一种高压电脉冲破岩数值模拟方法

本申请涉及油气开发，尤其是涉及一种高压电脉冲破岩数值模拟方法。

背景技术：

1、岩石破碎是岩石工程中必不可少的关键环节，它涉及油气开采、隧道开挖、工程拆除等。目前应用最为广泛的破岩技术为传统式机械破岩，但在面对高温高压深井和超深井钻探时存在效率低、成本高等缺点，因此对于探究高效破岩技术至关重要。目前非机械式岩石破碎方法有很多，这些技术存在一些缺陷，有的受到设备功率的限制，有的目前还处于探索时期。高压电脉冲破岩技术与其它技术相比是一种具有破碎效率高、能量可控、无污染的绿色技术，它被认为是一种具有接近工业化潜力的新型破岩方式，并且高压电脉冲破岩技术已经广泛应用于多种领域当中。然而，尽管电脉冲破岩钻进技术方法可能改善深层和硬岩作业，但多物理场耦合电击穿破岩机理难以解释清楚，这在一定程度上限制了这项技术的工业化应用。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种高压电脉冲破岩数值模拟方法，填补了现有技术中缺少研究磁场变化对高压电脉冲破岩规律的影响的研究方法的空缺。

2、本申请提供一种高压电脉冲破岩数值模拟方法，包括：

3、s1：建立电极钻头几何模型，获取目标待钻井所在地层的岩石的矿物参数，建立非均质岩石有限元模型；所述非均质岩石有限元模型中利用根据voronoi算法生成细化区域；

4、s2：建立岩石几何模型，将所述电极钻头几何模型导入所述岩石几何模型，形成基本电脉冲破岩数值模型；其中，所述岩石几何模型与所述非均质岩石有限元模型在外形尺寸、空间坐标、细化区域赋值上一致；

5、s3：根据电磁场控制方程、击穿场控制方程、电路结构参数控制方程、流固传热控制方程、热力膨胀方程以及带电粒子受力方程建立动态损伤模型；根据所述动态损伤模型和所述基本电脉冲破岩数值模型进行电脉冲破岩的数值模拟，模拟在不同磁场状态下所述岩石的损伤分布情况。

6、进一步地，在本申请的一些实施例中，电磁场控制方程为：

7、

8、

9、

10、

11、式中，d为电位移矢量；b是磁通密度，t；e是电场强度，v/m；h是磁场强度，a/m；α是电荷密度，c/m3；t为时间，s；j是电流密度，a/m2。

12、进一步地，在本申请的一些实施例中，击穿场控制方程为：

13、

14、式中，|e|为电场强度大小，(v/m)；|epc|为局部电场强度，(v/m)，其是与岩石性质(如内部微观孔隙结构、矿物种类和组分、电学参数等)相关的量，其为与岩石空间分布有关的函数；τ0为迟滞时间，(s)；de为表征电击穿过程中岩石状态转变的状态量，介于0和1之间，其初始量为0，当de＝0，岩石为规则岩石(电阻)；当de＝1，岩石已经完成了向等离子状态的变形；f和sgn分别为逻辑函数和符号函数；其中，

15、

16、式中，a和b分别为逻辑函数f和符号函数sgn的自变量。

17、进一步地，在本申请的一些实施例中，电路结构参数控制方程为：

18、

19、式中，为原始输出电压，v；ur为回路等效电阻两端电压，v；ul为回路电感两端的电压，v；uc为电容两端的电压，v；为加载在高压电极两端的电压，v。

20、进一步地，在本申请的一些实施例中，流固传热控制方程为：

21、

22、式中，t为温度，k；ρ为密度，kg/m3；cp为恒压热容，j/(kg·k)；k为导热系数，w/(m·k)；qt为热源，w/m3，其为焦耳热源。

23、进一步地，在本申请的一些实施例中，热力膨胀方程为：

24、σth＝c:εth

25、式中，σth为热应力，pa；c:为各向同性弹性矩阵，其为材料弹性模量et(pa)和泊松比μ的函数。

26、进一步地，在本申请的一些实施例中，带电粒子受力方程为：

27、f＝q(e+v×b)

28、

29、式中m和q分别表示带电粒子的质量和电荷；e是电场强度，v/m；b是磁通密度，t；v是离子速度，m/s。

30、进一步地，在本申请的一些实施例中，所述电脉冲破岩的数值模拟包括自激磁场电脉冲破岩模拟、外磁场电脉冲破岩模拟，得到岩石的损伤分布。

31、进一步地，在本申请的一些实施例中，所述自激磁场电脉冲破岩模拟包括在有自激磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟、在无自激磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟、在不同电压下产生的自激磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟，得到岩石的损伤分布；

32、所述外磁场电脉冲破岩模拟包括在有外加磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟、在无外加磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟、在不同磁感应强度的下的外加磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟，得到岩石的损伤分布。

33、进一步地，在本申请的一些实施例中，非均质岩石有限元模型的建立包括：

34、建立电极钻头几何模型和目标待钻井所在地层的岩石的岩石有限元模型，并对所述岩石有限元模型中与所述电极钻头几何模型直接接触的区域进行细分，并基于voronoi算法建立细分区域；

35、获取所述细分区域的材料属性包括分组信息、材料参数和力学参数；对所述细分区域进行材料属性赋值，建立非均质岩石有限元模型；

36、所述材料属性的获取包括：

37、根据所述矿物参数，采用pfc2d软件生成二维voronoi的中心点坐标，然后在abaqus/explicit软件中根据所述中心点坐标生成晶粒形状为二维voronoi的几何模型；

38、在abaqus/explicit软件中根据所述二维voronoi的几何模型建立相应尺寸的岩石模型并划分网格单元，再根据岩石有限元模型的网格划分结果，赋予每个单元相应的矿物参数；

39、其中，所述矿物参数包括岩石的矿物成分、矿物的体积分数、矿物材料种类、不同矿物的密度以及矿物颗粒的粒径大小；所述矿物参数为含有坐标的矿物参数。

40、本申请提供一种高压电脉冲破岩数值模拟方法，该模拟方法是以磁场变化情况为主进行耦合分析的数值模拟方法，从电路场、电流场、击穿场、传热场、固体力学场和磁场六场耦合实现了高压电脉冲破岩和等离子通道生成全过程，综合考虑了磁场的变化情况(无磁场、自磁场和外部磁场)对岩石内部等离子通道形成的影响，同时探究了带电粒子在击穿通道中的运动情况，可为电脉冲破岩技术的发展提供一定的理论指导和技术指导，为电脉冲破岩工具的研制和参数优化提供了参考；

41、此外，本申请基于真实岩样的室内扫描实验及衍射实验获得矿物参数，较准确的表现了岩石的非均质性，根据xrd衍射实验和ct扫描实验确定的钻进地层中岩石的矿物成分、矿物的质量分数、不同矿物的密度以及矿物颗粒的粒径范围来建立基于voronoi细分的岩石有限元模型，能够较好的贴合岩石的实际情况。

技术特征：

1.一种高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，电磁场控制方程为：

3.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，击穿场控制方程为：

4.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，电路结构参数控制方程为：

5.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，流固传热控制方程为：

6.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，热力膨胀方程为：

7.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，带电粒子受力方程为：

8.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，所述电脉冲破岩的数值模拟包括自激磁场电脉冲破岩模拟、外磁场电脉冲破岩模拟，得到岩石的损伤分布。

9.根据权利要求8所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，所述自激磁场电脉冲破岩模拟包括在有自激磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟、在无自激磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟、在不同电压下产生的自激磁场的环境中进行电脉冲破岩模拟，得到岩石的损伤分布；

10.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩数值模拟方法，其特征在于，非均质岩石有限元模型的建立包括：

技术总结
本申请提供了一种高压电脉冲破岩数值模拟方法，涉及油气开发技术领域，该方法包括：S1：建立电极钻头几何模型，获取目标待钻井所在地层的岩石的矿物参数，建立非均质岩石有限元模型；非均质岩石有限元模型中利用根据Voronoi算法生成细化区域；S2：建立岩石几何模型，将电极钻头几何模型导入岩石几何模型，形成基本电脉冲破岩数值模型；S3：根据电磁场控制方程、击穿场控制方程、电路结构参数控制方程、流固传热控制方程、热力膨胀方程以及带电粒子受力方程建立动态损伤模型；根据动态损伤模型和基本电脉冲破岩数值模型进行电脉冲破岩的数值模拟，模拟在不同磁场状态下岩石的损伤分布情况。

技术研发人员：刘伟吉,周鑫,祝效华
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16