高壓電脈沖破巖試驗(yàn)裝置的研制

梁麗，肖一標(biāo)，李大鵬，段隆臣，張鋒，李昌平

（1.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著石油、天然氣、地?zé)峋瓤碧介_發(fā)鉆井深度的不斷增加，傳統(tǒng)機(jī)械鉆具在深孔、超深孔及硬巖鉆進(jìn)時(shí)，具有鉆探效率低、鉆井費(fèi)用高等缺點(diǎn)，高效破巖鉆進(jìn)技術(shù)的研究勢(shì)在必行［1］。高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)是一種新型的碎巖技術(shù)，它利用脈沖放電產(chǎn)生的沖擊波、射流或等離子通道的力學(xué)效應(yīng)使巖石產(chǎn)生裂紋直至破碎。研究表明，高壓電脈沖鉆進(jìn)在超深井鉆進(jìn)中具有廣闊前景。其鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)成本受鉆進(jìn)深度的影響較小，較低的鉆頭磨損降低了起下鉆次數(shù)、降低了輔助作業(yè)時(shí)間，加之在硬巖中較高的鉆進(jìn)速度，使得這種方法在深鉆、超深鉆中具有較大的發(fā)展前景［2-7］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電脈沖破巖裝置的研究主要包括高壓脈沖電源、脈沖鉆機(jī)、電火花開關(guān)及傳輸電纜等的研究與開發(fā)。Kovalchuk等人［8-9］研發(fā)了兩種具有較高的輸出功率和可操作性的便攜式高壓脈沖發(fā)生器。Timoshkin等人［10］研發(fā)了等離子通道鉆機(jī)，可以在中硬砂巖中16 cm/min切割出輪廓清晰的圓孔，比能量低至400 J/cm3。2009年，挪威建立了一個(gè)電脈沖鉆進(jìn)技術(shù)演示平臺(tái)，在當(dāng)?shù)氐膱?jiān)硬巖石上鉆了一個(gè)直徑為15 in（1 in=25.4 mm）的淺孔，隨后在2011年，首次將電脈沖鉆頭與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)結(jié)合，以19 cm3/脈沖的速度鉆進(jìn)花崗巖基質(zhì)材料［11］。瑞士公司Selfrag AG研發(fā)了世界上第一個(gè)商業(yè)化的高壓電脈沖選擇性破碎裝置Selfrag Lab，目前，該裝置已被用于高壓脈沖破巖實(shí)驗(yàn)［12-13］。國(guó)內(nèi)對(duì)電脈沖破巖研究較晚，與國(guó)外電脈沖破巖及鉆進(jìn)技術(shù)有一定差距［1］，但在氣體開關(guān)、電纜等領(lǐng)域取得了顯著成果。彭朝釗［14］設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)壽命三電極氣體開關(guān)，有效地延長(zhǎng)了電極使用壽命。季念迎［15］等人開發(fā)了高壓脈沖傳輸電纜；陳煒峰等人［16］開發(fā)了基于光纖傳輸?shù)母邏好}沖測(cè)試系統(tǒng)，相比于同軸電纜測(cè)量，該系統(tǒng)有抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸不失真等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)從事高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置的研究單位較少，并且研究還處于樣機(jī)設(shè)計(jì)和研發(fā)階段，國(guó)內(nèi)缺少一種功能完善、便于操作的高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置。

本文設(shè)計(jì)制造了一種用于高壓電脈沖破巖的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、裝拆和轉(zhuǎn)運(yùn)方便，并配備了不同直徑的鉆頭，可直接連接脈沖功率電源高低壓電極的連接電纜，進(jìn)行電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)。在一定的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了不同直徑鉆頭的放電實(shí)驗(yàn)，巖石破碎效果良好，該裝置在電脈沖破巖鉆進(jìn)的研究工作中具有良好的應(yīng)用前景。

1 電脈沖破巖的原理

俄羅斯學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，巖石、水、絕緣油和空氣4種介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)有如圖1所示的關(guān)系。絕緣油介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，在脈沖和直流的情況下都比巖石、水和空氣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)要高?？諝獾膿舸﹫?chǎng)強(qiáng)較低，這表明無論是施加直流電壓或是脈沖電壓，空氣都比巖石和水更容易擊穿。而在脈沖電壓上升沿<500 ns時(shí)，巖石的擊穿場(chǎng)強(qiáng)小于水。這表明若對(duì)巖石和水施加同樣的電壓，當(dāng)電壓上升沿足夠快（小于500 ns）時(shí)，巖石先于水被擊穿，脈沖電流從巖石內(nèi)部流過；若電壓上升沿>500 ns，則施加高壓的兩電極會(huì)在水中或巖石表面完成擊穿，沒有電流會(huì)從巖石內(nèi)部流過［1，17-19］。

圖1 不同介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)與脈沖電壓上升時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the breakdown field intensity of different media and the rise time of pulse voltage

根據(jù)放電通道位置及作用力方式不同，高壓電脈沖放電破巖可分為液電效應(yīng)破巖和電脈沖破巖。液電效應(yīng)破巖其放電通道在液體介質(zhì)中，巖石破巖的主要?jiǎng)恿碜杂诜烹姰a(chǎn)生沖擊波、氣泡潰滅和壓力波等機(jī)械力。電脈沖破巖放電等離子體主要發(fā)生在巖石內(nèi)部，巖石破碎動(dòng)力來自于等離子體通道膨脹時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。國(guó)外學(xué)者對(duì)比液電效應(yīng)破巖和電脈沖破巖后發(fā)現(xiàn)：電脈沖破碎效率更高，電脈沖破巖比液電效應(yīng)破巖能耗低，同功率下電脈沖破巖效果更好［19-22］。

2 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

方案一如圖2所示，主要包括鋁型材支架、電葫蘆、鋼絲繩、電極鉆頭、圍壓缸、水泵、水平移動(dòng)裝置、液壓泵站。液壓泵站用于給圍壓缸組件提供壓力油，圍壓缸用于實(shí)現(xiàn)對(duì)深井圍壓環(huán)境的模擬［23］。水平移動(dòng)裝置用于實(shí)現(xiàn)圍壓缸的水平前后移動(dòng)，它可在進(jìn)行巖石破碎實(shí)驗(yàn)前，將圍壓缸移出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以便放置巖石樣品；或是在巖石破碎后方便進(jìn)行回收和清理。水泵的作用為實(shí)現(xiàn)絕緣液體介質(zhì)的循環(huán)，用于排除巖屑以免重復(fù)破碎。絕緣液體介質(zhì)一般采用絕緣油或去離子水，用于保證放電時(shí)先擊穿較低擊穿場(chǎng)強(qiáng)的巖石，同時(shí)也可用于攜帶放電破碎時(shí)產(chǎn)生的巖屑。鋼絲繩、電葫蘆等主要用于讓電極鉆頭上下垂直移動(dòng)保證電極鉆頭與巖石接觸。鋁型材支架主要用于支撐電極鉆頭、圍壓缸、電葫蘆等組件支撐。該方案下的電脈沖實(shí)驗(yàn)裝置可通過圍壓缸組件模擬深井鉆進(jìn)的圍壓環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更接近實(shí)際的井下環(huán)境。該方案的實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)電極鉆頭結(jié)構(gòu)布置、電極形狀、間距、放電過程中絕緣材料的性能等的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為電極鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆進(jìn)工藝參數(shù)選擇提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)。整個(gè)電脈沖破巖實(shí)驗(yàn)裝置采取了模塊化設(shè)計(jì)，拆裝、運(yùn)輸方便。

圖2 電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)方案一Fig.2 Structure scheme 1 for the electric pulse rock drilling test device

方案二如圖3所示，包括導(dǎo)向輥、鋼絲繩、電極鉆頭、圍壓缸組件、液壓泵站、進(jìn)出水泵、鋁型材支架、排繩裝置。鋼絲繩及電纜在電極鉆頭重力的作用下始終處于張緊狀態(tài)，導(dǎo)向輥能使鋼絲繩及電纜沿著特定方向安裝。鋼絲繩用于電極鉆頭的上下移動(dòng)，當(dāng)電極鉆頭下放至合適位置后鋼絲繩收緊使鉆頭和巖石接觸。圍壓缸組件包括圍壓缸、巖石樣品、絕緣液體介質(zhì)。圍壓缸在液壓泵站提供液壓油的情況下模擬深井的高壓環(huán)境，絕緣液體介質(zhì)主要用于實(shí)現(xiàn)高低壓電極對(duì)的絕緣以及攜帶巖屑。進(jìn)出水泵提供絕緣液體介質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力。鋁型材支架用于支撐整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。排繩裝置安裝在鋁型材支架上，用于鋼絲繩及電纜的下放與回收。進(jìn)行碎巖實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)控制液壓泵站給圍壓缸加壓，使巖石樣品處于深井的模擬環(huán)境中?？刂葡到y(tǒng)控制排繩裝置下放鋼絲繩和電纜，使電極鉆頭下降與巖石樣品接觸?？刂葡到y(tǒng)控制進(jìn)出水泵實(shí)現(xiàn)絕緣液體介質(zhì)的循環(huán)。該方案下的實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬深井環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際情況。

圖3 電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)方案二Fig.3 Structure scheme 2 for the electric pulse rock drilling test device

2.2 高壓電脈沖破巖試驗(yàn)裝置的研發(fā)

結(jié)合電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)連續(xù)破碎且保證實(shí)驗(yàn)過程中的放電安全，設(shè)計(jì)了高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置（如圖4）。實(shí)驗(yàn)裝置包括伺服電動(dòng)缸、控制柜、高壓電脈沖電極鉆頭、高壓脈沖電源、材料容器及組件、鋁型材支架。

整個(gè)試驗(yàn)裝置采用鋁型材搭建，其中，采用伺服電動(dòng)推桿來推動(dòng)電極鉆頭中的絕緣連接頭，從而實(shí)現(xiàn)高低壓電極與巖石緊密接觸。伺服電動(dòng)推桿采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，用于提升和下放高壓電脈沖鉆頭。

圖4 電脈沖破巖試驗(yàn)裝置Fig.4 Electric pulse rock breaking test device

控制系統(tǒng)用于控制伺服電動(dòng)缸的啟停，控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，采用PLC對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行手自動(dòng)控制。手動(dòng)模式下，通過按住手動(dòng)上升和手動(dòng)下降按鈕可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)缸手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)控制。自動(dòng)模式下，按下自動(dòng)下降按鈕電極鉆頭開始以一定速度下行，PLC采用485通訊采集伺服電機(jī)的扭矩值。當(dāng)伺服電動(dòng)推桿推動(dòng)電極鉆頭達(dá)到一定的扭矩值，PLC控制伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持制動(dòng)狀態(tài)，保證高壓電極與巖石接觸。手自動(dòng)切換使用一個(gè)雙向開關(guān)，按下急停開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)急停。

實(shí)驗(yàn)裝置還包括高壓脈沖電源、材料容器等部件。高壓脈沖電源將一個(gè)高壓直流電，通過全橋或半橋等方式逆變?yōu)榉讲}沖，再通過高頻高壓升壓器將相對(duì)低壓的脈沖升壓到高壓脈沖。材料容器組件包括材料容器、巖石樣品、絕緣油介質(zhì)，絕緣油介質(zhì)主要起到高低壓電極對(duì)的絕緣。實(shí)驗(yàn)裝置鋁型材支架用于支撐伺服電動(dòng)缸、高壓電脈沖鉆頭及巖石材料，其采用鋁型材搭建，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可重復(fù)利用。

該實(shí)驗(yàn)裝置目前無鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，巖石樣品通過螺釘對(duì)其4個(gè)面緊固，整個(gè)裝置裝拆和轉(zhuǎn)運(yùn)方便。

2.3 電極鉆頭方案設(shè)計(jì)與研發(fā)

2.3.1 電極鉆頭的設(shè)計(jì)方案

對(duì)于高壓電脈沖鉆頭，有多種設(shè)計(jì)方案可選擇。

方案一如圖5所示，該高壓電脈沖破巖鉆頭，由吊耳、金屬外管、高低壓電極、絕緣塊、電纜組成。在高壓脈沖電源的能量傳輸至高壓電極后，高壓電極與各個(gè)低壓電極方向上形成放電網(wǎng)道，能夠提高破巖效率［23］。

圖5 電極鉆頭（方案一）結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of scheme 1 for the electrode bit

方案二如圖6所示，該鉆頭為多電極對(duì)電脈沖破碎鉆頭，其包括鉆頭臂外管、絕緣塊、高低壓電極對(duì)、電纜、絕緣管。多電極對(duì)電脈沖破碎鉆頭具有多電極對(duì)，不同位置的電極對(duì)之間形成放電通道，能夠沿巖石的不同界面多次放電破碎巖石，提高巖石破碎效率。該鉆頭的電極對(duì)與巖石間的接觸為點(diǎn)接觸，能量損耗低。絕緣管的作用為對(duì)電纜與鉆頭臂外管之間的進(jìn)行絕緣隔離，防止放電過程中的漏電或強(qiáng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)鉆頭造成損害。多電極對(duì)同時(shí)放電能減小對(duì)電極絕緣塊的燒蝕，降低對(duì)絕緣塊材料的要求。閉合電火花開關(guān)時(shí)，高壓脈沖電源的電容中的能量在極短在時(shí)間內(nèi)注入到高壓電極中，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的單次脈沖破碎；打開多通道放電開關(guān)中的多通道開關(guān)后，多電極對(duì)鉆頭的多電極對(duì)同時(shí)放電，實(shí)現(xiàn)同時(shí)多截面破碎巖石［23］。

方案一中電極鉆頭電極結(jié)構(gòu)布置形式的缺點(diǎn)是：高低壓電極與巖石接觸為剛性接觸，且鉆進(jìn)不平巖石時(shí)無法保證高低壓電極同時(shí)與巖石接觸。方案二電極鉆頭電極結(jié)構(gòu)布置形式存在的缺點(diǎn)是：該鉆頭放電強(qiáng)度高，對(duì)脈沖電源和電極間絕緣材料的要求較高。綜合方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合目前現(xiàn)有的脈沖功率電源電參數(shù)特點(diǎn)，對(duì)電極鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 電極鉆頭（方案二）結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure of scheme 2 for the electrode bit

2.3.2 電極鉆頭的研發(fā)

根據(jù)Li等人的研究可知［24］，當(dāng)電極與水平面存在一定夾角時(shí)，能增強(qiáng)鉆頭放電時(shí)在產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度，且電極錐面與水平面夾角越大，巖石表面和內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，因此，將電極鉆頭高低壓電極設(shè)計(jì)成具有一定角度的形狀能增加其破巖效率。為使破碎過程中鉆頭是以效率較高的電脈沖破碎巖石而不是以液電效應(yīng)破碎巖石，在鉆不平整巖石時(shí)，高低壓電極需同時(shí)與巖石接觸，同時(shí)鉆頭的結(jié)構(gòu)需要具有一定剛度以免在放電時(shí)發(fā)生變形影響放電效果；因此，將電極鉆頭的高低壓電極設(shè)計(jì)成球形曲面。以難破碎的花崗巖為預(yù)定破碎對(duì)象，在電源的峰值電壓為200 kV的條件下，為使放電時(shí)花崗巖與電極接觸處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到花崗巖的擊穿場(chǎng)強(qiáng)116.6 kV/cm，結(jié)合Li等人的工作［24］，將電極鉆頭間距設(shè)定為25 mm和45 mm（鉆頭直徑為60 mm和100 mm）。最終方案下的電脈沖破巖鉆頭采用同軸圓柱式電極結(jié)構(gòu)布置形式，使其在鉆進(jìn)不平整巖石時(shí)能保證高低壓電極能與巖石同時(shí)接觸，且能保證放電過程的絕緣性。

高壓電脈沖鉆頭包括負(fù)電極、負(fù)電極安裝套筒、正電極上下部分、絕緣套、彈簧、絕緣手柄、電纜（如圖7）。鉆頭由6片負(fù)電極等間距包裹在正電極周圍，其中一片負(fù)電極上焊有M6螺栓，其作用與電纜線連接；正電極下半部分與負(fù)電極中心間距為25 mm，上端為M8螺紋孔，正電極上半部分主要用來連接正電極下半部分和電纜線，中間有5 mm通孔可以用來通水；負(fù)電極安裝套筒主要作用為固定負(fù)電極，使其能夠均布在正電極周圍，保證持續(xù)放電，能夠有效破碎巖石；絕緣套用來隔離正電極與負(fù)電極，所以對(duì)其絕緣性能要求較高；鉆頭采用螺釘與伺服電動(dòng)缸相連。

圖7 電極鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of the electrode bit

3 試驗(yàn)裝置破碎效果

電源的充電電壓設(shè)置為3 k V，峰值電壓為120 kV，絕緣介質(zhì)采用絕緣油，用直徑60 mm的電脈沖鉆頭對(duì)紅砂巖、黃砂巖、混凝土、花崗巖進(jìn)行破碎試驗(yàn)（見圖7），放電頻率設(shè)置為1 Hz，進(jìn)行120次放電，采集破巖過程中的電流信號(hào)并進(jìn)行濾波（以花崗巖為例）（見圖8）。

從試驗(yàn)結(jié)果來看（見圖9），放電120次時(shí)，混凝土和紅砂巖實(shí)現(xiàn)了60 mm完整孔徑的鉆進(jìn)，黃砂巖和花崗巖還未完全成孔。混凝土鉆進(jìn)效率最高，鉆進(jìn)深度為15 mm，紅砂巖次之，花崗巖鉆進(jìn)效率最低，其鉆進(jìn)深度為5 mm。通過計(jì)算得出上述巖石破碎時(shí)電脈沖鉆進(jìn)平均能量損耗為161.8 J/cm3，相比于金剛石鉆進(jìn)（能量損耗：600~800 J/cm3）、水射流鉆進(jìn)（能量損耗：1000~2000 J/cm3）和激光鉆進(jìn)（能量損耗：5000~12000 J/cm3）等其他鉆進(jìn)破巖方式［25］，高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)具有能耗低、破巖效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 高壓電脈沖破碎花崗巖濾波后電流曲線Fig.8 Filtered current curve of high voltage electric pulse for granite drilling

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)制造了一種高壓電脈沖破巖試驗(yàn)裝置，并以直徑60 mm的電極鉆頭在砂巖上進(jìn)行了破巖試驗(yàn)，觀察了破碎效果。從中可以得出以下結(jié)論：

（1）該裝置便于運(yùn)輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，能通過電纜與脈沖電源連接，拆裝方便；能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)控制的切換，可使脈沖鉆頭在放電過程中與巖石緊密接觸，保證了碎巖效果，滿足高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)的需求。但目前尚無排渣系統(tǒng)，需進(jìn)一步改進(jìn)完善。

（2）在放電電壓約為120 kV、放電頻率為1 Hz的條件下進(jìn)行了放電120次的碎巖試驗(yàn)，從結(jié)果來看該裝置實(shí)現(xiàn)了孔徑60 mm的紅砂巖、黃砂巖、混凝土、花崗巖的電脈沖鉆進(jìn)碎巖，達(dá)到了巖石破碎的基本要求。從破碎效果可以看出，電脈沖破巖的破碎比功小，破碎效率高，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦推茙r方法。

圖9 不同巖樣高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)后效果Fig.9 Electric pulse breaking results for various rock samples