水中高压脉冲放电的液电特性及煤体致裂效果研究

摘要

水中高压脉冲放电技术作为在电火花震源、液电成型、污水处理、石油开采等工程领域广泛成熟应用的一项工程技术，它的基本原理和工作特性影响着它在工程实际中的应用效果。目前针对水中高压脉冲放电技术的研究很多，但都是根据各自工程领域的一些经验性的总结，难以被广泛推广，并将其应用到煤层气井的致裂增透上来。本文针对煤层井致裂增透的工程背景，基于传统的水力压裂技术和水中高压脉冲放电在其他领域的成熟理论经验，提出将钻孔水压致裂与高压脉冲放电技术集成在一起，利用水中高压脉冲放电产生的液电效应来实现煤层的致裂增透。本文根据水中高压脉冲放电的基本理论，分析了液电效应致裂煤体的机理及影响因素，并在实验室中完成了不同水压及电压条件下的水中高压脉冲放电液电特性实验及其致裂煤层效果的试验，取得了一些成果，初步论证了水中高压脉冲放电技术在煤层气抽采方面的可行性，为以后的工程应用提供了理论指导。
　　本论文的主要研究内容及成果包括：
　　（1）在水中高压脉冲放电基本理论的基础上，对液电效应中水激波的基本特征进行了理论分析，得出了水激波的能量计算公式和压力衰减公式。对液电效应致裂煤层的作用机理进行了理论分析，并且研究了击穿延时和静水压力对脉冲致裂效果的影响。经过分析认为：击穿延时越长，水激波峰值压力降低，煤层致裂效果变差；击穿延时越短，水激波峰值压力增大，煤层致裂效果越好；水压的增大，有利于形成较长的顺层裂缝，但会减低水激波峰值压力，影响煤层致裂效果。所以在每一组放电参数下存在一个最优的静水压力值，从而使得煤体致裂效果最好。
　　（2）在放电电压7kV~13kV，水介质静压力0MPa~12MPa范围的实验条件下，进行了不同静水压力和放电电压条件下的脉冲放电液电效应的实验，对得到的实验数据进行分析，得出以下结论：随着放电电压的增大，击穿延时减小，水激波的峰值压力会增大；随着静水压力的增加，击穿延时增大，水激波的峰值压力会先升高而后降低。
　　（3）在3MPa静水压条件下，分别对四个试件进行了不同放电电压的水中高压脉冲放电，采用超声波检测的方法，分析了不同液电特性时的煤体致裂效果，研究结果表明：在液电效应的作用下，新生冲击裂隙主要在煤体中存在的原有裂隙处产生，使得原有裂隙发育扩展；随着液电效应的增强，裂隙数量增加，脉冲致裂区域扩大，最终使得裂隙之间相互贯通，形成覆盖整个试件的贯通裂纹。
　　本论文从理论及实验的角度对水中高压脉冲放电的液电特性及煤体致裂效果进行了研究，初步确立了水中高压脉冲放电技术具有在煤层气抽采应用方面的可行性，确定了适合工程实际的放电参数，得出了脉冲放电致裂煤层效果的一般规律，为水中高压脉冲放电技术在煤层致裂方面的应用提供了一定的理论依据和操作方法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 论文选题的背景及意义

1.2 水中高压脉冲放电的研究现状

1.3论文的主要研究工作

第二章 水中高压脉冲放电的基本理论

2.1 水中脉冲放电机制

2.2 水介质的击穿模型

2.3 水激波的基本原理

2.4 液电效应致裂煤体机理

2.5 本章小结

第三章 实验装置设计及测量系统

3.1 实验装置及原理

3.2 电特性测量系统的设计

3.3 脉冲压力测量设备选型

3.4 实验设备抗干扰措施

3.5 本章小结

第四章 水中高压脉冲放电液电特性的实验研究

4.1 电特性影响因素分析

4.2 实验方案设计

4.3实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 水中脉冲放电致裂媒体增透试验

5.1 试件制作

5.2 脉冲致裂试验

5.3 致裂效果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文的主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

硕士研究生期间发表的论文及参与的科研项目