等离子体电脉冲钻井破岩机理的电击穿实验与数值模拟方法
发布时间：2021-07-06 04:17
等离子体电脉冲钻井技术为一种高效破岩钻井技术。对4种岩石在80 kV固定输出电压、重频率为2.5 Hz下进行了电脉冲击穿实验。实验发现,电脉冲破碎结果中存在贯穿破碎和未贯穿破碎2种状貌,并针对产生这两种状貌的原因进行了分析。从电击穿角度明确了单次脉冲破岩效率的评价指标——能量转换效率ηe,并提出了一种新的岩石介质击穿模型——概率发展模型（PDM）,借助PDM和简化的电击穿电路研究了单脉冲击穿时电路结构参数对破岩能耗分配的影响规律。基于电脉冲击穿实验参数和PDM生成的等离子体通道轨迹提出了等离子体电脉冲钻井破岩机理研究的数值模拟方法,利用该数值模拟方法研究了在地层压力为0～30 MPa下、直径为41 mm的电极钻具在加载峰值电压为60 kV时的破岩规律。
【文章来源】：石油学报. 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
高压电脉冲仪等效电路
实验中固定输出电压为80 kV,频率为2.5 Hz。通过不断改变岩样的种类和岩样厚度得到4种岩石的电击穿规律。图2为厚度为10 mm(即针—针电极的间距为10 mm)的花岗岩击穿过程。电击穿过程中伴随着电弧的产生和较大的噪声。击穿起始阶段,电火花位于正电极和接地电极附近,而图2中电火花产生的位置发生了较大偏移。这是由于击穿过程中扩展裂纹和实验中的工作液体介质为自来水导致的。击穿后的花岗岩平板产生了沿电极径向扩展的裂纹,这和Cho等[24]利用X射线CT扫描得出的结果一致。实验结果显示,并不是所有的岩样均能发生电击穿破碎。这是由于每种岩石能否发生电击穿破碎与其最小击穿场强相关,每种岩石的最小击穿场强不同。实验中的输出电压固定为80 kV,厚度较大岩石无法达到该岩样的最小击穿电压,因而不能破碎。
表1为电击穿实验中部分岩样的实验现象,4种岩石中只有花岗岩在击穿过程中存在裂纹扩展,这是由于花岗岩的致密程度和脆性最大。另一方面,由于玄武岩中较大电导率矿物含量较多,玄武岩的破碎状貌呈现出明显的电解特征。这说明电脉冲破岩中,岩石的破碎特征和岩石矿物组分的电导性质息息相关。此外,硬度较软的红砂岩和灰砂岩经电击穿后产生粉末状泥质岩屑;硬度较硬的玄武岩和花岗岩经电击穿后产生颗粒状的岩屑。这说明岩石的软硬程度对电脉冲破岩的岩屑类型有一定的影响。表1 电击穿实验中部分岩样的实验现象Table 1 Experimental phenomena of some rock samples in the electrical breakdown experiment 岩石 厚度/mm 击穿次数 实验现象 红砂岩 13 >18 平板岩样内形成贯通至两侧电极的孔洞,孔洞直径为电极根部直径的30%～50%;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊;最终生成粉末状的泥质岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 <18 岩样表面形成凹坑状的破碎状貌;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊;最终生成了粉末状的泥质岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 灰砂岩 18 <40 岩样表面形成凹坑状的破碎状貌;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊,但水的浑浊程度小于电击穿红砂岩情形下的浑浊程度;最终形成粉末状泥质岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 玄武岩 17 <36 岩样表面形成凹坑状的破碎状貌,且破碎状貌具有明显的电解特征;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊;最终形成颗粒状岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 花岗岩 11 >15 平板岩样内形成贯通至两侧电极的孔洞,孔洞直径约等于电极根部直径;形成颗粒块状岩屑;击穿过程中有裂纹扩展,并扩展至试样的自由端
本文编号：3267505
【文章来源】：石油学报. 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
高压电脉冲仪等效电路
实验中固定输出电压为80 kV,频率为2.5 Hz。通过不断改变岩样的种类和岩样厚度得到4种岩石的电击穿规律。图2为厚度为10 mm(即针—针电极的间距为10 mm)的花岗岩击穿过程。电击穿过程中伴随着电弧的产生和较大的噪声。击穿起始阶段,电火花位于正电极和接地电极附近,而图2中电火花产生的位置发生了较大偏移。这是由于击穿过程中扩展裂纹和实验中的工作液体介质为自来水导致的。击穿后的花岗岩平板产生了沿电极径向扩展的裂纹,这和Cho等[24]利用X射线CT扫描得出的结果一致。实验结果显示,并不是所有的岩样均能发生电击穿破碎。这是由于每种岩石能否发生电击穿破碎与其最小击穿场强相关,每种岩石的最小击穿场强不同。实验中的输出电压固定为80 kV,厚度较大岩石无法达到该岩样的最小击穿电压,因而不能破碎。
表1为电击穿实验中部分岩样的实验现象,4种岩石中只有花岗岩在击穿过程中存在裂纹扩展,这是由于花岗岩的致密程度和脆性最大。另一方面,由于玄武岩中较大电导率矿物含量较多,玄武岩的破碎状貌呈现出明显的电解特征。这说明电脉冲破岩中,岩石的破碎特征和岩石矿物组分的电导性质息息相关。此外,硬度较软的红砂岩和灰砂岩经电击穿后产生粉末状泥质岩屑;硬度较硬的玄武岩和花岗岩经电击穿后产生颗粒状的岩屑。这说明岩石的软硬程度对电脉冲破岩的岩屑类型有一定的影响。表1 电击穿实验中部分岩样的实验现象Table 1 Experimental phenomena of some rock samples in the electrical breakdown experiment 岩石 厚度/mm 击穿次数 实验现象 红砂岩 13 >18 平板岩样内形成贯通至两侧电极的孔洞,孔洞直径为电极根部直径的30%～50%;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊;最终生成粉末状的泥质岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 <18 岩样表面形成凹坑状的破碎状貌;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊;最终生成了粉末状的泥质岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 灰砂岩 18 <40 岩样表面形成凹坑状的破碎状貌;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊,但水的浑浊程度小于电击穿红砂岩情形下的浑浊程度;最终形成粉末状泥质岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 玄武岩 17 <36 岩样表面形成凹坑状的破碎状貌,且破碎状貌具有明显的电解特征;击穿过程中电极附近的水逐渐变浑浊;最终形成颗粒状岩屑;击穿过程中无明显裂纹扩展 花岗岩 11 >15 平板岩样内形成贯通至两侧电极的孔洞,孔洞直径约等于电极根部直径;形成颗粒块状岩屑;击穿过程中有裂纹扩展,并扩展至试样的自由端
本文编号：3267505
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