一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法及系统

1.本发明属于高压脉冲破碎钻井领域，更具体地，涉及一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法及系统。


背景技术：

2.当脉冲电压加载到液体和固体上时，固体和液体的交流击穿电压u与直流击穿电压ub之比是不同的。并且随着脉冲电压上升时间的减小，液体介质的u值比固体介质的u值增加更快。这导致介质的击穿电压在微秒时间间隔内发生反转：介质液体的电气强度变得比固体介质高，根据这个特性并考虑到固体的抗拉力远小于固体的抗压力，高压脉冲被逐渐应用在岩石破碎中。该项技术与机械方法相比，可以在较低的能量下获得较高的岩石破碎效率。随着注入能量、电极间隙距离或脉冲次数的变化，岩石的破碎深度及破碎能耗等有着不同的变化趋势，因此亟需探究清楚如何选择合适的试验设计优化高压电脉冲破碎效果。
3.高压电脉冲破碎过程中需要将电极放置在固体介质表面，施加高压短脉冲到电极上后，由于固体介质内部材料介电特性的各向异性，因此内部将发生不同程度的极化，导致在岩石内部形成贯穿电极的细小等离子体通道。随着后续的能量注入，通道中等离子体被持续加热，发生膨胀，当膨胀过程中产生的应力超过岩石抗拉力后，岩石发生破碎。相比于传统机械方法，该技术对环境无污染、成本低且钻井速度快。
4.高压脉冲破碎装置在不同的应用场景下，需要选择合适的高压脉冲破碎装置工作参数。对于破碎直径为d的井孔，而由钻头的结构图1可知，该直径d决定了相邻两个高压电极与低压电极之间的距离s与电极数n。电极间隙距离s增加时，电极数n降低、相对破碎深度h减小、高压脉冲破碎的绝对破碎深度h增加、破碎体积v增加。为了弥补间隙距离s增大带来的击穿概率降低，需要提高高压脉冲破碎装置的输出电压保证可靠击穿，这会导致能量耗损增加。
5.高压脉冲破碎的是累积效应的结果，累积效应的是由于高压脉冲破碎装置重频工作造成。高压脉冲破碎装置重频工作时，岩石内部会不断形成裂纹，一方面降低击穿电压，但是前一个高压脉冲会影响下一个高压脉冲的放电通道长度增加，所需高压脉冲幅值增加、能量损耗增加。因此，合理选择高压脉冲破碎装置相邻电极间的距离s和脉冲次数n可以有效提高工作效率，降低能量损耗。因此需要综合考虑各种因素的影响，建立一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法及系统，旨在明确实际需求的钻井直径d后，通过改变电极间隙距离s和和脉冲次数n分析了影响高压脉冲破碎装置工作效率的高压脉冲破碎的相对深度h、高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w、单个高压脉冲的破碎体积q等变化，最终给出最优电极间隙距离sb、最优
电极数nb、最优脉冲次数nb。
7.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法，包括：
8.s1.固定脉冲次数为n0，改变电极间隙距离s，获取高压脉冲破碎的相对深度h与电极间隙距离s的变化关系式。
9.s2.在所述的脉冲次数n0下，改变所述的电极间隙距离s，获取单个高压脉冲的破碎体积q与电极间隙距离s的变化关系式。
10.s3.在所述的脉冲次数n0下，改变所述的电极间隙距离s，获取高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w与电极间隙距离s的变化关系式。
11.s4.综合所述三种变化关系式，以所述的高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w为主要因素，初步确定最优电极间隙距离的选择范围sa～sc，再根据所述的高压脉冲破碎的相对深度h和所述的单个高压脉冲的破碎体积q为分析对象，确定最优电极间隙距离sb和最优电极数nb；其中，sa≤sb≤sc。
12.s5.在所述的最优电极间隙sb下，改变所述的脉冲次数n，分析所述的单个高压脉冲的破碎体积q变化特性，选择最优脉冲次数nb，且n
max
≥nb，n
max
为脉冲次数的最大值。
13.进一步地，所述s1中的高压脉冲破碎的相对深度h与电极间隙距离s的变化关系式为：
14.h＝hcsa15.式中，hc为所选取的某个电极间隙距离sc下最大相对破碎深度的平均值，a为试验系数。
16.进一步地，所述s2中的单个高压脉冲的破碎体积q具体公式为：
[0017][0018]
式中，q＝v/n，v为总破碎体积，n为脉冲次数；qc为试验基准值，s为电极间隙距离，ai为是试验系数。
[0019]
进一步地，所述s3中的高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w具体公式为：
[0020][0021]
式中，w＝nw/v，w为高压脉冲破碎装置的总储能，s为电极间隙距离，w0为是试验系数，与岩石种类有关。
[0022]
进一步地，所述s3中高压脉冲破碎的相对深度h可以转换为高压脉冲破碎的相绝对深度h，具体公式为：
[0023]
h＝hcs
a+1
[0024]
式中，hc为所选取的某个电极间隙距离sc下相对破碎深度的平均值，a为试验系数。
[0025]
进一步地，所述s4的确定最优电极数nb的具体方法为：
[0026][0027]
式中，d为实际钻孔直径，sb为最优电极间隙距离。
[0028]
特别地，如果nb的计算结果不为整数时，采用去尾法确定nb具体数值。
[0029]
本发明第二方面提供了一种高压脉冲破碎装置工作参数设计系统，包括：计算机
可读存储介质和处理器；
[0030]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0031]
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，执行上述的高压脉冲破碎装置工作参数设计方法。
[0032]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于该方案可以从实际工况出发，结合具体实验数据分析并最终确定高压脉冲破碎装置的工作参数，包括最优电极间隙距离、脉冲次数，能够取得高压脉冲破碎最优破碎效果。
附图说明
[0033]
图1为井孔与电极放置示意图；
[0034]
图2为一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法流程图；
[0035]
图3为高压脉冲破碎的相对深度h和高压脉冲破碎的绝对破碎深度h与电极间距离s关系；(a)为高压脉冲破碎的相对深度h与电极间隙距离s的变化曲线，(b)为高压脉冲破碎的绝对破碎深度h与电极间隙距离s的变化曲线；
[0036]
图4为单个高压脉冲的破碎体积q与电极间隙距离s的关系；
[0037]
图5为高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w与电极间隙距离s之间的关系；
[0038]
图6为不同间隙距离s下，单个高压脉冲的破碎体积q与脉冲次数n之间的关系；(c)为间隙距离s＝300mm下，单个高压脉冲的破碎体积q与脉冲次数n之间的变化曲线；
[0039]
附图标记：
[0040]
1为高压电极，2为低压电极，3为井孔。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042]
使用具有可控电压和储能的marx发生器，其可以保证实现50j/mm。电极采用直径为8mm的棒电极，试验样品采用尺寸其400
×
300
×
250mm的花岗岩，高压电极和低压电极放置在样品的同侧，电极间隙距离在10mm～300mm范围内连续可调，液体介质采用电气强度为40kv/cm的变压器油，实际需求的钻井直径d为1000mm。
[0043]
图2是按照本发明的一种优化高压电脉冲破碎效果的流程图，包括如下步骤：
[0044]
s1.固定脉冲次数为n0，改变电极间隙距离s，获取高压脉冲破碎的相对深度h与电极间隙距离s的变化关系式。
[0045]
具体地，选定脉冲次数n0为3，获取高压脉冲破碎的相对深度h与电极间隙距离s的变化关系式为：
[0046]
h＝0.36s
0.25
[0047]
式中，s为电极间隙距离。hc为s＝10mm下的高压脉冲破碎的相对深度h最大值的平均值。高压脉冲破碎的绝对深度h具体公式为：
[0048]
h＝0.36s
1.25
[0049]
式中，s为电极间隙距离。如图3所示，高压脉冲破碎的相对深度h随电极间隙距离s增大而减小，但是高压脉冲破碎的绝对深度增加。
[0050]
s2.在所述的脉冲次数n0下，改变所述的电极间隙距离s，获取单个高压脉冲的破碎体积q与电极间隙距离s的变化关系式。
[0051]
具体地，单个高压脉冲的破碎体积q变化关系式为：
[0052]
q＝0.16s
2.15
[0053]
式中，s为电极间隙距离。如图4所示，q随着电极间隙距离s的增大而增大。
[0054]
s3.在所述的脉冲次数n0下，改变所述的电极间隙距离s，获取高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w与电极间隙距离s的变化关系式。
[0055]
具体地，高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w满足以下关系式：
[0056][0057]
式中，s为电极间隙距离。如图5所示，w随着电极间隙距离s的增大而减小并趋向于稳定。
[0058]
s4.综合所述三种变化关系式，以所述的高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w为主要因素，初步确定最优电极间隙距离的选择范围sa～sc，再根据所述的高压脉冲破碎的相对深度h和所述的单个高压脉冲的破碎体积q为分析对象，确定最优电极间隙距离sb和最优电极数nb；其中，sa≤sb≤sc。
[0059]
具体地，由图6可知，在电极间隙距离100mm～300mm时，所述的高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w基本趋于稳定，因此确定最优电极间隙距离的选择范围sa＝100mm、sc＝300mm；由图3和4知道，随着s的增大，高压脉冲破碎的绝对深度h和单个高压脉冲的破碎体积q持续增大，因此选择sb为300mm。实际需求的钻井直径d为1000mm，因此井孔周长约为3140mm，采用去尾法，最优电极数nb＝10。
[0060]
s5.在所述的最优电极间隙sb下，改变所述的脉冲次数n，分析所述的单个高压脉冲的破碎体积q变化特性，选择最优脉冲次数nb，且n
max
≥nb。n
max
为脉冲次数的最大值。
[0061]
具体地，分别在不同电极间隙s下，逐渐增加脉冲次数n，观测单个高压脉冲的破碎体积q，如图6所示。图中的每一个点都代表了三个或更多试验的平均值，不同的电极间隙距离s值下，脉冲次数为3～5时，单个高压脉冲的破碎体积q最大，因此最优脉冲次数nb确定为4。
[0062]
本方法通过试验的方法首先确定了最优电极间隙距离sb的选择范围，后又确定了最优电极间隙距离sb具体数值，进而因为脉冲次数的主要影响体现在单个高压脉冲的破碎体积上，因此借助试验分析结果确定脉冲次数n的影响，选定了脉冲次数n的具体数值。
[0063]
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。