水中高压脉冲放电的延时特性与电流特性研究

尹志强，赵金昌，卞德存，闫 东，贾少华

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)



水中高压脉冲放电的延时特性与电流特性研究

尹志强，赵金昌，卞德存，闫 东，贾少华

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)

将水中高压脉冲放电技术应用于煤层气井的致裂增透，了解不同参数条件下水中高压脉冲放电的特性，寻找适合工程实际的放电参数。在不同的电容充电电压和水介质静水压力参数条件下，进行了水中高压脉冲放电的实验研究，采集并分析了实验中的电压和电流数据；对不同参数条件下的放电电压和放电电流波形进行了分析。实验结果表明，随着电容充电电压的增加，水介质的击穿延时缩短，放电产生的电流峰值和震荡次数增大；随着水介质静水压力的增大，击穿延时变长，放电产生的电流参数基本相同，但电流峰值会有所波动。本研究可为煤层气井的致裂增透提供理论指导。

煤层气井致裂增透；水中高压脉冲放电；放电参数；击穿延时；电流特性

水中高压脉冲放电技术自从20世纪50年代开始发展起来以后，几十年来得到了国内外众多专家学者的广泛关注与研究。目前，该技术已在工业领域中得到普遍的应用。如，医学上的冲击波体外碎石[1]、机械加工中的液电成型[1]、材料领域的化合物合成[2]、水下声学和地震勘探中的等离子体声源[3-4]、环境工程中的水中放电水处理[5-6]，以及岩土工程中的岩石破碎[7-8]等。自20世纪80年代开始，高压脉冲放电作为一种低频电脉冲解堵工艺,在油气田开采中已经成功应用，广泛应用于油气井的解堵增产增注中,并取得了一定效果[9-10]。

在我国，煤层气作为一种新兴的清洁能源储存量巨大；但受制于煤层渗透率偏低，煤质偏软的特点，煤层气单井产量偏低，整体抽采效率不高。目前，制约煤层气产业发展的主要因素是煤层的低渗透性，而现有的传统压裂增透技术普遍存在压裂液污染环境，压裂成本高，施工周期长，施工过程可控性差，增透效果不明显等缺点。有鉴于此，太原理工大学的李义教授提出了钻孔注水高压电脉冲致裂瓦斯抽放技术[11]，将水压致裂和高压脉冲放电集成在一起，利用钻孔高压注水的良好传能特性，在静压注水的同时，在孔内实施高压电脉冲放电，对煤层进行可控脉冲加载，起到增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率的目的。由于放电的瞬时性、非线性和不稳定性，目前只进行了一些基础研究[12-14]，对钻孔注水高压电脉冲致裂瓦斯抽放技术的规律性研究还不够完善。研究认为，煤层致裂效果取决于水中脉冲放电产生的冲击波压力特性，而冲击波压力特性与水中放电击穿延时及放电峰值电流关系密切[15-16]。高压脉冲放电形成冲击波的根本原因是等离子体的产生，根据气体高压放电的相关理论，等离子体特性受到放电电压和气压的影响[17]。由此可以假设，静水压力和放电电压的不同，也会对水中高压脉冲放电产生的冲击波特性产生影响。笔者通过在水中进行高压脉冲放电实验，研究分析了不同电容充电电压及水介质静水压力条件下的电压电流信号，得到了击穿延时、放电峰值电流与水介质静水压力、电容充电电压之间的关系，从而为建立起水介质压力、放电电压与冲击波压力特性之间的关系，为将水中高压脉冲放电技术应用于煤层气井的致裂增透，提供理论指导。

1 实验研究

1.1 水中高压脉冲实验装置及原理

图1为实验装置简图，整个实验系统由高压脉冲放电系统、承压管道系统和测试系统3部分组成。

图1 实验装置简图Fig.1 Diagram of experimental equipment

1) 高压脉冲放电系统主要由放电控制箱、充电回路、电容器组和放电电极组成。充电回路将三相交流电源经整流、滤波、半桥逆变、升压后，给储能电容器组充电，充到预定值后由放电控制箱给出信号，触发放电开关使其导通，储能电容器通过放电电极将水间隙击穿放电。电容器组由两台MFM30-15型脉冲电容器并联组成，额定工作电压15 kV，以金属化聚丙烯膜作介质，用高压绝缘材料密封，绝缘外壳。电极采用同轴结构，其外部环状低压极由整体不锈钢材质钢管制成，钢管外径30 mm，壁厚5 mm；中心高压极为直径10 mm的铜质圆柱形结构，高低压两极之间间距5 mm，中间采用固化环氧玻璃钢作为绝缘材料。

2) 测试系统分为压力测量部分和电特性测量部分。其中，电特性测量部分由高压探头、罗果夫斯基线圈和数字示波器组成。实验中，电压的测量采用泰克P6015A高压探头，最大量程40 kV(峰值)，探头带宽75 MHz，分压比为1 000∶1。回路电流的测量采用自积分式罗果夫斯基线圈，灵敏度为38 kA/mV。用安捷伦DSO6014A数字示波器显示和记录电压和电流波形。

3) 承压管道系统主要由脉冲放电室、水激波传递管道和试压泵组成。实验中通过试压泵进行注水打压，在脉冲放电室内完成水中高压放电，产生水激波。通过安装在传递管道上的压力传感器对水激波进行信号采集。

1.2 实验步骤及参数设置

首先装配实验设备的各个系统，确认无误后通过高压注水孔向管道内注满室温下的普通自来水。按照实验方案预设的水压值，调整电接点压力表至相应数值后，进行打压。达到设定水压值后，试压泵自动停止打压，关闭截止阀。然后打开高压脉冲放电系统的电源，对电容器组进行充电，充至预设电压值后，充电装置自动停充，由操作人员通过放电控制箱进行放电操作，数字示波器随后自动采集记录并保存相应数据。对同一充电电压及水压，可重复多次实验，尽可能消除由随机因素引起的实验误差。具体操作流程见图2所示。

图2 实验操作流程图Fig.2 Experimental operation flow chart

实验的主要目的是测定在不同水介质压力及电容充电电压的情况下，水中高压脉冲放电的延时特性与电流特性规律，因此需设置不同的充电电压及静水压。由文献[18]可知，静水压力在0～3 MPa以内时，水介质击穿场强变化较缓；静水压力继续升高后，水介质击穿场强变化显著。因此，设置水压梯度时，在0～3 MPa以内梯度要小，3～12 MPa范围内梯度可适当加大。对于电容充电电压，考虑到设备电容值较小，过窄的电压梯度将导致实验数据量过大，且放电能量变化较小，难以区分电特性变化情况，因此采用2 000 V作为充电电压的变化梯度，实验参数设置如表1所示。

表1 实验参数设置表

2 实验结果与分析

2.1 水中高压脉冲放电过程分析

等离子体作为冲击波的驱动源，它在水中的击穿过程是高压脉冲放电的核心物理过程。实验中得到的典型的脉冲放电电压电流波形(a)及冲击波波形(b)如图3所示。从图中可看出，整个水中放电过程分为预击穿阶段、击穿膨胀阶段和冲击波传递阶段。

图3 典型放电电压、电流及冲击波压力曲线Fig.3 Typical curves of discharge voltage,current and shock wave

当电弧放电开始时，电容器内的高电压直接加载到负载两端，此时电压依旧保持在充电电压附近，水介质并未立即击穿，电流较小。这是因为刚开始时水介质击穿场强较大，而水介质的绝缘强度不高，在两个电极之间形成一个很小的泄露电流，电压值有部分下降，并不会立即出现放电并产生等离子体，而是要有一段时间的延迟。从放电机理考虑，认为在这段时间外加电场和泄露电流的焦耳热作用下，初始电子被加速，获得足够的能量电离和激发水分子。电流值有几十安培，但相对于其放电时的峰值可忽略不计。电压一直持续至突然下降，这段时间称为水介质的预击穿过程。

随后水介质被击穿，形成放电回路，两极间等离子体放电通道形成时的电路过程可由二阶RLC回路的微分方程描述：

式中：R为回路总电阻；C为储能电容器电容；L为放电回路及储能电容器电感。这一点从图3中的电流波形可容易看出。回路总电阻R由短路回路平均阻抗Rcir与电弧阻抗Rch两部分组成。由于在实验中忽略了放电开关电阻对于不同放电参数而引起的变化，所以将短路回路平均阻抗Rcir当作常数。

等离子体放电通道形成后，电压急剧下降，电流开始上升，在电压降为0时电流达到峰值。由于回路电感L的存在，回路中电流呈衰减震荡形式，整个放电过程在震荡两次后基本结束。

2.2 不同参数条件下的放电特性分析

因为在钻孔注水高压脉冲放电技术中，放电是在维持较高静水压的情况下在水中发生的，所以在煤层中水压起到形成较长顺层裂缝的作用。煤层在水压的作用下形成较长顺层裂缝的同时，高压脉冲放电产生的冲击波在放电等离子体的驱动下，在顺层裂缝尖端形成裁剪脉冲，造成重复加载，达到改造裂缝、生成新的层间贯穿裂缝的目的。因此，分析在不同充电电压及水压条件下的脉冲放电特性，对于了解钻孔注水高压脉冲放电技术的作用机理，及其在煤层气井致裂中的应用具有不容忽视的指导意义。实验在电容C=60 μF，电极间距d=5 mm等其他实验参数不变的情况下，通过改变水介质静水压力和电容充电电压进行了多次放电实验，测得了高压脉冲放电时的电极两端的电流电压波形。通过对实验所得的波形图的统计分析，得到了静水压力和充电电压的变化分别对脉冲放电特性的影响。

2.2.1 不同电容充电电压对脉冲放电延时与电流特性的影响

对在同等静水压力条件下不同电容充电电压作用时高压脉冲放电产生的电流、电压波形进行实验分析，结果表明，在水介质静水压力不变的情况下，增大电容器的充电电压，预击穿阶段的击穿延时会随之减小，水介质击穿后回路电流的峰值会增大，震荡次数增加。图4给出的是1 MPa水压时的电压(a)、电流(b)波形汇总图。

图4 水压1 MPa时不同放电电压条件下的电压、电流波形图Fig.4 Voltage and current waveforms under 1 MPa hydraulic pressure and different discharge voltage

对此分析认为：由于实验中电容器数值是一定的，在提高放电电压的同时也就等于提高了放电的能量。因为水介质击穿场强在水压不变的情况下基本保持不变，放电能量的提高使得先导击穿更容易发生，先导内的等离子体密度增大，先导的传播速度增加，缩短了击穿通道的形成时间，使得预击穿放电的延迟时间减小。击穿后等离子体放电通道的半径在水压不变的情况下基本保持不变，放电能量的增大使得通道内等离子密度增加，电弧电阻Rch将减小，使电流峰值变大，震荡次数增加。由文献[15]可知，短的击穿延时与大的电流峰值，会使得冲击波的能量更大，作用效果更好。因此，增加电容初始充电电压对增大冲击波压力总是有利的。

2.2.2 不同静水压力作用下的脉冲放电延时与电流特性

对实验中同一充电电压条件下不同水压时高压脉冲放电的电流、电压波形进行了汇总，结果表明，在电容充电电压不变的情况下，随着水介质静水压力的增大，击穿延时增加，水介质击穿后回路电流的震荡次数基本相同，峰值电流有所波动。图5给出的是9kV充电电压时不同水压条件下放电的电压(a)、电流(b)波形汇总图。分析认为，随着水压的增大，水介质击穿场强增加，先导的产生和发展受到水压的阻碍，从而增大了预击穿阶段的放电延时。水间隙击穿后，由RLC回路方程可知，由于电容C和回路电感L保持不变，电流特性只与回路总电阻R有关；而水压的增大使得放电通道半径减小，会导致电弧电阻Rch增加。但由于水中微小气泡的存在及水溶液电导率等其他因素的影响，电弧电阻会有所变化，使峰值电流有所波动。虽然水介质静水压力的增加会使击穿延时增加，导致击穿瞬间注入放电通道的能量下降，从而使冲击波峰值压力降低;但是在工程实际中，维持一定的水压是非常有必要且有利于裂缝形成的。所以，在煤层气井中应用钻孔注水高压脉冲放电技术时，应根据水压致裂的理论，选择合适的水压参数，以达到最优的放电效果。

图5 充电电压9 kV时的电压、电流波形汇总Fig.5 Voltage and current waveforms under 9 kV discharge voltage

3 结论

1) 预击穿阶段的击穿延时同时受电容充电电压和水介质静水压力的影响,电容充电电压增大，击穿延时缩短；水介质静水压力增大，击穿延时增加。

2) 对于水介质击穿后主放电回路中的电流特性，电容充电电压的增大对于增大回路电流的峰值和震荡次数总是有利的，而静水压的变化对电流参数的影响关系不大，只是会使峰值电流有所波动。

3) 在煤层气井致裂中,应用钻孔注水高压脉冲放电技术时，增大电容充电电压对于提高煤层致裂效果总是有利的;水压虽然会阻碍水介质的击穿，但水压的存在对于顺层裂缝的形成是有利的，从而使得选择合理的水压参数是很有必要的，这样才能达到最优的放电效果。

[1] 秦曾衍，左公宁,王永荣,等.高压强脉冲放电及其应用[M].北京:北京工业大学出版社,2000.

[2] 张艳,赵兴国,刘旭光,等.水下电弧放电法制备NiCl2-石墨插层化合物的研究[J].太原理工大学学报,2010, 41(4):356-359.

[3] BUOGO S.Source level and directivity pattern of an underwater pulsed sound generator based on electrical discharge[J].Acoustics Letters,1999,23(3):54-59.

[4] ROBERTS R,COOK J,GLEESON A,et al.The energy partition of underwater sparks[J].Journal of the Acoustical Society of America,1996,99(6):3465-3475.

[5] 李胜利,李劲,王泽文,等.用高压脉冲放电等离子体处理印染废水的研究[J].中国环境科学,1996,16(1):73-76.

[6] 骆仲泱,王沈兵,赵磊,等.脉冲电晕放电多种污染物协同脱除的研究[J].太原理工大学学报,2010,41(5):627-632.

[7] 章志成,裴彦良,刘振,等.高压短脉冲作用下岩石击穿特性的实验研究[J].高电压技术,2012,38(7):1719-1725.

[8] 高全杰,夏志勇,汪朝晖,等.电液压脉冲气溶性射流动力特性及其破岩规律研究[J].煤矿机械,2014,35(4):64-67.

[9] 杨服民,史鹏飞,张文秀,等.高压电脉冲处理油层技术研究与应用[J].石油钻采工艺,1998,20(5):64-67，113-114.

[10] 韩波,王新新,郭志刚,等.脉冲大电流放电技术在疏通油井上的应用[J].电工电能新技术,1998(1):36-40.

[11] 李培培.钻孔注水高压电脉冲致裂瓦斯抽放技术基础研究[D].太原:太原理工大学,2010.[12] 贾少华,赵金昌,卞德存,等.基于高压电脉冲煤体增透的水激波波前时间变化规律的研究[J].太原理工大学学报,2015,46(6):680-684.

[13] 卞德存,闫东,贾少华,等.基于高压电脉冲的煤体增透实验台[J].煤炭技术,2015,34,(8):225-227.

[14] 闫东,卞德存,阙梦辉.水中高压放电基本现象分析[J].煤炭技术,2014,33(7):294-296.

[15] JONES H M,KUNHARDT E E.Prebreakdown currents in water and aqueous solutions and their influence on pulsed dielectric breakdown[J].Journal of Applied Physics,1995,78(5):3308-3313.

[16] JONES H M,KUNHARDT E E.The influence of pressure and conductivity on the pulsed breakdown of water[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,1994,1(6):1016-1025.

[17] 张青兰,张彩霞.辉光放电等离子体特性的实验研究[J].太原理工大学学报,2013,44(5):668-672.

[18] 贾伟,邱爱慈,孙凤举,等.百纳秒脉冲下水压对水开关击穿特性的影响[J].高电压技术,2006,32(1):50-51.

(编辑：庞富祥)

Research on the Delay Characteristics and Current Characteristics of High-voltage Pulse Discharge in Water

YIN Zhiqiang,ZHAO Jinchang,BIAN Decun,YAN Dong,JIA Shaohua

(CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

In order to apply the technology of high voltage pulse discharge in water to the CBM wells fracturing anti-reflection, the experiment of high-voltage pulse discharge in water was carried out in different capacitance charging voltage and hydrostatic pressure. For understanding the discharge characteristics of high-voltage pulse discharge in water, and searching for suitable discharge parameters for engineering practice, the experimental data of voltage and current under different parameters were collected and analyzed. The results show that: with the increase of the charging voltage of the capacitor, the breakdown delay time of water medium is shortened, discharge current peak and oscillation frequency increases; And with the increase of the hydrostatic pressure of water medium, the breakdown delay becomes longer, the current parameters of discharge are basically the same,but the peak current fluctuates.

CBM wells fracturing anti-reflection;high-voltage pulse discharge in water;different parameters;breakdown delay;current characteristics

1007-9432(2016)03-0326-05

2015-10-31

山西省煤层气联合基金资助项目：基于高压电脉冲的煤层瓦斯赋存环境及物态转换机理研究(2012012012)

尹志强(1991-)，男，四川泸州人，硕士生，主要从事水中高压脉冲放电技术的理论及应用研究，(E-mail)zhiaqiang226@163.com

赵金昌(1974-)，男，副教授，主要从事水中高压脉冲放电及锚杆无损检测研究，(E-mail)zjc_8989@163.com

TM89;TE377;TD989

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.010