和机械强度,现已于新疆油田生产井(储层为砂砾岩)开展了实地井下作业,使用结果显示油井产油量相比于装置施工前提高了196%[20]。然而,由于使用环境的特殊性,气体开关式增产装置无法在井下直接改变气体开关间隙来达到调节装置放电电压的目的,从而限制了其使用灵活性。针对初代装置放电电压不可控的缺点,选用半控性器件晶闸管作为放电开关,研发了新一代油气井增产实验装置。

新型油气井增产实验装置包括脉冲电源系统与控制系统,基本电路如图2所示。脉冲电源系统包括储能充电单元、放电开关和换能器;控制系统包括控制电路、驱动电路及高压取能单元。装置设计参数如下:储能电容50～250 μF,放电电压2～6 kV,放电电流10～50 kA,最高储能4.5 kJ。

由图2可知,初始能源AC经升压变压器T和整流器D升压整流后,通过放电电阻R1向高压电容器C持续充电,当电容电压达到预设电压时,由R2和R3构成的分压器输出信号至控制电路,控制电路对输入信号进行阈值比较和分频处理等操作,最终输出两路方波信号。一路信号用于断开时间继电器S1,迫使高压电容器停止充电。另一路信号经驱动电路隔离传输后导通放电开关(高压取能单元为驱动电路提供供电电源),使电容器中的储能通过换能器转换为水中冲击波,最终实现脉冲放电。时间继电器和放电开关在完成一次放电过程后迅速恢复至初始工作状态,高压电容器重新开始充电,如此循环,以完成多次重复工作。由于新型油气井增产实验装置沿用了初代装置中的储能充电单元和换能器部分,故仅对放电开关、控制电路、驱动电路及高压取能单元四部分进行设计介绍。

2 新型油气井增产实验装置设计

2.1 放电开关

在电力电子器件中,晶闸管具有耐压高、通流能力强等优点,广泛应用于大功率高电压场合下。但受限于半导体发展水平,现阶端还无法制造出满足本装置耐压要求的单个晶闸管,因此将多个晶闸管进行串联,提高整个开关模块的耐压能力是解决问题的关键所在。

晶闸管串联应用需要解决以下问题。

(1)晶闸管处于截止状态时,由于晶闸管自身断态阻值不同,会导致各个晶闸管电压分布不均,致使承受过电压的晶闸管击穿损坏,并进而引起其他晶闸管链式击穿。

(2)晶闸管处于开通或关断过程时,由于晶闸管自身动态特性及驱动电路性能差异,会导致串联晶闸管无法同步动作,晚开通和早关断的晶闸管都会承受瞬时大电压,一旦电压超过其额定电压晶闸管便会击穿损坏,并进而引起其他晶闸管链式击穿。

基于此,为防止上述现象出现,当晶闸管串处于截止状态或开通、关断过程中时均需对其进行均压操作,即晶闸管静态与动态均压处理。

2.1.1 均压电路原理

串联晶闸管均压电路原理图如图3所示,其中静态均压电阻、瞬态电压抑制二极管共同构成均压电路,避免晶闸管承受过电压。高压电容器用于储存电能。

RP为静态均压电阻;TVS为瞬态电压抑制二极管;Ce为高压电容器;SCR为晶闸管;RL为放电负载

静态均压为晶闸管因为自身泄漏电流参数的差异,在截至状态下所分电压不均匀时,在晶闸管阳极和阴极之间并联一个均压电阻用于电压均衡。动态均压为晶闸管因为串动同步性较差,致使某个晶闸管遭受过电压击穿时,采取晶闸管反并联瞬态电压抑制二极管的方式,用于吸收电路上的瞬态过电压,其工作原理是当二极管反向承受瞬态高能量冲击时,二极管阻抗在皮秒内降至低阻抗状态并吸收数千瓦的浪涌功率,从而避免晶闸管受到浪涌脉冲的破坏。该方案相较于其他均压电路不仅能遏制串联晶闸管运行时出现的分压不均衡现象,还能降低器件使用数量及电路复杂度,有效提高了装置经济性。

2.1.2 晶闸管的选取

晶闸管的选取主要从额定电压和额定电流等方面入手。晶闸管的额定电压一般应高于实际电路中最大工作电压的1.5倍,额定电流一般应高于实际电路中的工作电流,但由于装置放电过程在百微秒内即可完成,所以允许晶闸管出现短时过流情况。装置设计提供幅值2～6 kV的高压脉冲,因此选用3个台基公司生产的Y50KPJ型号晶闸管串联构成开关模块,其额定电压为3.5 kV,额定电流为1 kA,满足放电开关设计要求。

2.1.3 均压电阻的选取

静态均压电阻RP的选取主要考虑晶闸管的漏电阻和自身热损耗。针对RP的设计,可根据串联晶闸管在额定电压下的漏电流求出漏电阻,RP取为其中最小漏电阻的1/10左右,其数学表达式为

(1)

式(1)中:UDRM为晶闸管额定电压;IDRM为断态漏电流。查阅数据手册,选用1 MΩ的高压电阻作为静态均压电阻。

由于RP流过电流时会发热自损耗,故而需考虑电阻功率,其数学表达式为

(2)

式(2)中:PRP为电阻功率;KRP为系数1;Um为晶闸管可能承受的峰值电压;n为晶闸管串联数量。由式(1)知RP=1 MΩ,计算可得PRP≥6 W。

综上所述,均压电阻RP最终选用阻值1 MΩ、功率10 W的高压电阻。

2.1.4 瞬态电压抑制二极管的选取

二极管的选取主要考虑其截止电压及钳位电压。通常单个瞬态电压抑制二极管的反向击穿电压仅为百伏水平,远低于所设计的单个晶闸管最大工作电压2 kV。因此采取4个1.5KE600A的TVS二极管串联应用方式,使得二极管模块满足截止电压大于晶闸管最高工作电压2 kV, 钳位电压低于晶闸管额定电压3.5 kV的使用要求,具体参数如表1所示。

表1 1.5KE600A参数

2.2 控制系统

2.2.1 控制电路

传统控制信号的产生方式有单片机、DSP以及由分立元件构成的PWM信号发生器等。但单片机存在工作频率较低、不利于实现脉冲电源的高频化且缺乏I/O口资源等缺点;采用串行处理机制的DSP又易出现死机及程序跑飞现象;分立元件电路又过于复杂、调试烦琐。FPGA作为一种主要以数字电路为主的集成芯片,具有更快的运算速度,其基于VHDL硬件语言的模块化编程,可提高系统集成度和抗干扰能力,现已逐渐替代传统信号发生器,广泛应用于各领域[21]。因此选取FPGA作为控制电路的主控芯片用于提供控制信号。

FPGA选用Altera公司Cyclone IV系列芯片作为主芯片,型号为EP4CE10F17C8N。该开发板拥有179个可配置的I/O口,充分满足用户的使用需求;采用并行处理机制,大幅提高数据处理能力;具有板载容量为16 Mbit的Flash芯片,保证FPGA掉电后程序不丢失;内部含有50 MHz的有源晶振,用于提供精度高、稳定性好的基准时钟。FPGA通过对基准时钟进行分频处理、占空比调节等一系列操作后,最终获得满足要求的控制信号。

2.2.2 驱动电路

新型增产实验装置正常工作时,由晶闸管构成的放电开关会处于很高的对地电位上,控制电路与之相比被视为地电位。驱动电路作为放电开关与控制电路间的连接枢纽,能否有效避免两者间的信号串扰,将直接影响整个装置的可靠性。因此,在设计驱动电路之前选择一种电气隔离效果显著的信号传输通道,避免装置因过大电位差出现击穿损坏现象,显得尤为重要。

常用的电气隔离方式有以下几种:光耦隔离、脉冲变压器隔离、光纤隔离。在这些隔离方式中,光纤隔离凭借电-光-电模式传输脉冲信号,不仅能增强系统的电磁抗干扰能力,同时还能够产生分散性小、前沿陡的门极触发脉冲,有利于串联晶闸管的同时触发。基于以上特点,选用光纤用于进行控制电路与放电开关间的信号传输。

晶闸管驱动电路的实现形式有以下两类:①分立元件构成的驱动电路;②专用集成驱动电路。由于晶闸管没有专用驱动电路,故特地设计了一款由分立元件构成的驱动电路,用于直接驱动晶闸管,电路原理图如图4所示。图4(a)中HFBR-1414TZ和HFBR-2412TZ为安华高公司生产的光纤收发器,用于进行光电脉冲信号转换,以实现电气隔离功能。图4(b)中UCC27322为单通道栅极驱动器,常应用于IGBT和MOSFET驱动电路中,通过与分立元件相结合,使其适用于晶闸管。经光纤隔离传输后的驱动信号如图5所示。

ANODM为控制信号正极;CATHODE为控制信号负极;VCC为HFBR-2412TZ供电电压;DATA为输出数据;COMMON为共地端;VDD为UCC27322工作电压;IN为UCC27322输入信号;ENBL为使能端;AGND为模拟地;PGND为保护地;OUT为输出信号;G为晶闸管门极;K为晶闸管阴极

图5 驱动信号

2.2.3 高压取能单元

由图4可知,新型油气井增产实验装置工作时驱动电路需配备5 V和12 V的直流电源,分别用于光纤接收器HFBR-2412TZ和驱动芯片UCC27322工作供电。但由于该装置是以应用于油气井实现增产为目标,所以当其在工况复杂的深井中工作时,驱动电路可能无法从地面获得可靠的供电电源。因此直接利用晶闸管两端电位差设计了高压取能单元,分别为3个驱动电路提供独立的供电电源,既确保了驱动电路的可靠供电,又消除了电源间的互相干扰,高压取能单元如图6所示。

A为晶闸管阳极;K为晶闸管阴极;2596为稳压芯片型号

当装置的储能充电单元停止充电时,晶闸管SCR两端电压将不再变化,高压取能单元开始工作。此时,若MOS管T处于导通状态,电感L则通过晶闸管开始储能,二极管D反向截至,其数学表达式为

UL-ON=U0-UCe

(3)

式(3)中:UL-ON为MOS管T导通状态下电感电压;U0为晶闸管两端电压;UCe为储能电容电压。

若MOS管T处于关断状态,电感L由充电状态转化为放电状态,二极管D正向导通,其数学表达式为

UL-OFF=-UCe

(4)

式(4)中:UL-OFF为MOS管T关断状态下电感电压。

根据电感稳态时,电感上平均电压为0,可得

UL-ONTON+UL-OFFTOFF=0

(5)

式(5)中:TON为MOS管T开通时间;TOFF为MOS管T关断时间。

将式(3)和式(4)代入式(5)可得

(6)

式(6)中:D为MOS管T的脉冲占空比。

综上所述,通过控制MOS管的脉冲占空比D,即可调节储能电容电压UCe,UCe经2596稳压芯片稳压后,最终向驱动电路提供稳定的5 V和12 V供电电源,电源波形如图7所示。

图7 驱动电源波形

3 新型油气井增产装置实验验证

新型装置下井应用时,在面临井下工况复杂的情况下,装置可能无法达到预期的增产效果。因此,先利用该装置进行一系列小能量模拟实验,验证新型油气井增产装置的可靠性和有效性显得尤为重要。实验中电压测量选用利利普光电EDS-204T型示波器,带宽200 MHz,采样率2 GSa/s;高压信号提取采用泰克P6015A型高压探头,带宽75 MHz,分压比1 000∶1。

3.1 均压对比实验

为验证所设计的串联晶闸管均压方案有效性,现选取两只晶闸管在1 kV放电电压下进行对比实验。第一组实验中串联晶闸管不加均压电路,第二组实验中串联晶闸管加入均压电路(对比实验仅使用一只TVS二极管用于动态均压),电压波形如图8所示。可以看出,在无均压电路的情况下,各单元晶闸管在关断状态下的实际电压分配值与平均电压相差较大,同时在开通过程中晚导通的晶闸管会承受幅值远大于平均电压的尖峰电压,此时,如若装置继续增大放电电压,将大概率击穿晶闸管。而在有均压电路的情况下,各单元晶闸管电压分配较为均匀,晚导通晶闸管在开通期间所承受的尖峰电压被有效抑制,波形较为理想。由此可见,所设计的均压方案能有效解决晶闸管串联使用时带来的电压分配不均问题,满足装置设计要求。

图8 晚开通晶闸管集-射极电压波形

3.2 放电实验

在进行放电实验时,选择3个晶闸管串联构成放电开关并加入均压电路(每只晶闸管反并联4个TVS二极管用于动态均压),设置高压电容器为100 μF,放电电压为3.5 kV,负载波形如图9所示。其中区域1处于晶闸管开通前,此时负载与晶闸管被近似为串联电阻,两者共同承受电容电压,故而开关闭合前,负载会分得小部分电压。区域2、区域3和区域4处于晶闸管开通后,其中区域2为水中脉冲放电预击穿阶段,此时换能器周围会产生强电场汽化液体生成微小气泡为液电效应做准备,所以放电能量会有损耗,造成负载电压下降;区域3为水中脉冲放电完全击穿阶段,在此期间预击穿生成的气泡被相继击穿,主电路近似等效为RLC二阶电路,负载波形呈振荡状态;区域4为装置单次放电完成阶段,负载电压趋于零,等待下一次放电。基于以上特点可知,使用晶闸管作为新型油气井增产实验装置的放电开关,能够正常进行脉冲放电工作,得到较为理想的负载波形。

框1～框4内曲线表示所研究的4个区域

3.3 可控性测试实验

在进行可控性测试实验时,同样选择3个晶闸管串联构成放电开关并加入均压电路(每个晶闸管反并联4个TVS二极管用于动态均压),设置高压电容器为100 μF,放电电压分别为3、3.5、4 kV,不同放电电压下的负载波形如图10所示。可以看出,装置在使用晶闸管作为放电开关的情况下,能够直接通过控制系统控制开关闭合,实现装置自动调节放电电压的功能。弥补了基于自触发气体开关装置井下作业时改变放电电压需要出井调节开关间隙的不足,提高了装置可控性。

图10 不同放电电压下的负载波形

3.4 模拟井下作业实验

在进行模拟井下作业实验时,选用特制换能器用于将岩石样品固定于放电电极四周,以实现模拟储层堵塞情况,换能器结构如图11所示。实验中选用圆柱状的砂岩岩样(直径2.5 cm,高5 cm)放置于换能器中,设置放电电压为4 kV,总共放电100次,每25次取出一块砂岩岩样,实验结果如图12所示。可知,装置放电25次时(从左到右放电次数依次增加),岩样表面已出现细微破碎,随着放电次数的持续增加,表面破碎与凹陷愈发明显,渗透率与放电次数正相关。