等離子體電脈沖鉆井技術為一種高效破巖鉆井技術。對4種巖石在80 kV固定輸出電壓、重頻率為2.5 Hz下進行了電脈沖擊穿實驗。實驗發(fā)現,電脈沖破碎結果中存在貫穿破碎和未貫穿破碎2種狀貌,并針對產生這兩種狀貌的原因進行了分析。從電擊穿角度明確了單次脈沖破巖效率的評價指標——能量轉換效率η_e,并提出了一種新的巖石介質擊穿模型——概率發(fā)展模型（PDM）,借助PDM和簡化的電擊穿電路研究了單脈沖擊穿時電路結構參數對破巖能耗分配的影響規(guī)律�；陔娒}沖擊穿實驗參數和PDM生成的等離子體通道軌跡提出了等離子體電脈沖鉆井破巖機理研究的數值模擬方法,利用該數值模擬方法研究了在地層壓力為0～30 MPa下、直徑為41 mm的電極鉆具在加載峰值電壓為60 kV時的破巖規(guī)律。 

【文章來源】：石油學報. 2020,41(09)北大核心EICSCD

【文章頁數】：17 頁

【部分圖文】：

高壓電脈沖儀等效電路

實驗中固定輸出電壓為80 kV,頻率為2.5 Hz。通過不斷改變巖樣的種類和巖樣厚度得到4種巖石的電擊穿規(guī)律。圖2為厚度為10 mm(即針—針電極的間距為10 mm)的花崗巖擊穿過程。電擊穿過程中伴隨著電弧的產生和較大的噪聲。擊穿起始階段,電火花位于正電極和接地電極附近,而圖2中電火花產生的位置發(fā)生了較大偏移。這是由于擊穿過程中擴展裂紋和實驗中的工作液體介質為自來水導致的。擊穿后的花崗巖平板產生了沿電極徑向擴展的裂紋,這和Cho等[24]利用X射線CT掃描得出的結果一致。實驗結果顯示,并不是所有的巖樣均能發(fā)生電擊穿破碎。這是由于每種巖石能否發(fā)生電擊穿破碎與其最小擊穿場強相關,每種巖石的最小擊穿場強不同。實驗中的輸出電壓固定為80 kV,厚度較大巖石無法達到該巖樣的最小擊穿電壓,因而不能破碎。

表1為電擊穿實驗中部分巖樣的實驗現象,4種巖石中只有花崗巖在擊穿過程中存在裂紋擴展,這是由于花崗巖的致密程度和脆性最大。另一方面,由于玄武巖中較大電導率礦物含量較多,玄武巖的破碎狀貌呈現出明顯的電解特征。這說明電脈沖破巖中,巖石的破碎特征和巖石礦物組分的電導性質息息相關。此外,硬度較軟的紅砂巖和灰砂巖經電擊穿后產生粉末狀泥質巖屑;硬度較硬的玄武巖和花崗巖經電擊穿后產生顆粒狀的巖屑。這說明巖石的軟硬程度對電脈沖破巖的巖屑類型有一定的影響。表1 電擊穿實驗中部分巖樣的實驗現象Table 1 Experimental phenomena of some rock samples in the electrical breakdown experiment 巖石 厚度/mm 擊穿次數 實驗現象 紅砂巖 13 >18 平板巖樣內形成貫通至兩側電極的孔洞,孔洞直徑為電極根部直徑的30%～50%;擊穿過程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終生成粉末狀的泥質巖屑;擊穿過程中無明顯裂紋擴展 <18 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌;擊穿過程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終生成了粉末狀的泥質巖屑;擊穿過程中無明顯裂紋擴展 灰砂巖 18 <40 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌;擊穿過程中電極附近的水逐漸變渾濁,但水的渾濁程度小于電擊穿紅砂巖情形下的渾濁程度;最終形成粉末狀泥質巖屑;擊穿過程中無明顯裂紋擴展 玄武巖 17 <36 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌,且破碎狀貌具有明顯的電解特征;擊穿過程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終形成顆粒狀巖屑;擊穿過程中無明顯裂紋擴展 花崗巖 11 >15 平板巖樣內形成貫通至兩側電極的孔洞,孔洞直徑約等于電極根部直徑;形成顆粒塊狀巖屑;擊穿過程中有裂紋擴展,并擴展至試樣的自由端


本文編號：3267505