液相高壓脈沖放電致裂巖石技術研究進展

李沼萱，閆 鐵，侯兆凱，孫文峰，鞠國帥，劉樹龍

(1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

頁巖油氣和致密油氣等非常規油氣資源日益受到重視。對于巖性致密的儲層，破巖和壓裂都面臨嚴峻挑戰[1]。液相高壓脈沖放電致裂巖石技術是一種利用電能在液體中產生等離子體通道，進而產生沖擊波，使巖石致裂的技術[2-3]。1905年，Swedbery發現液相高壓放電可產生沖擊波，后來這種在水中高壓放電產生沖擊波的現象被稱為“液電效應”[4]。在隨后幾十年中，先后有俄羅斯、澳大利亞、法國、美國和烏克蘭等國家的學者加入相關技術的基礎性研究工作中[5-10]。中國早期引入該項技術主要應用于油層解堵[11-12]。橋口油田[13]在應用低頻脈沖放電技術解堵后注水井注水壓力下降了5.0 MPa，單井日注水量增加了30 m3/d，累計增加注水量3.15×103m3。中原油田[14]、克拉瑪依油田[15]和河南油田[16]也開展了相關應用研究，在研究中發現沖擊波可使儲層出現裂縫。基于這一思路，國內外學者進一步將該技術應用于破巖和壓裂方面。挪威Badger Explorer公司研制了液相放電破巖鉆機并進行測試，由于其破巖能效較低，無法滿足經濟要求，評估結果是樣機在當前還不能夠商業化應用。液相高壓脈沖放電致裂巖石技術雖然在國內外多個油田進行了初步的試驗和應用，但其能量利用效率低，有效作用范圍小，并沒能得到廣泛推廣應用[17]。為進一步推動該技術的研究，從工作機理、實驗裝置和影響因素等方面歸納了液相高壓脈沖放電致裂巖石技術的研究進展，以期為今后研究該方向的學者提供參考。

1 工作機理

液相高壓脈沖放電致裂巖石(簡稱脈沖放電致裂巖石或脈沖放電)又稱液電破碎巖石，是指將高壓電極和接地電極置于液體介質中，當高壓電極和接地電極兩端的電場強度達到一定值時，2個電極中間的液體介質發生離解或碰撞電離，形成等離子體通道。等離子體通道內壓力急劇上升并向外膨脹，猛烈擠壓周圍的液體介質，使其溫度、密度、壓力呈階躍式升高，形成初始沖擊波，再伴隨氣泡和射流，對巖石進行破碎。因此，脈沖放電致裂巖石分為液相介質擊穿(等離子體通道產生)和巖石破碎2個部分。

對液相介質擊穿機理的探索是研究脈沖放電致裂巖石機理的關鍵一步，Zhu等[18]利用球狀電極作為高壓電極，板狀電極作為接地電極，觀測電極表面的超聲速流柱發生過程(脈沖放電持續時間在微秒量級下)，不同放電電壓下電極表面擊穿過程見圖1。

由圖1可知：放電電壓為57.0 kV時，出現了迅速向外膨脹的超聲速流柱，液體介質被擊穿，儲能裝置中的能量全部釋放。此時的超聲速流柱處于短間歇期—電離循環階段，內部等離子體的數密度達到1021/cm3。Li等[19]建立模型探索了等離子體通道產生過程以及沖擊波特性。蔣杰靈[20]根據質量、動量、能量守恒方程描述了圓柱形脈沖等離子體通道的演化過程，應用四階Rounge-Kutta法計算了等離子體通道中等離子體密度、電流、壓力等參數隨時間的變化關系。王一博[21]在此研究的基礎上建立了“柱爆轟”模型，通過“猜測—迭代”算法推導了放電過程中等離子體溫度的演化規律，并通過數值模擬方法計算了各關鍵變量隨時間的演化規律。與此同時，還有很多學者提出了關于等離子體通道的動態擊穿機理，如“氣泡引燃”理論[22]，還有“電爆炸引燃”理論[23]和“場致電流引燃”理論[24]等。Gurovich等[25]提出了等離子體通道的電阻時變模型，認為在等離子體擊穿過程中，等離子體通道的電阻是隨放電過程產生變化的。隨后，Kaizhuo[26]等人對電阻時變模型進行了仿真模擬，采用有限差分的方法計算了放電電壓和放電電流。

圖1 不同放電電壓下電極表面擊穿過程

除了探索等離子體通道產生過程，還有部分學者針對巖石的擊穿過程進行研究。祝效華等[27]提出了一種巖石介質擊穿模型，即概率發展模型(PDM)。通過室內實驗和模型計算提出了等離子體破巖數值模擬方法，并最終得到了破巖規律。但數值模擬方法和算例存在一些不足之處，如將與等離子通道接觸的顆粒的溫度設為固定數值，在熱能耗散方面存在缺陷。

目前，針對脈沖放電致裂巖石機理的研究還處于探索階段，對等離子體通道的動態擊穿機理和巖石介質擊穿模型研究都存在精度不足的問題。脈沖放電致裂巖石機理屬于多物理場耦合作用過程，目前依舊沒有完整的理論模型，亟需國內外學者繼續鉆研與探索。

2 脈沖放電致裂巖石實驗裝置

脈沖放電致裂巖石實驗裝置主要包括高能儲能電容器組、放電開關、放電電極組、顯示裝置和安全保護系統等。為獲得最優的巖石破碎效果，相關學者致力于脈沖放電裝置的研發。

張輝等[28]設計了高壓脈沖放電致裂巖石實驗裝置，通過高壓變壓器升高電壓，輸出最高電壓可達70.0 kV，電容器組由4個電容器串聯組成，每個電容器電容為0.5 μF，成功對頁巖進行了致裂實驗。還有很多學者和研究單位搭建了脈沖放電裝置，電源最高輸入電壓如表1所示[29]。

表1 國內外部分研究單位實驗裝置電壓

在進行脈沖放電實驗時經常會面臨電磁干擾問題。Rim等[30]研發了一種自感應磁場驅動的旋轉電弧間隙開關，開關的轉換電壓為3.0～11.0 kV，峰值電流為400 kA；為提高開關性能，電極采用銅鎢合金。在實驗過程中出現強烈的電磁輻射，并且在產生等離子體的過程中還出現電流和電壓的突變等問題。卞德存等[31]對實驗設備出現電磁干擾的現象實施了抗電磁干擾舉措：對抗干擾能力較強的高壓脈沖放電系統，采用頻率為50 Hz、電壓為220.0 V的單相交流電供電；對抗干擾能力較弱的設備，采用直流充電電池供電；并采用帶有金屬屏蔽網的導線以及抗干擾能力強的壓阻式傳感器等電磁屏蔽措施。對實驗采取相關抗干擾處理后，在測量沖擊波壓力(沖擊波在傳播過程中擠壓液體介質的等效應力)波形時不再受到干擾信號的影響。付榮耀[32]設計了一臺儲能為8.0 kJ的充電電源，在控制系統和高壓測量端采用光電隔離技術，減小電磁干擾對控制系統的影響，同時提高了裝置的操作安全性。

在優化電極設計方面，Liu等[33]研究了最佳電極間距和等離子體通道長度對沖擊波強度的影響。最佳電極間距與電極形狀可以在固定充電能量的前提下產生最強的沖擊波。通過等離子體通道長度調節(PCLR)方法能有效提高能量傳遞效率，彌補在電容器和開關處的能量損耗。圖2為液相脈沖放電產生沖擊波示意圖。由圖2a可知：液體介質在高壓電流下被擊穿形成等離子體通道和空腔，隨后產生沖擊波，但沖擊波的強度稍弱。由圖2b可知：電極上添加2個細小的尖端后，在2個尖端中間會產生等離子體通道；由于每個尖端與相鄰電極末端具有相同電位，出現排斥作用，尖端中間會形成1個遠離電極方向的弧形通道。此時等離子體通道的長度增加，等離子體通道的阻抗升高，等離子體通道中累積的能量增加，沖擊波強度提高。由于實驗在沒有施加圍壓的環境下進行，無法較好地模擬地層應力環境，因此，對巖樣施加圍壓是下一步的實驗方向。付榮耀等[34]對尺寸為Ф2 000 mm×600 mm的圓柱狀的水泥巖樣進行了重復致裂巖石實驗(實驗次數為20次，放電電壓為18.0 kV，放電能量為32.4 kJ)，主要分析在其他放電條件相同的情況下，電極有無套管時的致裂效果。研究表明：在電極安裝套管時，放電能量會有部分損失，或作用于套管，或被套管吸收；利用裸電極直接對巖石致裂，會更有利于裂縫的起裂和擴展。在實驗過程中出現了電極燒蝕的問題，建議在下一步研究中重點考慮。

圖2 液相脈沖放電產生沖擊波示意圖

在脈沖等離子體發生裝置的研發上，國內外學者主要針對的是裝置的充能上限和電極優化的設計方面。對于實驗過程中面臨的電磁干擾問題，可通過采用壓力傳感器和光電隔離技術等措施進行規避。

3 脈沖放電致裂巖石影響因素

脈沖放電致裂巖石的影響因素很多，主要包括液相介質電導率、放電電壓、放電能量、巖石圍壓和脈沖寬度等。

3.1 液相介質電導率

在液相介質電導率方面，莊佳昇[35]利用高壓脈沖壓力震波管，在有拋物面反射器的管道中，研究了不同液相介質電導率對沖擊波壓力峰值的影響。實驗表明：在相同電極間距(0.3 mm)和放電電壓(7.0 kV)的條件下，液相介質電導率越大，沖擊波壓力峰值越高(液相介質電導率為109.700 0 mS/cm時，沖擊波壓力峰值高達100 MPa；液相介質電導率為0.017 7 mS/cm時，沖擊波壓力峰值為20 MPa)。并且隨著電導率的升高，沖擊波壓力峰值的上下浮動范圍在逐漸減小。研究表明，提高液相介質電導率可有效提高脈沖放電沖擊波的強度和穩定性。

3.2 放電能量與放電電壓

在放電能量和放電電壓方面，付榮耀[36]采用最大儲能為40.0 kJ的電源設備對10塊巖石進行巖石致裂實驗。研究表明：單次脈沖放電電壓越高、放電能量越大、放電次數越多、巖樣密度越小，脈沖放電致裂巖石效果越好。提高實驗設備的放電能量和放電電壓可以提高脈沖放電致裂巖石的效果，但需要增加實驗設備里電容器數量，導致設備體積增大，在實際應用時，不利于現場操作和實現技術經濟性，建議可應用石墨烯作為電極材料制備超級電容器[37]。

鮑先凱等[38-40]利用脈沖放電致裂巖石實驗裝置，采用CT掃描系統和孔裂隙分析軟件，對低滲透煤樣致裂效果進行了分析。研究表明：脈沖放電致裂巖石技術對煤層有很好的致裂效果；放電電壓越高，煤樣內部的裂隙率越大，脈沖放電致裂的裂縫長度越長，寬度越寬。Chen[41]、Li[42-43]、Liu[44]等學者也進行了相關研究。Chen等針對內徑為50 mm、外徑為125 mm、高度為180 mm的砂巖巖樣進行脈沖放電實驗，最大放電電壓為40.0 kV，電極間距為10.0 mm，電容器的電容為5.3～84.8 μF。實驗表明：沖擊波壓力峰值與放電能量有關，放電能量越大，沖擊波壓力峰值越高，沖擊波壓力峰值可達到250 MPa；沖擊波的沖擊次數增多，巖樣的滲透率也隨之增大。

3.3 巖石圍壓

為研究巖石圍壓對脈沖放電致裂巖石效果的影響，付榮耀等[45]對6塊巖樣分別施加0～25 MPa的靜水壓力，然后進行脈沖放電致裂巖石實驗。實驗結果表明：巖石施加圍壓對巖樣裂縫的起裂和擴展具有抑制作用；隨著靜水壓力的增加，巖石裂縫長度和寬度減小，巖樣的滲透率和孔隙度逐漸降低，裂縫的導流能力隨之降低。圍壓和三軸壓力有所不同，圍壓又叫做環壓，其最大主應力和最小主應力相等。但在真實地層中，最大主應力和最小主應力一般是不同的。因此，在以上實驗中，施加圍壓在一定程度上反應了在真實地層環境中脈沖放電致裂巖石的規律，但在真實應力環境的模擬方面還需進一步研究。

3.4 脈沖寬度

在研究脈沖寬度對脈沖放電致裂巖石效果的影響方面，王廣旭等[46]進行了高壓脈沖放電致裂巖石實驗，實驗中的等離子體通道的脈沖寬度為5～45 ms。實驗表明：隨著脈沖寬度的增加，作用在巖石上的放電能量增大，致裂巖石效果提高。但脈沖寬度的增加會導致高壓電極和接地電極的燒蝕損耗增加，因此，研發有效的抗燒蝕電極也是下步研究方向之一。

4 脈沖放電致裂巖石裂縫起裂與擴展規律

裂縫的起裂與擴展主要分為2類：第1類為新生裂縫的起裂和擴展，第2類為新生裂縫與天然裂縫交匯后的裂縫擴展情況。

針對新生裂縫的起裂和擴展，Mao等[47]進行了高壓脈沖放電致裂巖石實驗，研究了多次脈沖放電后巖石的裂縫起裂和擴展情況。當沖擊波壓力峰值達到50 MPa時，可誘導多處裂縫的產生，裂縫的長度和寬度較為理想：一般情況下巖石中會產生一條主裂縫，其余為次級裂縫，主裂縫主要沿巖石初始應力最小的方向擴展。實驗說明液相高壓脈沖放電致裂巖石技術具有一定的定向致裂效果。付榮耀等[48]采用最大儲能為40.0 kJ的電源設備進行致裂巖石實驗，對產生的裂縫進行了三維形貌分析：裂縫的表面粗糙度為0.430～1.075 mm，具有一定的導流能力；對巖石施加圍壓后，裂縫的數目增多，但長度偏短，且裂縫普遍存在轉向的特征，局部區域發現了環形裂縫。姜敞等[49]在脈沖寬度為10 μs、上升沿為400 ns以及放電能量為1.0 kJ的實驗條件下進行致裂巖石實驗。實驗表明：隨著沖擊波沖擊次數不斷增加，巖石首先出現微裂縫，然后裂縫整體貫通巖石，最后巖石完全破碎；巖石表面到等離子體通道中心的距離和巖石損傷程度呈對數關系，隨距離增加巖石損傷程度下降。秦爽和卞德存等[50-51]的研究表明：地應力對裂縫的起裂和擴展起到抑制作用；靜水壓力對裂縫擴展方向的影響較小，對裂縫的擴展速度和擴展長度有較大影響。Yan等[52]也針對該問題做了相關實驗研究，實驗認為靜水壓力對巖石裂縫的起裂和擴展存在抑制性。

Li等[53]為了觀察裂縫形態，利用有機玻璃可視化的特點，進行了脈沖放電致裂有機玻璃實驗，分析裂縫形貌特征，總結裂縫起裂的影響因素，實驗結果如圖3所示。由圖3可知：沖擊波所形成的裂縫呈現放射狀，裂縫擴展存在對稱性，有分叉特征；隨著放電電壓的升高，裂縫密度(單位面積上的裂縫條數)不斷增加。此外，從圖中還可發現，沖擊波產生的裂縫存在波形的特征。但有機玻璃存在均質的特點，區別于巖石的非均質性，實驗雖能在一定程度上反應脈沖放電的致裂方式和沖擊波的傳播路徑，但還是較為理想化，如何彌補材料的非均質性這方面的不足將是下步研究方向。

考慮到脈沖放電致裂巖石裂縫與天然裂縫的交匯，周曉亭和李恒樂等[54-55]對脈沖放電下的煤體微裂隙演化與孔隙結構變化情況進行了研究。周曉亭的研究表明：新生裂縫的起裂主要受張剪性應力影響，在施加圍壓的條件下應力主要集中在天然裂縫處，脈沖放電致裂巖石裂縫優先沿著原有結構性缺陷部分(即天然裂縫)方向發育。李恒樂自主搭建了煤體致裂實驗平臺，不同沖擊次數下的孔裂隙發育特征如圖4所示。由圖4可知：當沖擊次數為0時，裂縫大體為規則的單裂縫，隨著沖擊次數的增加，原生裂縫逐漸擴展，并伴隨著多條微裂縫出現，部分區域出現貫穿孔隙的裂隙。說明裂縫以孔隙擴展和裂隙生長的方式進行，在沖擊波的作用下裂隙在弱結構面附近出現張性和剪性裂縫。

圖4 不同沖擊次數下的孔裂隙發育特征

5 結論與展望

(1) 液相高壓脈沖放電致裂巖石技術是在多物理場耦合過程下發生的，是力、熱、聲、電耦合作用的結果，但至今仍未有完整的高壓脈沖放電致裂巖石理論，對等離子體通道的動態擊穿機理和巖石介質擊穿模型的研究精度不足。繼續探索高壓脈沖放電致裂巖石機理是提高脈沖放電致裂巖石技術效果的必要條件。

(2) 在實驗裝置方面，等離子體發生過程中出現了強烈電磁干擾，存在電流、電壓突變問題，可通過壓力傳感器的選擇以及光電隔離等技術避免；放電電極組間產生等離子體通道時會出現燒蝕電極的情況，研發導電性能好、抗燒蝕的電極是一項亟需解決的技術難題。另外，電源裝置體積偏大，如果將電源裝置置于井上，裝置的體積基本不受影響，但從電源裝置到放電電極組間的電纜能量損耗必須加以考慮，需要研發低波阻抗的傳輸電纜。井下空間有限，如果將電容置于井下，電源能提供的放電能量較小，因此，需要研發高儲能密度的電容，建議采用石墨烯為電極材料制備超級電容器，可獲得電容內阻更小、電容量更大、壽命更長的電容器，同時需考慮水密、絕緣和電磁屏蔽等問題。

(3) 在實驗影響因素方面，液相介質電導率、巖石圍壓、放電電壓、放電能量和脈沖寬度等因素均對液相高壓脈沖放電致裂巖石效果有所影響。液相介質電導率越大，沖擊波壓力峰值越高。提高液相介質電導率可有效提高脈沖放電沖擊波的強度和穩定性。圍壓對裂縫起裂和擴展有抑制作用。此外，放電電壓越高、放電能量越大、放電次數越多，致裂巖石效果越好。巖石的電導率對高壓脈沖放電致裂巖石技術同樣存在影響，但研究較少，建議在這個方向做進一步探索。

(4) 在裂縫的起裂和擴展方面，巖石新生裂縫的起裂主要受張剪性應力影響，由一條主裂縫和四周多個次級裂縫組成，裂縫擴展存在對稱性，有轉向、分叉和波形特征。在遇到天然裂縫時，新生裂縫主要沿天然裂縫發育。目前針對裂縫轉向特征的研究只停留在初步總結現象階段，研究并不深入，該方向可以作為下一步深入研究的重點，在實驗時需多考慮天然裂縫的影響。