影響高壓電脈沖破巖效率的關(guān)鍵因素分析

劉偉吉 張有建 祝效華 胡 海 何 靈 陳夢(mèng)秋

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.西南石油大學(xué)地?zé)崮苎芯恐行?/p>

0 引言

在世界各國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程中，油氣能源的消耗扮演著重要角色。目前世界上石油和天然氣的能耗占比已超過(guò)煤炭、核能、水電及可再生能源的總和[1-3]。在未來(lái)的幾十年內(nèi)，中國(guó)的油氣消耗量在能耗結(jié)構(gòu)中的占比也將進(jìn)一步加大[4-5]。我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)正由淺層轉(zhuǎn)移到深層（超深層）高溫、高壓油氣藏[6-9]。深層、超深層地層中，由于摩阻和圍壓等因素導(dǎo)致機(jī)械鉆速僅為淺部地層的5%～10%，能量傳遞受限，鉆井費(fèi)用倍增。迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且提速效果好的新型綠色破巖方法。為了降本增效，學(xué)界和業(yè)界就破巖方式開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，也提出了許多新的破巖方法以提高鉆井破巖效率，主要有高壓水射流破巖技術(shù)[10]、欠平衡鉆井破巖技術(shù)[11]、旋轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)[12]、扭沖破巖技術(shù)[13]、粒子沖擊破巖技術(shù)[14]、超聲波振動(dòng)破巖技術(shù)[15]、激光破巖技術(shù)[16]、熱力破巖技術(shù)[17]等。高壓電脈沖鉆井技術(shù)以其較高的破巖效率、良好的井壁質(zhì)量、易定向破巖、綠色環(huán)保以及鉆井成本不受鉆進(jìn)深度的限制等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

高壓電脈沖破巖技術(shù)（又稱等離子體通道鉆井技術(shù)）始于20世紀(jì)50年代，是在蘇聯(lián)提出的脈沖放電理論基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的一種具有很大潛力的破巖鉆井技術(shù)[18-20]。高壓電脈沖破巖憑借瞬時(shí)高壓放電產(chǎn)生的動(dòng)力沖擊以及等離子體通道的熱膨脹而產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)破碎巖石。電擊穿破碎巖石是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，高壓電脈沖破巖依據(jù)其破巖方式分為電脈沖破巖和液電效應(yīng)破巖[21-22]。電脈沖破巖以水作為液體絕緣介質(zhì)，放電電極（高壓電極和接地電極）與巖石表面直接接觸，在擊穿電壓上升時(shí)間小于500 ns 時(shí)，各介質(zhì)的固有電擊穿場(chǎng)強(qiáng)從大到小依次為水＞巖石＞空氣。因此巖石優(yōu)先發(fā)生電擊穿，放電等離子體通道在巖石內(nèi)部生成，產(chǎn)生的等離子體通道橋連接高電壓和低電壓電極，在巖石內(nèi)部形成主放電通道，強(qiáng)電流的涌入會(huì)使通道的半徑瞬間擴(kuò)大超過(guò)100 倍、電導(dǎo)率增加10 000 倍[23]，進(jìn)而使巖石發(fā)生張拉破壞[24]，破巖動(dòng)力源自等離子體膨脹時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力[25]。相反，液電效應(yīng)破巖的放電電極并未與巖石表面直接接觸，放電通道直接在絕緣液體介質(zhì)中產(chǎn)生，憑借著放電產(chǎn)生的沖擊波、高速水流作用、液體介質(zhì)中氣泡的潰滅等機(jī)械外力來(lái)破碎巖石[26]。

盡管高壓電脈沖破巖方法能夠改善鉆井作業(yè)的能效，其破巖過(guò)程所涉及的多物理場(chǎng)耦合破巖機(jī)理卻難以準(zhǔn)確地描述。這也就在一定程度上制約了這項(xiàng)新型技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。在上述背景下，大量學(xué)者對(duì)高壓電脈沖的電擊穿過(guò)程和破巖模型進(jìn)行了研究。

Boev 等[27-28]、Maker 等[29]和Cho 等[30]討論了電脈沖破巖的可能過(guò)程，得出了比較一致的看法：高壓短脈沖電壓下，巖石的擊穿場(chǎng)強(qiáng)小于液體介質(zhì)（如電導(dǎo)率小于300 μS/cm 的水或油）的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，放電等離子體通道在巖石內(nèi)部形成。等離子體通道形成后，高壓電脈沖中的儲(chǔ)能釋放到等離子體通道中，并對(duì)通道加熱，等離子體通道受熱膨脹，產(chǎn)生沖擊應(yīng)力波對(duì)周圍巖石做功，使巖石內(nèi)部產(chǎn)生“內(nèi)傷”。Malinovski 等[31]建立了固體中等離子體通道擴(kuò)展和放電的三維隨機(jī)模型，指出等離子體通道的擴(kuò)展是由電場(chǎng)造成的不可逆的損傷累積驅(qū)動(dòng)的，損傷積累的速率與通道內(nèi)的能量釋放速率成正比。Vogler 等[32]建立了基于非均質(zhì)花崗巖的電擊穿模型，指出晶粒尺寸、礦物孔隙度、孔隙流體、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等對(duì)破巖效率有重要影響，研究了電流通過(guò)孔隙流體和礦物時(shí)各物理量的分布。Ezzat 等[33]指出巖石發(fā)生破碎的可能性隨著孔隙壓降的增加而增加，孔隙壓降隨著孔隙尺寸、電壓和巖石有效相對(duì)介電常數(shù)的增加而增大，同時(shí)與巖石孔隙度和電壓上升時(shí)間成反比。Wang 等[34]與Kurets 等[35]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擊穿位置或等離子體通道路徑與形成的最大強(qiáng)度的電場(chǎng)位置密切相關(guān)，而高電場(chǎng)強(qiáng)度通常在具有高電導(dǎo)率的礦物邊界周圍產(chǎn)生。Burkin 等[36]建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，模擬了電擊穿階段和爆破階段的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以及電學(xué)特性與引起破壞的拉伸變形之間的聯(lián)系。Cho等[37]采用不同波形的壓力波代替等離子體通道擴(kuò)張時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械波，對(duì)巖石進(jìn)行了動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程的模擬，對(duì)比了不同上升時(shí)間和衰減時(shí)間的壓力波導(dǎo)致的破碎過(guò)程。Usov 和Tsulkerman[38]發(fā)現(xiàn)電極與巖石表面接觸放電時(shí)，放電的能量主要注入到液體介質(zhì)中還是固體巖石中，主要取決于巖石和液體介質(zhì)的性質(zhì)、電極間距和施加在高壓電極和接地電極上的脈沖電壓大小。Burkin 等[39]仿真研究了固體中電脈沖放電，認(rèn)為等離子通道在巖石中生長(zhǎng)的縱深約為電極間距的1/3。Andres 等[40-41]建立了巖石的電場(chǎng)分布模型，分析表明礦物間靜電極化導(dǎo)致了不同礦物邊界上電荷濃度的不平衡，破巖過(guò)程中，高介電常數(shù)、低電導(dǎo)率礦物交界面上的局部電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)大大增大。

高壓電脈沖鉆井是一種非強(qiáng)接觸式鉆井技術(shù)，憑借高壓電脈沖在沒(méi)有機(jī)械磨損或弱機(jī)械磨損的情況下破碎巖石，其實(shí)際適用性因復(fù)雜的鉆井環(huán)境而變得復(fù)雜，破巖過(guò)程涉及多個(gè)物理場(chǎng)的耦合效應(yīng)，目前對(duì)于高壓電脈沖破巖仍沒(méi)有建立較為準(zhǔn)確的描述模型，且已有模型對(duì)于破巖參數(shù)的優(yōu)化指導(dǎo)作用有限。巖石材料的多樣性和電脈沖破巖過(guò)程中的多物理場(chǎng)的相互作用都增加了建立精準(zhǔn)電脈沖破巖模型的難度。筆者圍繞高壓電脈沖鉆井技術(shù)的最新進(jìn)展，深入分析了電脈沖破巖機(jī)理、電脈沖破巖過(guò)程、電脈沖鉆進(jìn)基礎(chǔ)理論。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，研究了電脈沖破巖過(guò)程中電學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性、巖石特征參數(shù)敏感性、電極結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性等影響電脈沖破巖效率的關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律。探討了電脈沖鉆井技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì)與研究方向，并提出了一種顛覆性的高壓電脈沖鉆井和機(jī)械鉆井相復(fù)合的新型鉆井技術(shù)，以期為高壓電脈沖鉆井技術(shù)的合理使用與鉆井提速技術(shù)創(chuàng)新提供有益參考。

1 二維電擊穿中電學(xué)參數(shù)敏感性

高壓電脈沖破巖過(guò)程中電路結(jié)構(gòu)參數(shù)（如儲(chǔ)能電容、電阻、回路電感等）不僅影響著電脈沖發(fā)生器的工作性能，更對(duì)提高電脈沖破巖效率至關(guān)重要?；诠P者團(tuán)隊(duì)前期所提出的概率發(fā)展模型（PDM）[42-44]，從電路分析和電介質(zhì)擊穿模型出發(fā)，提出了一種針對(duì)巖石介質(zhì)的擊穿模型，并利用該模型對(duì)擊穿過(guò)程中電路結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性進(jìn)行了探究。巖石在電擊穿過(guò)程中的電學(xué)性質(zhì)介于電阻和絕緣體之間，欲考慮具體的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擊穿過(guò)程的影響，有必要根據(jù)電擊穿過(guò)程中巖石的電學(xué)特性來(lái)簡(jiǎn)化電路。簡(jiǎn)化后的電路圖，如圖1所示。圖中U0為等效儲(chǔ)能電容（C）（簡(jiǎn)稱儲(chǔ)能電容）兩端的等效充電電壓（簡(jiǎn)稱充電電壓）?；芈冯娮瑁≧z）為激勵(lì)電阻、保護(hù)電阻和開(kāi)關(guān)電阻等組成的等效電阻，回路電感（L）為電容電感、回路阻抗及已發(fā)展通道的等效電感，能量轉(zhuǎn)換效率（ηe）可由公式求得：

式中Umax表示上升峰值電壓，V，與電容的充電電壓有關(guān)；U0表示充電電壓，V。

主通道電阻（Rch）和基礎(chǔ)電勢(shì)（φd）均隨時(shí)間變化。主通道電阻可以用電阻公式計(jì)算得到，基礎(chǔ)電勢(shì)則可以利用通道壓降（Ed）和巖石介質(zhì)的拉普拉斯方程進(jìn)行計(jì)算。這樣，在電路中引入絕緣子（KG）和主通道電阻，就在電擊穿過(guò)程中綜合考慮了巖石介于電阻與絕緣體之間的特性。根據(jù)簡(jiǎn)化電路導(dǎo)出巖石電擊穿過(guò)程中的電路控制方程。

首先，由電流的基本定義式可得：

式中Q(t)表示注入等離子體通道的電荷，C；i(t)表示電路中的電流，A；t表示時(shí)間，s。

其次，對(duì)圖1所示的簡(jiǎn)化電路，根據(jù)基爾霍夫定律得：

式中L表示電路電感，μH；i(t)表示回路電流，A；Rz表示回路電阻，Ω；Rch表示主等離子體通道電阻，Ω；Uc(t)表示電容兩端的殘余電壓，V，與電容兩端的充電電壓有關(guān)；φd(t)表示基礎(chǔ)電勢(shì)，V，由等離子體通道發(fā)展路徑與電極兩端電壓決定。

由儲(chǔ)能電容兩端的電壓與注入等離子體通道電荷的關(guān)系得：

式中C表示電路的儲(chǔ)能電容，F(xiàn)。

聯(lián)立式（2）～（4）得：

1.1 儲(chǔ)能電容

當(dāng)電路電感（L）為0.05 μH 時(shí)，不同充電電壓（U0）和電阻（R2）下，儲(chǔ)能電容（C）對(duì)應(yīng)的破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率（ηe）如圖2所示。由圖2 可知，相同的充電電壓、電阻和電路電感下，破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率隨電容的增大而提高，因此推薦儲(chǔ)能電容取較大的5.00 μF。

圖2 不同充電電壓和電阻下儲(chǔ)能電容對(duì)破巖系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的影響圖

1.2 電路電感

當(dāng)儲(chǔ)能電容為0.5 μF 時(shí)，不同充電電壓和電阻下，電路電感對(duì)應(yīng)的破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率如圖3所示。由圖3 可知，當(dāng)充電電壓、儲(chǔ)能電容和電阻相同時(shí)，電路電感對(duì)破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率幾乎沒(méi)有影響。但考慮到注入能量的因素，設(shè)計(jì)電脈沖鉆井工具時(shí)，盡量減小電路電感，推薦電路電感取較小的0.05 μH。

圖3 不同充電電壓和電阻下電路電感對(duì)破巖系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的影響圖

1.3 電阻

電阻幾乎是所有電路組成的基本要素之一，是表征電路內(nèi)部消耗能量的一種方式。圖4 是電路電感為0.05 μH 時(shí)，各個(gè)充電電壓、儲(chǔ)能電容和電阻下破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。由圖4 可知，隨著電阻的增大，巖石內(nèi)部能量的注入速率逐漸減小，電阻的增加不利于擊穿動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，這點(diǎn)與日常的認(rèn)識(shí)相符合。在相同的充電電壓、儲(chǔ)能電容和電路電感下，減小電阻有利于破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率的提高。算例中，建議電阻取較小的1.0 Ω。

圖4 不同充電電壓和儲(chǔ)能電容下電阻對(duì)破巖系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的影響圖

1.4 充電電壓

電脈沖破巖系統(tǒng)中，充電電壓的大小在一定程度上決定外界輸入巖石內(nèi)的能量大小。隨著充電電壓的增大，巖石內(nèi)部能量的注入速率逐漸增大，增大充電電壓能促進(jìn)巖石電擊穿動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。圖5 給出了電路電感為0.05 μH 時(shí)，各個(gè)充電電壓、儲(chǔ)能電容和電阻下破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。從圖5 可知：在相同電阻、儲(chǔ)能電容和電路電感下，增大充電電壓能小幅度地提高破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。為保證單脈沖就能夠完成電擊穿動(dòng)作，推薦充電電壓取50 kV。

圖5 充電電壓對(duì)破巖過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換效率的影響圖

2 二維電擊穿中巖石特征參數(shù)敏感性

基于筆者團(tuán)隊(duì)前期提出的一種動(dòng)態(tài)電擊穿模型，從電路場(chǎng)、電流場(chǎng)、擊穿場(chǎng)、傳熱場(chǎng)和固體力學(xué)五場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)單個(gè)電擊穿作用破巖的全過(guò)程[45-47]；然后利用Comsol Multiphysics 5.6 多物理場(chǎng)仿真軟件建立巖石的動(dòng)態(tài)電擊穿仿真模型，研究電脈沖破巖加載參數(shù)的匹配性，分析二維電擊穿過(guò)程巖石特征參數(shù)的敏感性。

2.1 砂巖孔隙度

在二維動(dòng)態(tài)電擊穿模型的基礎(chǔ)之上，考慮巖石中孔隙的隨機(jī)分布、孔隙度以及孔隙流體介質(zhì)的分布比例，建立了多孔隙巖石二維動(dòng)態(tài)電擊穿模型，以研究孔隙度和孔隙流體介質(zhì)成分對(duì)高壓電脈沖破碎巖石的影響機(jī)理，如圖6所示。在巖石模型中，多個(gè)孔隙隨機(jī)分布，其內(nèi)部填充孔隙流體介質(zhì)（空氣和水）。

圖6 多孔隙巖石二維動(dòng)態(tài)電擊穿數(shù)值模擬模型示意圖

為得到巖石發(fā)生電擊穿的時(shí)刻和其內(nèi)部局部電場(chǎng)強(qiáng)度隨孔隙度的變化關(guān)系。筆者選用了4 種不同孔隙度的巖石模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，孔隙度依次為2%、3%、4%和5%。且為避免孔隙隨機(jī)分布引起的誤差，每種孔隙度均建立4 塊巖石模型。在電脈沖破巖模擬實(shí)驗(yàn)后，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行均值處理，得到巖石的孔隙度對(duì)高壓電脈沖破碎巖石的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 不同孔隙度巖石發(fā)生電擊穿所需時(shí)間和內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

從圖7-a 可知，隨著孔隙度逐漸增加，巖石內(nèi)部發(fā)生電擊穿所需時(shí)間逐漸縮短，表明孔隙度越大，巖石更容易發(fā)生電擊穿。圖7-b 表明，當(dāng)孔隙度逐漸增加時(shí)，巖石內(nèi)部的局部電場(chǎng)強(qiáng)度呈正相關(guān)增大，高壓電脈沖破碎巖石效率逐漸增強(qiáng)。

2.2 砂巖孔隙流體介質(zhì)

為分析巖石的不同孔隙流體占比對(duì)高壓電脈沖破碎巖石的影響機(jī)理，沿用了本團(tuán)隊(duì)所提出的巖石內(nèi)部狀態(tài)變量（De）的概念，在電脈沖作用過(guò)程中，衡量巖石內(nèi)部損傷的累積量 。進(jìn)一步對(duì)巖石內(nèi)部狀態(tài)變量進(jìn)行體積積分，從而定量評(píng)估高壓電脈沖作用下巖石內(nèi)部的等效失效體積（Vrock），即巖石的破壞區(qū)域。

式中Vrock表示巖石域的等效失效體積，m3；De是巖石的狀態(tài)變量，無(wú)量綱。

巖石模型的孔隙度均為2%，改變其內(nèi)部孔隙流體介質(zhì)的分布占比（Swater/Sair），如表1所示。每種孔隙流體占比的情況均建立了4 塊巖石模型。

表1 不同孔隙流體介質(zhì)分布占比情況表

在比較和分析所有巖石模型的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，對(duì)巖石內(nèi)部發(fā)生電擊穿時(shí)刻和巖石等效失效體積結(jié)果進(jìn)行均值處理，得到巖石的孔隙流體介質(zhì)分布占比對(duì)高壓電脈沖破碎巖石的影響規(guī)律，如圖8所示。

圖8 不同孔隙流體介質(zhì)占比下的巖石發(fā)生電擊穿所需時(shí)間和等效失效體積圖

由圖8 可知，隨著孔隙流體介質(zhì)分布占比的減少，巖石發(fā)生電擊穿所需時(shí)間（等離子體通道完全產(chǎn)生的時(shí)刻）也相應(yīng)減少。說(shuō)明孔隙中的流體介質(zhì)含有空氣時(shí)，更容易發(fā)生電擊穿，空氣越多，越容易產(chǎn)生等離子體通道。當(dāng)孔隙流體介質(zhì)全為水時(shí)，巖石等效失效體積最小，高壓電脈沖的破巖效率最弱。隨著孔隙流體介質(zhì)占比的下降，巖石的等效失效體積增加，說(shuō)明當(dāng)孔隙流體介質(zhì)含有空氣時(shí)，高壓電脈沖更容易破碎巖石。

巖石在高壓電脈沖作用下產(chǎn)生等離子體通道后，巖石內(nèi)部的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生劇烈變化，因此等離子體通道的產(chǎn)生路徑可以由巖石模型內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的電導(dǎo)率間接表示。圖9 給出了不同孔隙流體介質(zhì)占比（Swater/Sair）下巖石等離子體通道的生成路徑圖。

圖9 不同孔隙流體占比下巖石等離子體通道的生成路徑圖

由圖9 可知，當(dāng)孔隙中孔隙流體介質(zhì)占比逐漸下降時(shí)，通道路徑周圍的電導(dǎo)率和通道路徑的面積都增加，表明巖石破碎面積增加，巖石破巖效率增強(qiáng)。當(dāng)孔隙中的流體介質(zhì)全為空氣時(shí)，因?yàn)榭諝獾碾姄舸?qiáng)度小于巖石，孔隙發(fā)生電擊穿，等離子體通道的延展路徑貫穿整個(gè)孔隙。然而，當(dāng)孔隙中的流體介質(zhì)全為水時(shí)，孔隙未被電擊穿，等離子體通道路徑沿著孔隙表面延展。這說(shuō)明巖石的“電損傷”區(qū)域具有方向性，等離子體通道的延展方向傾向于朝著電擊穿強(qiáng)度較弱的區(qū)域。

2.3 花崗巖非均質(zhì)性

花崗巖存在于高研磨性地層和超深難鉆地層中，是常規(guī)鉆頭的“克星”，同時(shí)也是阻礙深部油氣資源高效低成本鉆探的“攔路虎”。為了促進(jìn)高壓電脈沖鉆井技術(shù)在這些地層中的應(yīng)用，研究電脈沖破碎花崗巖的機(jī)理具有重要意義。

花崗巖的非均質(zhì)性指數(shù)（H，無(wú)量綱）表征了粒度的差異和礦物成分的細(xì)化程度[48]，可由花崗巖的平均粒度（Ra）計(jì)算得出：

式中Ra表示平均粒度，mm－1；ωi表示第i種礦物的體積分?jǐn)?shù)；ri表示第i種礦物的平均粒徑，mm－1。

表2 為每種礦物組分的平均粒度（Ra）和平均粒徑（ri），圖10 為具有不同非均質(zhì)性指數(shù)的花崗巖模型。

表2 不同非均質(zhì)性指數(shù)花崗巖模型的相關(guān)參數(shù)表

圖10 不同非均質(zhì)性指數(shù)的花崗巖模型圖

圖11 為不同非均質(zhì)性指數(shù)的花崗巖的最低擊穿電壓（Upmin），取平均值。對(duì)于同一非均質(zhì)性指數(shù)的不同花崗巖樣品，最低擊穿電壓受其非均質(zhì)性影響較大，波動(dòng)范圍在5 kV 左右。不同非均勻程度的花崗巖的最低擊穿電壓（平均值）之差在3 kV 以內(nèi)，說(shuō)明脈沖電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)受非均勻程度的影響較大?；◢弾r的非均質(zhì)性指數(shù)越大，其粒度差異對(duì)擊穿電壓影響較大。

圖11 不同非均質(zhì)性指數(shù)的花崗巖最低擊穿電壓圖

圖12 給出了最低擊穿電壓（Upmin）為45 kV 負(fù)載下的等效失效體積（Vrock）。不同的非均質(zhì)性指數(shù)使得巖石內(nèi)部生成的等離子體通道大不相同，使得高壓電脈沖鉆井技術(shù)的破巖效率并不穩(wěn)定。在非均質(zhì)性指數(shù)為0.77 的波峰處，巖石等效失效體積與非均質(zhì)性指數(shù)比值為0.29，比1.02 的波谷處大1/4。且在多次高壓電脈沖破巖鉆進(jìn)過(guò)程中，不同非均質(zhì)性指數(shù)的花崗巖的等效失效體積差距會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖12 不同非均質(zhì)性指數(shù)花崗巖的等效失效體積圖

2.4 裂縫

基于巖石動(dòng)態(tài)電擊穿模型和非均質(zhì)花崗巖模型，建立了含裂縫/裂隙非均質(zhì)花崗巖的動(dòng)態(tài)電擊穿仿真模型[49-50]。本質(zhì)上還是一個(gè)針—針電極并排結(jié)構(gòu)的破巖單元，由高壓電極—巖石—接地電極組成，如圖13所示。兩個(gè)電極對(duì)稱布置，與巖石表面直接接觸是為了防止電極在非端部漏電，非端部被絕緣介質(zhì)封裝，放電電壓設(shè)定為120 kV。此外，花崗巖內(nèi)部還有許多隨機(jī)分布的裂隙，它們形狀、大小和位置各不相同。電極對(duì)之間的距離為（Ls）?；◢弾r的尺寸為Wr×Hr，其中Wr為50 mm，Hr為10 mm。

圖13 含裂隙非均質(zhì)花崗巖的動(dòng)態(tài)電擊穿仿真模型圖

從圖14 中可以清楚地看到，在電脈沖破巖過(guò)程中，巖樣中單條主裂縫的電導(dǎo)率極值與整塊巖樣的電導(dǎo)率極值會(huì)有顯著差異，含裂縫巖樣的電導(dǎo)率極值相比后者增加了近1 倍，且在裂縫處的電導(dǎo)率出現(xiàn)了畸變現(xiàn)象。說(shuō)明當(dāng)巖樣中存在裂縫時(shí)，在高壓電脈沖破巖過(guò)程中，巖樣內(nèi)部的電導(dǎo)率顯著地增強(qiáng)，且通過(guò)等離子體通道的電流也會(huì)增強(qiáng)。強(qiáng)電流的涌入會(huì)使通道的半徑瞬間擴(kuò)大，進(jìn)而使巖石發(fā)生張拉破壞，在一定程度上促進(jìn)了高壓電脈沖破碎巖石，并有利于提高電脈沖破巖的效率。

圖14 電脈沖破巖過(guò)程中裂縫巖樣和完整巖樣電導(dǎo)率分布圖

2.5 裂隙傾角

圖15 為具有不同傾角的單個(gè)裂隙的等離子體通道生成路徑圖。裂隙內(nèi)部的流體介質(zhì)全為空氣，可以清楚地看到，當(dāng)?shù)入x子體通道生成時(shí)，更傾向在裂隙邊緣處發(fā)生電擊穿，等離子體通道的生長(zhǎng)路徑貫穿了花崗巖和裂隙，最終形成一個(gè)完整的等離子體通道。由于空氣的電擊穿強(qiáng)度小于花崗巖，等離子體通道傾向于在弱介電強(qiáng)度處延伸。

圖15 不同傾角的單個(gè)裂隙內(nèi)部等離子體通道路徑圖

如圖15所示，由于單個(gè)裂隙的長(zhǎng)半軸是恒定的，隨著裂隙傾角的增加，巖樣內(nèi)部的狀態(tài)變量（De）值逐漸降低，表明了巖樣內(nèi)部的等效失效體積逐漸減小，電脈沖破巖效率逐漸降低；說(shuō)明傾角越大的巖樣在同樣的電脈沖作用下越難破碎。由于兩電極之間的間距是恒定的，隨著巖樣內(nèi)部裂隙傾角的逐步增大，使得在兩個(gè)電極之間生成等離子體通道路徑需要電擊穿更多的巖石，間接地增大了破碎難度，且空氣的電擊穿強(qiáng)度低于巖石，故傾角增大導(dǎo)致了電脈沖破巖效率減弱。

2.6 花崗巖裂隙度

圖16 給出了花崗巖樣品被高壓電脈沖破碎時(shí)，不同裂隙度的花崗巖巖樣內(nèi)部產(chǎn)生的等離子體通道的路徑圖?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖樣中存在多個(gè)隨機(jī)分布的裂隙時(shí)，等離子體通道路徑的延伸也傾向在裂隙處發(fā)生電擊穿，電脈沖的持續(xù)作用會(huì)使多個(gè)裂隙發(fā)生電擊穿形成一個(gè)首尾貫通的完整的等離子體通道。

圖16 不同裂隙度花崗巖樣品內(nèi)部等離子體通道生成路徑圖

由圖16 可知，隨著裂隙度的逐漸增大，巖樣內(nèi)部的狀態(tài)變量（De）值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但在裂隙度為2%時(shí)，由于裂隙分布的隨機(jī)性，本算例中所生成的裂隙度為2%的巖樣內(nèi)部的裂隙傾角值在4 種裂隙度中最小，其等離子體通道路徑上所需破碎的巖石區(qū)域最小，等離子體通道路徑上破碎巖石的面積相對(duì)減小，所以裂隙度為2%的巖樣破巖效率最好。由圖可以看出，電脈沖破巖過(guò)程中巖石的性質(zhì)對(duì)破巖效率有一定的影響，多裂隙的傾角大小不同也會(huì)使得巖樣內(nèi)部的等離子體通道生成路徑發(fā)生顯著的改變，且在高壓電脈沖的持續(xù)作用下多裂隙之間會(huì)形成相互貫通的等離子體通道，這也在一定程度上說(shuō)明多裂隙的存在可以提高破巖效率。

3 二維電極鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

為進(jìn)一步探究電極鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高壓電脈沖破巖效率的影響，筆者基于巖石的動(dòng)態(tài)電擊穿仿真模型，研究了電極形狀、電極間距和電極傾角等關(guān)鍵因素對(duì)高壓電脈沖破巖機(jī)理的影響規(guī)律。

3.1 電極形狀

選用了圖17中所述3 種不同結(jié)構(gòu)的電極分別進(jìn)行高壓電脈沖電擊穿巖石模擬實(shí)驗(yàn)，為盡可能地避免花崗巖非均質(zhì)性的影響，在進(jìn)行電擊穿模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定初始脈沖放電電壓為55 kV，選用非均質(zhì)性指數(shù)（H）為0 的花崗巖模型。

圖17 不同結(jié)構(gòu)電極電擊穿巖石所生成的等離子體通道示意圖

由圖17 中3 種不同結(jié)構(gòu)的電極電擊穿所生成的等離子體通道示意圖中可以清晰地看出，針型電極結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變量極值在3 種電極結(jié)構(gòu)中最大，且其在花崗巖內(nèi)部生成的等離子體通道發(fā)展最為完善，對(duì)巖石的破巖效率最大。這源自于在進(jìn)行高壓電脈沖破巖過(guò)程中，針型電極的尖端處更容易產(chǎn)生尖端放電作用，該處電場(chǎng)產(chǎn)生較強(qiáng)的局部集中，注入等離子體通道的電流更大，強(qiáng)電流的涌入會(huì)使通道的半徑瞬間擴(kuò)大，等離子體膨脹使巖石發(fā)生張拉破壞，更有利于破碎花崗巖并增強(qiáng)高壓電脈沖破巖效率。

3.2 電極傾角

為研究電極傾角對(duì)高壓電脈沖破巖的影響機(jī)理，圖18 給出了兩種電極傾角（θe）的布置方案[52]，圖18-a 為僅僅改變低壓電極的傾角，保持高壓電極的傾角為0；圖18-b 為同時(shí)改變高壓電極及低壓電極的傾角，且高低壓電極的傾角相同。

圖18 電極傾角的兩種布置方案圖

通過(guò)仿真探究不同電極傾角與其最低擊穿電壓的關(guān)系，可為電脈沖鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。當(dāng)電極間距為10 mm，不同電極傾角的最低擊穿電壓如圖19所示。圖19-a 表明，低壓電極的傾角不同時(shí)，巖石發(fā)生擊穿的最低擊穿電壓不同，振幅在1 kV 以內(nèi)。圖19-b 表明，隨著高—低壓電極傾角的增大，最低擊穿電壓有小幅度的升高，對(duì)電脈沖破巖提出了更高的能量需求。在高壓電脈沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用中，電極鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需結(jié)合電極鉆頭在井底處流場(chǎng)分布和考慮高溫?zé)g因素，以達(dá)到便于排屑和避免重復(fù)破碎的目的。

3.3 電極間距

不同電極間距（Ls）取值時(shí)的最低擊穿電壓可以為電脈沖鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供幫助。圖20 為不同電極間距取值時(shí)的最低擊穿電壓，電極傾角為0。從圖中可以看出，隨著巖樣的變化，同一電極間距下的最低擊穿電壓存在小幅度的波動(dòng)。電極間距的增加使得巖石發(fā)生電擊穿的最低擊穿電壓增大，兩者近似呈一次函數(shù)關(guān)系。這說(shuō)明要想增大間距電極鉆頭破碎區(qū)域和大井眼直徑，需要保證脈沖電源的高電壓和良好的絕緣性，或者與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)聯(lián)用。

4 電脈沖—機(jī)械復(fù)合破巖方法

常規(guī)PDC 鉆頭在定向鉆進(jìn)中有出色表現(xiàn)，并且其形成的井壁質(zhì)量高。有學(xué)者提出了將傳統(tǒng)機(jī)械鉆頭與電極鉆頭相結(jié)合的復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)[51]。筆者結(jié)合PDC 鉆頭的優(yōu)勢(shì)和傳統(tǒng)的電極鉆頭的結(jié)構(gòu)，提出了電脈沖破巖技術(shù)與機(jī)械旋轉(zhuǎn)破巖相結(jié)合的新方法，設(shè)計(jì)了一種電脈沖—機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭[52]，以達(dá)到在高壓電脈沖高效破巖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定向鉆井，同時(shí)保證井壁質(zhì)量的目的。圖21 為電脈沖—機(jī)械復(fù)合鉆頭的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖21 電脈沖—機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖

電脈沖—機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭由PDC 鉆頭、電極鉆頭和相對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成[53]。PDC 鉆頭是空心的，電極鉆頭位于PDC 鉆頭的內(nèi)部，兩個(gè)鉆頭的中心軸線重合。電極鉆頭主要實(shí)現(xiàn)軸向鉆進(jìn)，PDC 鉆頭主要用于保證井眼軌跡和井壁質(zhì)量。電極鉆頭主要由高壓電極、接地電極以及壓縮彈簧等組成。鉆進(jìn)過(guò)程中，PDC 鉆頭始終保持旋轉(zhuǎn)，而電極鉆頭通過(guò)相對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與PDC 鉆頭保持相對(duì)靜止，幾乎不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這就減少了電極鉆頭與巖石間的硬接觸，降低了磨損。如果采用常見(jiàn)的電極鉆頭的剛性結(jié)構(gòu)，鉆井液將巖屑攜離后，電極鉆頭可能呈現(xiàn)“懸空”狀態(tài)，或者會(huì)對(duì)已經(jīng)剝落的巖屑造成重復(fù)破碎而無(wú)法與井底未被破碎的巖石表面充分接觸。加入壓縮彈簧后，在彈簧的柔性力作用下，電極鉆頭能夠與巖石表面持續(xù)接觸，從而提高了能量的利用率，減少了額外消耗。該復(fù)合鉆頭能實(shí)現(xiàn)電脈沖破巖與機(jī)械破巖同步進(jìn)行，不僅提高了破巖效率，同時(shí)還能控制鉆井軌跡、保證井壁質(zhì)量。

圖22 展示了電脈沖—機(jī)械復(fù)合鉆頭的一個(gè)完整的工作周期（一個(gè)工作周期指電極鉆頭完成單次放電的過(guò)程）。高壓電脈沖通過(guò)電纜傳到高壓電極時(shí)，高壓電極與接地電極之間的巖石內(nèi)部瞬間發(fā)生電擊穿。電路中的儲(chǔ)能電容的能量釋放到巖石中，大量應(yīng)力由此產(chǎn)生。一旦應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度，巖石會(huì)瞬間崩壞并產(chǎn)生大量巖屑，巖屑被不斷循環(huán)的鉆井液攜離。在電極鉆頭完成一次放電后，壓縮彈簧能夠保證在下一個(gè)高壓電脈沖到來(lái)之時(shí)高壓電極和接地電極能夠充分地與巖石表面接觸。

圖22 電脈沖—機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭的工作原理示意圖

5 結(jié)論與建議

1）高壓電脈沖破巖過(guò)程的電學(xué)參數(shù)對(duì)破巖效率有顯著影響。增大儲(chǔ)能電容或充電電壓既能增大電路內(nèi)部的存儲(chǔ)和輸入能量的潛力，又能增加電擊穿過(guò)程中注入巖石內(nèi)部的能量總量和注入速率，提高能量轉(zhuǎn)換效率；電路電感越大，能量的初始注入速率就相對(duì)越??；增大電阻不僅會(huì)增加電路的無(wú)效能量消耗，也會(huì)降低電擊穿過(guò)程中注入巖石內(nèi)部的能量注入速率。

2）巖石特征參數(shù)是影響高壓電脈沖破巖效率的因素之一。巖石孔隙度及其內(nèi)部孔隙流體介質(zhì)分布占比會(huì)直接影響高壓電脈沖破巖效率和巖石內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布；花崗巖的非均質(zhì)性指數(shù)越大，其粒度差異對(duì)擊穿電壓影響較大；花崗巖內(nèi)部裂縫、裂隙傾角和裂隙度同樣會(huì)直接影響高壓電脈沖破巖效率。

3）電極鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響電極鉆頭破巖效率的直接因素之一。針型電極的尖端處更容易產(chǎn)生尖端放電作用，有利于增強(qiáng)高壓電脈沖破巖效率；電極鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需結(jié)合電極鉆頭在井底處流場(chǎng)分布和考慮高溫?zé)g因素，以達(dá)到便于排屑和避免重復(fù)破碎的目的。

4）復(fù)合鉆頭將高壓電脈沖破巖技術(shù)與機(jī)械旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)相結(jié)合，既保留了機(jī)械鉆頭修整井壁質(zhì)量的能力，又加入了電極鉆頭高效的破巖能力，不僅能直井鉆進(jìn)，還能定向鉆井，大大提高了鉆井效率，同時(shí)也能保證其在硬巖地層的長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)，拓寬高壓電脈沖破巖技術(shù)的工程應(yīng)用范圍。

5）高壓電脈沖—機(jī)械復(fù)合破巖方法的后續(xù)研究，需破除過(guò)時(shí)的電極鉆頭設(shè)計(jì)框架束縛，通過(guò)科學(xué)分析與優(yōu)化，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，不斷深入研究高壓電脈沖破巖機(jī)理以及優(yōu)化電極鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。