CN111475975A - 一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，包括以下步骤：确定高压电脉冲破岩工具要设计和优化的参数；确定设计和优化参数范围内的击穿电压临界值；利用击穿电压临界值绘制电压分区图；从电压分区图中选择新的设计与优化参数。击穿电压临界值包括阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s。本发明提供的高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，建立起高压电脉冲破岩工具的结构参数、电压加载参数和岩石电学参数之间的联系，能够充分协调破岩效率和破岩经济性之间的关系，方便设计人员选择高压电脉冲破岩工具参数，从而有利于高压电脉冲破岩技术在商业上的推广运用，具有实用性强、适用范围广等优点。

Description

一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法

技术领域

本发明涉及破岩工具领域，尤其涉及一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法。

背景技术

岩石破碎是建筑、道路、桥梁、能源(如煤炭、石油和天然气等)勘探与开发等领域的基本核心内容之一。随着人类改造自然和利用自然的范围不断扩大，对爆破可控、能源节约和环境友好破碎技术的追求，亟需新的高效破岩技术和与之匹配的高效破岩工具以满足需求。以钻井工程为例，破岩技术是油田开发的核心内容，其费用占勘探开发成本的50％以上，岩石破碎的效率决定了钻井速度、成本和经济效益。随着人类对资源开采的深度和广度的加深，面临日益复杂的地质条件，岩石破碎的难度逐渐加大，钻井过程中普遍存在速度慢、周期长和成本高等问题。

近年来涌现了一批新式岩石破碎方法，这些方法主要分为两类，一类是利用机械能对岩石进行破碎，包括超声波、弹射冲击波、高压水射流等方法；另一类是利用热能对岩石进行破碎，包括表面热射流、脉冲电子束、激光和红外照射等方法。与普通机械破岩不同的是，新式机械能破碎岩石的方法利用冲击载荷对岩石进行砸碎和凿碎，岩石在冲击载荷的作用下发生很高的应变从而破碎。

高压电脉冲技术已广泛应用于岩石开采、微矿石分解、钻井、水垢的清理及矿物的回收等领域。高压电脉冲破岩方法破岩效率高，具有极大的发展潜力，因而引起广泛关注。高压电脉冲破岩分为电破岩和液电破岩两类。当击穿电压上升时间小于500ns时，击穿场强为水>岩石>空气，以水作为液体绝缘介质，先击穿岩石，产生电破岩；而当击穿电压上升时间大于500ns时，击穿场强排序为岩石>水>空气，此时的破岩方式称为液电破岩。液电破岩为间接破碎，电破岩为直接破岩。电破岩时等离子体通道在岩石的内部形成，直接作用于岩石内部。显然，电破岩能实现充分破碎，其效率更高。因此，研制高压电脉冲破岩工具时，以电破岩原理为主。

目前对于高压电脉冲破岩的机理认识不明确，这极大的阻碍着电脉冲破岩工具的参数设计与优化。这就使得高压电脉冲破岩工具结构和工艺参数的选择困难、更在一定程度上限制了高压电脉冲破岩技术的商业运用。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，通过该设计优化方法，能方便地选择高压电脉冲破岩工具参数，从而有利于高压电脉冲破岩技术在商业上的推广运用。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，包括以下步骤：

确定高压电脉冲破岩工具要设计和优化的参数；

确定设计和优化参数范围内的击穿电压临界值；

利用击穿电压临界值绘制电压分区图；

从电压分区图中选择新的设计与优化参数。

进一步的是，所述高压电脉冲破岩工具以电破岩方式破岩，采用电破岩能实现充分破碎，其效率更高。

进一步的是，所述高压电脉冲破岩工具的放电电极排布方式包括“针-针”并排型、“针-针”对排型、“针-板”型、“板-板”型和“同轴式”。具体的，“针-针”并排型是指针型高压电极和针型接地电极位于岩石同一侧；“针-针”对排型是指针型高压电极和针型接地电极位于岩石上下两侧；“针-板”型是指针型高压电极和板型接地电极位于岩石上下两侧；“板-板”型是指板型高压电极和板型接地电极位于岩石上下两侧；“同轴式”是指针型高压电极和针型接地电极位于岩石同一侧，且高压电极位于绝缘材料中轴位置，两接地电极位于左右两端。

进一步的是，所述设计和优化的参数包括结构参数和电压加载参数。结构参数是指与电脉冲破岩相关的电极尺寸参数、排布样式参数以及空间结构等参数；电压加载参数是指施加在高-低电极两端，决定破岩效果的输出电压控制参数。

进一步的是，所述结构参数包括电极间距、电极尖端曲率半径和电极安放角度，所述电压加载参数包括脉冲电压峰值、脉冲电压频率、脉冲电压上升时间和脉冲电压持续时间。

进一步的是，所述击穿电压临界值包括阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s。

电破岩可细分为完全电击穿和局部电击穿两种情形。在单次脉冲作用下，岩石内部就能形成完全贯穿到电极端部的等离子体通道的情形，称为完全电击穿；相反，在单次脉冲作用下，电极端部存在放电现象，但岩石内部没有形成贯穿到电极端部的等离子体通道的情形，称为局部电击穿。由于电极尖端的局部放电现象存在，局部电击穿时电脉冲对岩石局部区域也能造成一些损伤。两种电脉冲破岩情形中，完全电击穿时的破岩效率相对较高；局部电击穿时的破岩效率相对较低。

对于电破岩而言，电击穿(包括局部电击穿和完全电击穿)是岩石破碎的必要条件。当钻具的电路参数不够优化时，完全电击穿不能发生，此时岩石不能击穿或发生局部电击穿。完全电击穿时，只需在电极的两端施加相对较低的频率脉冲电压，即可保证破岩工作的持续进行；而局部电击穿时，则需要在电极的两端施加相对较高的频率脉冲电压(即重频率击穿技术)才能保证破岩工作的持续进行。

岩石介质的电击穿过程中，除了发生局部电击穿的阈值场强E_c客观存在外，还存在一个完全电击穿刚好发生时的下限场强E_s。这里将这两个电场阈值强度值统称为阈值击穿场强E_c和完全击穿场强E_s，与E_c和E_s相对应的电压峰值统称为阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s。阈值击穿强度E_c表征了特定电极排布方式(指“针-针”并排型、“针-针”对排型、“针-板”型、“板-板”型和“同轴式”中的某一种情形)和电极结构条件下，岩石发生最小局部破碎的电场强度下限；完全击穿强度E_s表征了特定电极排布方式和电极结构的条件下，在单次脉冲下岩石能发生最小整体破碎的电场强度下限。岩石的阈值击穿场强E_c到完全击穿强度E_s的过渡表征了重复频率的高压电脉冲下，岩石逐步由局部破碎到整体破碎。每一个局部破碎都伴随着岩石内部气体腔、孔隙和高导电矿物的逐渐击穿、破碎过程。

本发明提供的阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s，阈值击穿电压U_c表征了特定电极排布方式和电极结构条件下，岩石发生最小局部破碎的电压峰值下限；完全击穿电压U_s表征了特定电极排布方式和电极结构条件下，在单次脉冲下岩石能发生最小整体破碎的电压峰值下限。阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s可以通过实验或数值仿真的方式获得，如电脉冲的电击穿破岩实验、电脉冲的电击穿破岩的有限元数值仿真。

进一步的是，所述绘制电压分区图步骤中，以要设计和优化的参数为横坐标(脉冲电压峰值U_p除外)，以加载脉冲电压峰值U_p为纵坐标，绘制阈值击穿电压U_c曲线和完全击穿电压U_s曲线，以便于根据U_c曲线和U_s曲线，对电脉冲破岩工具参数进行选择和优化。当要设计和优化的参数为脉冲电压峰值U_p时，其优化和设计推荐范围大于(U_c+U_s)/2。

进一步的是，所述阈值击穿电压U_c曲线和完全击穿电压U_s曲线，将所述电压分区图分为U_c曲线以下区域、U_s曲线以上区域、介于所述U_c曲线以上和所述U_s曲线以下区域，三个区域中每个区域，对参数设计和优化取值点效果不同。

进一步的是，所述U_c曲线以下区域中对应的参数设计和优化取值点，岩石无法破碎；介于所述U_c曲线以上和所述U_s曲线以下区域中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求相对较高，且越靠近U_c曲线的设计和优化参数对电脉冲频率的要求越高；所述U_s曲线以上区域中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求相对较低。

进一步的是，所述选择新的设计与优化参数方法为：综合考虑破岩效率、高压电脉冲工作能力、工程实际和经济性，参数选择靠近所述U_s曲线及U_s曲线以上区域中的点，严禁选择所述U_c曲线以下区域中的点。

本发明的有益效果：

本发明提供的高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，建立起高压电脉冲破岩工具的结构参数、电压加载参数和岩石电学参数之间的联系，能够充分协调破岩效率和破岩经济性之间的关系，方便设计人员选择高压电脉冲破岩工具参数，从而有利于高压电脉冲破岩技术在商业上的推广运用，具有实用性强、适用范围广等优点。

本发明提供的高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，将击穿电压临界值分为阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s，从而便于在综合衡量高压电脉冲发生装置的工作能力、破岩效率与能耗经济型三者间关系的基础上，开展钻具参数的设计优化工作。

附图说明

图1为本发明的步骤图；

图2为“针-针”并排型电极排布方式图；

图3为“针-针”对排型电极排布方式图；

图4为“针-板”型电极排布方式图；

图5为“板-板”型电极排布方式图；

图6为“同轴式”电极排布方式图；

图7为实施例1的电压分区图；

图8为实施例2的电压分区图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、确定高压电脉冲破岩工具要设计和优化的参数。

本实施例中的设计优化方法，高压电脉冲破岩工具以电破岩方式破岩。高压电脉冲破岩工具的放电电极排布方式包括“针-针”并排型、“针-针”对排型、“针-板”型、“板-板”型和“同轴式”，如图2-6所示，本实施例的设计优化方法，针对“针-针”对排型电极排布方式进行设计与优化。

设计和优化的参数包括结构参数和电压加载参数。结构参数包括电极间距、电极尖端曲率半径和电极安放角度，电压加载参数包括脉冲电压峰值、脉冲电压频率、脉冲电压上升时间和脉冲电压持续时间。

本实施例中的设计优化方法，要设计和优化的参数为电极间距H。此处固定脉冲电压上升时间为419ns，单一结构参数电极尖端曲率半径仅为R＝1.0mm一种规格，电极间距H优选范围为10mm-20mm，参数增量为2mm。

S2、确定设计和优化参数范围内的击穿电压临界值。

击穿电压临界值包括阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s。阈值击穿电压U_c表征了特定电极排布方式和电极结构条件下，岩石发生最小局部破碎的电压峰值下限；完全击穿电压U_s表征了特定电极排布方式和电极结构条件下，在单次脉冲下岩石能发生最小整体破碎的电压峰值下限。本实施例中，通过COMSOL Multiphysics多物理场数值仿真软件的仿真，得到电极间距H为10mm-20mm时的阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s。

S3、利用击穿电压临界值绘制电压分区图。

此步骤中，以要设计和优化的参数为横坐标，即以电极间距H为横坐标，以加载脉冲电压峰值U_p为纵坐标，绘制阈值击穿电压U_c曲线和完全击穿电压U_s曲线，如图7所示。阈值击穿电压U_c曲线和完全击穿电压U_s曲线，将电压分区图分为U_c曲线以下区域、U_s曲线以上区域、介于U_c曲线以上和U_s曲线以下区域，这里分别称这三个区域为非破碎区、低频脉冲破碎区和高频脉冲破碎区。非破碎区中对应的参数设计和优化取值点，岩石无法破碎；高频脉冲破碎区中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求相对较高，且越靠近U_c曲线的设计和优化参数对电脉冲频率的要求越高；低频脉冲破碎区中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求相对较低。

S4、从电压分区图中选择新的设计与优化参数。

选择新的设计与优化参数方法为：综合考虑破岩效率、高压电脉冲工作能力、工程实际和经济性，参数选择靠近高频破碎区中偏上部分区域及低频脉冲破碎区中的设计与优化点即可，严禁选择非破碎区中的点。本实施例图7中推荐区域中的设计与优化点均可取(图中推荐区域中的斜线为各组测试点的U_c和U_s的均值：(U_c+U_s)/2的拟合曲线，此时系统只需较小的脉冲频率即可缓解破岩效率、能耗经济性与设备工作能力之间的矛盾)，如对于高压电脉冲钻具的电脉冲发生器的输出脉冲电压峰值为100kV时，推荐的电极间距H小于14mm。

实施例2

一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，本实施例要设计和优化的参数为电极间距H，本实施例与实施例1所不同的是：

S1步骤中，此处固定脉冲电压上升时间为419ns，组合结构参数电极尖端曲率半径R包括0.5mm、1.0mm和1.5mm三种规格，电极间距H优选范围为10mm-20mm，参数增量为2mm。

S2步骤中，通过COMSOL Multiphysics多物理场数值仿真软件的仿真，得到电极间距H为10mm-20mm，电极尖端曲率半径R为0.5mm、1.0mm和1.5mm时的阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s。

S3步骤中，以要设计和优化的参数为横坐标，即以电极间距H为横坐标，以加载脉冲电压峰值U_p为纵坐标，绘制3条阈值击穿电压U_c曲线和3条完全击穿电压U_s曲线，如图8所示。阈值击穿电压U_c-0.5曲线和完全击穿电压U_s-1.5曲线，将电压分区图分为U_c-0.5曲线以下区域、U_s-1.5曲线以上区域、介于U_c-0.5曲线以上和U_s-1.5曲线以下区域，这里分别称这三个区域为非破碎区、低频脉冲破碎区和高频脉冲破碎区。非破碎区中对应的参数设计和优化取值点，岩石无法破碎；高频脉冲破碎区中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求相对较高，且越靠近U_c-0.5曲线的设计和优化参数对电脉冲频率的要求越高，同时，高频脉冲破碎区中介于U_c-0.5曲线和U_s-1.5曲线之间的区域也可能存在不能破碎的情况发生；低频脉冲破碎区中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求相对较低。

S4步骤中，本实施例图8推荐区域中的设计与优化点均可取(图中推荐区域中的斜线为各组测试点的U_c和U_s的均值：(U_c+U_s)/2的拟合曲线，此时系统只需较小的脉冲频率即可缓解破岩效率、能耗经济性与设备工作能力之间的矛盾)，如对于高压电脉冲钻具的电脉冲发生器的输出脉冲电压峰值为100kV时，推荐的电极间距H小于13.2mm。

上述两个实施例中，要设计与优化的参数均为电极间距H，两个实施例之间的差异在于其电极尖端半径为单一类型(半径只包含1.0mm一种类型)还是组合类型(半径同时包含0.5mm、1.0mm和1.5mm三种)。这种优化与设计达到的效果为：能充分考虑到电极结构的设计参数与电脉冲发生装置的能力。例如，对于实施例1，当高压电脉冲钻具的电脉冲发生器的输出极限能力为100kV时，推荐的电极间距H小于14mm；而当高压电脉冲钻具的电脉冲发生器的输出极限能力为110kV时，其推荐的电极间距小于16mm。因此，通过上述实施例可以看出，当高压电脉冲钻具的电脉冲发生器的输出极限能力增大时，本发明提供的方法方法能够很好的给出推荐范围。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，建立起高压电脉冲破岩工具的结构参数(以上实施例中的电极间距H和电极尖端曲率半径R)、电压加载参数(以上实施例中的脉冲电压峰值U_p)和岩石电学参数(以上实施例中的阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s)之间的联系，能够充分协调破岩效率和破岩经济性之间的关系，方便设计人员选择高压电脉冲破岩工具参数，从而有利于高压电脉冲破岩技术在商业上的推广运用，具有实用性强、适用范围广等优点。

高压电脉冲发生装置的工作能力体现在其能输出的脉冲电压峰值以及脉冲频率范围。破岩效率(单位时间的破碎体积)、能耗经济性(单位破碎体积消耗的能量，即比能)与电脉冲的加载电压峰值(这个峰值可以没有达到脉冲发生装置的上限)和脉冲频率(这个频率也可以没有达到脉冲发生装置的上限)息息相关。通过比较实际的加载脉冲电压峰值U_p与阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s之间的相对大小关系来衡量工具工作能力、破岩效率与能耗经济性之间的关系。下面分为两种情形进行说明。

1.当加载脉冲电压峰值U_p位于阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s之间时：

①脉冲频率恒定时，欲提高破岩效率，则需增加加载电压峰值，此时比能升高，破岩效率与能耗经济性存在矛盾。

②当加载脉冲电压峰值U_p位于阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s之间，且加载电压峰值恒定时，欲提高破岩效率，则需增加脉冲频率，此时比能升高，破岩效率与能耗经济性存在矛盾。

为解决上述情形时破岩效率与能耗经济性的矛盾，同时考虑到设备的运作能力，推荐的做法为：适当提高设备输出峰值电压，大于(U_c+U_c)/2即可，同时适当减少脉冲频率。这样破岩比能相对下降，也能具有相对较高的破岩效率，破岩效率与能耗经济性的矛盾得到解决。

2.当加载脉冲电压峰值U_p大于完全击穿电压U_s，此时破岩效率接近饱和，比能相对较低且受脉冲频率影响较小，对于脉冲频率的要求就不那么严苛，此时根据钻具的输出能力施加脉冲频率即可调节破岩效率与能耗经济性的矛盾。

因此，本发明提供的高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，将击穿电压临界值分为阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s，从而便于在综合衡量高压电脉冲发生装置的工作能力、破岩效率与能耗经济型三者间关系的基础上，开展钻具参数的设计优化工作。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高压电脉冲破岩工具参数的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定高压电脉冲破岩工具要设计和优化的参数；

确定设计和优化参数范围内的击穿电压临界值；

利用击穿电压临界值绘制电压分区图；

从电压分区图中选择新的设计与优化参数。

2.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述高压电脉冲破岩工具以电破岩方式破岩。

3.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述高压电脉冲破岩工具的放电电极排布方式包括“针-针”并排型、“针-针”对排型、“针-板”型、“板-板”型和“同轴式”。

4.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述设计和优化的参数包括结构参数和电压加载参数。

5.如权利要求4所述的设计优化方法，其特征在于，所述结构参数包括电极间距、电极尖端曲率半径和电极安放角度，所述电压加载参数包括脉冲电压峰值、脉冲电压频率、脉冲电压上升时间和脉冲电压持续时间。

6.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述击穿电压临界值包括阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s，优选的，所述阈值击穿电压U_c和完全击穿电压U_s通过实验或者数值仿真方式得到。

7.如权利要求6所述的设计优化方法，其特征在于，所述绘制电压分区图步骤中，以要设计和优化的参数为横坐标，以加载脉冲电压峰值U_p为纵坐标，绘制阈值击穿电压U_c曲线和完全击穿电压U_s曲线。

8.如权利要求7所述的设计优化方法，其特征在于，所述阈值击穿电压U_c曲线和完全击穿电压U_s曲线，将所述电压分区图分为U_c曲线以下区域、U_s曲线以上区域、介于所述U_c曲线以上和所述U_s曲线以下区域。

9.如权利要求8所述的设计优化方法，其特征在于，所述U_c曲线以下区域中对应的参数设计和优化取值点，岩石无法破碎；介于所述U_c曲线以上和所述U_s曲线以下区域中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求高，且越靠近U_c曲线的设计和优化参数对电脉冲频率的要求越高；所述U_s曲线以上区域中对应的参数设计和优化取值点，对于保持破岩工具持续工作所需的电脉冲频率要求低。

10.如权利要求9所述的设计优化方法，其特征在于，所述选择新的设计与优化参数方法为：参数选择靠近所述U_s曲线及U_s曲线以上区域中的点。

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