4.6 GHz高功率微波巖石鉆探技術

王修昌， 趙連敏， 吳大俊*， 胡懷傳， 程 敏， 劉 勝，周泰安， 王 健， 張立元， 吳則革， 王曉潔

(1.中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所， 合肥 230031； 2.中國科學技術大學研究生院科學島分院， 合肥 230026)

機械鉆探作為當前主流的開采地下深層礦產(chǎn)資源的方式，其技術已經(jīng)比較成熟[1]。但是由于接觸式鉆探刀具、鉆頭等磨損程度較大，對于高溫堅硬巖石的鉆探(如地熱能等)仍然存在較大的限制[2-3]。因此研究非接觸式破巖的方法具有重要意義，當前大部分非接觸式破巖方法(如激光、微波破巖)依靠高溫熔化巖石來進行[4]。自從20世紀60年代激光發(fā)明以來，一直希望能夠使用激光這樣的高能能量束進行鉆探，但是由于激光的波長較短，在傳輸?shù)较鄳獛r石表面之前容易被汽化顆粒物散射，持續(xù)鉆探能力弱；其次高功率激光源效率較低，使用成本大，因此激光鉆井技術目前仍停留在實驗室研究階段[5-8]。微波是頻率介于300 MHz～300 GHz的電磁波，其波長較激光更長，加熱巖石形成的粉塵顆粒物不會影響波束傳輸，且當前穩(wěn)態(tài)大功率微波源技術已經(jīng)獲得長足發(fā)展，因此高功率微波在鉆探方面的探索應用逐漸成為研究的重點[9-11]。具體應用形式上主要分為微波能輔助破巖和微波能直接輻射加熱兩種。

由于微波電磁場模式不同以及微波與巖石的耦合功率等因素，當前主要集中在微波輔助破巖方面的研究[12-13]。國外Hassani等[14]通過有限元模擬分析了微波照射對巖石單軸強度的影響；國內(nèi)的戴俊等[15]在室內(nèi)進行微波照射玄武巖試驗，發(fā)現(xiàn)玄武巖經(jīng)微波照射后，其抗拉強度明顯下降，驗證了微波對巖石的作用效果；盧高明等[16]研究微波照射參數(shù)對微波破巖效果的影響，室內(nèi)試驗證明高功率短時間微波照射更容易使巖石破裂。

在直接輻射加熱研究方面，國內(nèi)徐正曉等[17]研究利用大功率微波源對含油地層進行輻射增能的新型采油方式；胡亮等[18]建立了微波鉆探井下環(huán)境宏觀模型，模擬頻率2.45 GHz微波在巖石中傳播衰減、熱量轉化及對巖石的影響，使仿真效果更加接近真實情況。美國麻省理工學院(MIT)[19]已于2014年建立起以回旋管為微波源的28 GHz/10 kW實驗平臺并且開展了相應的巖石鉆探實驗。

目前中外在微波鉆探方面的探索及公開發(fā)表文獻相對較少，因此有必要開展高功率微波鉆探技術相關的理論實驗研究。為此，本文研究基于已有的4.6 GHz/250 kW高功率實驗平臺開展鉆探技術研究，首先闡明微波加熱的基本原理和影響溫升速率的因素；使用相關仿真軟件[20]，采用多物理場耦合法模擬發(fā)射波導在TE11模式下與巖石腔體的電場分布，并計算微波波束作用下巖石樣品的溫度變化；在平臺上進行實驗并觀察在相應入射功率下的巖石介質燒蝕現(xiàn)象，積累實驗數(shù)據(jù)以探索高功率微波鉆探的技術可行性，以期為后續(xù)的微波鉆探技術應用于實際鉆井工程提供理論和實驗指導。

1 微波加熱原理

1.1 基本原理分析

微波加熱是物質內(nèi)極性分子在不斷變化的高頻電磁場中發(fā)生摩擦損耗(圖1)，從而將電磁能轉變?yōu)闊崮?，這種方式在加熱速率及效果等方面更具優(yōu)勢。

圖1 極性分子運動方式

介質材料的復介電常數(shù)通?？梢杂檬?1)表示：

εr=ε′-jε″=ε′(1-jtanδ)

(1)

式(1)中：ε′為介質復介電常數(shù)實部；ε″為介質的復介電常數(shù)虛部；j為虛數(shù)單位；tanδ為損耗角正切。

當電介質發(fā)生極化現(xiàn)象時，極化強度P和電位移矢量D的關系[21]為

D=ε0E+P=ε0εrE

(2)

式(2)中：D為電位移矢量；ε0為真空中的介電常數(shù)；P為極化強度；E為介質所處位置的電場強度。由式(2)可得極化強度的大小與復介電常數(shù)有關，一般通過材料復介電常數(shù)的實部和介電損耗因子大小來分析材料的微波吸收性能。

1.2 功率吸收計算

微波加熱效率和微波的頻率、電場強度及材料復介電常數(shù)的虛部值相關，單位體積內(nèi)材料吸收的功率密度Pe可通過式(3)[22]計算：

(3)

式(3)中：f為外加電磁波頻率；ε0為真空中的介電常數(shù)；ε″為介質的復介電常數(shù)虛部；u0為真空中的磁導率；u″為介質的復磁導率虛部；E和H分別為平均電場強度大小與平均磁場強度大小。由于地下巖石多為非磁性材料，因此在計算巖石吸收功率時，式(3)的第二項可以忽略不計。

相應介質材料的平均溫升速率為

(4)

式(4)中：ρ為介質材料密度，kg/m3；Cm為介質材料比熱容，J/(kg·K)。從式(4)中可以看出，增加電場強度即增加功率與升高微波頻率均可以提高介質材料的溫升速率。介質本身的物理參數(shù)如密度ρ、比熱容Cm也有較大的影響，所以當材料的基本物理參數(shù)確定后，即可計算材料在微波場下的溫升。

2 理論仿真

2.1 模型構建

巖石微波加熱實驗在巖石腔體中進行，圖2為與實際實驗工況相符的仿真模型。模型中發(fā)射波導為光滑圓波導，其內(nèi)直徑d為55 mm，長度195 mm；巖石介質放置于直徑376 mm，高度540 mm的金屬圓柱腔體中，腔體內(nèi)壁排列水管以吸收巖石散射波。利用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics進行模擬，入射功率設為10 kW，材質為方塊狀玄武巖，尺寸為150 mm×150 mm×50 mm，基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 玄武巖基本物理參數(shù)

圖2 微波加熱巖石模型

求解頻率f0為4.6 GHz，網(wǎng)格劃分的最大單元尺寸為0.1×λ(λ為求解頻率對應的波長)，求解的相對容差設為1×10-5以保證足夠高的精度。對模型的端口及邊界條件等進行了如下的基本設置：①發(fā)射波導傳輸模式為TE11模；②巖石腔體邊界為理想電導體；③玄武巖表面為輻射邊界。

2.2 電場及溫度分布仿真結果

頻率4.6 GHz 的微波能量傳輸至圓柱形巖石腔體內(nèi)的玄武巖介質上，本研究主要模擬入射功率為10 kW時的電場強度分布及玄武巖溫度分布。

整個腔體的瞬時電場強度分布如圖3(a)所示，微波能量到達巖石表面并穿透巖石，在巖石介質的表面和內(nèi)部均存在較大電場強度。圖3(b)為入射端口處TE11模式電場分布，中心電場強度最大值為1.1×105V/m且電場強度呈橢圓分布。

圖3 電場強度分布

當巖石介質距離圓波導末端2 cm時，巖石上表面的橫向電場強度分布如圖4(a)所示，中心位置仍然呈現(xiàn)和波導端口相似的電場強度分布，在中心位置處的電場強度為5×104V/m，巖石附近的電場強度較為集中且會產(chǎn)生較高的功率損耗，而腔體內(nèi)的其他位置電場相對分散。圖4(b)為與電場強度相對應的玄武巖開始燒蝕時的瞬時溫度分布，整體溫度分布呈現(xiàn)與電場分布類似的橢圓形，中心區(qū)域溫度可達3 000 K以上，因此中心位置會最先出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。

圖4 玄武巖上表面電場及三維溫度分布

如圖5所示的20 s內(nèi)玄武巖最大溫度變化表明，初始溫升速率約為60 K/s，并且與所加微波時間基本呈現(xiàn)正比關系，由于介質內(nèi)部的熱傳導使得溫度擴散，導致最大溫升速率略低于式(4)理論計算的80 K/s。

圖5 20 s內(nèi)的最大溫度曲線

由圖5虛線與實線對比可以看出，在加熱過程中，隨著溫度的升高，溫升速率會逐漸下降，這是因為在高溫時的輻射功率損耗及實驗中吹氣導致的對流功率損耗相對較高。

3 4.6 GHz實驗分析

3.1 微波實驗平臺系統(tǒng)結構

4.6 GHz高功率實驗平臺如圖6所示，主要組成部分包括波源速調(diào)管、環(huán)行器、定向耦合器、矩形波導傳輸、矩形-圓波導變換、發(fā)射波導和巖石腔體(負載)。平臺上的微波器件均配有水冷管道以保障系統(tǒng)長時間運行而不會過熱，此外，平臺還有提供能量的高壓電源系統(tǒng)及運行所需的監(jiān)控保護系統(tǒng)等。在圖6的系統(tǒng)布局中，巖石介質與整條傳輸線處于同一水平線，但是在實驗過程中發(fā)現(xiàn)由于熱應力剝落的巖石碎片容易飛濺進入發(fā)射波導口造成打火，所以將發(fā)射波導及巖石腔體改成垂直向下結構[23]，盡量減小打火造成的影響。

圖6 4.6 GHz高功率實驗平臺

如圖7所示，巖石腔體主要由發(fā)射波導、巖石介質和連接水冷系統(tǒng)的水管組成，發(fā)射波導末端與巖石介質的距離可調(diào)。用于吸收雜散功率的Teflon水管布置于圓柱形巖石腔體內(nèi)壁，冷卻水系統(tǒng)的水溫和流速均可監(jiān)測。

圖7 巖石腔體內(nèi)部結構

3.2 功率測量及實驗結果分析

實驗平臺上加熱巖石的入射功率和反射回波導的功率可通過定向耦合器采集，波源的輸出功率通過高壓電源系統(tǒng)的電壓進行控制。通過數(shù)據(jù)的采集與處理可以得到基本的系統(tǒng)功率分布情況[24]。表2記錄了實驗過程中主要的3次實驗數(shù)據(jù)。

表2 不同樣品實驗數(shù)據(jù)

實驗中由于巖石和微波處于失配狀態(tài)，易發(fā)生打火阻礙微波傳輸，打火后需關閉高壓電源切斷功率輸出。在不發(fā)生打火保護的情況下，系統(tǒng)運行至設定時間關閉功率輸出。運行時間420 s的速調(diào)管正向輸出功率和巖石反射回波導的功率變化如圖8所示，速調(diào)管輸出功率約為10 kW，初始反射功率約為2 kW，持續(xù)時間約25 s，然后隨著實驗進程反射功率逐漸升高至4 kW，功率分布保持穩(wěn)定至實驗結束。圖8中正向功率的波動是由于信號采集的檢波器波動引起的，以其中間值作為正向功率。

圖8 實驗No.1功率分布

實驗樣品No.1在入射25 s后開始出現(xiàn)明顯溫度變化，與反射功率開始上升時間點相對應(如圖8黑色虛線框所示)，而實驗樣品No.2出現(xiàn)明顯溫度變化的時間點約為40 s。實驗樣品No.3是與玄武巖同尺寸的砂巖樣品，在相同的入射功率和時間下與No.1玄武巖的實驗結果進行對比。

圖9為通過內(nèi)窺鏡觀察到的入射功率10 kW時No.1樣品加熱過程中腔體內(nèi)部圖像。由于巖石正在被加熱溫度升高，從圖9可以看出巖石表面亮度有非常明顯的變化，中心區(qū)域幾乎呈現(xiàn)白色的光亮，溫度最高。

圖9 實驗No.1腔體內(nèi)部圖像

圖10為加熱時間結束后還未完全冷卻的No.1玄武巖樣品，中心區(qū)域體現(xiàn)出很好的加熱效果，已經(jīng)燒蝕成熔融態(tài)，燒蝕區(qū)域的直徑約為60 mm。玄武巖除了中心燒蝕區(qū)域外，上表面其他部分并沒有出現(xiàn)因為高溫導致的明顯顏色變化。

圖10 10 kW/420 s條件下實驗No.1玄武巖燒蝕現(xiàn)象

如圖10玄武巖樣品實驗結果所示，微波照射冷卻后產(chǎn)生黑色玻璃態(tài)。從熔化區(qū)域的中心將該巖石切成一半測量黑色熔體最大深度約20 mm，樣品右側與下方延伸的裂縫是由溫度梯度產(chǎn)生的熱應力引起的。玄武巖在實驗過程中產(chǎn)生較多裂縫，更加容易發(fā)生劇烈地破碎。與實驗No.1相比，實驗No.2的入射功率低于實驗No.1，最終燒蝕面積及深度也相對較小。

如圖11所示，在相同的入射功率和時間下，砂巖燒蝕區(qū)域的最大直徑約為55 mm，明顯溫度變化區(qū)域的直徑約為80 mm，沒有玄武巖的燒蝕面積大。由于加熱區(qū)域溫升不同導致砂巖表面出現(xiàn)明顯顏色差異，與圖4電場強度分布和模擬的溫升區(qū)域基本吻合。與玄武巖相比，砂巖由于熱應力產(chǎn)生的裂紋明顯更大，但是砂巖表面沒有巖石碎片脫落。

圖11 10 kW/420 s條件下實驗No.3砂巖燒蝕現(xiàn)象

4.6 GHz微波加熱巖石的相關實驗表明高功率微波對多種巖石具有較好的燒蝕作用，燒蝕區(qū)域與電磁場分布和功率大小相關。在實驗過程中逐漸升高入射功率時，通過內(nèi)窺鏡觀察到巖石表面的發(fā)光區(qū)域更大、亮度更高。圖12為不同功率下玄武巖和砂巖測量到的最大燒蝕直徑對比，結果顯示隨著入射功率的增加，電場強度升高相應地燒蝕區(qū)域隨之擴大。電場強度分布導致巖石內(nèi)部存在很高的溫度梯度從而產(chǎn)生較大熱應力[25-27]，實驗觀察到玄武巖和砂巖這兩種巖石介質均發(fā)生了不同程度的破裂，但在實驗過程中通過四周的固定可保證樣品的完整。

圖12 不同功率下燒蝕直徑對比(t=420 s)

4 結論

在理論分析的基礎上開展了4.6 GHz微波加熱巖石的模擬分析及實驗研究，對比仿真結果及實驗現(xiàn)象得出以下結論。

(1)玄武巖介質材料在10 kW的微波功率下有較快的溫升速率。實驗結果的介質溫升區(qū)域與仿真結果有較好對應關系，并且最終在玄武巖和砂巖上分別燒蝕出直徑約60 mm和55 mm的熔池。

(2)仿真和實驗皆表明高功率微波能量可以對硬巖石有很好的燒蝕效果，燒蝕的孔徑大小與微波波束尺寸及入射功率大小成正比。

(3)通過以上的分析驗證了微波能量用于巖石鉆探存在技術可行性，但是在實驗過程中由于巖石介質并不是匹配負載，所以需要解決高功率下的反射功率過高及打火保護問題。接下來將進一步探索更高頻段/功率的微波是否能夠更加快速地加熱穿透巖石。