[发明专利]一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法及系统

说明书

本发明公开了一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法及系统，属于高压脉冲破碎钻井领域，包括：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、单个高压脉冲的破碎体积Q、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；综合三种变化关系式，以w为主要因素，初步确定最优电极间隙距离的选择范围S_a～S_c，再根据h和Q为分析对象，确定最优电极间隙距离S_b和最优电极数N_b；在所述的最优电极间隙S_b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n_b，且n_max≥n_b。本发明减少了高压电脉冲破碎过程的能量损耗，在高压脉冲破碎电源参数确定的情况下实现了最大破岩效率。

技术领域

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

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U_b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。

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。

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。

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。

发明内容

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S_b、最优电极数N_b、最优脉冲次数n_b。

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：

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。