太原理工大学博士研究生学位论文
静水压下脉冲放电冲击波特性及其岩体致裂研究
摘要
水中脉冲放电的冲击力学效应已被广泛应用于机械加工、桩基扩孔、地质勘探、体外碎石等各个领域。近年来，部分学者对水中脉冲放电技术应用于石油井解堵、煤层气井致裂增渗，进行了一些实践及探索。针对国内煤层气井普遍存在的储层渗透率低下、传统改造工艺效果不明显等难题，水中脉冲放电冲击波可控、可重复的冲击特性表现出了显著的技术优势。但目前针对脉冲放电致裂煤岩体的研究大多是在无三轴地应力、无钻孔静水压的环境下进行的；暂未考虑静水压对放电冲击波产生、传递及致裂作用的影响；在研究冲击波波形对岩体致裂效果的影响时忽略了冲击波能量不一致对致裂所造成的干扰。
采用理论分析、物理实验、数值分析相结合的方法，本课题对耦合静水压下的脉冲放电冲击波产生、传播机理、破岩机理进行了分析；对脉冲放电冲击波特性、冲击波致裂煤岩体规律进行了实验研究；对不同波形的等能量冲击波致裂规律进行了数值计算分析。该课题研究对推动水中脉冲放电致裂技术在煤层气开采中的应用奠定了基础。主要成研究果如下：
1.提出了水中脉冲放电致裂煤岩体过程的四个阶段划分：“放电击穿”→“通道膨胀”→“冲击波传递”→“冲击致裂”，静水压对前两个阶段存在抑制作用，而对后两个阶段存在促进作用。分析认为脉冲放电致裂煤岩体是“动态-准静态-静态”三种破坏作用相耦合的结果。
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2.研制了可加载静水压的脉冲放电冲击致裂实验系统。该系统由冲击波特性实验台及脉冲放电致裂实验台组成。其中，冲击波特性实验台可完成静水压环境下的脉冲放电冲击波特性测试研究，而脉冲放电致裂实验台可完成耦合静水压及真三轴围压的岩体脉冲放电致裂实验。
3.对不同静水压及放电电压下的脉冲放电冲击波特性进行了研究。结果表明：放电电压的升高将始终表现出加剧脉冲放电过程、强化冲击波特性的作用；静水压的升高则同时表现出阻碍脉冲放电过程、强化冲击波传递的双重作用。
4.对地应力、静水压、放电参数影响下的混凝土试样脉冲放电致裂效果进行了实验研究。结果表明：地应力的存在将会制约裂纹的产生及扩展；静水压的大小对裂纹的扩展方向不产生影响，但可以较为明显地加快裂纹的扩展速度，增加其延展长度；同等放电能量下，高电压（14kV）放电致裂时的裂纹扩展长度及贯通效果都要略优于低电压（10kV）放电致裂。
5.利用PFC2D数值模拟软件，对不同波形等能量冲击波作用下的岩体致裂效果进行了研究。结果表明：单次冲击下，不同波形致裂岩体的裂纹扩展规律及振动特性差异显著，单次冲击时存在最优的冲击致裂波形；多次冲击作用可以较好地强化该组冲击波单次冲击时的致裂效果，各种波形多次冲击都存在裂纹扩展的极限；低峰值等能量冲击波作用下，含静水压的预裂纹随静水压的增大而获得越发优异的裂纹扩展，高峰值等能量冲击波作用下，静水压对于裂纹扩展几乎没有帮助。
关键词：脉冲放电，冲击波，静水压，致裂效果，击穿延时
II
太原理工大学博士研究生学位论文
RESEARCH ON THE SHOCK WA VE CHARACTERISTICS OF PULSED DISCHARGE UNDER HYDROSTATIC PRESSURS AND ITS
FRACTURING EFFECT ON ROCK MASS
ABSTRACT
The impact dynamic effect of the underwater pulsed discharge has been widely used in mechanical processing,pile foundation reaming,geological exploration,extracorporeal lithotripsy and other fields.In recent years,Some scholars have carried out some practice and exploration by using the underwater pulsed discharge in plug removal of oil wells and fracturing reservoirs of CBM wells.In view of the low permeability of domestic CBM wells’reservoirs and the not obvious effect of the traditional fracturing technology,the impacts of the underwater pulsed discharge shock wave which are controllable and repeatable show great technical advantages.But the current studies of fracturing coal and rock mass by pulsed discharge were mostly in the environment of no triaxial geostress and no hydrostatic pressure in the borehole.The influence mechanism of hydrostatic pressure on the generation,transmission and fracturing of the discharge shock wave was not considered.The effect of different shock wave energy on the fracture effect was also ignored when studied the effect of shock wave waveform on the fracture effect of rock mass.
III