4.6 GHz高功率微波巖石鉆探技術(shù)

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(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所， 合肥 230031； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院， 合肥 230026)

機(jī)械鉆探作為當(dāng)前主流的開(kāi)采地下深層礦產(chǎn)資源的方式，其技術(shù)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(duì)于高溫堅(jiān)硬巖石的鉆探(如地?zé)崮艿?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(dāng)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(lái)進(jìn)行[4]。自從20世紀(jì)60年代激光發(fā)明以來(lái)，一直希望能夠使用激光這樣的高能能量束進(jìn)行鉆探，但是由于激光的波長(zhǎng)較短，在傳輸?shù)较鄳?yīng)巖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(shù)目前仍停留在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)較激光更長(zhǎng)，加熱巖石形成的粉塵顆粒物不會(huì)影響波束傳輸，且當(dāng)前穩(wěn)態(tài)大功率微波源技術(shù)已經(jīng)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，因此高功率微波在鉆探方面的探索應(yīng)用逐漸成為研究的重點(diǎn)[9-11]。具體應(yīng)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(chǎng)模式不同以及微波與巖石的耦合功率等因素，當(dāng)前主要集中在微波輔助破巖方面的研究[12-13]。國(guó)外Hassani等[14]通過(guò)有限元模擬分析了微波照射對(duì)巖石單軸強(qiáng)度的影響；國(guó)內(nèi)的戴俊等[15]在室內(nèi)進(jìn)行微波照射玄武巖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玄武巖經(jīng)微波照射后，其抗拉強(qiáng)度明顯下降，驗(yàn)證了微波對(duì)巖石的作用效果；盧高明等[16]研究微波照射參數(shù)對(duì)微波破巖效果的影響，室內(nèi)試驗(yàn)證明高功率短時(shí)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(guó)內(nèi)徐正曉等[17]研究利用大功率微波源對(duì)含油地層進(jìn)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(zhuǎn)化及對(duì)巖石的影響，使仿真效果更加接近真實(shí)情況。美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)[19]已于2014年建立起以回旋管為微波源的28 GHz/10 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并且開(kāi)展了相應(yīng)的巖石鉆探實(shí)驗(yàn)。

目前中外在微波鉆探方面的探索及公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)相對(duì)較少，因此有必要開(kāi)展高功率微波鉆探技術(shù)相關(guān)的理論實(shí)驗(yàn)研究。為此，本文研究基于已有的4.6 GHz/250 kW高功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展鉆探技術(shù)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(guān)仿真軟件[20]，采用多物理場(chǎng)耦合法模擬發(fā)射波導(dǎo)在TE11模式下與巖石腔體的電場(chǎng)分布，并計(jì)算微波波束作用下巖石樣品的溫度變化；在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察在相應(yīng)入射功率下的巖石介質(zhì)燒蝕現(xiàn)象，積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以探索高功率微波鉆探的技術(shù)可行性，以期為后續(xù)的微波鉆探技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際鉆井工程提供理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 微波加熱原理

1.1 基本原理分析

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

圖1 極性分子運(yùn)動(dòng)方式

介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)通常可以用式(1)表示：

εr=ε′-jε″=ε′(1-jtanδ)

(1)

式(1)中：ε′為介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)實(shí)部；ε″為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)虛部；j為虛數(shù)單位；tanδ為損耗角正切。

當(dāng)電介質(zhì)發(fā)生極化現(xiàn)象時(shí)，極化強(qiáng)度P和電位移矢量D的關(guān)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(qiáng)度；E為介質(zhì)所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度。由式(2)可得極化強(qiáng)度的大小與復(fù)介電常數(shù)有關(guān)，一般通過(guò)材料復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和介電損耗因子大小來(lái)分析材料的微波吸收性能。

1.2 功率吸收計(jì)算

微波加熱效率和微波的頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度及材料復(fù)介電常數(shù)的虛部值相關(guān)，單位體積內(nèi)材料吸收的功率密度Pe可通過(guò)式(3)[22]計(jì)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(zhì)的復(fù)介電常數(shù)虛部；u0為真空中的磁導(dǎo)率；u″為介質(zhì)的復(fù)磁導(dǎo)率虛部；E和H分別為平均電場(chǎng)強(qiáng)度大小與平均磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。由于地下巖石多為非磁性材料，因此在計(jì)算巖石吸收功率時(shí)，式(3)的第二項(xiàng)可以忽略不計(jì)。

相應(yīng)介質(zhì)材料的平均溫升速率為

(4)

式(4)中：ρ為介質(zhì)材料密度，kg/m3；Cm為介質(zhì)材料比熱容，J/(kg·K)。從式(4)中可以看出，增加電場(chǎng)強(qiáng)度即增加功率與升高微波頻率均可以提高介質(zhì)材料的溫升速率。介質(zhì)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(dāng)材料的基本物理參數(shù)確定后，即可計(jì)算材料在微波場(chǎng)下的溫升。

2 理論仿真

2.1 模型構(gòu)建

巖石微波加熱實(shí)驗(yàn)在巖石腔體中進(jìn)行，圖2為與實(shí)際實(shí)驗(yàn)工況相符的仿真模型。模型中發(fā)射波導(dǎo)為光滑圓波導(dǎo)，其內(nèi)直徑d為55 mm，長(zhǎng)度195 mm；巖石介質(zhì)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(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行模擬，入射功率設(shè)為10 kW，材質(zhì)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，求解的相對(duì)容差設(shè)為1×10-5以保證足夠高的精度。對(duì)模型的端口及邊界條件等進(jìn)行了如下的基本設(shè)置：①發(fā)射波導(dǎo)傳輸模式為TE11模；②巖石腔體邊界為理想電導(dǎo)體；③玄武巖表面為輻射邊界。

2.2 電場(chǎng)及溫度分布仿真結(jié)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(zhì)上，本研究主要模擬入射功率為10 kW時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布及玄武巖溫度分布。

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

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

當(dāng)巖石介質(zhì)距離圓波導(dǎo)末端2 cm時(shí)，巖石上表面的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4(a)所示，中心位置仍然呈現(xiàn)和波導(dǎo)端口相似的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在中心位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度為5×104V/m，巖石附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較為集中且會(huì)產(chǎn)生較高的功率損耗，而腔體內(nèi)的其他位置電場(chǎng)相對(duì)分散。圖4(b)為與電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的玄武巖開(kāi)始燒蝕時(shí)的瞬時(shí)溫度分布，整體溫度分布呈現(xiàn)與電場(chǎng)分布類似的橢圓形，中心區(qū)域溫度可達(dá)3 000 K以上，因此中心位置會(huì)最先出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。

圖4 玄武巖上表面電場(chǎng)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(shí)間基本呈現(xiàn)正比關(guān)系，由于介質(zhì)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)使得溫度擴(kuò)散，導(dǎo)致最大溫升速率略低于式(4)理論計(jì)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(shí)線對(duì)比可以看出，在加熱過(guò)程中，隨著溫度的升高，溫升速率會(huì)逐漸下降，這是因?yàn)樵诟邷貢r(shí)的輻射功率損耗及實(shí)驗(yàn)中吹氣導(dǎo)致的對(duì)流功率損耗相對(duì)較高。

3 4.6 GHz實(shí)驗(yàn)分析

3.1 微波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.6 GHz高功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(dǎo)傳輸、矩形-圓波導(dǎo)變換、發(fā)射波導(dǎo)和巖石腔體(負(fù)載)。平臺(tái)上的微波器件均配有水冷管道以保障系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不會(huì)過(guò)熱，此外，平臺(tái)還有提供能量的高壓電源系統(tǒng)及運(yùn)行所需的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)等。在圖6的系統(tǒng)布局中，巖石介質(zhì)與整條傳輸線處于同一水平線，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于熱應(yīng)力剝落的巖石碎片容易飛濺進(jìn)入發(fā)射波導(dǎo)口造成打火，所以將發(fā)射波導(dǎo)及巖石腔體改成垂直向下結(jié)構(gòu)[23]，盡量減小打火造成的影響。

圖6 4.6 GHz高功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖7所示，巖石腔體主要由發(fā)射波導(dǎo)、巖石介質(zhì)和連接水冷系統(tǒng)的水管組成，發(fā)射波導(dǎo)末端與巖石介質(zhì)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(cè)。

圖7 巖石腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 功率測(cè)量及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加熱巖石的入射功率和反射回波導(dǎo)的功率可通過(guò)定向耦合器采集，波源的輸出功率通過(guò)高壓電源系統(tǒng)的電壓進(jìn)行控制。通過(guò)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要的3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 不同樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)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(guān)閉高壓電源切斷功率輸出。在不發(fā)生打火保護(hù)的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行至設(shè)定時(shí)間關(guān)閉功率輸出。運(yùn)行時(shí)間420 s的速調(diào)管正向輸出功率和巖石反射回波導(dǎo)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(shí)間約25 s，然后隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程反射功率逐漸升高至4 kW，功率分布保持穩(wěn)定至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。圖8中正向功率的波動(dòng)是由于信號(hào)采集的檢波器波動(dòng)引起的，以其中間值作為正向功率。

圖8 實(shí)驗(yàn)No.1功率分布

實(shí)驗(yàn)樣品No.1在入射25 s后開(kāi)始出現(xiàn)明顯溫度變化，與反射功率開(kāi)始上升時(shí)間點(diǎn)相對(duì)應(yīng)(如圖8黑色虛線框所示)，而實(shí)驗(yàn)樣品No.2出現(xiàn)明顯溫度變化的時(shí)間點(diǎn)約為40 s。實(shí)驗(yàn)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(shí)間下與No.1玄武巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖9為通過(guò)內(nèi)窺鏡觀察到的入射功率10 kW時(shí)No.1樣品加熱過(guò)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(shí)驗(yàn)No.1腔體內(nèi)部圖像

圖10為加熱時(shí)間結(jié)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(méi)有出現(xiàn)因?yàn)楦邷貙?dǎo)致的明顯顏色變化。

圖10 10 kW/420 s條件下實(shí)驗(yàn)No.1玄武巖燒蝕現(xiàn)象

如圖10玄武巖樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)量黑色熔體最大深度約20 mm，樣品右側(cè)與下方延伸的裂縫是由溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的。玄武巖在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生較多裂縫，更加容易發(fā)生劇烈地破碎。與實(shí)驗(yàn)No.1相比，實(shí)驗(yàn)No.2的入射功率低于實(shí)驗(yàn)No.1，最終燒蝕面積及深度也相對(duì)較小。

如圖11所示，在相同的入射功率和時(shí)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(méi)有玄武巖的燒蝕面積大。由于加熱區(qū)域溫升不同導(dǎo)致砂巖表面出現(xiàn)明顯顏色差異，與圖4電場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)力產(chǎn)生的裂紋明顯更大，但是砂巖表面沒(méi)有巖石碎片脫落。

圖11 10 kW/420 s條件下實(shí)驗(yàn)No.3砂巖燒蝕現(xiàn)象

4.6 GHz微波加熱巖石的相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明高功率微波對(duì)多種巖石具有較好的燒蝕作用，燒蝕區(qū)域與電磁場(chǎng)分布和功率大小相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸升高入射功率時(shí)，通過(guò)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(cè)量到的最大燒蝕直徑對(duì)比，結(jié)果顯示隨著入射功率的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度升高相應(yīng)地?zé)g區(qū)域隨之?dāng)U大。電場(chǎng)強(qiáng)度分布導(dǎo)致巖石內(nèi)部存在很高的溫度梯度從而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力[25-27]，實(shí)驗(yàn)觀察到玄武巖和砂巖這兩種巖石介質(zhì)均發(fā)生了不同程度的破裂，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)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(duì)比(t=420 s)

4 結(jié)論

在理論分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展了4.6 GHz微波加熱巖石的模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出以下結(jié)論。

(1)玄武巖介質(zhì)材料在10 kW的微波功率下有較快的溫升速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的介質(zhì)溫升區(qū)域與仿真結(jié)果有較好對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)驗(yàn)皆表明高功率微波能量可以對(duì)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(guò)以上的分析驗(yàn)證了微波能量用于巖石鉆探存在技術(shù)可行性，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于巖石介質(zhì)并不是匹配負(fù)載，所以需要解決高功率下的反射功率過(guò)高及打火保護(hù)問(wèn)題。接下來(lái)將進(jìn)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。