等離子體電脈沖鉆井破巖機(jī)理的電擊穿實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法
發(fā)布時(shí)間：2021-07-06 04:17
等離子體電脈沖鉆井技術(shù)為一種高效破巖鉆井技術(shù)。對(duì)4種巖石在80 kV固定輸出電壓、重頻率為2.5 Hz下進(jìn)行了電脈沖擊穿實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電脈沖破碎結(jié)果中存在貫穿破碎和未貫穿破碎2種狀貌,并針對(duì)產(chǎn)生這兩種狀貌的原因進(jìn)行了分析。從電擊穿角度明確了單次脈沖破巖效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)——能量轉(zhuǎn)換效率ηe,并提出了一種新的巖石介質(zhì)擊穿模型——概率發(fā)展模型（PDM）,借助PDM和簡(jiǎn)化的電擊穿電路研究了單脈沖擊穿時(shí)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)破巖能耗分配的影響規(guī)律。基于電脈沖擊穿實(shí)驗(yàn)參數(shù)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(jī)理研究的數(shù)值模擬方法,利用該數(shù)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(shí)的破巖規(guī)律。
【文章來(lái)源】：石油學(xué)報(bào). 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：17 頁(yè)
【部分圖文】：
高壓電脈沖儀等效電路
實(shí)驗(yàn)中固定輸出電壓為80 kV,頻率為2.5 Hz。通過(guò)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(guò)程。電擊穿過(guò)程中伴隨著電弧的產(chǎn)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(chǎn)生的位置發(fā)生了較大偏移。這是由于擊穿過(guò)程中擴(kuò)展裂紋和實(shí)驗(yàn)中的工作液體介質(zhì)為自來(lái)水導(dǎo)致的。擊穿后的花崗巖平板產(chǎn)生了沿電極徑向擴(kuò)展的裂紋,這和Cho等[24]利用X射線CT掃描得出的結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎng)強(qiáng)相關(guān),每種巖石的最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同。實(shí)驗(yàn)中的輸出電壓固定為80 kV,厚度較大巖石無(wú)法達(dá)到該巖樣的最小擊穿電壓,因而不能破碎。
表1為電擊穿實(shí)驗(yàn)中部分巖樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,4種巖石中只有花崗巖在擊穿過(guò)程中存在裂紋擴(kuò)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(dǎo)率礦物含量較多,玄武巖的破碎狀貌呈現(xiàn)出明顯的電解特征。這說(shuō)明電脈沖破巖中,巖石的破碎特征和巖石礦物組分的電導(dǎo)性質(zhì)息息相關(guān)。此外,硬度較軟的紅砂巖和灰砂巖經(jīng)電擊穿后產(chǎn)生粉末狀泥質(zhì)巖屑;硬度較硬的玄武巖和花崗巖經(jīng)電擊穿后產(chǎn)生顆粒狀的巖屑。這說(shuō)明巖石的軟硬程度對(duì)電脈沖破巖的巖屑類型有一定的影響。表1 電擊穿實(shí)驗(yàn)中部分巖樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Table 1 Experimental phenomena of some rock samples in the electrical breakdown experiment 巖石 厚度/mm 擊穿次數(shù) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 紅砂巖 13 >18 平板巖樣內(nèi)形成貫通至兩側(cè)電極的孔洞,孔洞直徑為電極根部直徑的30%～50%;擊穿過(guò)程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終生成粉末狀的泥質(zhì)巖屑;擊穿過(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展 <18 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌;擊穿過(guò)程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終生成了粉末狀的泥質(zhì)巖屑;擊穿過(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展 灰砂巖 18 <40 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌;擊穿過(guò)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(zhì)巖屑;擊穿過(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)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(guò)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(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展 花崗巖 11 >15 平板巖樣內(nèi)形成貫通至兩側(cè)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(guò)程中有裂紋擴(kuò)展,并擴(kuò)展至試樣的自由端
本文編號(hào)：3267505
【文章來(lái)源】：石油學(xué)報(bào). 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：17 頁(yè)
【部分圖文】：
高壓電脈沖儀等效電路
實(shí)驗(yàn)中固定輸出電壓為80 kV,頻率為2.5 Hz。通過(guò)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(guò)程。電擊穿過(guò)程中伴隨著電弧的產(chǎn)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(chǎn)生的位置發(fā)生了較大偏移。這是由于擊穿過(guò)程中擴(kuò)展裂紋和實(shí)驗(yàn)中的工作液體介質(zhì)為自來(lái)水導(dǎo)致的。擊穿后的花崗巖平板產(chǎn)生了沿電極徑向擴(kuò)展的裂紋,這和Cho等[24]利用X射線CT掃描得出的結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎng)強(qiáng)相關(guān),每種巖石的最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同。實(shí)驗(yàn)中的輸出電壓固定為80 kV,厚度較大巖石無(wú)法達(dá)到該巖樣的最小擊穿電壓,因而不能破碎。
表1為電擊穿實(shí)驗(yàn)中部分巖樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,4種巖石中只有花崗巖在擊穿過(guò)程中存在裂紋擴(kuò)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(dǎo)率礦物含量較多,玄武巖的破碎狀貌呈現(xiàn)出明顯的電解特征。這說(shuō)明電脈沖破巖中,巖石的破碎特征和巖石礦物組分的電導(dǎo)性質(zhì)息息相關(guān)。此外,硬度較軟的紅砂巖和灰砂巖經(jīng)電擊穿后產(chǎn)生粉末狀泥質(zhì)巖屑;硬度較硬的玄武巖和花崗巖經(jīng)電擊穿后產(chǎn)生顆粒狀的巖屑。這說(shuō)明巖石的軟硬程度對(duì)電脈沖破巖的巖屑類型有一定的影響。表1 電擊穿實(shí)驗(yàn)中部分巖樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Table 1 Experimental phenomena of some rock samples in the electrical breakdown experiment 巖石 厚度/mm 擊穿次數(shù) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 紅砂巖 13 >18 平板巖樣內(nèi)形成貫通至兩側(cè)電極的孔洞,孔洞直徑為電極根部直徑的30%～50%;擊穿過(guò)程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終生成粉末狀的泥質(zhì)巖屑;擊穿過(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展 <18 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌;擊穿過(guò)程中電極附近的水逐漸變渾濁;最終生成了粉末狀的泥質(zhì)巖屑;擊穿過(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展 灰砂巖 18 <40 巖樣表面形成凹坑狀的破碎狀貌;擊穿過(guò)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(zhì)巖屑;擊穿過(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)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(guò)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(guò)程中無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展 花崗巖 11 >15 平板巖樣內(nèi)形成貫通至兩側(cè)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(guò)程中有裂紋擴(kuò)展,并擴(kuò)展至試樣的自由端
本文編號(hào)：3267505
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