Спосіб формування електричного розряду

Спосіб формування електричного розряду, який полягає у подаванні високовольтної напруги на електродну систему «вістря - площина», що поміщено у водний електроліт, який відрізняється тим, що величину високовольтної напруги U, гідростатичний тиск рг, при якому здійснюють розряд, електропровідність водного електроліту а 0 і радіус скруглення електрод а-вістря г вибирають із емпіричного співвідношення ,0,45 = 32,9p?[ п= 0,1 - 0,12, при а 0 = 0,5 - 0,1 См/м, [0,12 - 0,13, при а 0 = 0,1 - 0,03 См/м, де U - величина високовольтної напруги, кВ, рг - гідростатичний тиск, Па, а 0 - електропровідність водного електроліту, См/м, г - радіус скруглення електрод а-вістря, м О Винахід відноситься до способів формування електричного розряду у водних електролітах, які є робочими середовищами електропдроімпульсних свердловинних пристроїв, працюючих в умовах підвищених гідростатичних тисків, наприклад, у нафтових, газових, водяних і нагнітальних свердловинах Відомо спосіб ініціювання електричного розряду у воді (см А С №1369092 от 22 09 87, експертний висновок на публікацію у відкритому друці додасться), який полягає у подаванні постійної високої напруги до міжелектродного проміжку, при цьому на імпульс постійної високої напруги проводять накладання високочастотної складової з частотою f > 0 , 1 /Q, де Q = є єо/ао - час діелектричної релаксації води, є - діелектрична проникність води, єо = 8,85 х 10 12Кл/(В м) - діелектрична стала, оо - електропровідність води Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками винаходу, який заявляється, є таке подавання високої напруги до міжелектродного проміжку До причин, що перешкоджають одержанню необхідного технічного результату, слід віднести відсутність взаємозв'язку між величиною високовольтної напруги для здійснення розряду і гідростатичним тиском, а також радіусом скруглення високовольтного електрода, що може привести до зниження ефективності перетворення енергії шляхом збільшення передпробивних втрат Так як відомо, що, наприклад, підвищення гідростатичного тиску суттєво погіршує умови здійснення розряду (П П Малюшевский, А А Тимнов, Н И Кускова, Особенности пробоя воды при повышенном гидростатическом давлении // Физические основы электрического взрывам сб науч трудов - Киев Наук, думка, 1983 - С 25 - 28) Прототипом обрано спосіб формування розрядів у воді (Зан М , Оки Е , Фенемен Д В и др Диэлектрические свойства воды и ее смесей с этиленгликолем, используемых в мощных импульсных системах //ТИИЭР, 1986 74 №9 -С 15 - 62), який полягає у подаванні імпульсної напруги на електроди, поміщені у воду, при цьому взаємозв'язок між критичною напруженістю поля, що вшиває пробій, площиною електродів, гідростатичним тиском, ефективним часом дії високої напру 00 О 1 ю 57108 ги визначається співвідношенням E c n t =CP 1 / 8 /t 1 / 3 A 1 ^ [0,33, С = J 0,51, t2MKC де ECrit - напруженість поля (МВ/см) A - робоча площина елеісгродів (см ), Р - гідростатичний тиск (атм), t - ефективний час (мкс) дії високої напруга, протягом якого напруга між електродами перевищує 63% критичної, що спричиняє пробій Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками винаходу, який заявляється, є такі подавання напруги на електроди, поміщені у воду До причин, що перешкоджають одержанню необхідного технічного результату, слід віднести відсутність взаємозв'язку між величиною імпульсної напруги, яка подається на електроди, і електропровідністю води а також радіусом скруглення високовольтного електрода, що може призвести до зниження ефективності перетворення енергії шляхом збільшення передпробивних втрат Відомо, що взаємозв'язок електропровідності водного електролита, наприклад, з напругою запалювання розряду, встановлений на якісному рівні, не має математичного опису навіть для атмосферного тиску (А К Шидловский, ЕВ Кривицкий, Г Б Раковекий, ВТ Жекул Напряжение зажигания разряда в проводящей жидкости - Киев, 1985 - 15с Препринт / АН УССР, Ин-т электродинамики, №419 с 15) В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб формування електричного розряду у водних електролітах шляхом встановлення взаємозв'язку між основними параметрами, які впливають на пробій, що дозволить скоротити трудомісткість задачі визначення оптимальних значень цих параметрів для формування розряду з малими передпробивними втратами електричної енергії і за рахунок цього, підвищити ефективність електричних розрядів Суть винаходу є у тому, що у способі формування електричного розряду, який полягає у подаванні високовольтної напруги на електричну систему «вістря - площина», поміщену у водний електроліт, згідно з винаходом, величину високовольтної напруги U, гідростатичного тиску рг, при якому здійснюється розряд, електропровідність водного електроліта оо і радіус скруглення електрода-вістря г, вибирають із емпіричного співвідношення и = 32,9р г п (г/а 0 ) 045 , п= [0,1-0,12, приа 0 =0,5-0,1См/м, [0,12 - 0,13, при а 0 = 0,1 - О.ОЗСм/м, де U - величина високовольтної напруги, кВ, рг - гідростатичний тиск, Па, оо - електропровідність водного електролиту, См/м, г - радіус скруглення електрод а-вістря, м, Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом, необхідно ВІДМІТИТИ таке Причиною, що вимагає удосконалення способу формування електричного розряду у водних електролітах, є велика трудомісткість визначення оптимальних значень параметрів дії величини високовольтної напруги U, гідростатичного тиску рг, при якому здійснюється розряд, електропровідності водного електроліту оо і радіуса скруглення електрод а-вістря г Так, як спосіб формування електричного розряду застосовують в електророзрядній технології обробки свердловин електропдроімпульсними свердловинними пристроями, оснащеними електродними системами «вістря - площина» (Опыт применения электрогадроимпульсных устройств "Скиф-4" для очистки водозаборных скважин / В Т Малишевский, В П Тарабара, И С Швец, В Н Цуркин, А Ю Шамарин // Электрический разряд в жидкости тез докл Всесоюзн конф 4-я, 1988 4 2 - с 195), то особливі умови, з точки зору формування розряду у глибоких свердловинах, які включають підвищений гідростатичний тиск, різноманітність електропровідності робочого середовища, потребують знань про вибір параметрів, які можуть бути закладені у свердловинні пристрої, а саме величина робочої напруга, розміри (діаметр) електрода - вістря Ці параметри мають певні обмеження у своїх значеннях так робоча напруга обмежується геометричними розмірами корпусу блока високовольтного обладнання, діаметр електрода - вістря - необхідністю обмеження зносу за рахунок ерозії тощо Тому завжди виникає необхідність визначення або оптимального для формування розряду рівня напруги при інших заданих параметрах, або будь-яких параметрів за заданою напругою, електропровідністю робочого середовища тощо Звичайно це здійснюється експериментальним шляхом і потребує серії ДОСЛІДІВ при різних U, рк, оо та к Із масиву експериментальних реалізацій для практичного використання вибираються такі поєднання параметрів, які забезпечують формування розряду з оптимальними (наприклад, не більше 10%) передпробивними втратами енергії Дане удосконалення способу формування розряду дозволяє скоротити трудомісткість задачі визначення величини напруги або інших параметрів для здійснення розряду з малими втратами енергії і, як наслідок, з великим технологічним результатом Результати реалізації способу підтверджені графіками де на фіг 1 - залежність радіуса скруглення електрод а-вістря г від електропровідності водного електроліту оо і гідростатичного тиску рг і на фіг 2 - залежність величини високовольтної напруги U від електропровідності водного електроліту оо і гідростатичного тиску рг Реалізація способу проходить при параметрах, характерних для електропдроімпульсних свердловинних пристроїв типу «Скиф» Так низьковольтний опір електродної системи Ro, зануреної у водний електроліт, який є робочим середовищем, знаходиться у діапазоні, від 150Ом до 6000м залежно від електропровідності робочого середовища, оголеності електрода - вістря, довжини міжелектродного проміжку При ємності конденсаторної батареї С пристрою «Скиф», яка змінюється від 0,8 х 10 6 Ф до 2,4 х 10 6 Ф, на електродній системі, при подаванні на неї напруги з 57108 конденсаторної батареї, формується імпульс напруги з крутим фронтом і експоненціальне спадаючою хвостовою частиною Така форма імпульсу описується характеристичним часом тс = RoC (за час тс напруга на міжелектродному проміжку зменшується в є = 2,73 рази) Таким чином, на електродній системі пристрою «Скиф» формується експоненціальний імпульс напруги s характеристичним часом спаду не менш 250 300м кс Необхідність у формуванні електричного розряду у свердловинах глибиною до 5км визначає діапазон зміни параметра рг від 0,1 МПа до 50МПа (1 - 500атм), Електропровідність робочого середовища оо електропровідної системи практично може знаходитись в діапазоні від 0,5См/м до 0,03См/м, так як при оо > 0,5См/м розряд здійснюється з великими втратами енергії, аж до появлення коронного розряду (безпробійного) Зменшенням міжелектродного проміжку можна досягти пробійного розряду, однак акустичний ККД такого розряду малий При оо Змм сильно зменшується його запалююча здатність, а при г < 0,5мм значний ерозійний знос робить безперспективним його використання Використання емпіричного співвідношення и = 32,9р г п (г/а 0 ) 045 , [0,1-0,12, приа 0 =0,5-0,1См/м, п= [0,12 - 0,13, при а 0 = 0,1 - О.ОЗСм/м, де U - величина високовольтної напруги, кВ, рг - гідростатичний тиск, Па, оо - електропровідність водного елекгроліту, См/м, г - радіус скруглення електрод а-вістря, м, дозволить скоротити трудомісткість задачі визначення оптимальних значень цих параметрів для формування розряду з малими передпробивними витратами електричної енергії і за рахунок цього підвищити ефективність електричних розрядів Приклад реалізації способу Як ВИХІДНІ параметри маємо робочу напругу U пристрою «Скиф-4» - ЗОкВ гідростатичний тиск у свердловині в зоні обробки перфорації на глибині 2600м складає ЗОМПа, так як свердловини заглу шуються солоною рідиною густиною у = 1,15г/см Електропровідність такої рідини суттєво більше 0,5см/м і як робоче середовище для електродної системи вона не придатна Використовуючи електродну систему, поміщену в еластичну герметичну оболонку (Заявка №94033234 от 09 03 94 МКИ5 Б21В43/24, Промислова власність , №2, 1997 с 2 52), можна заповнювати и водним електролітом з електропровідністю, що сполучається з радіусом електрода вістря, для забезпечення формування розряду при цих умовах з втратами енергії не більше 10% На фіг 1 наведена залежність г від оо і рг при U = ЗОкВ (для поліпшення докладності малюнка графік побудований для зміни рг у діапазоні від 1МПа до 50МПа і а 0 від 0,03См/м до 0,ЗСм/м) Переміщуючись по лінії, яка відповідає гідростатичному тиску ЗОМПа , знаходимо співвідношення г і оо Наприклад, уточці 1 значення оо = 0,15См/м, а відповідна величина г = 0,0014м (1,4мм) Із досліду відомо, що стальний електрод діаметром ~ Змм має ерозійний знос довжини за 1000 розрядів біля 4мм У точці 2 значення оо складає 0,2См/м і г біля 0,002м (2мм) Такий діаметр електрода - вістря (4мм) більш технологічний, так як ерозійний знос довжини електрода за 1000 розрядів складає ~ 2мм Виходячи з особливостей конкретної обробки відома максимальна КІЛЬКІСТЬ імпульсів, наприклад, вона складає 5000, вибираємо співвідношення параметрів у точці 2, так як сумарний ерозійний знос вістря в межах 10мм допустимий Вищеописана операція «визначення» параметрів займає не більше двох хвилин, у той час як при визначенні їх дослідним шляхом необхідно було провести декілька десятків експериментів з набором статистики на складному лабораторному вимірювальному комплексі Аналогічно розв'язується задача з вибору необхідної величини високої напруги На фіг 2 наведена залежність U від оо і рг при г = 0,002м (графік побудований для зміни рг від 0,1 МПа до 50МПа і оо від 0,07См/м до 0,5См/м) Параметри, вибрані у попередньому прикладі і ВІДПОВІДНІ ТОЧЦІ 2 на фіг1, на фіг 2 відповідають точці 1 (на перетині ЛІНІЙ р г = ЗОМПа і оо = 0,2См/м) Бажаючи зменшити електропровідність водного електроліту, що завжди буває корисно, так як сприяє зменшенню результуючих втрат енергії на пробій, будемо переміщуватися вздовж лінії рг = ЗОМПа, наприклад, в точку 2 Параметри, ВІДПОВІДНІ ТОЧЦІ 2, такі напруга U = 40кВ, оо = 0,1075См/м Таким чином, можна майже у два рази зменшити електропровідність водного електроліту, піднявши рівень напруги з ЗОкВ до 40кВ для формування розряду на електроді радіусом ~ 2мм 57108 Комп'ютерна верстка М Клюкш Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна