一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法及系统

1.本发明属于高电压放电技术领域，更具体地，涉及一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法及系统。


背景技术：

2.在打桩、钻井等场合，通常采用传统机械钻头的方式碎岩，通过钻头的高速旋转克服岩石的抗压强度实现碎岩，但是该方法存在效率较低、钻头磨损快、越往深处钻速越慢等缺点。高电压脉冲碎岩技术通过对岩石进行放电，在岩石内部形成等离子体通道，由于等离子体通道的高温、高压强的特性，其会在放电期间向外膨胀，从而实现碎岩。由于高电压脉冲碎岩技术需要克服岩石的抗拉强度，而岩石的抗拉强度仅为抗压强度的10％左右，所以高电压脉冲碎岩技术具有能量利用率高、无需考虑岩石硬度等优点。
3.在高电压脉冲碎岩技术中，电极通常放置在岩石的同一个表面上，岩石之外的区域是气体或液体。为了在岩石内部形成等离子体通道，所施加的电压需要高于固体的击穿电压。对于一般的电压波形，气体和液体的击穿电压远低于固体的击穿电压，所以等离子体通道将在岩石之外的气体或液体中形成，而不在岩石中形成。研究发现，存在某个临界波头时间，当电压波头时间小于该临界波头时间时，液体的击穿电压将高于岩石，此时液体可以作为绝缘液，等离子体通道将在岩石内部形成，从而实现碎岩。
4.由于不同的岩石和绝缘液具有不同的电气强度，对于不同的岩石和绝缘液的组合，存在不同的临界波头时间。若电压波头选择不当，等离子体通道将不会在岩石内部形成，碎岩效果变差，且会造成更大的能量损失，使得该技术的破岩效率降低。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法及系统，旨在解决应用高电压脉冲碎岩技术时，岩石中形成等离子体通道的概率低的问题。
6.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法，包括：
7.(1)测定岩石和绝缘液的离散伏秒特性；
8.(2)对所述岩石和绝缘液的离散伏秒特性进行曲线拟合，获得伏秒特性曲线；
9.(3)根据所述岩石和绝缘液的伏秒特性曲线，获得临界波头时间；
10.(4)根据所述临界波头时间，获得临界伏秒特性曲线；
11.(5)根据所述临界波头时间，确定匹配波头时间；
12.(6)根据所述临界伏秒特性曲线和匹配波头时间，获得临界击穿电压，进而确定匹配电压峰值。
13.进一步地，所述步骤(1)中，测定岩石的离散伏秒特性的方法为：
14.选用厚度等于实际工况电极间距的岩石，高压电极和接地电极均采用棒状电极，
两个电极分别放置在岩石的上、下表面，施加波尾时间固定、波头时间不同、幅值不同的冲击电压，获得不同击穿时间对应的击穿电压。在同一电压幅值下做至少10组实验。在实际应用中，电极放置在岩石同侧，岩石上侧为绝缘液，参考图2，在这种布置下，难以保证在岩石中形成等离子体通道，且岩石的击穿电压高于电极放置在岩石两侧时岩石的击穿电压，所以将测定的各击穿时间对应的击穿电压最大值乘以转换系数k后，将其作为离散点，其中k的取值范围通常为1.1至1.3，具体取值与岩石的性质有关。
15.进一步地，所述步骤(1)中，测定绝缘液的离散伏秒特性的方法为：
16.高压电极和接地电极均采用棒状电极，两个电极完全浸没在绝缘液中，两个电极相对放置，两个电极之间的距离与所述岩石厚度相等，施加波尾时间固定、波头时间不同、幅值不同的冲击电压，获得不同击穿时间对应的击穿电压。在同一电压幅值下做至少10组实验，选取各击穿时间对应的击穿电压最小值作为离散点。
17.进一步地，所述步骤(2)中，获得岩石伏秒特性曲线的方法为：
18.对所述岩石的离散伏秒特性进行曲线拟合，所采用的拟合公式为：
19.ur＝-a1lg(t)+b120.其中ur为岩石的击穿电压，单位为kv，t为击穿时间，单位为μs，a1、b1为拟合参数，a1》0，b1》0。
21.进一步地，所述步骤(2)中，获得绝缘液伏秒特性曲线的方法为：
22.对所述绝缘液的离散伏秒特性进行曲线拟合，所采用的拟合公式为：
23.u
l
＝-a2lg(t)+b224.其中u
l
为绝缘液的击穿电压，单位为kv，a2、b2为拟合参数，a2》0，b2》0。
25.进一步地，所述步骤(3)中，获得临界波头时间的方法为：
26.令岩石和绝缘液的伏秒特性的拟合公式相等，满足：
27.ur＝u
l
28.上式中击穿时间t的计算结果表示临界波头时间t0。
29.进一步地，所述步骤(4)中，选取岩石伏秒特性曲线中击穿时间小于临界波头时间的部分，该部分作为临界伏秒特性曲线。
30.进一步地，所述步骤(5)中，选取的匹配波头时间t1满足：
31.t1＜t032.进一步地，所述步骤(6)中，临界击穿电压u1为：
33.u1＝-a1lg(t1)+b134.进一步地，所述步骤(6)中，选取的匹配电压峰值um满足：
35.um＞ru136.其中，r为裕度系数，r的取值需要大于1，根据实际工况对r进行取值。
37.本发明另一方面提供了一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
38.所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
39.所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法。
40.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
41.(1)本发明提出的匹配电压波头的确定方法，能够获得合适的电压波头，提高等离子体通道在岩石内部形成的概率，降低绝缘液中形成等离子体通道的概率，提高了能量利用效率，优化了破岩效果。
42.(2)本发明采用对数函数和一次函数相结合的形式，对伏秒特性进行拟合，拟合效果好，计算过程简单。
附图说明
43.图1为本发明实施例提供的一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头的确定方法的流程图；
44.图2为高电压脉冲碎岩技术的工作示意图；
45.图3为测定岩石的离散伏秒特性的示意图；
46.图4为测定绝缘液的离散伏秒特性的示意图；
47.图5为岩石和绝缘液的离散伏秒特性和伏秒特性曲线；
48.图6为岩石和绝缘液的伏秒特性曲线、临界伏秒特性曲线和临界波头时间。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.本发明提供了一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头确定方法，包括：
51.(1)测定岩石和绝缘液的离散伏秒特性；
52.(2)对所述岩石和绝缘液的离散伏秒特性进行曲线拟合，获得伏秒特性曲线；
53.(3)根据所述岩石和绝缘液的伏秒特性曲线，获得临界波头时间；
54.(4)根据所述临界波头时间，获得临界伏秒特性曲线；
55.(5)根据所述临界波头时间，确定匹配波头时间；
56.(6)根据所述临界伏秒特性曲线和匹配波头时间，获得临界击穿电压，进而确定匹配电压峰值。
57.参考图1，本发明实施例提供了一种高电压脉冲碎岩技术的匹配电压波头的确定方法，包括：
58.步骤1：测定岩石和绝缘液的离散伏秒特性。
59.具体地，参考图3，测定岩石的离散伏秒特性的方法如下。岩石选用砂岩，岩石的形状为立方体，厚度为10mm，高压电极和接地电极均采用长度为3cm、直径为6mm的棒状电极，高压电极和接地电极分别放置在岩石的上、下表面。向高压电极施加波头时间为0.12μs至3μs范围内、波尾时间为50μs、幅值为0kv至200kv范围内的冲击电压，获得不同击穿时间对应的击穿电压。在同一电压幅值下做10组实验。对于砂岩，转换系数k取值为1.15。将各击穿时间对应的击穿电压最大值乘以转换系数后，作为离散点。
60.具体地，参考图4，测定绝缘液的离散伏秒特性的方法如下。绝缘液选用自来水，将高压电极和接地电极完全浸没在绝缘液中，其中高压电极在上侧，接地电极在下侧，高压电极和接地电极之间的距离为10mm，向高压电极施加波头时间为0.12μs至3μs范围内、波尾时
间为50μs、幅值为0kv至300kv范围内的冲击电压，获得不同击穿时间对应的击穿电压。在同一电压幅值下做10组实验，选取各击穿时间对应的击穿电压最小值作为离散点。
61.步骤2：对所述岩石和绝缘液的离散伏秒特性进行曲线拟合，获得伏秒特性曲线。
62.具体地，参考图5，对所述岩石的离散伏秒特性进行曲线拟合，所采用的拟合公式为：
63.ur＝-a1lg(t)+b164.其中ur为岩石的击穿电压，单位为kv，t为击穿时间，单位为μs，a1、b1为拟合参数，a1》0，b1》0。拟合后得，a1＝38.42，b1＝84.28。
65.具体地，参考图4，对所述绝缘液的离散伏秒特性进行曲线拟合，所采用的拟合公式为：
66.u
l
＝-a2lg(t)+b267.其中u
l
为绝缘液的击穿电压，单位为kv，a2、b2为拟合参数，a2》0，b2》0。拟合后得，a2＝190.24，b2＝58.13。
68.步骤3：根据所述岩石和绝缘液的伏秒特性曲线，获得临界波头时间。
69.具体地，参考图6，令岩石和绝缘液的伏秒特性的拟合公式相等，即
70.ur＝u
l
71.求解上述方程，得t＝t0＝0.67μs
72.步骤4：根据所述临界波头时间，获得临界伏秒特性曲线。
73.具体地，选取岩石伏秒特性曲线中击穿时间小于临界波头时间的部分，该部分作为临界伏秒特性曲线，如图6中实线的加粗部分。
74.步骤5：根据所述临界波头时间，确定匹配波头时间。
75.具体地，匹配波头时间t1取为0.5μs，满足t1《t0。
76.步骤6：根据所述临界伏秒特性曲线和匹配波头时间，获得临界击穿电压，进而确定匹配电压峰值。
77.具体地，根据公式：
78.u1＝-a1lg(t1)+b179.得到临界击穿电压u1为95.85kv。
80.根据公式：
81.um＞ru182.确定匹配电压峰值，其中，裕度系数r取值为1.2，则um为116kv。
83.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。