水中脈沖激波對模擬巖層破碎試驗

劉 毅 李志遠 李顯東 林福昌 潘 垣

（強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074）

水中脈沖激波對模擬巖層破碎試驗

劉 毅 李志遠 李顯東 林福昌 潘 垣

（強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074）

采用重復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，增加油氣產量。本文建立水中大電流脈沖放電激波試驗平臺，構建電氣、激波及光學等監測系統，分析水中脈沖激波與電弧膨脹及空腔運動的對應關系；分析液電脈沖激波能量的轉換效率及頻譜特性，采用混凝土試樣模擬油氣井護套及射孔周圍巖層。測試了激波強度及放電次數對射孔堵塞物的清理效果，模擬了激波對巖層的造縫效果。試驗結果表明，采用重復頻率液電脈沖激波轟擊射孔堵塞物及作用周圍巖層，能夠有效解除油氣井的堵塞，增加巖層裂縫，提高油氣產量。

油氣增產 液電效應 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量約占全球產量的70%，且石油新增儲量中75%來自老油田。新老油田不同程度地存在因污染堵塞而減產的情況，在老油田中尤其嚴重。目前油田的解堵主要采用傳統的化學解堵[1]和壓裂解堵方法[2]，但是化學物品的處理、儲存運輸及帶來的生態問題已嚴重制約了該方法的應用[3,4]，壓裂解堵也會帶來嚴重的地下水污染等問題。為保護環境，歐盟部分發達國家已立法禁止壓裂解堵方法的應用，因此迫切需要開發新的環境友好型、高效增產的油田解堵裝備。

基于液電脈沖激波原理的石油大幅度增產技術是將近代高新技術理論——脈沖功率技術應用于油氣領域的開發技術，通過在井下油層段產生強力的液電脈沖激波，解除油田射孔堵塞，增加巖層裂縫，促進油的滲透，實現增產[5-7]。該方法為純粹的物理增產手段，較傳統的解堵方法而言，不存在環境污染問題，同時具有安全高效、施工工藝簡單、作業時間短等特點[8,9]。目前該項技術在國外已進行前期研究，已在歐洲北海、中東和北美的超過163多種類型油井進行現場試驗，平均增產效果達到720%[10]。

根據其應用背景，對該裝備的特殊要求主要有兩點：①高溫、高壓力工作環境，對應4km作業深度，設備的工作溫度達到120℃以上，并需承受30MPa以上的高靜態壓強和高強度沖擊，目前已接近可使用設備器件的極限[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，設備的外徑一般要低于該尺寸[13]。早期的國外、國內設備采用液電間隙放電，但是由于液體的擊穿場強較高，一般液電間隙的距離較小[14,15]。電容器中大部分儲能消耗在外回路中，產生的液電脈沖激波強度較小。采用金屬絲爆的形式能夠增大間隙距離，有效提高激波強度[16]。但是在油氣增產等特殊應用場合，自動更替金屬絲難度較大，導致可靠性下降[17]。從激波的產生過程來看，不論是液電間隙放電，還是金屬絲爆，外回路相同時，激波強度均主要取決于等離子體通道的長度。等離子體通道越長，阻抗越大，電源注入通道的能量越大。電能向機械能的轉換效率提高，激波強度提升[18,19]。

為模擬液電脈沖激波的油氣增產效果，本文建立了水中大電流脈沖放電激波試驗平臺，構建了電氣、激波及光學等監測系統，分析了液電脈沖激波與電弧膨脹及空腔運動的對應關系。基于液電脈沖電弧調控技術，分析了液電脈沖激波能量的轉換效率及頻譜特性，采用混凝土試樣模擬油氣井護套及射孔周圍巖層。測試了激波強度及放電次數對射孔堵塞物的清理效果，模擬了激波對巖層的造縫效果。本文的試驗結果對促進液電脈沖激波在油氣增產方面的應用有一定借鑒意義。

1 液電脈沖激波增產模擬試驗平臺

液電脈沖激波增產模擬試驗平臺如圖1所示，主要由充電單元、放電單元以及測量單元構成。其中，儲能電容C=3.0μF，充電電壓為30kV。放電開關采用觸發真空開關（Triggered Vacuum Switch, TVS）[20]。當儲能電容充電至設定電壓，控制TVS導通，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，向外輻射強有力的激波。利用泰克P6015A高壓探頭和Pearson CT（Model: 301X）分別測量液電脈沖間隙兩端的電壓與電流波形。利用高速攝像機（Model：Photron FASTCAM SA5）測量電弧及空腔的運動過程。采用PCB壓力傳感探頭（Model：138A01）測量輻射出來的液電脈沖激波強度。

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

試驗中液體采用普通自來水，激波發射器封裝在膠膜內部，以保證液電間隙的清潔及激波放電液體的電導率。發射器液電間隙周圍采用旋轉拋物面設計，確保液電脈沖激波沿徑向發射，而無垂直分量對井壁造成損傷。

一次液電脈沖激波產生過程中，液電間隙兩端的電壓波形、流過間隙電流波形及液電脈沖激波的典型波形如圖2所示。液電間隙的預擊穿時延約為21μs。放電電流的第一個峰值Im=13.2kA，振蕩周期為33.0μs，經過三次半波振蕩后電流衰減為零，電弧通道持續時間為66μs。壓力傳感探頭與液電脈沖激波發射間隙處于同一水平高度，二者之間的距離為17cm。由電流起始時刻與激波起始時刻的時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

預擊穿階段的泄漏電流導致電容器上有一定的能量損失。液電脈沖激波間隙擊穿時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液電脈沖電弧的阻抗注入了液電間隙，轉化為以激波為主的機械能以及光、熱、聲等輻射能。其中轉化為機械能的部分Ew(t)可通過實測激波波形進行換算[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)為實測激波波形。由圖2可知，本次放電中轉化為激波機械能的能量為103J，對應的電能向機械能的轉換效率約為9.45%。若考慮到預擊穿階段的泄漏能量，整個放電過程中的電能向機械能的轉換效率約為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，進而提高電能向機械能的轉換效率，獲得更高強度的激波。

2 等離子體通道長度對激波強度的影響

在外回路電氣參數受電容器、開關及引線等限制時，進一步降低外回路自身阻抗存在較大難度。本文研究通過液電脈沖電弧調控技術提高等離子體通道的長度，進而提高電弧通道阻抗。液電脈沖激波增產模擬試驗平臺如圖1所示，對應圖2所示的放電波形，同一次放電中的電弧、空腔發展及膨脹過程如圖3所示。圖3中，高速攝影機的拍攝速度為3μs/幀，曝光時間為0.26μs，光圈設置為F11，鏡頭前加1 000X的濾光片。高速攝影機通過光纖觸發控制器與TVS同步觸發。通過液電脈沖電弧調控技術，使得電弧的發展路徑具有一定隨機性，并不沿著最小間隙距離發展。本次放電過程中電弧長度達到27.9mm。隨著電弧的快速膨脹，電弧周圍看到明顯的空腔形成及發展過程[18-22]。整個過程可分為三個階段。

圖3 電弧及空腔的膨脹過程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，電弧體積膨脹，更加明亮。電弧直徑均勻增加，呈現柱狀。但此時由于電流的作用時間較短，通過焦耳效應沉積的能量來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。在該過程中，激波從最初的柱形波向外擴散逐步演變為球面波傳播。

（3）空腔低速膨脹及破滅階段（51μs≤t）。放電電流呈現振蕩衰減，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，空腔呈現低速膨脹。此次放電過程中，空腔的體積在t=51±3μs的時刻達到最大值，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，空腔體積開始由外向內逐步收縮，最后破滅消散。該過程也會向外輻射激波，對應圖2激波波形的第二個脈沖。

通過對液電脈沖電弧的長度進行調控，可顯著提高電能向機械能的轉換效率。在主電容為3μF，充電電壓為30kV的條件下，當間隙距離分別為10mm、15mm和20mm時，激波強度與電弧長度、主放電電流峰值的對應關系如圖4所示。一般認為增大主放電電流的峰值，能有效提高激波強度。但從圖4a可以發現，隨著電弧長度的增加，主放電電流的峰值下降，但是激波強度增加更明顯。由于液電脈沖放電電能向機械能的轉換效率非常低（通常手段約為1%～2%），因此通過提高液電脈沖激波的轉換效率較提高儲能與電流峰值更為有效。同時，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、開關）在高溫下的工作特性及壽命。通過電弧長度調控發現，激波強度主要取決于放電時刻的電弧長度。由圖3結合式（1）分析可知，采用電弧調控技術后，電能向機械能的轉換效率提高接近一個數量級，激波強度顯著提高。圖4給出了不同間隙距離下電流峰值、電弧長度及激波強度之間的關系。由圖4可知，隨著間隙距離的增大，電弧的長度下限值增加，激波強度有增強趨勢。在主回路電氣參數不發生改變的前提下，間隙距離進一步增大，若能完成間隙的擊穿過程，電弧的下限長度增加。對應的電弧阻抗增大，意味著外回路注入電弧通道的能量增加，激波強度進一步提高。因此，對應電弧調控技術，應在保證可靠擊穿前提下，盡量增大液電脈沖間隙的長度與電弧長度，獲取高強度激波。

圖4 不同間隙距離下電流峰值、電弧長度及激波強度的關系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度對比

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

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

圖6所示為不同電弧長度下直接液電脈沖放電激波強度與黃銅絲爆激波強度的對比。當電弧長度為27mm時，激波強度與20mm黃銅絲爆產生的激波強度相當。而當電弧達到43mm時，激波峰值可達到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，二者的沖量是相當的。不論采用金屬絲爆還是液電間隙直接放電，激波強度主要取決于等離子體通道的長度。通過電弧調控技術，可顯著提高液電脈沖激波的強度。

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

4 液電脈沖激波對射孔堵塞作用效果

對應圖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]。低頻段的激波強度衰減速度較慢，傳播較遠的距離仍能對周圍的介質產生高強度的機械作用。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，給地層及射孔內的油水、巖層等以較強的沖擊振動力。高頻激波對油層空隙介質能產生剪切作用，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，每個位置進行10次測量，獲得激波峰值隨傳播距離的變化關系如圖8所示。對測試結果進行擬合，可知激波峰值隨著傳播距離成冪函數衰減[21,27]。因此，在考慮液電脈沖激波的實際應用時，需要結合作用距離綜合考慮所需要的激波強度。只提出對激波強度的要求過于片面。

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

油氣井在開采過程中，射孔堵塞會影響液體的滲透性。為模擬液電脈沖激波對射孔堵塞物的作用效果，本文構建了基于鋼筒為骨架的水泥筒。如圖9所示，鋼筒的內徑為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。在鋼筒外側澆筑壁厚為10mm的水泥環，水泥和砂的比例為1∶1。水泥為普通建筑用料，標號為325#。樣品的抗壓強度、抗張強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水中，將液電脈沖激波發射器置于鋼筒內。放電參數與上文中保持一致，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，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到100%，總體疏通率為83.7%。由于激波發射器的定向及增強作用效果，除堵塞孔外，水泥筒表面只發現幾條未貫穿的細微的縱向裂縫，未見橫向裂縫。后續通過激波強度的控制，可進一步限制縱向裂縫的產生。水泥筒整體結構保持良好，液電脈沖激波對射孔堵塞物的破碎作用并未對外護套形成破壞[28]。

5 液電脈沖激波對巖層的造縫效果

無圍壓時，單次脈沖放電的能量越高次數越大以及巖樣滲透率越高，脈沖放電激波對巖層的造縫效果越好[28,29]。當放電能量在1～2.5kJ時，任何巖芯都存在一個門限滲透率值，約為Ke=0.1×10-3μm-2。當巖芯的滲透率大于該值時，采用液電脈沖激波能夠顯著提高滲透率[11]。隨著激波強度或者作用次數的增加，滲透率達到一定值后，繼續采用激波進行處理，能夠在巖芯內部產生微裂縫，形成滲流的主要通道。

為了測試激波對巖層的造縫效果，采用水泥環作為液電脈沖激波造縫效果的試驗對象。水泥環樣品中水泥和砂比例為1∶1。樣品外徑為670mm，內徑為130mm，高度為500mm。液電脈沖激波發射器位于中間空洞的中心位置，放電介質采用自來水。外回路放電參數與上文中保持一致。圖10給出了激波作用前、后水泥環樣品的外觀變化。液電脈沖激波作用9次后，在樣品表面出現了細微的貫穿性裂縫。隨著作用次數的增加，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，整個水泥環樣品沿著最開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累積效應不斷延伸裂縫的作用范圍。對于井下狹小的作業空間，大幅度提高激波強度，難度較大。可通過提高儀器的工作頻率，通過多次激波作用的累積效應提高造縫效果。

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

6 結論

液電脈沖激波強度主要取決于等離子體通道的長度。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，激波強度更強。本文提出的液電脈沖電弧調控技術，在保證液電間隙可靠擊穿的前提下，等離子體通道的長度顯著增加，激波強度提高。與金屬絲爆相比，采用液電間隙直接放電時，若等離子體通道的長度相當，所獲取的激波強度差別不大。

液電脈沖激波在液體中傳播時，其峰值隨著傳播距離成冪函數衰減。因而需要結合作用距離綜合評估所需的激波強度。基于水泥筒和水泥環樣品，采用液電脈沖激波模擬了無圍壓下的油氣井射孔堵塞解除及造縫效果。結果表明液電脈沖激波能夠有效解除射孔堵塞，并通過多次作用的累積效應在巖層中產生有效裂縫。本文的模擬試驗研究能夠為基于液電脈沖激波的油氣增產設備初始設計和優化提供理論基礎。但需要指出的是，本文的模擬試驗是在無圍壓情況下開展的，實際深地層的高靜壓可能對液電脈沖激波的作用效果產生影響，因此需要進一步開展高靜壓下的液電脈沖激波作用效果試驗。

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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，研究方向為液電脈沖等離子體及其應用、電力設備故障診斷。

E-mail: yiliu@hust.edu.cn（通信作者）

李志遠 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為液電脈沖等離子體及其應用。

E-mail: 970111931@qq.com

國家自然科學基金資助項目（51507070）。

2016-05-32 改稿日期 2016-07-17