靜水壓力對巖石在等離子體沖擊下 壓裂效果的影響*

付榮耀,孫鷂鴻,徐旭哲,嚴 萍

(1.中國科學院大學,北京 100049; 2.中國科學院電工研究所,北京 100190; 3.中國科學院電工研究所電力電子與電氣驅動重點實驗室,北京 100190)

非常規天然氣、煤層氣和頁巖氣等綠色能源成為各國日益青睞的資源。目前主要是通過水力壓裂技術來改造能源儲集層，美國頁巖氣的開采中廣泛應用了水力壓裂技術，但需要消耗大量的水資源，且水中添加的化學物質會對地下水造成污染。針對頁巖氣開采中帶來的負面問題，提出了一種適用于致密氣儲層的低耗水、低傷害、低能耗的等離子體沖擊壓裂技術。該技術是以“液電效應”為理論基礎的一種壓裂手段?！耙弘娦笔侵府旊娙萜鲀δ芡ㄟ^放電開關在水中電弧放電時產生強大的沖擊波并伴隨強烈輻射的一種現象。電弧放電時放電電流可達幾十至數百千安培，放電時間在幾十微秒至數百微秒，瞬時溫度可達數千度，瞬時功率可達數百兆瓦，引起電極間等離子通道內壓力升高，形成強脈沖壓力波，產生的壓力幅值可達幾十至數百兆帕。當電弧放電產生的沖擊波壓力大于頁巖層的抗壓或者抗拉強度時，頁巖層便會產生裂縫，提高巖樣滲透率，從而提高頁巖氣井產量。公式(1)給出了一個沖擊波壓力的經驗公式：

pm=β[ρW/(τТ)]1/2

(1)

式中:pm為沖擊波的波前最大壓力；β為無因次的復雜積分函數，近似取0.7；ρ為液體密度；W為放電通道單位長度的脈沖總能量；τ為壓力波前時間；Т為脈沖能量的持續時間。 從上式可以看出，可以通過改變放電能量、沖擊壓力波波前時間和沖擊波持續時間來調節沖擊波壓力的大小。

當前無靜水壓條件下水中等離子體水中放電技術已經逐步成熟。沖擊波的形成、發展以及衰減過程基本原理也有了一定的研究基礎，但是我國頁巖氣儲層地質條件復雜，地表條件較差，埋藏深度都在3 km左右，此深度下頁巖層承受幾十兆帕的圍壓，圍壓成為影響深井下壓力效果的一個關鍵因素[1-3]。由于現場實驗測試研究難度較大，所以使用靜水壓力模擬圍壓，研究靜水壓力下水中等離子體放電特性以及沖擊壓力波的傳播規律，為深井下等離子體沖擊壓裂工具的研制提供理論依據。

1 等離子體沖擊壓裂裝置研制

研制了一套靜水壓下等離子體沖擊壓裂裝置，裝置各部件以及壓裂實驗內腔尺寸如圖1所示。使用此裝置產生的靜水壓力來模擬深井圍壓，最大靜水壓力達35 MPa，進行等離子體沖擊壓裂實驗時將砂巖巖樣放入直徑為350 mm、高為500 mm的高壓釜中，通過壓力泵向高壓釜注水增壓，使靜水壓力達到設定值。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental equipment

用于產生等離子體沖擊波的大電流脈沖源電路結構如圖2所示。其中恒流充電電源最大功率為20 kW,輸出電壓在0～20 kV范圍內可調，采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT功率模塊組成功率變換系統，IGBT工作在零電流切換模式下，使得充電電源在重復運行時減少開關管損耗和發熱[4-14]。放電開關采用三電極空氣開關，在重復沖擊壓裂工況下工作穩定，壽命高。

圖2 脈沖源電路結構圖Fig.2 Schematic of the pulsed power system

圖2中L為放電回路寄生電感(主要為放電電纜產生)。C為10臺20 μF/20 kV并聯電容器組。R、C和安全泄放開關組成了能量泄放回路。脈沖源負載為浸入水中的放電電極，電極為對極結構，使得沖擊波向水平兩側傳播，對兩側巖樣進行壓裂破碎。

圖3 砂巖巖樣Fig.3 Sandstone samples

2 實驗研究

對砂巖巖樣進行了靜水壓力下等離子體沖擊壓裂實驗，巖樣尺寸為40 cm×40 cm×40 cm，中心鉆孔直徑5 cm，深22 cm。巖樣力學強度測試表現為抗壓強度49.46 MPa，楊氏模量11 255 MPa，泊松比0.182 5。放電電極間距為7 mm，放電電極采用對極模式，極間距離為7 mm，儲能電容均為200 μF。實驗過程中主要通過改變放電電壓、放電次數和靜水壓力來研究等離子體沖壓壓裂后井筒裂縫的發展規律。放電電壓主要是以15 kV和18 kV為主，進行時間間隔為1 min的重復性放電實驗。實驗時待放電電極深入孔內后，需將巖樣上孔密封，以保證放電產生的沖擊波向兩側作用。

2.1 無靜水壓力下沖擊壓裂實驗

對巖樣CO1共進行了5次15 kV放電試驗，每次放電能量為22.5 kJ。沖擊壓裂完成后對巖樣進行測量，巖樣表面縫高一面330 mm，另一面350 mm，如圖4所示。

圖4 砂巖試樣CO1壓裂圖片Fig.4 Fracture pictures of sandstone samples CO1

無靜水壓力放電時沖擊壓裂效果明顯。能量足夠大時，較少放電次數就可使得裂縫貫穿整個巖樣，且裂縫清晰，但條數少；在天然巖樣為實驗對象時，裂縫對稱出現。

2.2 不同靜水壓力下沖擊壓裂實驗

分別進行了0、5、10、15、20和25 MPa靜水壓力沖擊壓裂實驗,對應的實驗對象分別是巖樣CO1、巖樣1、巖樣2、巖樣3、巖樣4和巖樣5。每組實驗時直至巖樣出現明顯的裂縫為止。沖擊壓裂后將巖樣在距井底5 cm處橫向切割，觀察巖樣井內裂縫和橫切面裂縫隨著靜水壓力變化而產生裂縫形態發展規律。

靜水壓力為5 MPa時1號巖樣經過5次15 kV放電和8次18 kV放電壓裂后裂縫如圖5所示。

靜水壓力為10 MPa時，巖樣2經過放電壓裂后，巖樣井內裂縫及巖樣橫截面切開后如圖6所示。

圖5 巖樣1裂縫圖片Fig.5 Fracture pictures of sandstone sample 1

圖6 巖樣2裂縫圖片Fig.6 Fracture pictures of sandstone sample 2

靜水壓力為15 MPa時，巖樣3經過20次18 kV放電沖擊壓裂后，巖樣井內裂縫及巖樣橫截面如圖7所示。

靜水壓力為20 MPa時，巖樣4經過12次15 kV和5次18 kV放電沖擊壓裂后，巖樣井內裂縫如圖8所示。

靜水壓力為25 MPa時，巖樣5經過20次18 kV放電壓裂后，巖樣井內裂縫如圖9所示。

對上述實驗結果進行了歸納總結，放電參數和沖擊壓裂后巖樣裂縫參數如表1所示。

圖7 巖樣3裂縫圖片Fig.7 Fracture pictures of sandstone sample 3

圖8 巖樣4裂縫圖片Fig.8 Fracture pictures of sandstone sample 4

圖9 巖樣5裂縫圖片Fig.9 Fracture pictures of sandstone sample 5

砂巖編碼靜水壓力/MPa工作電壓/kV放電次數單次放電能量/kJ裂縫高度/mm裂縫徑向長度/mm井內裂縫條數1515522.518832.4200190,150521013416.915322.5181032.415422.5181532.420020,303315182032.4200170,1705,一條主縫420151222.518532.417060,504525182032.41105多裂縫,一條主縫CO1015522.535070一條主縫

從表1中可以初步看出，單次脈沖放電電壓越高、單次儲能越大、放電次數越多，電弧壓裂造縫效果越好。壓裂造縫長度與單次放電電壓、單次能量、放電次數成正比例關系。放電電壓低時，需要更多放電次數來能達到壓裂效果。從裂縫長度可以看出，隨著靜水壓力的升高，裂縫高度尺寸越來越小，同樣徑向長度也會越來越短，但是裂縫的條數會隨著靜水壓力的升高而變多。

3 結 語

進行了靜水壓力下水中放電沖擊壓裂實驗，從巖樣造縫效果中初步得到了靜水壓力對等離子體沖擊壓裂的影響規律。靜水壓力對巖樣裂縫的形成，擴展具有抑制作用。相同能量的等離子體沖擊波施加到巖樣后，壓裂產生的裂縫長度會隨著靜水壓力的升高而減小，從而會導致裂縫的導流能力下降。靜水壓力能明顯地影響裂縫的形成、分布和生長。與常壓下形成的裂縫相比，施加靜水壓力后裂縫多集中在電極處，數量多，長度短，存在不同程度的彎曲，而且局部區域出現了環形裂縫。