高压脉冲放电破碎岩石及钻井装备研制

摘要

随着陆上油气资源的日益枯竭，海上油气资源的勘探和开发变得日益迫切，基于脉冲放电破碎岩石的钻井技术受到了广泛的关注。现有的高压脉冲放电破岩装置，使用的脉冲电源单次能量都是几百甚至上千焦耳，该能量等级下电源工作的重复频率、能量效率和电极的使用寿命等问题都会受到一定的限制。减小单次放电能量和工作电压，有可能实现装备的小型化，快重复频率和长使用寿命，并增强设备使用的安全性。本论文开展了幅值电压30～50 kV、单次能量10～20 J下脉冲放电破碎岩石的理论和实验研究。 脉冲放电破碎岩石主要分为液电效应破碎和电破碎两种形式。液电效应的研究历史较早，理论相对成熟。本文重点讨论了电破碎岩石过程及机理。从电场的角度分析了气泡对岩石电击穿场强的影响。利用等效电路的方法，分析了储能电容上的能量注入到等离子体通道中的过程，模拟结果显示:等离子体通道在电击穿后，其阻抗在Ω量级。借鉴经典的爆炸理论，将岩石看作为均匀、各向同性、不可压缩性流体，建立了一个基于动量传递观点的等离子体通道破碎岩石模型。储能装置上的能量快速地注入到等离子通道，引起通道迅速膨胀，对通道周围的岩体产生一个比冲量。岩石以一定的速度开始运动，但由于获得的初速度并不一致，相对运动产生的位移差将会使岩石变形。当岩石的变形能超过其应力强度时，破碎发生。 岩石的电击穿场强是研究电破碎岩石的核心问题。本文考察了针—板电极条件下岩石的电击穿场强。黄砂岩、黑大理岩、白大理岩、黑花岗岩和白花岗岩在50％击穿概率下平均电击穿场强分别为70 kV/cm、105 kV/cm、160 kV/cm、135 kV/cm和120 kV/cm。实验证实了岩石的孔隙率跟其电击穿场强的相关性:孔隙率越大，电击穿场强越小。岩石的电击穿场强随厚度的增减而减小。利用小能量的Marx发生器在针—板电极下对岩石进行电破碎实验。岩石发生破碎需要电源提供的单次能量不能低于8J。 针对高压脉冲放电破碎岩石的工业应用，本文开展了下针—针电极放电破碎岩石的实验研究。高压脉冲放电对岩石破碎的结果表明:电场强度、脉冲能量、电导率等因素对岩石的破碎均有影响。加载在放电电极上的电压越高、单次脉冲能量越大、水电导率越小，则岩石越容易发生破碎。实验证实了在电极间距2～4 mm，自来水的电导率300μS/cm，幅值电压30～50 kV、单次能量10～20 J的脉冲放电是可以实现对硬岩的破碎。 基于前期的理论和实验研究，设计了一套高压脉冲放电破碎岩石的钻井工艺，搭建了一台脉冲等离子体钻井设备。提出利用线性的电容和非线性的脉冲形成线的组合来实现电源同负载的阻抗匹配。自行设计并搭建了一台LCR触发多级多通道火花开关。实验结果表明:该火花开关具有稳定的电压输出，较小的能量损耗，电压的上升沿小于40 ns，可以作为钻机的短脉冲形成开关。开发了一种低波阻抗同轴水电缆，电缆的波阻抗小于10Ω，将进水管放置于中心导体内，实现了电缆和水缆的结合。设计并搭建了一套可行的钻机机构，该机构由机架、钻井杆、重力压盘和导向杆等部件组成。钻井杆采用多级连杆组合的方式实现足够的机械连接，并可以根据进钻的深度调节钻井杆的长度。钻井机构能够满足持续的深井钻孔的要求。 利用搭建好的钻机开展了岩石钻孔的实验研究。钻头电极采用同轴圆柱结构，接地电极的外直径54 mm，电极壁厚5mm，高压电极为内电极，直径为40 mm，高、低压电极间距为2 mm。当采用自制的低波阻抗脉冲传输线时，受限于传输线的工作电压，钻机无法实现对天然岩石的钻孔。当采用RG218电缆作为传输线，电压30～45 kV、单次能量10～20J的脉冲放电数次后，岩石的表面在与放电间隙对应的位置有凹槽，与高压电极接触的岩石无变化，钻机也无法实现对岩石的有效钻孔。利用多根细电缆制成的钻头电极，高低压电极对为10对，电极间距为3～3.5 mm，集成后电极的直径为40 mm。实验发现不同种类的岩石，在不同的电压等级下，能耗的差别较大。实验选取了建筑红砖、黑大理岩、黄砂岩、白大理岩和黑花岗岩等作为实验石材。建筑红砖的能耗最低，在30 kV电压时，钻孔能耗为100 J/cm3，当升高电压至45 kV时，钻孔的能耗降至45 J/cm3。钻孔的能耗随着电压的上升而下降。芝麻白花岗岩和珍珠黑花岗岩在40～50 kV电压等级下的钻孔能耗约为1000 J/cm3。

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摘要

图目录

表目录

论文中使用的符号及单位

1 绪论

1．1 引言

1．2 液电破碎的研究进展(EHD method)

1．2．1 基础研究

1．2．2 工业应用

1．3 电破碎的研究进展(ED method)

1．3．1 基础研究

1．3．2 应用研究

1．4 脉冲等离子体钻井

1．4．1 研究现状

1．4．2 存在的问题和挑战

1．5 本文的研究内容

2 电破碎岩石的基础过程

2．1 引言

2．2 等离子体通道的形成

2．2．1 固体电介质电击穿理论

2．2．2 岩石的电击穿

2．3 等离子体通道中能量注入

2．4 等离子体通道发展引起岩石的变形与破坏

2．5 本章小结

3 实验方法、装置和材料

3．1 实验方法

3．1．1 针—板电极对下岩石电击穿场强的测试

3．1．2 针—针电极对下岩石破碎效应的研究

3．2 实验装置

3．2．1 电源系统

3．2．2 反应器

3．3 实验材料

3．4 测试设备

4 针—板电极对下岩石电击穿的实验研究

4．1 10～20J高压短脉冲下岩石电击穿的实验研究

4．1．1 岩石电击穿现象

4．1．2 高压短脉冲作用下岩石的电击穿场强

4．2 Marx发生器电破碎岩石的实验研究

4．3 讨论与分析

4．3．1 岩石的空隙率对其电击穿场强的影响

4．3．2 岩石的厚度对其电击穿场强的影响

4．4 本章小结

5 针—针电极放电破碎岩石的实验研究

5．1 针—针电极水中放电现象

5．1．1 电场强度对放电的影响

5．1．2 电导率对放电的影响

5．2 针—针电极与岩石接触情况下的放电

5．2．1 放电参数

5．2．2 放电形式分析

5．3 针—针电极放电对岩石的破碎

5．3．1 破碎结果

5．3．2 破碎形态

5．3．3 破碎因素分析

5．4 361J高压短脉冲放电破碎岩石的实验研究

5．4．1 放电参数

5．4．2 破碎效应

5．5 分析与讨论

5．5．1 不同能量等级下放电参数的变化

5．5．2 不同能量等级下破碎效应的差异

5．6 本章小结

6 脉冲等离子体钻井装备的研制

6．1 钻井装备整体设计概述

6．1．1 系统结构

6．1．2 工作过程

6．2 高压脉冲电源

6．2．1 初级脉冲充电电源

6．2．2 组合脉冲形成网络

6．2．3 脉冲形成线

6．2．4 高压储能电容

6．2．5 LCR触发多级多通道火花开关

6．3 脉冲传输线

6．3．1 低波阻抗传输线研制的目的

6．3．2 传输线的结构和性能

6．4 钻井机构

6．4．1 机架

6．4．2 钻井杆

6．4．3 重力压盘

6．4．4 导向杆

6．4．5 其它的钻井结构

6．5 钻头电极

6．6 钻机的工作性能

6．6．1 采用自制缆的实验结果

6．6．2 采用RG218电缆的实验结束

6．7 分析与讨论

6．8 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简历及在读期间主要的研究成果