水中脉冲激波对模拟岩层破碎试验

刘 毅 李志远 李显东 林福昌 潘 垣

（强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学） 武汉 430074）

水中脉冲激波对模拟岩层破碎试验

刘 毅 李志远 李显东 林福昌 潘 垣

（强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学） 武汉 430074）

采用重复频率液电脉冲激波轰击油气井射孔及附近岩层，可提高油气井的固有渗透率，增加油气产量。本文建立水中大电流脉冲放电激波试验平台，构建电气、激波及光学等监测系统，分析水中脉冲激波与电弧膨胀及空腔运动的对应关系；分析液电脉冲激波能量的转换效率及频谱特性，采用混凝土试样模拟油气井护套及射孔周围岩层。测试了激波强度及放电次数对射孔堵塞物的清理效果，模拟了激波对岩层的造缝效果。试验结果表明，采用重复频率液电脉冲激波轰击射孔堵塞物及作用周围岩层，能够有效解除油气井的堵塞，增加岩层裂缝，提高油气产量。

油气增产 液电效应 激波 液电等离子体 脉冲电弧

0 引言

目前世界上30年以上的老油田年产量约占全球产量的70%，且石油新增储量中75%来自老油田。新老油田不同程度地存在因污染堵塞而减产的情况，在老油田中尤其严重。目前油田的解堵主要采用传统的化学解堵[1]和压裂解堵方法[2]，但是化学物品的处理、储存运输及带来的生态问题已严重制约了该方法的应用[3,4]，压裂解堵也会带来严重的地下水污染等问题。为保护环境，欧盟部分发达国家已立法禁止压裂解堵方法的应用，因此迫切需要开发新的环境友好型、高效增产的油田解堵装备。

基于液电脉冲激波原理的石油大幅度增产技术是将近代高新技术理论——脉冲功率技术应用于油气领域的开发技术，通过在井下油层段产生强力的液电脉冲激波，解除油田射孔堵塞，增加岩层裂缝，促进油的渗透，实现增产[5-7]。该方法为纯粹的物理增产手段，较传统的解堵方法而言，不存在环境污染问题，同时具有安全高效、施工工艺简单、作业时间短等特点[8,9]。目前该项技术在国外已进行前期研究，已在欧洲北海、中东和北美的超过163多种类型油井进行现场试验，平均增产效果达到720%[10]。

根据其应用背景，对该装备的特殊要求主要有两点：①高温、高压力工作环境，对应4km作业深度，设备的工作温度达到120℃以上，并需承受30MPa以上的高静态压强和高强度冲击，目前已接近可使用设备器件的极限[11]；②极小空间中的高能量、高功率脉冲输出[12]。油气井的直径一般小于120mm，设备的外径一般要低于该尺寸[13]。早期的国外、国内设备采用液电间隙放电，但是由于液体的击穿场强较高，一般液电间隙的距离较小[14,15]。电容器中大部分储能消耗在外回路中，产生的液电脉冲激波强度较小。采用金属丝爆的形式能够增大间隙距离，有效提高激波强度[16]。但是在油气增产等特殊应用场合，自动更替金属丝难度较大，导致可靠性下降[17]。从激波的产生过程来看，不论是液电间隙放电，还是金属丝爆，外回路相同时，激波强度均主要取决于等离子体通道的长度。等离子体通道越长，阻抗越大，电源注入通道的能量越大。电能向机械能的转换效率提高，激波强度提升[18,19]。

为模拟液电脉冲激波的油气增产效果，本文建立了水中大电流脉冲放电激波试验平台，构建了电气、激波及光学等监测系统，分析了液电脉冲激波与电弧膨胀及空腔运动的对应关系。基于液电脉冲电弧调控技术，分析了液电脉冲激波能量的转换效率及频谱特性，采用混凝土试样模拟油气井护套及射孔周围岩层。测试了激波强度及放电次数对射孔堵塞物的清理效果，模拟了激波对岩层的造缝效果。本文的试验结果对促进液电脉冲激波在油气增产方面的应用有一定借鉴意义。

1 液电脉冲激波增产模拟试验平台

液电脉冲激波增产模拟试验平台如图1所示，主要由充电单元、放电单元以及测量单元构成。其中，储能电容C=3.0μF，充电电压为30kV。放电开关采用触发真空开关（Triggered Vacuum Switch, TVS）[20]。当储能电容充电至设定电压，控制TVS导通，主电压施加到液电脉冲间隙上。间隙完成击穿，电弧及空腔膨胀，向外辐射强有力的激波。利用泰克P6015A高压探头和Pearson CT（Model: 301X）分别测量液电脉冲间隙两端的电压与电流波形。利用高速摄像机（Model：Photron FASTCAM SA5）测量电弧及空腔的运动过程。采用PCB压力传感探头（Model：138A01）测量辐射出来的液电脉冲激波强度。

图1 液电脉冲激波实验装置原理Fig.1 Schematic diagram of the test stand for shock wave induced by underwater pulsed current discharge

试验中液体采用普通自来水，激波发射器封装在胶膜内部，以保证液电间隙的清洁及激波放电液体的电导率。发射器液电间隙周围采用旋转抛物面设计，确保液电脉冲激波沿径向发射，而无垂直分量对井壁造成损伤。

一次液电脉冲激波产生过程中，液电间隙两端的电压波形、流过间隙电流波形及液电脉冲激波的典型波形如图2所示。液电间隙的预击穿时延约为21μs。放电电流的第一个峰值Im=13.2kA，振荡周期为33.0μs，经过三次半波振荡后电流衰减为零，电弧通道持续时间为66μs。压力传感探头与液电脉冲激波发射间隙处于同一水平高度，二者之间的距离为17cm。由电流起始时刻与激波起始时刻的时间差可获得液电激波在水中的传播速度约为1 500m/s[15]。激波的上升时间约为4.8μs，幅值为6.31MPa。

图2 电压、电流及激波的典型波形Fig.2 Typical voltage, current, and shock wave waveforms in the experiment

预击穿阶段的泄漏电流导致电容器上有一定的能量损失。液电脉冲激波间隙击穿时刻的电容器上能量为1.09kJ。这些能量大部分消耗在外回路的阻抗上，只有小部分能量通过液电脉冲电弧的阻抗注入了液电间隙，转化为以激波为主的机械能以及光、热、声等辐射能。其中转化为机械能的部分Ew(t)可通过实测激波波形进行换算[21]。

式中，lsensor为激波源与压力探头的水平距离；ρ为水的密度；cs为水中声速，cs=1 500m/s；p(t)为实测激波波形。由图2可知，本次放电中转化为激波机械能的能量为103J，对应的电能向机械能的转换效率约为9.45%。若考虑到预击穿阶段的泄漏能量，整个放电过程中的电能向机械能的转换效率约为7.63%。由于外回路的阻抗大于液电脉冲电弧的阻抗，电能大部分被外回路所消耗。因此，应尽可能降低外回路的自身阻抗，提高液电脉冲电弧的阻抗，进而提高电能向机械能的转换效率，获得更高强度的激波。

2 等离子体通道长度对激波强度的影响

在外回路电气参数受电容器、开关及引线等限制时，进一步降低外回路自身阻抗存在较大难度。本文研究通过液电脉冲电弧调控技术提高等离子体通道的长度，进而提高电弧通道阻抗。液电脉冲激波增产模拟试验平台如图1所示，对应图2所示的放电波形，同一次放电中的电弧、空腔发展及膨胀过程如图3所示。图3中，高速摄影机的拍摄速度为3μs/帧，曝光时间为0.26μs，光圈设置为F11，镜头前加1 000X的滤光片。高速摄影机通过光纤触发控制器与TVS同步触发。通过液电脉冲电弧调控技术，使得电弧的发展路径具有一定随机性，并不沿着最小间隙距离发展。本次放电过程中电弧长度达到27.9mm。随着电弧的快速膨胀，电弧周围看到明显的空腔形成及发展过程[18-22]。整个过程可分为三个阶段。

图3 电弧及空腔的膨胀过程Fig.3 Expansion of the arc and cavity

（1）电弧快速膨胀阶段（21μs≤t≤30μs）。电流快速增长，电弧体积膨胀，更加明亮。电弧直径均匀增加，呈现柱状。但此时由于电流的作用时间较短，通过焦耳效应沉积的能量来不及气化足够液体形成空腔。

（2）空腔形成及膨胀阶段（33μs≤t≤48μs）。电弧促使液态水迅速气化形成空腔，围绕电弧分布。由于电弧与气泡的交界面折射率不同，电弧的亮度分布不均，电弧中心位置的亮度稍高于电弧外部的亮度。电弧与空腔的快速膨胀，向外辐射出激波。在该过程中，激波从最初的柱形波向外扩散逐步演变为球面波传播。

（3）空腔低速膨胀及破灭阶段（51μs≤t）。放电电流呈现振荡衰减，电流幅值逐渐降低。注入放电通道的能量速率降低，电弧亮度下降，空腔呈现低速膨胀。此次放电过程中，空腔的体积在t=51±3μs的时刻达到最大值，随后由于注入电弧的能量低于光辐射、热辐射等消耗的能量，空腔体积开始由外向内逐步收缩，最后破灭消散。该过程也会向外辐射激波，对应图2激波波形的第二个脉冲。

通过对液电脉冲电弧的长度进行调控，可显著提高电能向机械能的转换效率。在主电容为3μF，充电电压为30kV的条件下，当间隙距离分别为10mm、15mm和20mm时，激波强度与电弧长度、主放电电流峰值的对应关系如图4所示。一般认为增大主放电电流的峰值，能有效提高激波强度。但从图4a可以发现，随着电弧长度的增加，主放电电流的峰值下降，但是激波强度增加更明显。由于液电脉冲放电电能向机械能的转换效率非常低（通常手段约为1%～2%），因此通过提高液电脉冲激波的转换效率较提高储能与电流峰值更为有效。同时，主放电电流的减小，能够提高各主要放电器件（主要为脉冲电容器、开关）在高温下的工作特性及寿命。通过电弧长度调控发现，激波强度主要取决于放电时刻的电弧长度。由图3结合式（1）分析可知，采用电弧调控技术后，电能向机械能的转换效率提高接近一个数量级，激波强度显著提高。图4给出了不同间隙距离下电流峰值、电弧长度及激波强度之间的关系。由图4可知，随着间隙距离的增大，电弧的长度下限值增加，激波强度有增强趋势。在主回路电气参数不发生改变的前提下，间隙距离进一步增大，若能完成间隙的击穿过程，电弧的下限长度增加。对应的电弧阻抗增大，意味着外回路注入电弧通道的能量增加，激波强度进一步提高。因此，对应电弧调控技术，应在保证可靠击穿前提下，尽量增大液电脉冲间隙的长度与电弧长度，获取高强度激波。

图4 不同间隙距离下电流峰值、电弧长度及激波强度的关系Fig.4 Relationship of the peak current, arc length and shock wave under different gap distance

3 金属丝爆与液电间隙激波强度对比

保持外回路电气参数不变，压力波探头与放电中心的位置仍为17cm。采用直径为0.34mm，长度为20mm的黄铜丝跨接在间隙上。放电过程中电弧膨胀及空腔运动如图5所示。等离子体通道与金属丝重合，呈现直线型。流过金属丝的电流的焦耳效应将导致金属快速气化为电弧通道，随后储能电容的电能注入到电弧通道，从而使电弧通道持续性地膨胀，并伴随着强光的辐射[23]。受高速摄像机的限制，金属丝由固态到等离子体通道形成的过程没有观察到。

图5 丝爆电弧及空腔的膨胀过程Fig.5 Expansion of the arc and cavity under the metal wire explosion

图6所示为不同电弧长度下直接液电脉冲放电激波强度与黄铜丝爆激波强度的对比。当电弧长度为27mm时，激波强度与20mm黄铜丝爆产生的激波强度相当。而当电弧达到43mm时，激波峰值可达到9.5MPa。从激波波形可以看出，直接液电间隙放电与黄铜丝爆产生的激波脉冲脉宽相似，表明在同等激波幅值下，二者的冲量是相当的。不论采用金属丝爆还是液电间隙直接放电，激波强度主要取决于等离子体通道的长度。通过电弧调控技术，可显著提高液电脉冲激波的强度。

图6 液电脉冲激波与金属丝爆激波对比Fig.6 Comparion of the shock wave intensity under different discharge mode

4 液电脉冲激波对射孔堵塞作用效果

对应图2所示的激波波形，图7给出了激波的功率频谱图。由图2可知，激波的频率覆盖范围较宽，可达到10MHz[24,25]。液电脉冲放电频谱的低频段和高频段均具有很强的声辐射功率，因此是一种非常理想的超声源[26]。低频段的激波强度衰减速度较慢，传播较远的距离仍能对周围的介质产生高强度的机械作用。激波为能量密度很高的宽带脉冲波，其高频部分易形成陡峭的波阵面，能够穿透井壁套管，给地层及射孔内的油水、岩层等以较强的冲击振动力。高频激波对油层空隙介质能产生剪切作用，有利于油膜从颗粒表面脱落。

图7 激波波形的功率频谱图Fig.7 Power spectrum of shock wave waveform

为保证放电的一致性，采用针-针电极、同样的外放电回路参数和间隙距离，将压力波传感探头置于离放电位置不同的水平位置，每个位置进行10次测量，获得激波峰值随传播距离的变化关系如图8所示。对测试结果进行拟合，可知激波峰值随着传播距离成幂函数衰减[21,27]。因此，在考虑液电脉冲激波的实际应用时，需要结合作用距离综合考虑所需要的激波强度。只提出对激波强度的要求过于片面。

图8 液电激波随传播距离的衰减关系Fig.8 Propagation characteristic of shock wave in water

油气井在开采过程中，射孔堵塞会影响液体的渗透性。为模拟液电脉冲激波对射孔堵塞物的作用效果，本文构建了基于钢筒为骨架的水泥筒。如图9所示，钢筒的内径为150mm，壁厚为5mm。在钢筒上均匀布置7行7列射孔模拟孔，孔径为10mm。在钢筒外侧浇筑壁厚为10mm的水泥环，水泥和砂的比例为1∶1。水泥为普通建筑用料，标号为325#。样品的抗压强度、抗张强度及弹性模量分别为19.6MPa，4.9MPa和17 300MPa。将该水泥筒置于自来水中，将液电脉冲激波发射器置于钢筒内。放电参数与上文中保持一致，激波作用前后的效果如图9所示。

图9 放电前后不锈钢水泥桶外观Fig.9 Appearance of steel-and-concrete cement sample before and after pulsed discharge

由图9可见，液电脉冲激波作用1次后，约有一半的堵塞孔被疏通。3次放电后，水泥筒中部的疏通率达到100%，总体疏通率为83.7%。由于激波发射器的定向及增强作用效果，除堵塞孔外，水泥筒表面只发现几条未贯穿的细微的纵向裂缝，未见横向裂缝。后续通过激波强度的控制，可进一步限制纵向裂缝的产生。水泥筒整体结构保持良好，液电脉冲激波对射孔堵塞物的破碎作用并未对外护套形成破坏[28]。

5 液电脉冲激波对岩层的造缝效果

无围压时，单次脉冲放电的能量越高次数越大以及岩样渗透率越高，脉冲放电激波对岩层的造缝效果越好[28,29]。当放电能量在1～2.5kJ时，任何岩芯都存在一个门限渗透率值，约为Ke=0.1×10-3μm-2。当岩芯的渗透率大于该值时，采用液电脉冲激波能够显著提高渗透率[11]。随着激波强度或者作用次数的增加，渗透率达到一定值后，继续采用激波进行处理，能够在岩芯内部产生微裂缝，形成渗流的主要通道。

为了测试激波对岩层的造缝效果，采用水泥环作为液电脉冲激波造缝效果的试验对象。水泥环样品中水泥和砂比例为1∶1。样品外径为670mm，内径为130mm，高度为500mm。液电脉冲激波发射器位于中间空洞的中心位置，放电介质采用自来水。外回路放电参数与上文中保持一致。图10给出了激波作用前、后水泥环样品的外观变化。液电脉冲激波作用9次后，在样品表面出现了细微的贯穿性裂缝。随着作用次数的增加，裂缝逐渐加宽加深。激波作用12次后，样品表面新增一条裂缝。激波作用16次后，整个水泥环样品沿着最开始的裂缝断裂成两半。贯穿性的平面型裂缝基本上沿径向伸张，表明多次激波作用效果可通过累积效应不断延伸裂缝的作用范围。对于井下狭小的作业空间，大幅度提高激波强度，难度较大。可通过提高仪器的工作频率，通过多次激波作用的累积效应提高造缝效果。

图10 放电前后水泥环外观Fig.10 Appearance of cement mortar sample before and after pulsed discharge

6 结论

液电脉冲激波强度主要取决于等离子体通道的长度。等离子体通道的增加使得外回路注入液电脉冲间隙的能量增加，激波强度更强。本文提出的液电脉冲电弧调控技术，在保证液电间隙可靠击穿的前提下，等离子体通道的长度显著增加，激波强度提高。与金属丝爆相比，采用液电间隙直接放电时，若等离子体通道的长度相当，所获取的激波强度差别不大。

液电脉冲激波在液体中传播时，其峰值随着传播距离成幂函数衰减。因而需要结合作用距离综合评估所需的激波强度。基于水泥筒和水泥环样品，采用液电脉冲激波模拟了无围压下的油气井射孔堵塞解除及造缝效果。结果表明液电脉冲激波能够有效解除射孔堵塞，并通过多次作用的累积效应在岩层中产生有效裂缝。本文的模拟试验研究能够为基于液电脉冲激波的油气增产设备初始设计和优化提供理论基础。但需要指出的是，本文的模拟试验是在无围压情况下开展的，实际深地层的高静压可能对液电脉冲激波的作用效果产生影响，因此需要进一步开展高静压下的液电脉冲激波作用效果试验。

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Experiments on the Fracture of Simulated Stratum by Underwater Pulsed Discharge Shock Waves

Liu Yi Li Zhiyuan Li Xiandong Lin Fuchang Pan Yuan
（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

Under repetitive dynamic shock waves, the blockage at the oil well perforation can be broken and removed from the bore-hole wall, and the fracture to increase the permeability of the hole-bottom region can be formed. Then the oil production of the well is improved. In this paper, a test platform of the oil well stimulation based on the electrohydraulic shock waves was designed and constructed. The electrical parameters, shock wave intensity, and expansion process of the plasma channel and cavity were observed. The preliminary experiments were carried out on some hollow cylinder concrete specimens. The influence of the injected electrical energy and the applied shock wave shot number on the fracture of the specimen was investigated. The experimental results show that the shock wave can increase the permeability.

Oil/gas stimulation, electrohydraulic effect, shock wave, liquid plasma, pulsed current arc

TM89

刘 毅 男，1985年生，讲师，研究方向为液电脉冲等离子体及其应用、电力设备故障诊断。

E-mail: yiliu@hust.edu.cn（通信作者）

李志远 男，1991年生，硕士研究生，研究方向为液电脉冲等离子体及其应用。

E-mail: 970111931@qq.com

国家自然科学基金资助项目（51507070）。

2016-05-32 改稿日期 2016-07-17