静水压下脉冲放电冲击波特性及其岩体致裂研究

摘要

水中脉冲放电的冲击力学效应已被广泛应用于机械加工、桩基扩孔、地质勘探、体外碎石等各个领域。近年来，部分学者对水中脉冲放电技术应用于石油井解堵、煤层气井致裂增渗，进行了一些实践及探索。针对国内煤层气井普遍存在的储层渗透率低下、传统改造工艺效果不明显等难题，水中脉冲放电冲击波可控、可重复的冲击特性表现出了显著的技术优势。但目前针对脉冲放电致裂煤岩体的研究大多是在无三轴地应力、无钻孔静水压的环境下进行的；暂未考虑静水压对放电冲击波产生、传递及致裂作用的影响；在研究冲击波波形对岩体致裂效果的影响时忽略了冲击波能量不一致对致裂所造成的干扰。 采用理论分析、物理实验、数值分析相结合的方法，本课题对耦合静水压下的脉冲放电冲击波产生、传播机理、破岩机理进行了分析；对脉冲放电冲击波特性、冲击波致裂煤岩体规律进行了实验研究；对不同波形的等能量冲击波致裂规律进行了数值计算分析。该课题研究对推动水中脉冲放电致裂技术在煤层气开采中的应用奠定了基础。主要成研究果如下： 1. 提出了水中脉冲放电致裂煤岩体过程的四个阶段划分：“放电击穿”→“通道膨胀”→“冲击波传递”→“冲击致裂”，静水压对前两个阶段存在抑制作用，而对后两个阶段存在促进作用。分析认为脉冲放电致裂煤岩体是“动态-准静态-静态”三种破坏作用相耦合的结果。 2. 研制了可加载静水压的脉冲放电冲击致裂实验系统。该系统由冲击波特性实验台及脉冲放电致裂实验台组成。其中，冲击波特性实验台可完成静水压环境下的脉冲放电冲击波特性测试研究，而脉冲放电致裂实验台可完成耦合静水压及真三轴围压的岩体脉冲放电致裂实验。 3. 对不同静水压及放电电压下的脉冲放电冲击波特性进行了研究。结果表明：放电电压的升高将始终表现出加剧脉冲放电过程、强化冲击波特性的作用；静水压的升高则同时表现出阻碍脉冲放电过程、强化冲击波传递的双重作用。 4. 对地应力、静水压、放电参数影响下的混凝土试样脉冲放电致裂效果进行了实验研究。结果表明：地应力的存在将会制约裂纹的产生及扩展；静水压的大小对裂纹的扩展方向不产生影响，但可以较为明显地加快裂纹的扩展速度，增加其延展长度；同等放电能量下，高电压（14kV）放电致裂时的裂纹扩展长度及贯通效果都要略优于低电压（10kV）放电致裂。 5. 利用PFC2D数值模拟软件，对不同波形等能量冲击波作用下的岩体致裂效果进行了研究。结果表明：单次冲击下，不同波形致裂岩体的裂纹扩展规律及振动特性差异显著，单次冲击时存在最优的冲击致裂波形；多次冲击作用可以较好地强化该组冲击波单次冲击时的致裂效果，各种波形多次冲击都存在裂纹扩展的极限；低峰值等能量冲击波作用下，含静水压的预裂纹随静水压的增大而获得越发优异的裂纹扩展，高峰值等能量冲击波作用下，静水压对于裂纹扩展几乎没有帮助。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

1.1.1煤层气开发现状及制约因素

1.1.2新型高压脉冲放电致裂技术

1.1.3研究意义

1.2高压脉冲放电致裂技术研究现状

1.2.1传统煤层气储层致裂技术综述

1.2.2水中高压脉冲放电研究现状

1.2.3高压脉冲放电致裂研究现状

1.2.4存在的主要问题

1.3研究内容、方法及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.3.3技术路线

第二章 静水压下脉冲放电致裂煤岩体机理研究

2.1高压脉冲放电击穿机理

2.1.1击穿形式的划分

2.1.2放电电压对击穿延时的影响规律

2.1.3静水压对击穿延时的影响规律

2.1.4击穿效率及电学参数分析

2.2等离子体通道膨胀机理

2.2.1静水压下的通道膨胀做功

2.2.2击穿延时与冲击波峰值压力的关系

2.2.3膨胀冲击波机械能转化效率

2.3水中脉冲放电冲击波传播机理

2.3.1水下冲击波传播基本理论

2.3.2静水压下的冲击波衰减规律

2.4脉冲放电冲击致裂机理

2.4.1深水爆破致裂机理

2.4.2裂纹动态强度因子及起裂判定

2.4.4多次冲击下的煤岩体损伤分析

2.5本章小结

第三章 高压脉冲放电冲击致裂实验系统研制

3.1冲击波特性实验台基本原理

3.1.1脉冲放电电路工作原理

3.1.2冲击波特性监测原理

3.1.3电学参数监测原理

3.2冲击波特性实验台组成及功能

3.2.1高压脉冲放电系统

3.2.2承压管道系统

3.2.3测试系统

3.3冲击波特性实验台组建及其抗干扰措施

3.3.1实验台组建与调试

3.3.2实验台测试系统主要干扰源

3.3.3实验台抗干扰措施

3.4高压脉冲放电致裂实验台研制

3.4.1脉冲放电致裂实验台的组成

3.4.2对极式电极设计

3.4.2电极密封装置设计

3.5本章小结

第四章 高压脉冲放电冲击波特性实验

4.1冲击波特性实验方案

4.1.1参数设置

4.1.2实验步骤

4.2冲击波的产生与传递

4.2.1脉冲放电冲击波的产生

4.2.2管道中的冲击波传递

4.3 放电电压对冲击波特征的影响规律

4.3.1放电电压对电学参数的影响

4.3.2放电电压对冲击波峰值压力及波速的影响

4.3.3放电电压对机械能转化效率的影响

4.4 静水压对冲击波特征的影响规律

4.4.1静水压对电学参数的影响

4.4.2静水压对冲击波峰值压力及波速的影响

4.4.3静水压对机械能转化效率的影响

4.5冲击波峰值压力拟合及对照

4.5.1峰值压力经验公式拟合

4.5.2冲击波压力数据对照

4.6本章小结

第五章 高压脉冲放电岩体致裂实验

5.1致裂试样的制备

5.1.1材料配比与试样制作

5.1.2混凝土试样力学性质测试

5.2脉冲放电致裂实验方案

5.2.1参数设置

5.2.2实验步骤

5.3脉冲放电致裂裂纹扩展规律分析

5.3.1地应力对裂纹扩展的影响

5.3.2静水压对裂纹扩展的影响

5.3.3放电参数对裂纹扩展的影响

5.4本章小结

第六章 脉冲放电冲击波对岩体致裂的数值分析

6.1颗粒流（PFC）数值计算原理

6.1.1 PFC基本方程

6.1.2 PFC接触本构模型

6.1.3 PFC冲击致裂原理

6.2 PFC冲击致裂模型的建立

6.2.1 PFC冲击致裂模型建立的基本假设

6.2.2 PFC岩体模型的建立

6.2.3等能量冲击波波形的建立

6.3 PFC冲击致裂裂纹扩展规律分析

6.3.1单次冲击下的裂纹扩展及岩体振动分析

6.3.2多次冲击下的裂纹扩展分析

6.3.3预裂纹中含静水压岩体致裂分析

6.4 本章小结

第七章 结论及展望

7.1结论

7.2不足

7.3展望

参考文献

致谢

攻读学位期间获得的科研成果

博士学位论文独创性说明