液相高压脉冲放电致裂岩石技术研究进展

李沼萱，闫 铁，侯兆凯，孙文峰，鞠国帅，刘树龙

(1.辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001；2.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；3.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

页岩油气和致密油气等非常规油气资源日益受到重视。对于岩性致密的储层，破岩和压裂都面临严峻挑战[1]。液相高压脉冲放电致裂岩石技术是一种利用电能在液体中产生等离子体通道，进而产生冲击波，使岩石致裂的技术[2-3]。1905年，Swedbery发现液相高压放电可产生冲击波，后来这种在水中高压放电产生冲击波的现象被称为“液电效应”[4]。在随后几十年中，先后有俄罗斯、澳大利亚、法国、美国和乌克兰等国家的学者加入相关技术的基础性研究工作中[5-10]。中国早期引入该项技术主要应用于油层解堵[11-12]。桥口油田[13]在应用低频脉冲放电技术解堵后注水井注水压力下降了5.0 MPa，单井日注水量增加了30 m3/d，累计增加注水量3.15×103m3。中原油田[14]、克拉玛依油田[15]和河南油田[16]也开展了相关应用研究，在研究中发现冲击波可使储层出现裂缝。基于这一思路，国内外学者进一步将该技术应用于破岩和压裂方面。挪威Badger Explorer公司研制了液相放电破岩钻机并进行测试，由于其破岩能效较低，无法满足经济要求，评估结果是样机在当前还不能够商业化应用。液相高压脉冲放电致裂岩石技术虽然在国内外多个油田进行了初步的试验和应用，但其能量利用效率低，有效作用范围小，并没能得到广泛推广应用[17]。为进一步推动该技术的研究，从工作机理、实验装置和影响因素等方面归纳了液相高压脉冲放电致裂岩石技术的研究进展，以期为今后研究该方向的学者提供参考。

1 工作机理

液相高压脉冲放电致裂岩石(简称脉冲放电致裂岩石或脉冲放电)又称液电破碎岩石，是指将高压电极和接地电极置于液体介质中，当高压电极和接地电极两端的电场强度达到一定值时，2个电极中间的液体介质发生离解或碰撞电离，形成等离子体通道。等离子体通道内压力急剧上升并向外膨胀，猛烈挤压周围的液体介质，使其温度、密度、压力呈阶跃式升高，形成初始冲击波，再伴随气泡和射流，对岩石进行破碎。因此，脉冲放电致裂岩石分为液相介质击穿(等离子体通道产生)和岩石破碎2个部分。

对液相介质击穿机理的探索是研究脉冲放电致裂岩石机理的关键一步，Zhu等[18]利用球状电极作为高压电极，板状电极作为接地电极，观测电极表面的超声速流柱发生过程(脉冲放电持续时间在微秒量级下)，不同放电电压下电极表面击穿过程见图1。

由图1可知：放电电压为57.0 kV时，出现了迅速向外膨胀的超声速流柱，液体介质被击穿，储能装置中的能量全部释放。此时的超声速流柱处于短间歇期—电离循环阶段，内部等离子体的数密度达到1021/cm3。Li等[19]建立模型探索了等离子体通道产生过程以及冲击波特性。蒋杰灵[20]根据质量、动量、能量守恒方程描述了圆柱形脉冲等离子体通道的演化过程，应用四阶Rounge-Kutta法计算了等离子体通道中等离子体密度、电流、压力等参数随时间的变化关系。王一博[21]在此研究的基础上建立了“柱爆轰”模型，通过“猜测—迭代”算法推导了放电过程中等离子体温度的演化规律，并通过数值模拟方法计算了各关键变量随时间的演化规律。与此同时，还有很多学者提出了关于等离子体通道的动态击穿机理，如“气泡引燃”理论[22]，还有“电爆炸引燃”理论[23]和“场致电流引燃”理论[24]等。Gurovich等[25]提出了等离子体通道的电阻时变模型，认为在等离子体击穿过程中，等离子体通道的电阻是随放电过程产生变化的。随后，Kaizhuo[26]等人对电阻时变模型进行了仿真模拟，采用有限差分的方法计算了放电电压和放电电流。

图1 不同放电电压下电极表面击穿过程

除了探索等离子体通道产生过程，还有部分学者针对岩石的击穿过程进行研究。祝效华等[27]提出了一种岩石介质击穿模型，即概率发展模型(PDM)。通过室内实验和模型计算提出了等离子体破岩数值模拟方法，并最终得到了破岩规律。但数值模拟方法和算例存在一些不足之处，如将与等离子通道接触的颗粒的温度设为固定数值，在热能耗散方面存在缺陷。

目前，针对脉冲放电致裂岩石机理的研究还处于探索阶段，对等离子体通道的动态击穿机理和岩石介质击穿模型研究都存在精度不足的问题。脉冲放电致裂岩石机理属于多物理场耦合作用过程，目前依旧没有完整的理论模型，亟需国内外学者继续钻研与探索。

2 脉冲放电致裂岩石实验装置

脉冲放电致裂岩石实验装置主要包括高能储能电容器组、放电开关、放电电极组、显示装置和安全保护系统等。为获得最优的岩石破碎效果，相关学者致力于脉冲放电装置的研发。

张辉等[28]设计了高压脉冲放电致裂岩石实验装置，通过高压变压器升高电压，输出最高电压可达70.0 kV，电容器组由4个电容器串联组成，每个电容器电容为0.5 μF，成功对页岩进行了致裂实验。还有很多学者和研究单位搭建了脉冲放电装置，电源最高输入电压如表1所示[29]。

表1 国内外部分研究单位实验装置电压

在进行脉冲放电实验时经常会面临电磁干扰问题。Rim等[30]研发了一种自感应磁场驱动的旋转电弧间隙开关，开关的转换电压为3.0～11.0 kV，峰值电流为400 kA；为提高开关性能，电极采用铜钨合金。在实验过程中出现强烈的电磁辐射，并且在产生等离子体的过程中还出现电流和电压的突变等问题。卞德存等[31]对实验设备出现电磁干扰的现象实施了抗电磁干扰举措：对抗干扰能力较强的高压脉冲放电系统，采用频率为50 Hz、电压为220.0 V的单相交流电供电；对抗干扰能力较弱的设备，采用直流充电电池供电；并采用带有金属屏蔽网的导线以及抗干扰能力强的压阻式传感器等电磁屏蔽措施。对实验采取相关抗干扰处理后，在测量冲击波压力(冲击波在传播过程中挤压液体介质的等效应力)波形时不再受到干扰信号的影响。付荣耀[32]设计了一台储能为8.0 kJ的充电电源，在控制系统和高压测量端采用光电隔离技术，减小电磁干扰对控制系统的影响，同时提高了装置的操作安全性。

在优化电极设计方面，Liu等[33]研究了最佳电极间距和等离子体通道长度对冲击波强度的影响。最佳电极间距与电极形状可以在固定充电能量的前提下产生最强的冲击波。通过等离子体通道长度调节(PCLR)方法能有效提高能量传递效率，弥补在电容器和开关处的能量损耗。图2为液相脉冲放电产生冲击波示意图。由图2a可知：液体介质在高压电流下被击穿形成等离子体通道和空腔，随后产生冲击波，但冲击波的强度稍弱。由图2b可知：电极上添加2个细小的尖端后，在2个尖端中间会产生等离子体通道；由于每个尖端与相邻电极末端具有相同电位，出现排斥作用，尖端中间会形成1个远离电极方向的弧形通道。此时等离子体通道的长度增加，等离子体通道的阻抗升高，等离子体通道中累积的能量增加，冲击波强度提高。由于实验在没有施加围压的环境下进行，无法较好地模拟地层应力环境，因此，对岩样施加围压是下一步的实验方向。付荣耀等[34]对尺寸为Ф2 000 mm×600 mm的圆柱状的水泥岩样进行了重复致裂岩石实验(实验次数为20次，放电电压为18.0 kV，放电能量为32.4 kJ)，主要分析在其他放电条件相同的情况下，电极有无套管时的致裂效果。研究表明：在电极安装套管时，放电能量会有部分损失，或作用于套管，或被套管吸收；利用裸电极直接对岩石致裂，会更有利于裂缝的起裂和扩展。在实验过程中出现了电极烧蚀的问题，建议在下一步研究中重点考虑。

图2 液相脉冲放电产生冲击波示意图

在脉冲等离子体发生装置的研发上，国内外学者主要针对的是装置的充能上限和电极优化的设计方面。对于实验过程中面临的电磁干扰问题，可通过采用压力传感器和光电隔离技术等措施进行规避。

3 脉冲放电致裂岩石影响因素

脉冲放电致裂岩石的影响因素很多，主要包括液相介质电导率、放电电压、放电能量、岩石围压和脉冲宽度等。

3.1 液相介质电导率

在液相介质电导率方面，莊佳昇[35]利用高压脉冲压力震波管，在有抛物面反射器的管道中，研究了不同液相介质电导率对冲击波压力峰值的影响。实验表明：在相同电极间距(0.3 mm)和放电电压(7.0 kV)的条件下，液相介质电导率越大，冲击波压力峰值越高(液相介质电导率为109.700 0 mS/cm时，冲击波压力峰值高达100 MPa；液相介质电导率为0.017 7 mS/cm时，冲击波压力峰值为20 MPa)。并且随着电导率的升高，冲击波压力峰值的上下浮动范围在逐渐减小。研究表明，提高液相介质电导率可有效提高脉冲放电冲击波的强度和稳定性。

3.2 放电能量与放电电压

在放电能量和放电电压方面，付荣耀[36]采用最大储能为40.0 kJ的电源设备对10块岩石进行岩石致裂实验。研究表明：单次脉冲放电电压越高、放电能量越大、放电次数越多、岩样密度越小，脉冲放电致裂岩石效果越好。提高实验设备的放电能量和放电电压可以提高脉冲放电致裂岩石的效果，但需要增加实验设备里电容器数量，导致设备体积增大，在实际应用时，不利于现场操作和实现技术经济性，建议可应用石墨烯作为电极材料制备超级电容器[37]。

鲍先凯等[38-40]利用脉冲放电致裂岩石实验装置，采用CT扫描系统和孔裂隙分析软件，对低渗透煤样致裂效果进行了分析。研究表明：脉冲放电致裂岩石技术对煤层有很好的致裂效果；放电电压越高，煤样内部的裂隙率越大，脉冲放电致裂的裂缝长度越长，宽度越宽。Chen[41]、Li[42-43]、Liu[44]等学者也进行了相关研究。Chen等针对内径为50 mm、外径为125 mm、高度为180 mm的砂岩岩样进行脉冲放电实验，最大放电电压为40.0 kV，电极间距为10.0 mm，电容器的电容为5.3～84.8 μF。实验表明：冲击波压力峰值与放电能量有关，放电能量越大，冲击波压力峰值越高，冲击波压力峰值可达到250 MPa；冲击波的冲击次数增多，岩样的渗透率也随之增大。

3.3 岩石围压

为研究岩石围压对脉冲放电致裂岩石效果的影响，付荣耀等[45]对6块岩样分别施加0～25 MPa的静水压力，然后进行脉冲放电致裂岩石实验。实验结果表明：岩石施加围压对岩样裂缝的起裂和扩展具有抑制作用；随着静水压力的增加，岩石裂缝长度和宽度减小，岩样的渗透率和孔隙度逐渐降低，裂缝的导流能力随之降低。围压和三轴压力有所不同，围压又叫做环压，其最大主应力和最小主应力相等。但在真实地层中，最大主应力和最小主应力一般是不同的。因此，在以上实验中，施加围压在一定程度上反应了在真实地层环境中脉冲放电致裂岩石的规律，但在真实应力环境的模拟方面还需进一步研究。

3.4 脉冲宽度

在研究脉冲宽度对脉冲放电致裂岩石效果的影响方面，王广旭等[46]进行了高压脉冲放电致裂岩石实验，实验中的等离子体通道的脉冲宽度为5～45 ms。实验表明：随着脉冲宽度的增加，作用在岩石上的放电能量增大，致裂岩石效果提高。但脉冲宽度的增加会导致高压电极和接地电极的烧蚀损耗增加，因此，研发有效的抗烧蚀电极也是下步研究方向之一。

4 脉冲放电致裂岩石裂缝起裂与扩展规律

裂缝的起裂与扩展主要分为2类：第1类为新生裂缝的起裂和扩展，第2类为新生裂缝与天然裂缝交汇后的裂缝扩展情况。

针对新生裂缝的起裂和扩展，Mao等[47]进行了高压脉冲放电致裂岩石实验，研究了多次脉冲放电后岩石的裂缝起裂和扩展情况。当冲击波压力峰值达到50 MPa时，可诱导多处裂缝的产生，裂缝的长度和宽度较为理想：一般情况下岩石中会产生一条主裂缝，其余为次级裂缝，主裂缝主要沿岩石初始应力最小的方向扩展。实验说明液相高压脉冲放电致裂岩石技术具有一定的定向致裂效果。付荣耀等[48]采用最大储能为40.0 kJ的电源设备进行致裂岩石实验，对产生的裂缝进行了三维形貌分析：裂缝的表面粗糙度为0.430～1.075 mm，具有一定的导流能力；对岩石施加围压后，裂缝的数目增多，但长度偏短，且裂缝普遍存在转向的特征，局部区域发现了环形裂缝。姜敞等[49]在脉冲宽度为10 μs、上升沿为400 ns以及放电能量为1.0 kJ的实验条件下进行致裂岩石实验。实验表明：随着冲击波冲击次数不断增加，岩石首先出现微裂缝，然后裂缝整体贯通岩石，最后岩石完全破碎；岩石表面到等离子体通道中心的距离和岩石损伤程度呈对数关系，随距离增加岩石损伤程度下降。秦爽和卞德存等[50-51]的研究表明：地应力对裂缝的起裂和扩展起到抑制作用；静水压力对裂缝扩展方向的影响较小，对裂缝的扩展速度和扩展长度有较大影响。Yan等[52]也针对该问题做了相关实验研究，实验认为静水压力对岩石裂缝的起裂和扩展存在抑制性。

Li等[53]为了观察裂缝形态，利用有机玻璃可视化的特点，进行了脉冲放电致裂有机玻璃实验，分析裂缝形貌特征，总结裂缝起裂的影响因素，实验结果如图3所示。由图3可知：冲击波所形成的裂缝呈现放射状，裂缝扩展存在对称性，有分叉特征；随着放电电压的升高，裂缝密度(单位面积上的裂缝条数)不断增加。此外，从图中还可发现，冲击波产生的裂缝存在波形的特征。但有机玻璃存在均质的特点，区别于岩石的非均质性，实验虽能在一定程度上反应脉冲放电的致裂方式和冲击波的传播路径，但还是较为理想化，如何弥补材料的非均质性这方面的不足将是下步研究方向。

考虑到脉冲放电致裂岩石裂缝与天然裂缝的交汇，周晓亭和李恒乐等[54-55]对脉冲放电下的煤体微裂隙演化与孔隙结构变化情况进行了研究。周晓亭的研究表明：新生裂缝的起裂主要受张剪性应力影响，在施加围压的条件下应力主要集中在天然裂缝处，脉冲放电致裂岩石裂缝优先沿着原有结构性缺陷部分(即天然裂缝)方向发育。李恒乐自主搭建了煤体致裂实验平台，不同冲击次数下的孔裂隙发育特征如图4所示。由图4可知：当冲击次数为0时，裂缝大体为规则的单裂缝，随着冲击次数的增加，原生裂缝逐渐扩展，并伴随着多条微裂缝出现，部分区域出现贯穿孔隙的裂隙。说明裂缝以孔隙扩展和裂隙生长的方式进行，在冲击波的作用下裂隙在弱结构面附近出现张性和剪性裂缝。

图4 不同冲击次数下的孔裂隙发育特征

5 结论与展望

(1) 液相高压脉冲放电致裂岩石技术是在多物理场耦合过程下发生的，是力、热、声、电耦合作用的结果，但至今仍未有完整的高压脉冲放电致裂岩石理论，对等离子体通道的动态击穿机理和岩石介质击穿模型的研究精度不足。继续探索高压脉冲放电致裂岩石机理是提高脉冲放电致裂岩石技术效果的必要条件。

(2) 在实验装置方面，等离子体发生过程中出现了强烈电磁干扰，存在电流、电压突变问题，可通过压力传感器的选择以及光电隔离等技术避免；放电电极组间产生等离子体通道时会出现烧蚀电极的情况，研发导电性能好、抗烧蚀的电极是一项亟需解决的技术难题。另外，电源装置体积偏大，如果将电源装置置于井上，装置的体积基本不受影响，但从电源装置到放电电极组间的电缆能量损耗必须加以考虑，需要研发低波阻抗的传输电缆。井下空间有限，如果将电容置于井下，电源能提供的放电能量较小，因此，需要研发高储能密度的电容，建议采用石墨烯为电极材料制备超级电容器，可获得电容内阻更小、电容量更大、寿命更长的电容器，同时需考虑水密、绝缘和电磁屏蔽等问题。

(3) 在实验影响因素方面，液相介质电导率、岩石围压、放电电压、放电能量和脉冲宽度等因素均对液相高压脉冲放电致裂岩石效果有所影响。液相介质电导率越大，冲击波压力峰值越高。提高液相介质电导率可有效提高脉冲放电冲击波的强度和稳定性。围压对裂缝起裂和扩展有抑制作用。此外，放电电压越高、放电能量越大、放电次数越多，致裂岩石效果越好。岩石的电导率对高压脉冲放电致裂岩石技术同样存在影响，但研究较少，建议在这个方向做进一步探索。

(4) 在裂缝的起裂和扩展方面，岩石新生裂缝的起裂主要受张剪性应力影响，由一条主裂缝和四周多个次级裂缝组成，裂缝扩展存在对称性，有转向、分叉和波形特征。在遇到天然裂缝时，新生裂缝主要沿天然裂缝发育。目前针对裂缝转向特征的研究只停留在初步总结现象阶段，研究并不深入，该方向可以作为下一步深入研究的重点，在实验时需多考虑天然裂缝的影响。