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 陳夢秋

1.西南石油大學機電工程學院 2.石油天然氣裝備教育部重點實驗室 3.西南石油大學地熱能研究中心

0 引言

在世界各國的工業(yè)化進程中，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煤炭、核能、水電及可再生能源的總和[1-3]。在未來的幾十年內(nèi)，中國的油氣消耗量在能耗結(jié)構(gòu)中的占比也將進一步加大[4-5]。我國油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場正由淺層轉(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致機械鉆速僅為淺部地層的5%～10%，能量傳遞受限，鉆井費用倍增。迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低且提速效果好的新型綠色破巖方法。為了降本增效，學界和業(yè)界就破巖方式開展了大量的理論和實驗研究，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深度的限制等優(yōu)勢脫穎而出，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高壓放電產(chǎn)生的動力沖擊以及等離子體通道的熱膨脹而產(chǎn)生力學效應(yīng)破碎巖石。電擊穿破碎巖石是一個極其復(fù)雜的過程，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，在擊穿電壓上升時間小于500 ns 時，各介質(zhì)的固有電擊穿場強從大到小依次為水＞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，強電流的涌入會使通道的半徑瞬間擴大超過100 倍、電導率增加10 000 倍[23]，進而使巖石發(fā)生張拉破壞[24]，破巖動力源自等離子體膨脹時產(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)中氣泡的潰滅等機械外力來破碎巖石[26]。

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

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，巖石的擊穿場強小于液體介質(zhì)（如電導率小于300 μS/cm 的水或油）的擊穿場強，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，高壓電脈沖中的儲能釋放到等離子體通道中，并對通道加熱，等離子體通道受熱膨脹，產(chǎn)生沖擊應(yīng)力波對周圍巖石做功，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展和放電的三維隨機模型，指出等離子體通道的擴展是由電場造成的不可逆的損傷累積驅(qū)動的，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)和熱導率等對破巖效率有重要影響，研究了電流通過孔隙流體和礦物時各物理量的分布。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介電常數(shù)的增加而增大，同時與巖石孔隙度和電壓上升時間成反比。Wang 等[34]與Kurets 等[35]通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)擊穿位置或等離子體通道路徑與形成的最大強度的電場位置密切相關(guān)，而高電場強度通常在具有高電導率的礦物邊界周圍產(chǎn)生。Burkin 等[36]建立了一個數(shù)學模型，模擬了電擊穿階段和爆破階段的動力學過程，以及電學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張時產(chǎn)生的機械波，對巖石進行了動態(tài)破裂過程的模擬，對比了不同上升時間和衰減時間的壓力波導致的破碎過程。Usov 和Tsulkerman[38]發(fā)現(xiàn)電極與巖石表面接觸放電時，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，認為等離子通道在巖石中生長的縱深約為電極間距的1/3。Andres 等[40-41]建立了巖石的電場分布模型，分析表明礦物間靜電極化導致了不同礦物邊界上電荷濃度的不平衡，破巖過程中，高介電常數(shù)、低電導率礦物交界面上的局部電場強度會大大增大。

高壓電脈沖鉆井是一種非強接觸式鉆井技術(shù)，憑借高壓電脈沖在沒有機械磨損或弱機械磨損的情況下破碎巖石，其實際適用性因復(fù)雜的鉆井環(huán)境而變得復(fù)雜，破巖過程涉及多個物理場的耦合效應(yīng)，目前對于高壓電脈沖破巖仍沒有建立較為準確的描述模型，且已有模型對于破巖參數(shù)的優(yōu)化指導作用有限。巖石材料的多樣性和電脈沖破巖過程中的多物理場的相互作用都增加了建立精準電脈沖破巖模型的難度。筆者圍繞高壓電脈沖鉆井技術(shù)的最新進展，深入分析了電脈沖破巖機理、電脈沖破巖過程、電脈沖鉆進基礎(chǔ)理論。通過理論分析和數(shù)值模擬，研究了電脈沖破巖過程中電學結(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)展趨勢與研究方向，并提出了一種顛覆性的高壓電脈沖鉆井和機械鉆井相復(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 二維電擊穿中電學參數(shù)敏感性

高壓電脈沖破巖過程中電路結(jié)構(gòu)參數(shù)（如儲能電容、電阻、回路電感等）不僅影響著電脈沖發(fā)生器的工作性能，更對提高電脈沖破巖效率至關(guān)重要。基于筆者團隊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)，提出了一種針對巖石介質(zhì)的擊穿模型，并利用該模型對擊穿過程中電路結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性進行了探究。巖石在電擊穿過程中的電學性質(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)對擊穿過程的影響，有必要根據(jù)電擊穿過程中巖石的電學特性來簡化電路。簡化后的電路圖，如圖1所示。圖中U0為等效儲能電容（C）（簡稱儲能電容）兩端的等效充電電壓（簡稱充電電壓）。回路電阻（Rz）為激勵電阻、保護電阻和開關(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（φd）均隨時間變化。主通道電阻可以用電阻公式計算得到，基礎(chǔ)電勢則可以利用通道壓降（Ed）和巖石介質(zhì)的拉普拉斯方程進行計算。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)簡化電路導出巖石電擊穿過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表示時間，s。

其次，對圖1所示的簡化電路，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，V，由等離子體通道發(fā)展路徑與電極兩端電壓決定。

由儲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表示電路的儲能電容，F(xiàn)。

聯(lián)立式（2）～（4）得：

1.1 儲能電容

當電路電感（L）為0.05 μH 時，不同充電電壓（U0）和電阻（R2）下，儲能電容（C）對應(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，因此推薦儲能電容取較大的5.00 μF。

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

1.2 電路電感

當儲能電容為0.5 μF 時，不同充電電壓和電阻下，電路電感對應(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，當充電電壓、儲能電容和電阻相同時，電路電感對破巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率幾乎沒有影響。但考慮到注入能量的因素，設(shè)計電脈沖鉆井工具時，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，各個充電電壓、儲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作的實現(xiàn)，這點與日常的認識相符合。在相同的充電電壓、儲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 不同充電電壓和儲能電容下電阻對破巖系統(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巖石電擊穿動作的實現(xiàn)。圖5 給出了電路電感為0.05 μH 時，各個充電電壓、儲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作，推薦充電電壓取50 kV。

圖5 充電電壓對破巖過程中能量轉(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

基于筆者團隊前期提出的一種動態(tài)電擊穿模型，從電路場、電流場、擊穿場、傳熱場和固體力學五場耦合實現(xiàn)單個電擊穿作用破巖的全過程[45-47]；然后利用Comsol Multiphysics 5.6 多物理場仿真軟件建立巖石的動態(tài)電擊穿仿真模型，研究電脈沖破巖加載參數(shù)的匹配性，分析二維電擊穿過程巖石特征參數(shù)的敏感性。

2.1 砂巖孔隙度

在二維動態(tài)電擊穿模型的基礎(chǔ)之上，考慮巖石中孔隙的隨機分布、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態(tài)電擊穿模型，以研究孔隙度和孔隙流體介質(zhì)成分對高壓電脈沖破碎巖石的影響機理，如圖6所示。在巖石模型中，多個孔隙隨機分布，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)生電擊穿的時刻和其內(nèi)部局部電場強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行仿真實驗，孔隙度依次為2%、3%、4%和5%。且為避免孔隙隨機分布引起的誤差，每種孔隙度均建立4 塊巖石模型。在電脈沖破巖模擬實驗后，對模擬結(jié)果進行均值處理，得到巖石的孔隙度對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)生電擊穿所需時間和內(nèi)部電場強度曲線圖

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，當孔隙度逐漸增加時，巖石內(nèi)部的局部電場強度呈正相關(guān)增大，高壓電脈沖破碎巖石效率逐漸增強。

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高壓電脈沖破碎巖石的影響機理，沿用了本團隊所提出的巖石內(nèi)部狀態(tài)變量（De）的概念，在電脈沖作用過程中，衡量巖石內(nèi)部損傷的累積量 。進一步對巖石內(nèi)部狀態(tài)變量進行體積積分，從而定量評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驗結(jié)果后，對巖石內(nèi)部發(fā)生電擊穿時刻和巖石等效失效體積結(jié)果進行均值處理，得到巖石的孔隙流體介質(zhì)分布占比對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)生電擊穿所需時間（等離子體通道完全產(chǎn)生的時刻）也相應(yīng)減少。說明孔隙中的流體介質(zhì)含有空氣時，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。當孔隙流體介質(zhì)全為水時，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，說明當孔隙流體介質(zhì)含有空氣時，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)部的電導率會發(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)每個點的電導率間接表示。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，當孔隙中孔隙流體介質(zhì)占比逐漸下降時，通道路徑周圍的電導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。當孔隙中的流體介質(zhì)全為空氣時，因為空氣的電擊穿強度小于巖石，孔隙發(fā)生電擊穿，等離子體通道的延展路徑貫穿整個孔隙。然而，當孔隙中的流體介質(zhì)全為水時，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理具有重要意義。

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

式中Ra表示平均粒度，mm－1；ωi表示第i種礦物的體積分數(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)，說明脈沖電源的優(yōu)化設(shè)計受非均勻程度的影響較大。花崗巖的非均質(zhì)性指數(shù)越大，其粒度差異對擊穿電壓影響較大。

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過程中，不同非均質(zhì)性指數(shù)的花崗巖的等效失效體積差距會進一步擴大。

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)花崗巖的動態(tài)電擊穿仿真模型[49-50]。本質(zhì)上還是一個針—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。兩個電極對稱布置，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)部還有許多隨機分布的裂隙，它們形狀、大小和位置各不相同。電極對之間的距離為（Ls）。花崗巖的尺寸為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，在電脈沖破巖過程中，巖樣中單條主裂縫的電導率極值與整塊巖樣的電導率極值會有顯著差異，含裂縫巖樣的電導率極值相比后者增加了近1 倍，且在裂縫處的電導率出現(xiàn)了畸變現(xiàn)象。說明當巖樣中存在裂縫時，在高壓電脈沖破巖過程中，巖樣內(nèi)部的電導率顯著地增強，且通過等離子體通道的電流也會增強。強電流的涌入會使通道的半徑瞬間擴大，進而使巖石發(fā)生張拉破壞，在一定程度上促進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 電脈沖破巖過程中裂縫巖樣和完整巖樣電導率分布圖

2.5 裂隙傾角

圖15 為具有不同傾角的單個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?shù)入x子體通道生成時，更傾向在裂隙邊緣處發(fā)生電擊穿，等離子體通道的生長路徑貫穿了花崗巖和裂隙，最終形成一個完整的等離子體通道。由于空氣的電擊穿強度小于花崗巖，等離子體通道傾向于在弱介電強度處延伸。

圖15 不同傾角的單個裂隙內(nèi)部等離子體通道路徑圖

如圖15所示，由于單個裂隙的長半軸是恒定的，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，且空氣的電擊穿強度低于巖石，故傾角增大導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，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。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，當巖樣中存在多個隨機分布的裂隙時，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)作用會使多個裂隙發(fā)生電擊穿形成一個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，但在裂隙度為2%時，由于裂隙分布的隨機性，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，電脈沖破巖過程中巖石的性質(zhì)對破巖效率有一定的影響，多裂隙的傾角大小不同也會使得巖樣內(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形成相互貫通的等離子體通道，這也在一定程度上說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

為進一步探究電極鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對高壓電脈沖破巖效率的影響，筆者基于巖石的動態(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)鍵因素對高壓電脈沖破巖機理的影響規(guī)律。

3.1 電極形狀

選用了圖17中所述3 種不同結(jié)構(gòu)的電極分別進行高壓電脈沖電擊穿巖石模擬實驗，為盡可能地避免花崗巖非均質(zhì)性的影響，在進行電擊穿模擬實驗時，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，對巖石的破巖效率最大。這源自于在進行高壓電脈沖破巖過程中，針型電極的尖端處更容易產(chǎn)生尖端放電作用，該處電場產(chǎn)生較強的局部集中，注入等離子體通道的電流更大，強電流的涌入會使通道的半徑瞬間擴大，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高壓電脈沖破巖效率。

3.2 電極傾角

為研究電極傾角對高壓電脈沖破巖的影響機理，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)計提供參考。當電極間距為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，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)計還需結(jié)合電極鉆頭在井底處流場分布和考慮高溫燒蝕因素，以達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）取值時的最低擊穿電壓可以為電脈沖鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供幫助。圖20 為不同電極間距取值時的最低擊穿電壓，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。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—機械復(fù)合破巖方法

常規(guī)PDC 鉆頭在定向鉆進中有出色表現(xiàn)，并且其形成的井壁質(zhì)量高。有學者提出了將傳統(tǒng)機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)與機械旋轉(zhuǎn)破巖相結(jié)合的新方法，設(shè)計了一種電脈沖—機械復(fù)合破巖鉆頭[52]，以達到在高壓電脈沖高效破巖的基礎(chǔ)上實現(xiàn)定向鉆井，同時保證井壁質(zhì)量的目的。圖21 為電脈沖—機械復(fù)合鉆頭的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖21 電脈沖—機械復(fù)合破巖鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖

電脈沖—機械復(fù)合破巖鉆頭由PDC 鉆頭、電極鉆頭和相對旋轉(zhuǎn)機構(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，兩個鉆頭的中心軸線重合。電極鉆頭主要實現(xiàn)軸向鉆進，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。鉆進過程中，PDC 鉆頭始終保持旋轉(zhuǎn)，而電極鉆頭通過相對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與PDC 鉆頭保持相對靜止，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)，或者會對已經(jīng)剝落的巖屑造成重復(fù)破碎而無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)合鉆頭能實現(xiàn)電脈沖破巖與機械破巖同步進行，不僅提高了破巖效率，同時還能控制鉆井軌跡、保證井壁質(zhì)量。

圖22 展示了電脈沖—機械復(fù)合鉆頭的一個完整的工作周期（一個工作周期指電極鉆頭完成單次放電的過程）。高壓電脈沖通過電纜傳到高壓電極時，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)力超過巖石的強度，巖石會瞬間崩壞并產(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高壓電脈沖到來之時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）高壓電脈沖破巖過程的電學參數(shù)對破巖效率有顯著影響。增大儲能電容或充電電壓既能增大電路內(nèi)部的存儲和輸入能量的潛力，又能增加電擊穿過程中注入巖石內(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越小；增大電阻不僅會增加電路的無效能量消耗，也會降低電擊穿過程中注入巖石內(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)分布占比會直接影響高壓電脈沖破巖效率和巖石內(nèi)部電場強度分布；花崗巖的非均質(zhì)性指數(shù)越大，其粒度差異對擊穿電壓影響較大；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，有利于增強高壓電脈沖破巖效率；電極鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計還需結(jié)合電極鉆頭在井底處流場分布和考慮高溫燒蝕因素，以達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)與機械旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)相結(jié)合，既保留了機械鉆頭修整井壁質(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，還能定向鉆井，大大提高了鉆井效率，同時也能保證其在硬巖地層的長時間鉆進，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—機械復(fù)合破巖方法的后續(xù)研究，需破除過時的電極鉆頭設(shè)計框架束縛，通過科學分析與優(yōu)化，結(jié)合室內(nèi)實驗與現(xiàn)場試驗，不斷深入研究高壓電脈沖破巖機理以及優(yōu)化電極鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計。