等離子鉆井過程中巖石破碎的實驗研究

王廣旭，劉永紅，申 泱（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580）

等離子鉆井過程中巖石破碎的實驗研究

王廣旭，劉永紅，申 泱
（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580）

為了明確工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度、電極直徑、電極極性和電解質溶液濃度等加工因素對等離子鉆井過程中巖石破碎的影響，采用環(huán)狀電極結合實驗室自主研發(fā)的電源，在無圍壓的條件下進行了室內實驗研究。結果表明：工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度和脈沖間隔對巖石破碎的效果有明顯影響；巖石破碎效率隨著工作電流、擊穿電壓和脈沖寬度的增加而逐漸提高，隨著脈沖間隔、電極直徑的增加而降低；當內電極與電源陰極相連時，巖石破碎的效果更好。實驗結果同時表明，隨著電解質溶液濃度的增加，巖石破碎的效率先增加、后減小。

等離子鉆井；巖石破碎；加工因素

在鉆井工程中，破巖技術是油田開發(fā)的核心內容，其費用占勘探開發(fā)成本的50%以上，巖石破碎的效率決定了鉆井的速度、成本和經(jīng)濟效益。隨著油氣資源的日益枯竭，人類對資源開采的深度和廣度逐漸加大，同時面臨日益復雜的地質條件，巖石破碎的難度也逐漸加大，使鉆井過程普遍存在速度慢、周期長和成本高等問題[1]。機械開采方法難以進行，尤其對于開采堅硬的巖石（如：花崗巖、閃長巖、輝長巖等），生產(chǎn)效率低，開采成本高。因此，鉆井工程不得不依靠其他方法進行[2]。

近年來，基于脈沖放電破碎巖石的鉆井技術受到了廣泛關注，應用等離子技術采掘堅硬巖石就是其中的方法之一[2]。與傳統(tǒng)破碎技術相比，高壓脈沖放電破碎技術具有以下特點：①破碎過程無有毒有害的化學物質產(chǎn)生[3-4]；② 通過調節(jié)放電能量，能對巖石破碎過程進行控制[5]。液電放電形成的等離子體通道發(fā)生在水中，形成了電弧放電。除了高溫和沖擊波，放電過程中也會產(chǎn)生氣泡和高速水流，在這些因素的共同作用下形成了對巖石的破碎[6]。

國外學者對破巖技術進行了諸多研究。韓國電工研究所開展了以銷絲為爆炸絲，在水介質中對巖石進行破碎的實驗，發(fā)現(xiàn)爆炸絲的截面積和長度對破碎的效果影響較大。Andres[7]將巖石放置在針-針電極對之間，考查了不同電壓等級和能量密度情況下的花崗巖破碎情況，得到的基本結論是施加在巖石上的電場強度越高，巖石破碎所需的能量密度越低；且?guī)r石的破碎情況很大程度上取決于電源參數(shù)和礦石的組織結構。Timoshkin等[8]在研究脈沖等離子鉆井問題時，認為增大電擊穿通道對巖石的做功是能量優(yōu)化的主要目標。Lisitsyn等[9]對花崗巖和凝灰?guī)r采取了去氣泡處理，發(fā)現(xiàn)先前可發(fā)生電擊穿的巖石在去氣泡后并不能發(fā)生擊穿，從而證明了氣泡在巖石電擊穿過程中所起的作用。此外，Boev[10]、MacGregor[8]、Cho[11]都對巖石中可能發(fā)生的電擊穿過程進行了討論，Burkin等[12-13]還建立了一個巖石在等離子體通道作用下發(fā)生破碎的模型。

然而，在等離子鉆井過程中，各種因素對鉆井過程的影響并沒有得到系統(tǒng)的研究。為了驗證這些因素對鉆井過程的影響，本文采用環(huán)狀電極結合實驗室自主研發(fā)的電源，在無圍壓的條件下進行了室內實驗研究，得到了相應的影響規(guī)律，為等離子鉆井過程的優(yōu)化提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原理

破巖實驗在自主搭建的試驗臺上進行，破巖原理見圖1。自主開發(fā)的高能脈沖電源分別與內管電極和外管電極連接，為加工提供足夠的能量。巖石及工作電極都浸沒在電解質中，內外管電極之間用耐高溫絕緣材料絕緣，并實現(xiàn)沖氣或沖液的功能。電源接通后，形成的等離子體通道發(fā)生在水中，形成電弧放電。除了高溫和沖擊波，放電過程中也會產(chǎn)生氣泡和高速水流，在這些因素的共同作用下實現(xiàn)了對巖石的破碎。

圖1 等離子破巖實驗裝置原理圖

1.2 實驗安排

破巖實驗在無圍壓條件下進行。實驗過程中，砂巖巖石樣件由山東勝利油田提供，采用單一變量法，在巖石樣品上加工深度為20 mm的孔。破巖實驗加工參數(shù)見表1，相同條件下的實驗每組均重復3次以消除隨機誤差。實驗研究了工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、電極直徑、電極極性和電解質溶液濃度等加工因素對巖石破碎的影響。

表1 等離子破巖實驗加工參數(shù)

實驗結束后，通過打孔深度除以加工時間獲得巖石破碎的速率；通過計算電極加工前后的高度差獲得電極損耗量；通過被加工孔的寬度與電極直徑的差值獲得加工過切量。

2 結果和討論

2.1 峰值電流的影響

工作電流是影響巖石破碎的主要因素之一，在進行工作電流對巖石破碎的影響實驗時，工作電流是唯一的變量。圖2是峰值電流對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響曲線?？煽闯?，工作電流與巖石破碎有著直接的關系。隨著工作電流的增加，鉆進速度、電極損耗和過切量均有不同程度的增加。當電流為600 A時，最大鉆進速度可達2.2 mm/s，遠大于電流100 A時的0.7 mm/s。原因在于隨著工作電流的增加，單次脈沖能量的增加使分布在巖石和電極上的能量密度增加。但鉆進速度、電極損耗和過切量并沒有隨著輸入電流的增加而成比例增大。這是因為一部分能量在加工過程中消耗在了電解質溶液和空氣中。由于添加了沖液，減少了碎屑在加工過程中的沉積，有利于加工的持續(xù)進行，同時，沖液也是造成非比例增加的原因之一。因此，可通過提高工作電流獲得較高的巖石破碎效率。

2.2 擊穿電壓的影響

圖3是擊穿電壓對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響。可看出，擊穿電壓對巖石破碎的影響并不顯著。當擊穿電壓低于150 V時，施加在內、外管之間的電壓并不能擊穿氣液混合的間隙，無法形成等離子通道，因此并沒有擊穿效果，也未獲得相應的實驗數(shù)據(jù)。隨著擊穿電壓的進一步增大，環(huán)狀電極之間的間隙被擊穿，等離子通道形成，鉆進速度和電極損耗稍增加，而過切量保持穩(wěn)定。這是因為擊穿電壓是用來實現(xiàn)工作介質的擊穿，從而形成放電通道，電壓的升高使引弧及維持放電通道得到改善。在放電通道形成后，維持放電通道的電壓保持穩(wěn)定，擊穿電壓的增加僅使放電變得更容易，分布在電極和巖石上的能量密度基本保持不變或有非常輕微的增加。因此，鉆進速度、電極損耗和過切量基本保持不變。

圖2 峰值電流對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響

圖3 擊穿電壓對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響

2.3 脈沖寬度的影響

圖4是脈沖寬度對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響，脈沖間隔設置為10 ms?？煽闯觯斆}沖寬度<5 ms時，無法形成等離子通道，引弧失敗，所以未獲得實驗數(shù)據(jù)。隨著脈沖寬度的增加，引弧變得越來越容易，且鉆進速度、電極損耗和過切量均有所增加。這同樣是因為隨著脈沖寬度的增加，單次脈沖能量的增加使分布在巖石和電極上的能量密度增大，從而使鉆進速度、電極損耗和過切量均增加。

圖4 脈沖寬度對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響

2.4 電極直徑的影響

圖5是電極直徑對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響?？煽闯?，隨著電極直徑的增加，過切量增大，而鉆進速度和電極損耗則有所減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在同樣的加工條件下，電極直徑越大，電極的橫截面積越大，分布在電極上的能量密度相對減小，使鉆進速度降低；而電極周圍的熱融化區(qū)也隨著電極直徑的增加而增大，使鉆井孔增大，導致過切量有限度的增加。由于實驗夾具的限制，本文并未制作更大直徑的電極，所以對更大電極直徑的實驗情況仍需作進一步研究。

圖5 電極直徑對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響

2.5 電解質濃度的影響

在研究NaOH電解質溶液的濃度對巖石破碎的影響實驗中，電極周圍產(chǎn)生了大量氣泡，且氣泡產(chǎn)生速率隨著電解質溶液濃度的增加而增大。當電參數(shù)、電極結構及尺寸保持不變時，在低濃度的電解質溶液中，引弧較高濃度電解質溶液中相對更困難。圖6是電解質濃度對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響?？煽闯觯^切量與電解質濃度沒有關系，但鉆進速度和電極損耗均隨著電解質濃度的增加呈先增大、再減小的趨勢。即在高濃度溶液中進行加工時，巖石破碎的效果有時反而會變差，這是由于飽和鹽水的高導流能力導致較高離子傳導能量的損失，使分布在電極和巖石上的能量密度有所降低而引起的。

2.6 極性的影響

圖7是電極極性對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響?？煽闯觯姌O極性的改變對過切量基本無影響。當內管電極和電源正極相連時，電極損耗比內管電極與電源負極相連時有所減小。這是因為在形成等離子體通道后，電源產(chǎn)生的熱能在工具電極和工件上的熱能分配存在差異；當內管電極為負極性時，分配在電極材料上的放電能量較多，分配在巖石樣件上的能量較少，從而造成了材料去除率降低，而相對電極損耗率增加。通常情況下，分配在陽極上的能量總是高于分配在陰極上的。

圖6 電解質濃度對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響

圖7 極性對鉆進速度、電極損耗和過切量的影響

3 結論

（1）在加工過程中，隨著輸入能量的增加，放電過程更劇烈，加工過程越不穩(wěn)定。同時，放電頻率越低，放電過程越穩(wěn)定。

（2）實驗結果表明，工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度和脈沖間隔直接影響著巖石破碎的效果。而巖石破碎效率隨著工作電流、擊穿電壓和脈沖寬度的增加而逐漸提高，隨著脈沖間隔、電極直徑的增加而降低。當內電極與電源陰極相連時，巖石破碎的效果更好。實驗結果同樣表明，隨著電解質溶液濃度的增加，巖石破碎效率先增加、后減小。不同的加工要求，其加工效果不同，需選擇不同的加工參數(shù)。

（3）在無圍壓加工條件下，加工過程中巖石更易產(chǎn)生裂紋，導致巖樣整體的破碎，這是無圍壓加工的劣勢。此外，采用石墨電極進行加工時，其損耗較快，這與石墨自身易導電導熱的屬性相關。

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Experimental Study on Rock Breaking in the Process of Plasma Drilling

Wang Guangxu，Liu Yonghong，Shen Yang
（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to determine the effect of processing factors such as current，breakdown voltage，pulse width，diameter of the electrode，polarity of electrodes and concentration of electrolyte solution on rock breaking in the process of plasma drilling，indoor experimental research was conducted using annular electrode under the condition of no confining pressure.The experimental results showed that current，breakdown voltage，pulse width and pulse interval have obvious effect on rock breaking. The efficiency of rock breaking increases with the increase of current，breakdown voltage and pulse width，while decreases with the increase of pulse interval and diameter of the electrodes.The rock breaking shows a better performance when the inner electrode is connected to the cathode.Meanwhile，the experimental results showed that the efficiency of rock breaking increases firstly then decreases with the increase of concentration of electrolyte solution.

plasma drilling；rock breaking；processing factors

TG664

A

1009－279X（2016）05－0060-04

2016-03-10

國家自然科學基金資助項目（51205411）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（15CX06055A）

王廣旭，男，1990年生，碩士研究生。