РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТА ГІДРОДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕЛЕКТРИЧНОГО РОЗРЯДУ В РІДИНІ, ЙОГО ВПЛИВУ НА АМПЛІТУДУ І ФОРМУ ХВИЛІ СТИСКУВАННЯ У СВЕРДЛОВИНІ ТА ЗМІНУ ФІЛЬТРАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОРІД
З метою дослідження фізичних особливостей та основних факторів впливу електричного розряду на фільтраційні характеристики порід та обґрунтування вихідних даних для розроблення технології та обладнання хвильової дії з використанням в якості джерела пружних хвиль електричного розряду в рідині розроблено установки і вперше проведено за безпосередньою участю автора ряд експериментів по визначенню умов збільшення енергетичних характеристик електричного розряду, зміни фільтраційних властивостей порід при електричному розряді у рідині і комплексній дії кислотних розчинів та електричного розряду.
2.1. Дослідження енергетичних та гідродинамічних характеристик електричного розряду в середовищі рідини різної електропровідності
Електричний розряд у рідині являє собою процес швидкого перетворення енергії електричного поля зарядженої конденсаторної батареї в механічну роботу.
Існують три його основні стадії.
1. Стадія формування струмопровідного каналу, який замикає міжелектродний проміжок.
2. Канальна стадія, яка характеризується різким збільшенням розрядного струму і швидким виділенням в каналі електричної енергії, починається з моменту замикання водного проміжку каналом високої електропровідності. Це призводить до нагрівання речовини в каналі розряду до температур, які становлять десятки тисяч градусів, і збільшують тиск в каналі до тисяч мегапаскалів. В результаті відбувається розширення розрядного каналу зі швидкостями 150 м/с, формування і розповсюдження у робочому середовищі імпульсів стиснення, які діють на об'єкт обробки.
3. Післярозрядна стадія наступає після закінчення виділення електричної енергії у розрядному каналі. На цьому етапі відбувається пульсація парогазової порожнини, яка є джерелом інтенсивних гідропотоків [50].
При використанні в якості джерела пружних хвиль у свердловині високовольтного електричного розряду, в ролі робочого середовища можуть бути використані рідини різної електропровідності: нафта, водонафтові емульсії, технічна вода, пластова вода, кислотні розчини та розчини ПАР, розчинники діапазон електропровідності яких лежить в межах ? = (0,1-10000)?10-6 Ом-1·м-1. Таким чином, процес енерговиділення на робочому проміжку повинен мати ряд особливостей, які виявились предметом досліджень.
У працях [51-53] викладено результати вимірів електричних характеристик розряду у воді різної провідності. При цьому показано, що при зменшенні електроопору робочої рідини, при рівних параметрах розрядного контуру, умови розряду погіршуються, кількість стримерів збільшується, щільність енергії в каналі падає, що призводить до звичайного "стоку" зарядів. У зв'язку з цим функціональні можливості електророзряду здійснювати корисну роботу практично не реалізуються. Як встановлено дослідженнями С.М. Коробейнікова, Г.А. Остроумова, М.С. Апфельбаума, В.А. Полянського, Г.Б. Раковського, В.В. Скорих, В.Я. Ушакова, Є.В. Кривицького, К.А. Наугольних, Н.А. Роя, П.П. Малюшевського, І.З. Окуня, І.С. Швеця, В.Г.Жекула, Л.П. Трофімової, О.Н. Сизоненко та ін. в середовищі з провідністю ? = (1-100) Ом-1·м-1 (в нашому випадку кислотні розчини, пластова вода, водонафтові емульсії з обводненістю ? 80 %) розряд має структуру корони і не завершується пробоєм [54]. По аналогії з розрядом в газах він називається коронним розрядом в рідині [55]. Отриманий електроакустичний коефіцієнт корисної дії (ККД) коронного розряду не є великим і становить 0,3 - 1,7 %. Але при зменшенні електропровідності середовища до величин ~ 1 Ом-1?м-1 електроакустичний ККД може зрости до 7-8 %. При ? < 10-1Ом-1?м-1 має місце розряд на готових бульбашках - розряд в недегазованій воді. В середовищі з провідністю ? ? 10-3 Ом-1?м-1 - мікросекундний розряд, ініційований термопольовою дисоціацією. При ? ? 10-5 Ом-1·м-1 має місце наносекундний стримерний розряд [56]. Останні три типи розряду мають для нас найбільший практичний інтерес, оскільки характеризуються великим ККД. Ці типи розряду в умовах свердловини можна буде реалізувати заміщенням свердловинної рідини технічною очищеною водою (для нагнітальних свердловин), сирою нафтою і водонафтовими емульсіями з водною фазою ? 50% (для видобувних свердловин) [57]. При неможливості такої заміни, або при дії на пласти у ПЗС в середовищі кислотних розчинів для збільшення енергетичних та гідродинамічних характеристик електричного розряду необхідно у міжелектродному проміжку утворювати штучне середовище з високим електроопором та розробити електродну систему закритого типу.
З цією метою нами розроблено експериментальну установку, блок-схему якої наведено на рис. 2.1., проведено дослідження енергетичних та гідродинамічних характеристик електричного розряду в середовищі з електропровідністю (1-1000)·10-5 Ом-1?м-1 і залежності відносної амплітуди імпульсів стиснення від довжини міжелектродного проміжку.
Рис. 2.1. Блок - схема експериментальної установки:
1 - реєструючий прилад; 2 - датчик імпульсу тиску; 3 - робоча камера; 4 - розрядник; 5 - рідина; 6 - анод; 7 - катод; С - накопичуюча батарея;
L, R -індуктивність та опір розрядного контуру; R1, R2 - дільник;
Rsh - шунт.
Схему зібрано у відповідності з рекомендаціями [58-64], що дозволило зменшити до мінімуму амплітуду похибки і здійснити вимір електричних характеристик з достатньою для інженерних цілей точністю.
Метою експериментальних досліджень, які описуються, є вимір електричних характеристик (струму I (t) i напруги U(t)) на міжелектродному проміжку в активній стадії розряду в середовищі технічної очищеної води (? - 10-2Ом-1?м-1), дистильованої води (? - 10-4Ом-1?м-1) та етилового спирту (? - 10-5Ом-1?м-1), по яких у подальшому розраховувалися втрати енергії на формування кан