水中脈沖激波對(duì)模擬巖層破碎試驗(yàn)

劉 毅 李志遠(yuǎn) 李顯東 林福昌 潘 垣

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

水中脈沖激波對(duì)模擬巖層破碎試驗(yàn)

劉 毅 李志遠(yuǎn) 李顯東 林福昌 潘 垣

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

采用重復(fù)頻率液電脈沖激波轟擊油氣井射孔及附近巖層，可提高油氣井的固有滲透率，增加油氣產(chǎn)量。本文建立水中大電流脈沖放電激波試驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建電氣、激波及光學(xué)等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析水中脈沖激波與電弧膨脹及空腔運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；分析液電脈沖激波能量的轉(zhuǎn)換效率及頻譜特性，采用混凝土試樣模擬油氣井護(hù)套及射孔周?chē)鷰r層。測(cè)試了激波強(qiáng)度及放電次數(shù)對(duì)射孔堵塞物的清理效果，模擬了激波對(duì)巖層的造縫效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用重復(fù)頻率液電脈沖激波轟擊射孔堵塞物及作用周?chē)鷰r層，能夠有效解除油氣井的堵塞，增加巖層裂縫，提高油氣產(chǎn)量。

油氣增產(chǎn) 液電效應(yīng) 激波 液電等離子體 脈沖電弧

0 引言

目前世界上30年以上的老油田年產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的70%，且石油新增儲(chǔ)量中75%來(lái)自老油田。新老油田不同程度地存在因污染堵塞而減產(chǎn)的情況，在老油田中尤其嚴(yán)重。目前油田的解堵主要采用傳統(tǒng)的化學(xué)解堵[1]和壓裂解堵方法[2]，但是化學(xué)物品的處理、儲(chǔ)存運(yùn)輸及帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題已嚴(yán)重制約了該方法的應(yīng)用[3,4]，壓裂解堵也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的地下水污染等問(wèn)題。為保護(hù)環(huán)境，歐盟部分發(fā)達(dá)國(guó)家已立法禁止壓裂解堵方法的應(yīng)用，因此迫切需要開(kāi)發(fā)新的環(huán)境友好型、高效增產(chǎn)的油田解堵裝備。

基于液電脈沖激波原理的石油大幅度增產(chǎn)技術(shù)是將近代高新技術(shù)理論——脈沖功率技術(shù)應(yīng)用于油氣領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)在井下油層段產(chǎn)生強(qiáng)力的液電脈沖激波，解除油田射孔堵塞，增加巖層裂縫，促進(jìn)油的滲透，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[5-7]。該方法為純粹的物理增產(chǎn)手段，較傳統(tǒng)的解堵方法而言，不存在環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)具有安全高效、施工工藝簡(jiǎn)單、作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)[8,9]。目前該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已進(jìn)行前期研究，已在歐洲北海、中東和北美的超過(guò)163多種類(lèi)型油井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均增產(chǎn)效果達(dá)到720%[10]。

根據(jù)其應(yīng)用背景，對(duì)該裝備的特殊要求主要有兩點(diǎn)：①高溫、高壓力工作環(huán)境，對(duì)應(yīng)4km作業(yè)深度，設(shè)備的工作溫度達(dá)到120℃以上，并需承受30MPa以上的高靜態(tài)壓強(qiáng)和高強(qiáng)度沖擊，目前已接近可使用設(shè)備器件的極限[11]；②極小空間中的高能量、高功率脈沖輸出[12]。油氣井的直徑一般小于120mm，設(shè)備的外徑一般要低于該尺寸[13]。早期的國(guó)外、國(guó)內(nèi)設(shè)備采用液電間隙放電，但是由于液體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，一般液電間隙的距離較小[14,15]。電容器中大部分儲(chǔ)能消耗在外回路中，產(chǎn)生的液電脈沖激波強(qiáng)度較小。采用金屬絲爆的形式能夠增大間隙距離，有效提高激波強(qiáng)度[16]。但是在油氣增產(chǎn)等特殊應(yīng)用場(chǎng)合，自動(dòng)更替金屬絲難度較大，導(dǎo)致可靠性下降[17]。從激波的產(chǎn)生過(guò)程來(lái)看，不論是液電間隙放電，還是金屬絲爆，外回路相同時(shí)，激波強(qiáng)度均主要取決于等離子體通道的長(zhǎng)度。等離子體通道越長(zhǎng)，阻抗越大，電源注入通道的能量越大。電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率提高，激波強(qiáng)度提升[18,19]。

為模擬液電脈沖激波的油氣增產(chǎn)效果，本文建立了水中大電流脈沖放電激波試驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建了電氣、激波及光學(xué)等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了液電脈沖激波與電弧膨脹及空腔運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；谝弘娒}沖電弧調(diào)控技術(shù)，分析了液電脈沖激波能量的轉(zhuǎn)換效率及頻譜特性，采用混凝土試樣模擬油氣井護(hù)套及射孔周?chē)鷰r層。測(cè)試了激波強(qiáng)度及放電次數(shù)對(duì)射孔堵塞物的清理效果，模擬了激波對(duì)巖層的造縫效果。本文的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)促進(jìn)液電脈沖激波在油氣增產(chǎn)方面的應(yīng)用有一定借鑒意義。

1 液電脈沖激波增產(chǎn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)

液電脈沖激波增產(chǎn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，主要由充電單元、放電單元以及測(cè)量單元構(gòu)成。其中，儲(chǔ)能電容C=3.0μF，充電電壓為30kV。放電開(kāi)關(guān)采用觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)（Triggered Vacuum Switch, TVS）[20]。當(dāng)儲(chǔ)能電容充電至設(shè)定電壓，控制TVS導(dǎo)通，主電壓施加到液電脈沖間隙上。間隙完成擊穿，電弧及空腔膨脹，向外輻射強(qiáng)有力的激波。利用泰克P6015A高壓探頭和Pearson CT（Model: 301X）分別測(cè)量液電脈沖間隙兩端的電壓與電流波形。利用高速攝像機(jī)（Model：Photron FASTCAM SA5）測(cè)量電弧及空腔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。采用PCB壓力傳感探頭（Model：138A01）測(cè)量輻射出來(lái)的液電脈沖激波強(qiáng)度。

圖1 液電脈沖激波實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.1 Schematic diagram of the test stand for shock wave induced by underwater pulsed current discharge

試驗(yàn)中液體采用普通自來(lái)水，激波發(fā)射器封裝在膠膜內(nèi)部，以保證液電間隙的清潔及激波放電液體的電導(dǎo)率。發(fā)射器液電間隙周?chē)捎眯D(zhuǎn)拋物面設(shè)計(jì)，確保液電脈沖激波沿徑向發(fā)射，而無(wú)垂直分量對(duì)井壁造成損傷。

一次液電脈沖激波產(chǎn)生過(guò)程中，液電間隙兩端的電壓波形、流過(guò)間隙電流波形及液電脈沖激波的典型波形如圖2所示。液電間隙的預(yù)擊穿時(shí)延約為21μs。放電電流的第一個(gè)峰值Im=13.2kA，振蕩周期為33.0μs，經(jīng)過(guò)三次半波振蕩后電流衰減為零，電弧通道持續(xù)時(shí)間為66μs。壓力傳感探頭與液電脈沖激波發(fā)射間隙處于同一水平高度，二者之間的距離為17cm。由電流起始時(shí)刻與激波起始時(shí)刻的時(shí)間差可獲得液電激波在水中的傳播速度約為1 500m/s[15]。激波的上升時(shí)間約為4.8μs，幅值為6.31MPa。

圖2 電壓、電流及激波的典型波形Fig.2 Typical voltage, current, and shock wave waveforms in the experiment

預(yù)擊穿階段的泄漏電流導(dǎo)致電容器上有一定的能量損失。液電脈沖激波間隙擊穿時(shí)刻的電容器上能量為1.09kJ。這些能量大部分消耗在外回路的阻抗上，只有小部分能量通過(guò)液電脈沖電弧的阻抗注入了液電間隙，轉(zhuǎn)化為以激波為主的機(jī)械能以及光、熱、聲等輻射能。其中轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部分Ew(t)可通過(guò)實(shí)測(cè)激波波形進(jìn)行換算[21]。

式中，lsensor為激波源與壓力探頭的水平距離；ρ為水的密度；cs為水中聲速，cs=1 500m/s；p(t)為實(shí)測(cè)激波波形。由圖2可知，本次放電中轉(zhuǎn)化為激波機(jī)械能的能量為103J，對(duì)應(yīng)的電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率約為9.45%。若考慮到預(yù)擊穿階段的泄漏能量，整個(gè)放電過(guò)程中的電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率約為7.63%。由于外回路的阻抗大于液電脈沖電弧的阻抗，電能大部分被外回路所消耗。因此，應(yīng)盡可能降低外回路的自身阻抗，提高液電脈沖電弧的阻抗，進(jìn)而提高電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率，獲得更高強(qiáng)度的激波。

2 等離子體通道長(zhǎng)度對(duì)激波強(qiáng)度的影響

在外回路電氣參數(shù)受電容器、開(kāi)關(guān)及引線等限制時(shí)，進(jìn)一步降低外回路自身阻抗存在較大難度。本文研究通過(guò)液電脈沖電弧調(diào)控技術(shù)提高等離子體通道的長(zhǎng)度，進(jìn)而提高電弧通道阻抗。液電脈沖激波增產(chǎn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，對(duì)應(yīng)圖2所示的放電波形，同一次放電中的電弧、空腔發(fā)展及膨脹過(guò)程如圖3所示。圖3中，高速攝影機(jī)的拍攝速度為3μs/幀，曝光時(shí)間為0.26μs，光圈設(shè)置為F11，鏡頭前加1 000X的濾光片。高速攝影機(jī)通過(guò)光纖觸發(fā)控制器與TVS同步觸發(fā)。通過(guò)液電脈沖電弧調(diào)控技術(shù)，使得電弧的發(fā)展路徑具有一定隨機(jī)性，并不沿著最小間隙距離發(fā)展。本次放電過(guò)程中電弧長(zhǎng)度達(dá)到27.9mm。隨著電弧的快速膨脹，電弧周?chē)吹矫黠@的空腔形成及發(fā)展過(guò)程[18-22]。整個(gè)過(guò)程可分為三個(gè)階段。

圖3 電弧及空腔的膨脹過(guò)程Fig.3 Expansion of the arc and cavity

（1）電弧快速膨脹階段（21μs≤t≤30μs）。電流快速增長(zhǎng)，電弧體積膨脹，更加明亮。電弧直徑均勻增加，呈現(xiàn)柱狀。但此時(shí)由于電流的作用時(shí)間較短，通過(guò)焦耳效應(yīng)沉積的能量來(lái)不及氣化足夠液體形成空腔。

（2）空腔形成及膨脹階段（33μs≤t≤48μs）。電弧促使液態(tài)水迅速氣化形成空腔，圍繞電弧分布。由于電弧與氣泡的交界面折射率不同，電弧的亮度分布不均，電弧中心位置的亮度稍高于電弧外部的亮度。電弧與空腔的快速膨脹，向外輻射出激波。在該過(guò)程中，激波從最初的柱形波向外擴(kuò)散逐步演變?yōu)榍蛎娌▊鞑ァ?/p>

（3）空腔低速膨脹及破滅階段（51μs≤t）。放電電流呈現(xiàn)振蕩衰減，電流幅值逐漸降低。注入放電通道的能量速率降低，電弧亮度下降，空腔呈現(xiàn)低速膨脹。此次放電過(guò)程中，空腔的體積在t=51±3μs的時(shí)刻達(dá)到最大值，隨后由于注入電弧的能量低于光輻射、熱輻射等消耗的能量，空腔體積開(kāi)始由外向內(nèi)逐步收縮，最后破滅消散。該過(guò)程也會(huì)向外輻射激波，對(duì)應(yīng)圖2激波波形的第二個(gè)脈沖。

通過(guò)對(duì)液電脈沖電弧的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)控，可顯著提高電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率。在主電容為3μF，充電電壓為30kV的條件下，當(dāng)間隙距離分別為10mm、15mm和20mm時(shí)，激波強(qiáng)度與電弧長(zhǎng)度、主放電電流峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。一般認(rèn)為增大主放電電流的峰值，能有效提高激波強(qiáng)度。但從圖4a可以發(fā)現(xiàn)，隨著電弧長(zhǎng)度的增加，主放電電流的峰值下降，但是激波強(qiáng)度增加更明顯。由于液電脈沖放電電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率非常低（通常手段約為1%～2%），因此通過(guò)提高液電脈沖激波的轉(zhuǎn)換效率較提高儲(chǔ)能與電流峰值更為有效。同時(shí)，主放電電流的減小，能夠提高各主要放電器件（主要為脈沖電容器、開(kāi)關(guān)）在高溫下的工作特性及壽命。通過(guò)電弧長(zhǎng)度調(diào)控發(fā)現(xiàn)，激波強(qiáng)度主要取決于放電時(shí)刻的電弧長(zhǎng)度。由圖3結(jié)合式（1）分析可知，采用電弧調(diào)控技術(shù)后，電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率提高接近一個(gè)數(shù)量級(jí)，激波強(qiáng)度顯著提高。圖4給出了不同間隙距離下電流峰值、電弧長(zhǎng)度及激波強(qiáng)度之間的關(guān)系。由圖4可知，隨著間隙距離的增大，電弧的長(zhǎng)度下限值增加，激波強(qiáng)度有增強(qiáng)趨勢(shì)。在主回路電氣參數(shù)不發(fā)生改變的前提下，間隙距離進(jìn)一步增大，若能完成間隙的擊穿過(guò)程，電弧的下限長(zhǎng)度增加。對(duì)應(yīng)的電弧阻抗增大，意味著外回路注入電弧通道的能量增加，激波強(qiáng)度進(jìn)一步提高。因此，對(duì)應(yīng)電弧調(diào)控技術(shù)，應(yīng)在保證可靠擊穿前提下，盡量增大液電脈沖間隙的長(zhǎng)度與電弧長(zhǎng)度，獲取高強(qiáng)度激波。

圖4 不同間隙距離下電流峰值、電弧長(zhǎng)度及激波強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship of the peak current, arc length and shock wave under different gap distance

3 金屬絲爆與液電間隙激波強(qiáng)度對(duì)比

保持外回路電氣參數(shù)不變，壓力波探頭與放電中心的位置仍為17cm。采用直徑為0.34mm，長(zhǎng)度為20mm的黃銅絲跨接在間隙上。放電過(guò)程中電弧膨脹及空腔運(yùn)動(dòng)如圖5所示。等離子體通道與金屬絲重合，呈現(xiàn)直線型。流過(guò)金屬絲的電流的焦耳效應(yīng)將導(dǎo)致金屬快速氣化為電弧通道，隨后儲(chǔ)能電容的電能注入到電弧通道，從而使電弧通道持續(xù)性地膨脹，并伴隨著強(qiáng)光的輻射[23]。受高速攝像機(jī)的限制，金屬絲由固態(tài)到等離子體通道形成的過(guò)程沒(méi)有觀察到。

圖5 絲爆電弧及空腔的膨脹過(guò)程Fig.5 Expansion of the arc and cavity under the metal wire explosion

圖6所示為不同電弧長(zhǎng)度下直接液電脈沖放電激波強(qiáng)度與黃銅絲爆激波強(qiáng)度的對(duì)比。當(dāng)電弧長(zhǎng)度為27mm時(shí)，激波強(qiáng)度與20mm黃銅絲爆產(chǎn)生的激波強(qiáng)度相當(dāng)。而當(dāng)電弧達(dá)到43mm時(shí)，激波峰值可達(dá)到9.5MPa。從激波波形可以看出，直接液電間隙放電與黃銅絲爆產(chǎn)生的激波脈沖脈寬相似，表明在同等激波幅值下，二者的沖量是相當(dāng)?shù)?。不論采用金屬絲爆還是液電間隙直接放電，激波強(qiáng)度主要取決于等離子體通道的長(zhǎng)度。通過(guò)電弧調(diào)控技術(shù)，可顯著提高液電脈沖激波的強(qiáng)度。

圖6 液電脈沖激波與金屬絲爆激波對(duì)比Fig.6 Comparion of the shock wave intensity under different discharge mode

4 液電脈沖激波對(duì)射孔堵塞作用效果

對(duì)應(yīng)圖2所示的激波波形，圖7給出了激波的功率頻譜圖。由圖2可知，激波的頻率覆蓋范圍較寬，可達(dá)到10MHz[24,25]。液電脈沖放電頻譜的低頻段和高頻段均具有很強(qiáng)的聲輻射功率，因此是一種非常理想的超聲源[26]。低頻段的激波強(qiáng)度衰減速度較慢，傳播較遠(yuǎn)的距離仍能對(duì)周?chē)慕橘|(zhì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的機(jī)械作用。激波為能量密度很高的寬帶脈沖波，其高頻部分易形成陡峭的波陣面，能夠穿透井壁套管，給地層及射孔內(nèi)的油水、巖層等以較強(qiáng)的沖擊振動(dòng)力。高頻激波對(duì)油層空隙介質(zhì)能產(chǎn)生剪切作用，有利于油膜從顆粒表面脫落。

圖7 激波波形的功率頻譜圖Fig.7 Power spectrum of shock wave waveform

為保證放電的一致性，采用針-針電極、同樣的外放電回路參數(shù)和間隙距離，將壓力波傳感探頭置于離放電位置不同的水平位置，每個(gè)位置進(jìn)行10次測(cè)量，獲得激波峰值隨傳播距離的變化關(guān)系如圖8所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，可知激波峰值隨著傳播距離成冪函數(shù)衰減[21,27]。因此，在考慮液電脈沖激波的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要結(jié)合作用距離綜合考慮所需要的激波強(qiáng)度。只提出對(duì)激波強(qiáng)度的要求過(guò)于片面。

圖8 液電激波隨傳播距離的衰減關(guān)系Fig.8 Propagation characteristic of shock wave in water

油氣井在開(kāi)采過(guò)程中，射孔堵塞會(huì)影響液體的滲透性。為模擬液電脈沖激波對(duì)射孔堵塞物的作用效果，本文構(gòu)建了基于鋼筒為骨架的水泥筒。如圖9所示，鋼筒的內(nèi)徑為150mm，壁厚為5mm。在鋼筒上均勻布置7行7列射孔模擬孔，孔徑為10mm。在鋼筒外側(cè)澆筑壁厚為10mm的水泥環(huán)，水泥和砂的比例為1∶1。水泥為普通建筑用料，標(biāo)號(hào)為325#。樣品的抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度及彈性模量分別為19.6MPa，4.9MPa和17 300MPa。將該水泥筒置于自來(lái)水中，將液電脈沖激波發(fā)射器置于鋼筒內(nèi)。放電參數(shù)與上文中保持一致，激波作用前后的效果如圖9所示。

圖9 放電前后不銹鋼水泥桶外觀Fig.9 Appearance of steel-and-concrete cement sample before and after pulsed discharge

由圖9可見(jiàn)，液電脈沖激波作用1次后，約有一半的堵塞孔被疏通。3次放電后，水泥筒中部的疏通率達(dá)到100%，總體疏通率為83.7%。由于激波發(fā)射器的定向及增強(qiáng)作用效果，除堵塞孔外，水泥筒表面只發(fā)現(xiàn)幾條未貫穿的細(xì)微的縱向裂縫，未見(jiàn)橫向裂縫。后續(xù)通過(guò)激波強(qiáng)度的控制，可進(jìn)一步限制縱向裂縫的產(chǎn)生。水泥筒整體結(jié)構(gòu)保持良好，液電脈沖激波對(duì)射孔堵塞物的破碎作用并未對(duì)外護(hù)套形成破壞[28]。

5 液電脈沖激波對(duì)巖層的造縫效果

無(wú)圍壓時(shí)，單次脈沖放電的能量越高次數(shù)越大以及巖樣滲透率越高，脈沖放電激波對(duì)巖層的造縫效果越好[28,29]。當(dāng)放電能量在1～2.5kJ時(shí)，任何巖芯都存在一個(gè)門(mén)限滲透率值，約為Ke=0.1×10-3μm-2。當(dāng)巖芯的滲透率大于該值時(shí)，采用液電脈沖激波能夠顯著提高滲透率[11]。隨著激波強(qiáng)度或者作用次數(shù)的增加，滲透率達(dá)到一定值后，繼續(xù)采用激波進(jìn)行處理，能夠在巖芯內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，形成滲流的主要通道。

為了測(cè)試激波對(duì)巖層的造縫效果，采用水泥環(huán)作為液電脈沖激波造縫效果的試驗(yàn)對(duì)象。水泥環(huán)樣品中水泥和砂比例為1∶1。樣品外徑為670mm，內(nèi)徑為130mm，高度為500mm。液電脈沖激波發(fā)射器位于中間空洞的中心位置，放電介質(zhì)采用自來(lái)水。外回路放電參數(shù)與上文中保持一致。圖10給出了激波作用前、后水泥環(huán)樣品的外觀變化。液電脈沖激波作用9次后，在樣品表面出現(xiàn)了細(xì)微的貫穿性裂縫。隨著作用次數(shù)的增加，裂縫逐漸加寬加深。激波作用12次后，樣品表面新增一條裂縫。激波作用16次后，整個(gè)水泥環(huán)樣品沿著最開(kāi)始的裂縫斷裂成兩半。貫穿性的平面型裂縫基本上沿徑向伸張，表明多次激波作用效果可通過(guò)累積效應(yīng)不斷延伸裂縫的作用范圍。對(duì)于井下狹小的作業(yè)空間，大幅度提高激波強(qiáng)度，難度較大?？赏ㄟ^(guò)提高儀器的工作頻率，通過(guò)多次激波作用的累積效應(yīng)提高造縫效果。

圖10 放電前后水泥環(huán)外觀Fig.10 Appearance of cement mortar sample before and after pulsed discharge

6 結(jié)論

液電脈沖激波強(qiáng)度主要取決于等離子體通道的長(zhǎng)度。等離子體通道的增加使得外回路注入液電脈沖間隙的能量增加，激波強(qiáng)度更強(qiáng)。本文提出的液電脈沖電弧調(diào)控技術(shù)，在保證液電間隙可靠擊穿的前提下，等離子體通道的長(zhǎng)度顯著增加，激波強(qiáng)度提高。與金屬絲爆相比，采用液電間隙直接放電時(shí)，若等離子體通道的長(zhǎng)度相當(dāng)，所獲取的激波強(qiáng)度差別不大。

液電脈沖激波在液體中傳播時(shí)，其峰值隨著傳播距離成冪函數(shù)衰減。因而需要結(jié)合作用距離綜合評(píng)估所需的激波強(qiáng)度?；谒嗤埠退喹h(huán)樣品，采用液電脈沖激波模擬了無(wú)圍壓下的油氣井射孔堵塞解除及造縫效果。結(jié)果表明液電脈沖激波能夠有效解除射孔堵塞，并通過(guò)多次作用的累積效應(yīng)在巖層中產(chǎn)生有效裂縫。本文的模擬試驗(yàn)研究能夠?yàn)榛谝弘娒}沖激波的油氣增產(chǎn)設(shè)備初始設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。但需要指出的是，本文的模擬試驗(yàn)是在無(wú)圍壓情況下開(kāi)展的，實(shí)際深地層的高靜壓可能對(duì)液電脈沖激波的作用效果產(chǎn)生影響，因此需要進(jìn)一步開(kāi)展高靜壓下的液電脈沖激波作用效果試驗(yàn)。

[1] 張光焰, 王志勇, 劉延濤, 等. 國(guó)內(nèi)注聚井堵塞及化學(xué)解堵技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 油田化學(xué), 2006, 23(4): 385-388, 374. Zhang Guangyan, Wang Zhiyong, Liu Yantao, et al. Blockage creation in polymer injection wells and chemical ways of blockage removal: a review[J]. Oilfield Chemistry, 2006, 23(4): 385-388, 374.

[2] 姜瑞忠, 蔣廷學(xué), 汪永利. 水力壓裂技術(shù)的近期發(fā)展及展望[J]. 石油鉆采工藝, 2004, 26(4): 52-57, 84. Jiang Ruizhong, Jiang Tingxue, Wang Yongli. Present development and prospecting of hydraulic fracturing technology[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2004, 26(4): 52-57, 84.

[3] 李偉翰, 顏紅俠, 王世英, 等. 多脈沖高能氣體壓裂-熱化學(xué)解堵綜合增產(chǎn)技術(shù)[J]. 數(shù)字石油, 2005, 22(3): 223-226. Li Weihan, Yan Hongxia, Wang Shiying, et al. Mitli-pulse high energy gas fracturing/thermochemical blockage relieving combined method for reservoir stimulation[J]. Oilfield Chemistry, 2005, 22(3): 223-226.

[4] 張永民, 邱愛(ài)慈, 周海濱, 等. 面向化石能源開(kāi)發(fā)的電爆炸沖擊波技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(4): 1009-1017. Zhang Yongmin, Qiu Aici, Zhou Haibin, et al. Research progress in electrical explosion shockwave technology for developing fossil energy[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(4): 1009-1017.

[5] Chen W, Maurel O, Reess T, et al. Experimental study on an alternative oil stimulation technique for tight gas reservoirs based on dynamic shock waves generated by pulsed arc electrohydraulic discharges[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012, 88(89): 67-74.

[6] 秦勇, 邱愛(ài)慈, 張永民, 等. 高聚能重復(fù)強(qiáng)脈沖波煤儲(chǔ)層增滲新技術(shù)試驗(yàn)與探索[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2014, 42(6): 1-7, 70. Qin Yong, Qiu Aici, Zhang Yongmin, et al. Experiment and discovery on permeability improved technology of coal reservoir based on repeated strongpulse waves of high energy accumulation[J]. Coal Science and Technology, 2014, 42(6): 1-7, 70.

[7] 王聰, 王浩, 白利軍. 煤層氣抽采機(jī)感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行最優(yōu)速度曲線控制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(11): 75-83. Wang Cong, Wang Hao, Bai Lijun. Research on control strategy based on optimal speed curve of induction motor for CBM-well pumping units[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(11): 75-83.

[8] 韓波, 王新新, 郭志剛, 等. 脈沖大電流放電技術(shù)在疏通油井上的應(yīng)用[J]. 電工電能新技術(shù), 1998(1): 38-42. Han Bo, Wang Xinxin, Guo Zhigang, et al. Applications of impulse discharge with high current technique on oil well plug-releasing[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 1998(1): 38-42.

[9] 孫鳳舉, 曾正中, 邱毓昌, 等. 一種用于油水井解堵的脈沖大電流源[J]. 高電壓技術(shù), 1999, 25(2): 47-49. Sun Fengju, Zeng Zhengzhong, Qiu Yuchang, et al. Pulse high current power supply used for dredging oil & water well[J]. High Voltage Engineering, 1999, 25(2): 47-49.

[10] Blue Spark Energy Corporation. WASP-Wireline Applied Stimulation Pulses[EB/OL]. http://www. bluesparkenergy.net.

[11] 賈富澤, 李幸蘭, 李建勇, 等. 低頻電脈沖解堵技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2006, 32(5): 172-173. Jia Fuze, Li Xinglan, Li Jianyong, et al. Impulse discharge stimulation technique applied to oil wells plug-releasing[J]. Inner Mongolian Petrochemical Industry, 2006, 32(5): 172-173.

[12] 陸小兵, 王守虎, 隋蕾, 等. 電脈沖解堵增注機(jī)理分析及應(yīng)用[J]. 天然氣與石油, 2011, 29(6): 61-62. Lu Xiaobing, Wang Shouhu, Sui Lei, et al. Analysis and application of electronic pulse de-plugging and injection-adding mechanism[J]. Oil and Gas Field Development, 2011, 29(6): 61-62.

[13] 孫鷂鴻, 孫廣生, 嚴(yán)萍. 大功率電脈沖采油技術(shù)原理與應(yīng)用[J]. 鉆采工藝, 2002, 25(5): 53-55. Sun Yaohong, Sun Guangsheng, Yan Ping. Highpower electrical impulse oil recovery technology and its application[J]. Drilling & Production Technology, 2002, 25(5): 53-55.

[14] 金明劍, 孫鷂鴻. 不同參數(shù)條件下水中脈沖放電的電學(xué)特性研究[J]. 高電壓技術(shù), 2004, 30(7): 46-49. Jin Mingjian, Sun Yaohong. The electrical characteristics of underwater pulsed discharge under different experiment parameters[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(7): 46-49.

[15] Claverie A, Deroy J, Boustie M, et al. Experimental characterization of plasma formation and shockwave propagation induced by high power pulsed underwater electrical discharge[J]. Review of Scientific Instruments, 2014, 85(6): 0637(1-8).

[16] Fedotov-Gefen A, Efimov S, Gilburd L, et al. Generation of a 400GPa pressure in water using converging strong shock waves[J]. Physics of Plasmas (1994-present), 2011, 18(6): 062701(1-8).

[17] Zhou H, Han R, Liu Q, et al. Generation of electrohydraulic shock waves by plasma-ignited energetic materials: II. influence of wire configuration and stored energy[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, 43(12): 4009-4016.

[18] Touya G, Reess T, Pecastaing L, et al. Development of subsonic electrical discharges in water and measurements of the associated pressure waves[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, 39(24): 5236-5244.

[19] 孫建軍, 張穎杰, 莊海, 等. 水下大電流脈沖放電仿真與實(shí)驗(yàn)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(增): 67-72. Sun Jianjun, Zhang Yingjie, Zhuang Hai, et al. Simulation and experiment of underwater high current pulse discharge[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(S): 67-72.

[20] 毛曉坡, 何正浩, 王英, 等. 激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)的目標(biāo)材料觸發(fā)特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31（9）: 169-173. Mao Xiaopo, He Zhenghao, Wang Ying, et al. Triggered characteristics of the target material within laser triggered vacuum switches[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(9): 169-173.

[21] 王一博. 水中等離子體聲源的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2012.

[22] Stelmashuk V. Time evolution of a high-voltage discharge in water with shock wave assistance in a pin to pin geometry[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(10): 2614-2615.

[23] 周海濱, 韓若愚, 吳佳瑋, 等. 水中銅絲電爆炸放電通道模型及仿真[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(9): 2943-2949. Zhou Haibin, Han Ruoyu, Wu Jiawei, et al. Model and simulation study of discharge channel during underwater Cu wire explosion[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(9): 2943-2949.

[24] 翟國(guó)富, 薄凱, 李慶楠, 等. 直流電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重?fù)舸┈F(xiàn)象及機(jī)理研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(11): 105-113. Zhai Guofu, Bo Kai, Li Qingnan, et al. Research on restriking phenomena and mechanism during DC arc motion process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(11): 105-113.

[25] 盧新培, 潘垣, 張寒虹. 水中脈沖放電的電特性與聲輻射特性研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2002, 51(7): 1549-1553. Lu Xinpei, Pan Yuan, Zhang Hanhong. The electrical and acoustical characteristics of pulsed discharge in water[J]. Acta Physica Sinica, 2002, 51(7): 1549-1553.

[26] Oison A H, Sutton S P. The physical mechanisms leading to electrical breakdown in underwater arc sound sources[J]. Journal of Acoustic Sciences, 1993, 94: 2226-2231.

[27] 朱璐, 黃倩, 徐宇航, 等. 脈沖電弧液電放電壓力波特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(10): 3518-3522. Zhu Lu, Huang Qian, Xu Yuhang, et al. Experimental research on pressure waves of pulse arc electrohydraulic discharge[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(10): 3518-3522.

[28] Zhekul V G, Poklonov S G, Smirnov A P. Experimental studies of the effectiveness of the electro-discharge effect on a physical model of the bottom-hole zone of the productive layer[J]. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2011, 47(1): 89-93.

[29] 章志成, 裴彥良, 劉振, 等. 高壓短脈沖作用下巖石擊穿特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(7): 1719-1724. Zhang Zhicheng, Pei Yanliang, Liu Zhen, et al. Experimental research on rock breakdown under short high-voltage pulse[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(7): 1719-1724.

Experiments on the Fracture of Simulated Stratum by Underwater Pulsed Discharge Shock Waves

Liu Yi Li Zhiyuan Li Xiandong Lin Fuchang Pan Yuan
（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

Under repetitive dynamic shock waves, the blockage at the oil well perforation can be broken and removed from the bore-hole wall, and the fracture to increase the permeability of the hole-bottom region can be formed. Then the oil production of the well is improved. In this paper, a test platform of the oil well stimulation based on the electrohydraulic shock waves was designed and constructed. The electrical parameters, shock wave intensity, and expansion process of the plasma channel and cavity were observed. The preliminary experiments were carried out on some hollow cylinder concrete specimens. The influence of the injected electrical energy and the applied shock wave shot number on the fracture of the specimen was investigated. The experimental results show that the shock wave can increase the permeability.

Oil/gas stimulation, electrohydraulic effect, shock wave, liquid plasma, pulsed current arc

TM89

劉 毅 男，1985年生，講師，研究方向?yàn)橐弘娒}沖等離子體及其應(yīng)用、電力設(shè)備故障診斷。

E-mail: yiliu@hust.edu.cn（通信作者）

李志遠(yuǎn) 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橐弘娒}沖等離子體及其應(yīng)用。

E-mail: 970111931@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51507070）。

2016-05-32 改稿日期 2016-07-17