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等離子鉆井過(guò)程中巖石破碎的實(shí)驗(yàn)研究

2016-11-28 11:10:13王廣旭劉永紅中國(guó)石油大學(xué)華東機(jī)電工程學(xué)院山東青島266580
電加工與模具 2016年5期
關(guān)鍵詞:電解質(zhì)損耗鉆井

王廣旭,劉永紅,申 泱(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266580)

等離子鉆井過(guò)程中巖石破碎的實(shí)驗(yàn)研究

王廣旭,劉永紅,申 泱
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266580)

為了明確工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度、電極直徑、電極極性和電解質(zhì)溶液濃度等加工因素對(duì)等離子鉆井過(guò)程中巖石破碎的影響,采用環(huán)狀電極結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的電源,在無(wú)圍壓的條件下進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度和脈沖間隔對(duì)巖石破碎的效果有明顯影響;巖石破碎效率隨著工作電流、擊穿電壓和脈沖寬度的增加而逐漸提高,隨著脈沖間隔、電極直徑的增加而降低;當(dāng)內(nèi)電極與電源陰極相連時(shí),巖石破碎的效果更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明,隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加,巖石破碎的效率先增加、后減小。

等離子鉆井;巖石破碎;加工因素

在鉆井工程中,破巖技術(shù)是油田開(kāi)發(fā)的核心內(nèi)容,其費(fèi)用占勘探開(kāi)發(fā)成本的50%以上,巖石破碎的效率決定了鉆井的速度、成本和經(jīng)濟(jì)效益。隨著油氣資源的日益枯竭,人類對(duì)資源開(kāi)采的深度和廣度逐漸加大,同時(shí)面臨日益復(fù)雜的地質(zhì)條件,巖石破碎的難度也逐漸加大,使鉆井過(guò)程普遍存在速度慢、周期長(zhǎng)和成本高等問(wèn)題[1]。機(jī)械開(kāi)采方法難以進(jìn)行,尤其對(duì)于開(kāi)采堅(jiān)硬的巖石(如:花崗巖、閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖等),生產(chǎn)效率低,開(kāi)采成本高。因此,鉆井工程不得不依靠其他方法進(jìn)行[2]。

近年來(lái),基于脈沖放電破碎巖石的鉆井技術(shù)受到了廣泛關(guān)注,應(yīng)用等離子技術(shù)采掘堅(jiān)硬巖石就是其中的方法之一[2]。與傳統(tǒng)破碎技術(shù)相比,高壓脈沖放電破碎技術(shù)具有以下特點(diǎn):①破碎過(guò)程無(wú)有毒有害的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生[3-4];② 通過(guò)調(diào)節(jié)放電能量,能對(duì)巖石破碎過(guò)程進(jìn)行控制[5]。液電放電形成的等離子體通道發(fā)生在水中,形成了電弧放電。除了高溫和沖擊波,放電過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生氣泡和高速水流,在這些因素的共同作用下形成了對(duì)巖石的破碎[6]。

國(guó)外學(xué)者對(duì)破巖技術(shù)進(jìn)行了諸多研究。韓國(guó)電工研究所開(kāi)展了以銷絲為爆炸絲,在水介質(zhì)中對(duì)巖石進(jìn)行破碎的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)爆炸絲的截面積和長(zhǎng)度對(duì)破碎的效果影響較大。Andres[7]將巖石放置在針-針電極對(duì)之間,考查了不同電壓等級(jí)和能量密度情況下的花崗巖破碎情況,得到的基本結(jié)論是施加在巖石上的電場(chǎng)強(qiáng)度越高,巖石破碎所需的能量密度越低;且?guī)r石的破碎情況很大程度上取決于電源參數(shù)和礦石的組織結(jié)構(gòu)。Timoshkin等[8]在研究脈沖等離子鉆井問(wèn)題時(shí),認(rèn)為增大電擊穿通道對(duì)巖石的做功是能量?jī)?yōu)化的主要目標(biāo)。Lisitsyn等[9]對(duì)花崗巖和凝灰?guī)r采取了去氣泡處理,發(fā)現(xiàn)先前可發(fā)生電擊穿的巖石在去氣泡后并不能發(fā)生擊穿,從而證明了氣泡在巖石電擊穿過(guò)程中所起的作用。此外,Boev[10]、MacGregor[8]、Cho[11]都對(duì)巖石中可能發(fā)生的電擊穿過(guò)程進(jìn)行了討論,Burkin等[12-13]還建立了一個(gè)巖石在等離子體通道作用下發(fā)生破碎的模型。

然而,在等離子鉆井過(guò)程中,各種因素對(duì)鉆井過(guò)程的影響并沒(méi)有得到系統(tǒng)的研究。為了驗(yàn)證這些因素對(duì)鉆井過(guò)程的影響,本文采用環(huán)狀電極結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的電源,在無(wú)圍壓的條件下進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,得到了相應(yīng)的影響規(guī)律,為等離子鉆井過(guò)程的優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

破巖實(shí)驗(yàn)在自主搭建的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,破巖原理見(jiàn)圖1。自主開(kāi)發(fā)的高能脈沖電源分別與內(nèi)管電極和外管電極連接,為加工提供足夠的能量。巖石及工作電極都浸沒(méi)在電解質(zhì)中,內(nèi)外管電極之間用耐高溫絕緣材料絕緣,并實(shí)現(xiàn)沖氣或沖液的功能。電源接通后,形成的等離子體通道發(fā)生在水中,形成電弧放電。除了高溫和沖擊波,放電過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生氣泡和高速水流,在這些因素的共同作用下實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖石的破碎。

圖1 等離子破巖實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)安排

破巖實(shí)驗(yàn)在無(wú)圍壓條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,砂巖巖石樣件由山東勝利油田提供,采用單一變量法,在巖石樣品上加工深度為20 mm的孔。破巖實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)見(jiàn)表1,相同條件下的實(shí)驗(yàn)每組均重復(fù)3次以消除隨機(jī)誤差。實(shí)驗(yàn)研究了工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、電極直徑、電極極性和電解質(zhì)溶液濃度等加工因素對(duì)巖石破碎的影響。

表1 等離子破巖實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,通過(guò)打孔深度除以加工時(shí)間獲得巖石破碎的速率;通過(guò)計(jì)算電極加工前后的高度差獲得電極損耗量;通過(guò)被加工孔的寬度與電極直徑的差值獲得加工過(guò)切量。

2 結(jié)果和討論

2.1 峰值電流的影響

工作電流是影響巖石破碎的主要因素之一,在進(jìn)行工作電流對(duì)巖石破碎的影響實(shí)驗(yàn)時(shí),工作電流是唯一的變量。圖2是峰值電流對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響曲線??煽闯?,工作電流與巖石破碎有著直接的關(guān)系。隨著工作電流的增加,鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量均有不同程度的增加。當(dāng)電流為600 A時(shí),最大鉆進(jìn)速度可達(dá)2.2 mm/s,遠(yuǎn)大于電流100 A時(shí)的0.7 mm/s。原因在于隨著工作電流的增加,單次脈沖能量的增加使分布在巖石和電極上的能量密度增加。但鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量并沒(méi)有隨著輸入電流的增加而成比例增大。這是因?yàn)橐徊糠帜芰吭诩庸み^(guò)程中消耗在了電解質(zhì)溶液和空氣中。由于添加了沖液,減少了碎屑在加工過(guò)程中的沉積,有利于加工的持續(xù)進(jìn)行,同時(shí),沖液也是造成非比例增加的原因之一。因此,可通過(guò)提高工作電流獲得較高的巖石破碎效率。

2.2 擊穿電壓的影響

圖3是擊穿電壓對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響??煽闯觯瑩舸╇妷簩?duì)巖石破碎的影響并不顯著。當(dāng)擊穿電壓低于150 V時(shí),施加在內(nèi)、外管之間的電壓并不能擊穿氣液混合的間隙,無(wú)法形成等離子通道,因此并沒(méi)有擊穿效果,也未獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著擊穿電壓的進(jìn)一步增大,環(huán)狀電極之間的間隙被擊穿,等離子通道形成,鉆進(jìn)速度和電極損耗稍增加,而過(guò)切量保持穩(wěn)定。這是因?yàn)閾舸╇妷菏怯脕?lái)實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)的擊穿,從而形成放電通道,電壓的升高使引弧及維持放電通道得到改善。在放電通道形成后,維持放電通道的電壓保持穩(wěn)定,擊穿電壓的增加僅使放電變得更容易,分布在電極和巖石上的能量密度基本保持不變或有非常輕微的增加。因此,鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量基本保持不變。

圖2 峰值電流對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響

圖3 擊穿電壓對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響

2.3 脈沖寬度的影響

圖4是脈沖寬度對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響,脈沖間隔設(shè)置為10 ms??煽闯觯?dāng)脈沖寬度<5 ms時(shí),無(wú)法形成等離子通道,引弧失敗,所以未獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著脈沖寬度的增加,引弧變得越來(lái)越容易,且鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量均有所增加。這同樣是因?yàn)殡S著脈沖寬度的增加,單次脈沖能量的增加使分布在巖石和電極上的能量密度增大,從而使鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量均增加。

圖4 脈沖寬度對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響

2.4 電極直徑的影響

圖5是電極直徑對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響??煽闯觯S著電極直徑的增加,過(guò)切量增大,而鉆進(jìn)速度和電極損耗則有所減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在同樣的加工條件下,電極直徑越大,電極的橫截面積越大,分布在電極上的能量密度相對(duì)減小,使鉆進(jìn)速度降低;而電極周圍的熱融化區(qū)也隨著電極直徑的增加而增大,使鉆井孔增大,導(dǎo)致過(guò)切量有限度的增加。由于實(shí)驗(yàn)夾具的限制,本文并未制作更大直徑的電極,所以對(duì)更大電極直徑的實(shí)驗(yàn)情況仍需作進(jìn)一步研究。

圖5 電極直徑對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響

2.5 電解質(zhì)濃度的影響

在研究NaOH電解質(zhì)溶液的濃度對(duì)巖石破碎的影響實(shí)驗(yàn)中,電極周圍產(chǎn)生了大量氣泡,且氣泡產(chǎn)生速率隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加而增大。當(dāng)電參數(shù)、電極結(jié)構(gòu)及尺寸保持不變時(shí),在低濃度的電解質(zhì)溶液中,引弧較高濃度電解質(zhì)溶液中相對(duì)更困難。圖6是電解質(zhì)濃度對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響??煽闯?,過(guò)切量與電解質(zhì)濃度沒(méi)有關(guān)系,但鉆進(jìn)速度和電極損耗均隨著電解質(zhì)濃度的增加呈先增大、再減小的趨勢(shì)。即在高濃度溶液中進(jìn)行加工時(shí),巖石破碎的效果有時(shí)反而會(huì)變差,這是由于飽和鹽水的高導(dǎo)流能力導(dǎo)致較高離子傳導(dǎo)能量的損失,使分布在電極和巖石上的能量密度有所降低而引起的。

2.6 極性的影響

圖7是電極極性對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響??煽闯?,電極極性的改變對(duì)過(guò)切量基本無(wú)影響。當(dāng)內(nèi)管電極和電源正極相連時(shí),電極損耗比內(nèi)管電極與電源負(fù)極相連時(shí)有所減小。這是因?yàn)樵谛纬傻入x子體通道后,電源產(chǎn)生的熱能在工具電極和工件上的熱能分配存在差異;當(dāng)內(nèi)管電極為負(fù)極性時(shí),分配在電極材料上的放電能量較多,分配在巖石樣件上的能量較少,從而造成了材料去除率降低,而相對(duì)電極損耗率增加。通常情況下,分配在陽(yáng)極上的能量總是高于分配在陰極上的。

圖6 電解質(zhì)濃度對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響

圖7 極性對(duì)鉆進(jìn)速度、電極損耗和過(guò)切量的影響

3 結(jié)論

(1)在加工過(guò)程中,隨著輸入能量的增加,放電過(guò)程更劇烈,加工過(guò)程越不穩(wěn)定。同時(shí),放電頻率越低,放電過(guò)程越穩(wěn)定。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度和脈沖間隔直接影響著巖石破碎的效果。而巖石破碎效率隨著工作電流、擊穿電壓和脈沖寬度的增加而逐漸提高,隨著脈沖間隔、電極直徑的增加而降低。當(dāng)內(nèi)電極與電源陰極相連時(shí),巖石破碎的效果更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明,隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加,巖石破碎效率先增加、后減小。不同的加工要求,其加工效果不同,需選擇不同的加工參數(shù)。

(3)在無(wú)圍壓加工條件下,加工過(guò)程中巖石更易產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致巖樣整體的破碎,這是無(wú)圍壓加工的劣勢(shì)。此外,采用石墨電極進(jìn)行加工時(shí),其損耗較快,這與石墨自身易導(dǎo)電導(dǎo)熱的屬性相關(guān)。

[1] 章志成.高壓脈沖放電破碎巖石及鉆井裝備研制[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

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Experimental Study on Rock Breaking in the Process of Plasma Drilling

Wang Guangxu,Liu Yonghong,Shen Yang
(College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

In order to determine the effect of processing factors such as current,breakdown voltage,pulse width,diameter of the electrode,polarity of electrodes and concentration of electrolyte solution on rock breaking in the process of plasma drilling,indoor experimental research was conducted using annular electrode under the condition of no confining pressure.The experimental results showed that current,breakdown voltage,pulse width and pulse interval have obvious effect on rock breaking. The efficiency of rock breaking increases with the increase of current,breakdown voltage and pulse width,while decreases with the increase of pulse interval and diameter of the electrodes.The rock breaking shows a better performance when the inner electrode is connected to the cathode.Meanwhile,the experimental results showed that the efficiency of rock breaking increases firstly then decreases with the increase of concentration of electrolyte solution.

plasma drilling;rock breaking;processing factors

TG664

A

1009-279X(2016)05-0060-04

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205411);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(15CX06055A)

王廣旭,男,1990年生,碩士研究生。

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