等离子体钻井固态调制器

等离子体钻井固态调制器摘要：除了常规的钻井和拆卸技术外，利用脉冲功率技术进行岩石钻孔已进入深入研究阶段，并开始出现在商业应用中。

被称为等离子体通道钻井（PCD）的有效方法是利用电脉冲在岩石中产生等离子体通道，这种通道在岩石中扩张就可达到粉碎岩石的目的。

该技术依据是：在高压短脉冲（50 ns - 500 ns）情况下，水的动态击穿场强比岩石高，就使得等离子体放电发生在岩石中。

到目前为止，关于该主题的出版物所研究的主要领域是等离子体动力学、裂纹形成、电极设置。

在这些研究中，高压脉冲用基于火花隙的调制器产生，如单开关、marx发生器。

这种调制器可以同时产生高电压和高电流，但由于PCD法不需要高电流去点燃放电，并且点火后穿过电弧的电压比较小，因此，这种调制器尺寸偏大。

本文将介绍一种新的固态调制器，它可以产生点火所需的高压脉冲及能够扩大等离子体的较高输出电流。

固态调制器由一个单一的半导体开关，可饱和电感器和一个脉冲变压器组成。

与采用火花间隙开关相比，这种调制器更紧凑，寿命和可靠性都更高。

关键词：固态调制器，等离子通道钻井1引言除了传统的机械破碎和炸药破碎的钻孔方法外，利用脉冲功率进行岩石钻孔已成为研究的主题，由于它能源消耗相对较所以开始出现在商业应用中。

这种方法的高压短脉冲在岩石电极间的放电时间属于微妙级别。

位于电极和岩石间的介电体通常是液体（如水）。

电极间的高压脉冲引起能够粉碎岩石的电介质击穿。

根据击穿位置，两次不同效果就可用于破碎、钻削混凝土和岩石。

在第一个中，岩石表面的电介质如水发生放电，这激发了声波脉冲或压力波来破碎岩石、混凝土。

高效的等离子体通道钻井（PCD）的依据是：在高压短脉冲（50 ns - 500 ns）情况下，水的动态击穿场强比岩石高，导致固体介质表面比液体更容易发生击穿。

这种效应被解释为岩石内部的气体腔击穿。

不断扩大的等离子体通道在岩石内部产生压力波，从内部瓦解了材料。

因此，这比在液体中更高效，因为在液体中很难聚焦在材料方向击穿引起的声波脉冲。

已有出版物详细研究了放电等离子体动力学、裂纹的形成并最终破坏。

已用不同排列和形状的电极进行了测试实验，例如同轴形电极，以及用L型电极杆在岩石上钻一个插槽。

放电钻也被用于连同机械凿子的采矿机。

目前为止，还没有出现对PCD功率调制器优化的研究，高压脉冲也一直是用基于火花隙的调制器产生，如用单开关或marx发生器，来增加脉冲电压。

这种调制器可以同时产生高电压和高电流，但由于PCD法仅需高电压点燃放电而不需高电流去点燃放电，点火后负载两端电压比较小，负载电流却在kA级别，因为电弧的电阻率通常低于1Ω，约10mΩ，就出现了出版物中的电压和电流的波形图。

结果是，所需的脉冲调制器尺寸偏大。

此外，火花间隙不可靠，寿命有限。

为了解决以上问题，本文提出一个紧凑的固态调制器，它可产生高电压点火脉冲，并且此后输出一个较高的电流。

该调制器包括一个单一的半导体开关，两个电容器，两个可饱和电感器和用于产生点火电压的脉冲变压器。

第2章将介绍调制器的原理图和工作原理，第3章讨论一个原型系统的机械结构，第4章将介绍电极点火电压以及通过等离子体/弧的电流。

2 脉冲调制器PCD过程中，需要高脉冲电压来点燃电弧。

点火后在放电通道内需要一个高电流来产生高压力去粉碎岩石。

以前，基于火花隙开关的调制器就需要这些条件，使提供的高电压和高电流阻碍了承载能力半导体器件提供功率能力较低，即阻断电压较低或设备最大电流被限制。

因此，这些设备必须串联或并联来达到与火花隙调制器相同的功率容量。

然而，PCD在放电点火时，需要一个短暂的高电压和低电流。

此后，需要高电流和低电压。

因此，该调制器的输出功率要远低于最大电压和最大电流的乘积。

图3所示为推荐的固态调制器概要，它能产生所需的高点火电压和高电流。

建议的拓扑结构包括一个输入电容器（提供放电能量），一个半导体开关，脉冲变压器，一个去耦电容和两个可饱和电感。

这里，为IGBT，但可以应用脉冲晶闸管，这将允许更高的点火电压和更高的输出电流。

2.1工作原理该节将介绍PCD固体状态调制器的工作原理。

开始时，开关是打开的，电容器充电为，完全放电。

电容在几个100pF范围内，通过高电压的同轴线路实现。

线的总电感与变压器漏电感（很大）一起考虑，通过可以建立电极/连接电缆的寄生电容，通过可以建立电极电阻（主要由水决定）。

（≈2kΩ，≈200 pF）。

为产生输出脉冲，开关闭合，输入电压施加到变压器的初级绕组上，因为电容器两端的电压是零。

次级侧上的电压是初级电压乘以。

若是忽视任何寄生效应，变压器的泄漏电感和线路的寄生电容会形成LC电路。

所以在这段时间内，电压开始谐振到最大2，饱和电感是不饱和的，即LC电路是无阻尼的。

结合使用饱和电感与寄生电容进行磁脉冲压缩的，使电极电压的上升时间减小。

通过改变可饱和电感和电极之间的连接电缆或是改变电极的形状，可以调整和的值。

当和发生共振或者磁脉冲压缩时，电压迅速上升，直到发生击穿。

理想的情况下，当最大时是饱和的，会得到一个最小的上升时间和最大的电压。

因为变压器的卷绕方向，开始在负方向上升，因此，电感器的电压是正的，其核心在正方向上被磁化。

要使比先饱和，即在击穿后不久要饱和，必须选择饱和电流和的最大可能通量。

在上升直到击穿期间，电感阻断高脉冲电压，开关和之间的共面低电感连接线被充电至输入电压。

至此，击穿电压迅速减小，借助于流过变压器的电流以及和中存储的能量，热等离子体就建立了。

两端的电压仍然为正，磁心进一步在正方向上磁化。

这对于在饱和后进行快速击穿以及防止电弧熄灭是十分必要的。

因此，击穿后不久，电感饱和了，通过开关将输入电容并连到电极上，使得及电弧电流方向变反。

由于等离子体中的电荷时间常数相对较大，电弧在快速反向期间没有熄灭（例如HID灯的谐振动作）。

和之间的连接是由低电感共面导体制成，这样电极的电流可以迅速上升。

为了尽量减少电极的寄生电容，寄生电容由高电压点火脉冲充电，电感和要尽可能靠近电极。

通过限制圈数可使两个可饱和电感的寄生电容最小。

第3章将要介绍电极的布置及该调制器的3D设置说明。

饱和后由于温度升高，存储在，和的能量转移到电弧，等离子体通道迅速扩大。

一旦能量产生输出以及电容放电，开关就打开，输入电容再次充电，调制器准备下一脉冲。

2.2 有脉冲晶闸管的调制器为了产生点火所需的峰值输出电压，可以用4.5kV的脉冲晶闸管代替绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

有了脉冲晶闸管，最大输入电压可达2.8kV，最大点火电压可以达到高于90kV的电压。

图11为晶闸管调制器的仿真结果，从图可以看出峰值输出电流为11 kA，该图也展示了假定在90kV时发生的击穿。

由于电极间寄生电容的充电电流较大以及输入电压的增加，输出电压的上升时间减少到20 ns。

图4所示为ABB公司制造的脉冲晶闸管为5SPR 26L4506的调制器的三维机械制图，整体尺寸为50cm30cm20cm，没有IGBT 系统大。

3 实验装置为了验证在第2部分提出的概念，建立了一个各组分如表2所示的原型装置。

图5给出了原型的照片，其中，输入电容器，绝缘栅双极性晶体管，去耦电容器和升压变压器。

为了尽量减少/控制变压器的漏电感，在U型铁芯的的两腿上用两个并联单匝线圈作为初级绕组，次级绕组是由匝串联连接的两个绕组组成。

通过四根RG-213线并联连接到可饱和电感器上可以到高输出电压。

于是，电缆电容和寄生电感组成一个谐振电路，使得发生谐振，所以这时候电压比要高，得到一个较高的点火电压。

图5中去耦电容值是电压电容值的3倍，可以测试电容值的变化。

为了尽量减少泄漏电感/寄生电容，同时得到点火后电流的快速上升时间，高电流输出是由两个平行的连接的铜箔制成的。

由箔引起的寄生效应对输出电压的影响是很小的，因为在点火期间电容被去耦了。

饱和电感由两个平行的可饱和电感器组成，每个可饱和电感器由6个堆叠的T60006-W424环形磁芯和两圈绞合线组成。

装置的整体尺寸是100 cm50 cm100 cm。

电感由两个电感器串联而成，每个5个堆叠的T60006-W424环形磁芯和五圈绞合线组成，的最终尺寸是100 cm50 cm120 cm。

通过使用预励磁电路，所需芯数大约可以减少一半。

这也保证，每个脉冲后内核是完全消磁的，但在实验中这是没必要的。

实验中使用芯由2605SA1制成的脉冲变压器，其尺寸41cm27 cm9.5 cm。

但为减少损失和启用变化范围更宽的输入电压来达到测试目的，还是选用了这个核心稍稍过大的脉冲变压器。

最后，系统的设计可以更紧凑些，如图6示。

该调制器尺寸为50 cm30 cm12 cm，可饱和电感器尺寸约100cm100cm120 cm。

通过提高连接电缆的高电流和高电压的强度，它可以把调制器放置与钻井电极有一定距离的位置，从而使钻头的恶劣环境不能够直接影响到调制器。

如图7所示的电极结构。

同轴设置有4mm的间距，这个距离及电极的几何形状决定了图3中的和。

有相关文献使用了类似的电极配置。

4负载电压/电流基于图6中的三维模型及图5中的原型，就能够计算/测量出调制器系统中的寄生元件（表3），及寄生元件对原型影响的仿真（图8）。

脉冲变压器及连接间的漏电感和寄生电容，以及寄生电阻包括在内。

此外，开关和两个电容，的寄生电感和电阻，以及该可饱和电感器的寄生效应（阻抗测量确定）也已考虑在内。

图9给出了负载状态下的模拟电压和电流波形，同时也给出了IGBT的电流波形，其中假设条件是击穿发生在45kV。

图9b可看出45 kV的上升时间约50 ns，及通过电弧的峰值电流是2 kA。

点火后，通过IGBT的电流与负载电流大致相同，因为当选择合适的值时，电流流经调制器/的值可以忽略。

在击穿前的输出电压上升沿时，寄生电容充电。

击穿后，通过电弧放电，电流流过等离子体。

当磁性开关是闭合时来脉冲，中存储的能量约75％就转移给电弧/输出图10为图5所示的测试系统的测量结果。

当使用图7中的电极，去离子水和岩石在约45kV发生放电的输出电压和IGBT电流（约等于负载电流）波形如图10a所示。

点火后电流开始上升，20微秒后达到峰值约2 kA。

图10b为点火时刻的放大视图，可看出小于200纳秒电压上升到峰值。

如此高的dv / dt通过使用图10c中的可饱和电感实现，由于被可饱和电感阻塞二次侧电压具有一个相对缓慢的斜率。

当二次侧电压达到峰值时，电感饱和，结果得到一个快速上升边缘。

因为寄生元件存在谐振，输出电压高于二次侧电压。

假如没有放电发生，输出电压将升到最大的负峰值电压约50 -55kV，然后谐振回正峰值约20kV，此后上升衰减。

由于负载没有消耗能量，输入电容两端的电压只有轻微的下降。

一旦打开开关，电容器和寄生电容在大约5毫秒内产生放电，从而使调制器准备下一个脉冲。