岩体内静水压下高压脉冲放电爆轰致裂基础研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:feylodiw
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水中脉冲放电技术具有良好的可重复性、能量可控性、安全性等显著特点,广泛运用于众多领域,尤其在石油、煤层气、页岩气开采方面逐渐得到推广,但其基础性研究还处于初步阶段,且基本没有涉及相关静水压问题。本文深入探讨静水压脉冲放电的静态击穿理论,分析静态击穿的加热效应段、击穿爆轰段理论,通过实验室实验及数值模拟研究了静水压条件下的高压脉冲放电过程、加热效应段的超长延时特性、击穿爆轰段动载加载特性及岩体的爆轰动载致裂特性。研究煤层气井中放电致裂规律,完成以煤层气开采为背景的静水压下脉冲放电基础性实验研究,为煤层气井下脉冲放电致裂及地上监测放电效果提供了可靠的指导及参考依据,数值模拟分析有助于相关工作人员借鉴及深入扩展。论文的主要研究内容及研究结果为以下几个方面:  (1)静态击穿水间隙气化模型理论:强电场提供粒子加速能量,加速粒子撞击流柱头部的水分子,出现不断增多的气化水分子,当气化水分子遇到电子撞击发生电离,“气化-电离”循环在场强足够的条件下趋向另一电极延伸发展,流柱接通电极间隙,形成等离子体通道,通道内持续“气化-电离”循环从而形成放电击穿。这种长击穿延时特点的放电击穿称为静态击穿。对于整个静态击穿过程可根据作用特点分为先后两部分:加热效应段、击穿爆轰段。其中加热效应段包含两个阶段,即流柱生成及连接阶段、预击穿阶段。击穿爆轰段包含两个阶段,即放电击穿阶段、电弧爆轰阶段。并对以上两部分进行理论分析及相关数值模拟。  (2)通过静态击穿的加热效应段特性研究提出初始通道等效电阻理论及初始通道等效半径理论,并将其等效值量化为Zdx与Rdlz_dx,可通过具体的数值计算得到,Zdx为10Ω量级,Rdlz_dx为0.1μm量级。  静水压一定时,随着充电电压Um的增大,加热效应段击穿延时出现明显的减小趋势。发现9-15kV充电电压对初始通道截面的影响并不是很大,主要是因为充电电压增大,导致初始通道内电离程度提升,“离子电流”的流速加快,从而出现击穿延时减小。充电电压一定时,随着静水压的升高,击穿延时出现明显的增大趋势。在充电电压一定时,静水压增大导致初始通道等效半径Rdlz_dx的减小,静水压对初始通道截面大小的影响属于导致击穿延时增加的主要因素。  (3)高压脉冲放电击穿爆轰段动载类似于炸药爆轰阶段,其爆轰过程中急速释放的巨大能量产生冲击波动载。在不同放电击穿能量与静水压条件下,冲击波压力和传播中的衰减规律是静水压下脉冲放电致裂岩体研究重要组成部分,也是工程领域主要应用之处。通过实验测得多个点位在不同静水压、击穿能量及传播距离条件下的冲击波压力值。结果表明:静水压增长对放电击穿过程起阻碍作用。以距电极0.5m处的采集点为例,充电电压升高,生成的冲击波峰值压力越大;静水压升高,冲击波峰值压力先快速升高后平缓降低。冲击波传递过程中,击穿能量越高,冲击波衰减越慢;静水压越高,冲击波衰减越慢。  在动载反射方面,分析水介质压力及波源扰动量对一维不定常流冲击波正面反射产生的影响,从机理上加以分析阐述水压、电压影响因素及相关特性。研究结果表明:充电电压(波源扰动能量)越高,反射冲击波特性越显著,反射波峰值压力及波速相应增大。静水压对冲击波在刚性壁反射过程中的叠加效应起到明显抑制作用。反射波受波源能量的影响远小于入射波,但静水压均对反射波、入射波产生较大影响。水中刚性壁反射冲击波具有弱冲击波性质,静水压越高,反射波的弱冲击波特性越明显。  气泡脉动情况由气泡脉动效率直观反应,气泡脉动效率主要体现在高压放电电能转化为气泡膨胀能效率和气泡脉动能量剩存率。通过理论分析及实验研究得到充电电压及静水压对气泡脉动的相关影响。  (4)结合岩体致裂理论分析、相似实验及煤层气井为背景的相关数值模拟,分析不同放电电压、围压、静水压下岩体的爆轰致裂特征规律,以及结合实验特点对实际煤层气井进行ANSYS/LS-dyna数值模拟计算,得到实地放电致裂近似规律。
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