非常规天然气、煤层气和页岩气等绿色能源成为各国日益青睐的资源。目前主要是通过水力压裂技术来改造能源储集层，美国页岩气的开采中广泛应用了水力压裂技术，但需要消耗大量的水资源，且水中添加的化学物质会对地下水造成污染。针对页岩气开采中带来的负面问题，提出了一种适用于致密气储层的低耗水、低伤害、低能耗的等离子体冲击压裂技术。该技术是以“液电效应”为理论基础的一种压裂手段。“液电效应”是指当电容器储能通过放电开关在水中电弧放电时产生强大的冲击波并伴随强烈辐射的一种现象。电弧放电时放电电流可达几十至数百千安培，放电时间在几十微秒至数百微秒，瞬时温度可达数千度，瞬时功率可达数百兆瓦，引起电极间等离子通道内压力升高，形成强脉冲压力波，产生的压力幅值可达几十至数百兆帕。当电弧放电产生的冲击波压力大于页岩层的抗压或者抗拉强度时，页岩层便会产生裂缝，提高岩样渗透率，从而提高页岩气井产量。公式(1)给出了一个冲击波压力的经验公式：

pm=β[ρW/(τТ)]1/2

(1)

式中:pm为冲击波的波前最大压力；β为无因次的复杂积分函数，近似取0.7；ρ为液体密度；W为放电通道单位长度的脉冲总能量；τ为压力波前时间；Т为脉冲能量的持续时间。 从上式可以看出，可以通过改变放电能量、冲击压力波波前时间和冲击波持续时间来调节冲击波压力的大小。

当前无静水压条件下水中等离子体水中放电技术已经逐步成熟。冲击波的形成、发展以及衰减过程基本原理也有了一定的研究基础，但是我国页岩气储层地质条件复杂，地表条件较差，埋藏深度都在3 km左右，此深度下页岩层承受几十兆帕的围压，围压成为影响深井下压力效果的一个关键因素[1-3]。由于现场实验测试研究难度较大，所以使用静水压力模拟围压，研究静水压力下水中等离子体放电特性以及冲击压力波的传播规律，为深井下等离子体冲击压裂工具的研制提供理论依据。

1 等离子体冲击压裂装置研制

研制了一套静水压下等离子体冲击压裂装置，装置各部件以及压裂实验内腔尺寸如图1所示。使用此装置产生的静水压力来模拟深井围压，最大静水压力达35 MPa，进行等离子体冲击压裂实验时将砂岩岩样放入直径为350 mm、高为500 mm的高压釜中，通过压力泵向高压釜注水增压，使静水压力达到设定值。

图1 实验装置 Fig.1 Experimental equipment

用于产生等离子体冲击波的大电流脉冲源电路结构如图2所示。其中恒流充电电源最大功率为20 kW,输出电压在0～20 kV范围内可调，采用绝缘栅双极型晶体管IGBT功率模块组成功率变换系统，IGBT工作在零电流切换模式下，使得充电电源在重复运行时减少开关管损耗和发热[4-14]。放电开关采用三电极空气开关，在重复冲击压裂工况下工作稳定，寿命高。

图2 脉冲源电路结构图 Fig.2 Schematic of the pulsed power system

对岩样CO1共进行了5次15 kV放电试验，每次放电能量为22.5 kJ。冲击压裂完成后对岩样进行测量，岩样表面缝高一面330 mm，另一面350 mm，如图4所示。

图3 砂岩岩样 Fig.3 Sandstone samples

2 实验研究

松辽流域地表水资源相对丰富，但缺乏调蓄工程，蓄水工程供水能力不足，引提水工程供水保证率偏低。近年流域地下水开发利用发展迅速，地下水供水能力有较大提高，但大规模、高强度的持续性开发，致使地下水开发利用率较高，地下水水位普遍下降，流域内大庆、辽阳、通辽、四平等大中型城市已出现大面积的地下水漏斗，超采现象日趋严峻，迫切需要加大对流域地下水资源的合理开发和保护力度，遏制地下水超采，防止出现生态环境问题。

2.1 无静水压力下冲击压裂实验

图2中L为放电回路寄生电感(主要为放电电缆产生)。C为10台20 μF/20 kV并联电容器组。R、C和安全泄放开关组成了能量泄放回路。脉冲源负载为浸入水中的放电电极，电极为对极结构，使得冲击波向水平两侧传播，对两侧岩样进行压裂破碎。

无静水压力放电时冲击压裂效果明显。能量足够大时，较少放电次数就可使得裂缝贯穿整个岩样，且裂缝清晰，但条数少；在天然岩样为实验对象时，裂缝对称出现。

图4 砂岩试样CO1压裂图片 Fig.4 Fracture pictures of sandstone samples CO1

使用的资料、模拟方案同廖玥等(2018)一致,本文不再赘述。模拟资料能比较好地模拟出台风“珍珠”(2006)的强度和路径,因此可以使用该模拟资料进行下一步的分析。

静水压力为15 MPa时，岩样3经过20次18 kV放电冲击压裂后，岩样井内裂缝及岩样横截面如图7所示。

2.2 不同静水压力下冲击压裂实验

静水压力为20 MPa时，岩样4经过12次15 kV和5次18 kV放电冲击压裂后，岩样井内裂缝如图8所示。

静水压力为5 MPa时1号岩样经过5次15 kV放电和8次18 kV放电压裂后裂缝如图5所示。

就赛努奇本人来说，对道教神仙为主的道释人物画的喜爱，既受大的环境影响，也反映了其个人的收藏倾向。这与他的意大利文化背景息息相关。整个欧洲的基督教宗教信仰普遍存在，使得他们很自然地在对中国画的欣赏中寻找同体同构的表达方式与精神资源。加之当时的欧洲思想背景之复杂与遭遇的问题之特殊，都促使其从哲学、精神性等角度对道家思想追捧崇奉。在这样的文化语境中，我们可以解读赛努奇博物馆收藏的道教题材作品与19世纪末20世纪初欧洲思想精神探索的深层联系，探得一种具有代表性的欧洲人欣赏中国画的文化原因和审美角度。

静水压力为10 MPa时，岩样2经过放电压裂后，岩样井内裂缝及岩样横截面切开后如图6所示。

图5 岩样1裂缝图片 Fig.5 Fracture pictures of sandstone sample 1

图6 岩样2裂缝图片 Fig.6 Fracture pictures of sandstone sample 2

界线走向说明是对界线实地走向进行的详细文字描述，是界线协议书的核心内容，必须做到文、图、实地三者一致。界线走向说明是协议书编写的技术难点，为了确保书写格式规范，形式统一，内容翔实，对走向说明的语言描述制定了较详细、操作性较强的规定，甚至对句型句式都进行了具体的定义和要求。

分别进行了0、5、10、15、20和25 MPa静水压力冲击压裂实验,对应的实验对象分别是岩样CO1、岩样1、岩样2、岩样3、岩样4和岩样5。每组实验时直至岩样出现明显的裂缝为止。冲击压裂后将岩样在距井底5 cm处横向切割，观察岩样井内裂缝和横切面裂缝随着静水压力变化而产生裂缝形态发展规律。

对砂岩岩样进行了静水压力下等离子体冲击压裂实验，岩样尺寸为40 cm×40 cm×40 cm，中心钻孔直径5 cm，深22 cm。岩样力学强度测试表现为抗压强度49.46 MPa，杨氏模量11 255 MPa，泊松比0.182 5。放电电极间距为7 mm，放电电极采用对极模式，极间距离为7 mm，储能电容均为200 μF。实验过程中主要通过改变放电电压、放电次数和静水压力来研究等离子体冲压压裂后井筒裂缝的发展规律。放电电压主要是以15 kV和18 kV为主，进行时间间隔为1 min的重复性放电实验。实验时待放电电极深入孔内后，需将岩样上孔密封，以保证放电产生的冲击波向两侧作用。

静水压力为25 MPa时，岩样5经过20次18 kV放电压裂后，岩样井内裂缝如图9所示。

对上述实验结果进行了归纳总结，放电参数和冲击压裂后岩样裂缝参数如表1所示。

可以说五山的茶坛和茶文化得益于五山的道教文化传统，五山因茶而闻名后，更加自觉的挖掘乡土文化，丰富旅游产品类型。堰河对百日山道家文化的开发利用，也可看作是对茶文化进行空间“再现”和文化延伸。堰河村地处鄂西北名茶之乡谷城县五山镇，位于五山之一的百日山下，百日山因真武大帝在此修仙百日而得名。堰河村自2004年以来先后投资1.2亿元，逐步完善旅游功能设施，大力开发百日山、甲板洞瀑布等自然资源，充分挖掘茶乡文化、道家文化、家乡文化内涵，并于2007年3月正式营业。

图7 岩样3裂缝图片 Fig.7 Fracture pictures of sandstone sample 3

图8 岩样4裂缝图片 Fig.8 Fracture pictures of sandstone sample 4

图9 岩样5裂缝图片 Fig.9 Fracture pictures of sandstone sample 5

表1 压裂实验数据 Table 1 Data for fracture experiments

砂岩编码静水压力/MPa工作电压/kV放电次数单次放电能量/kJ裂缝高度/mm裂缝径向长度/mm井内裂缝条数1515522.518832.4200190,150521013416.915322.5181032.415422.5181532.420020,303315182032.4200170,1705,一条主缝420151222.518532.417060,504525182032.41105多裂缝,一条主缝CO1015522.535070一条主缝

从表1中可以初步看出，单次脉冲放电电压越高、单次储能越大、放电次数越多，电弧压裂造缝效果越好。压裂造缝长度与单次放电电压、单次能量、放电次数成正比例关系。放电电压低时，需要更多放电次数来能达到压裂效果。从裂缝长度可以看出，随着静水压力的升高，裂缝高度尺寸越来越小，同样径向长度也会越来越短，但是裂缝的条数会随着静水压力的升高而变多。

3 结 语

进行了静水压力下水中放电冲击压裂实验，从岩样造缝效果中初步得到了静水压力对等离子体冲击压裂的影响规律。静水压力对岩样裂缝的形成，扩展具有抑制作用。相同能量的等离子体冲击波施加到岩样后，压裂产生的裂缝长度会随着静水压力的升高而减小，从而会导致裂缝的导流能力下降。静水压力能明显地影响裂缝的形成、分布和生长。与常压下形成的裂缝相比，施加静水压力后裂缝多集中在电极处，数量多，长度短，存在不同程度的弯曲，而且局部区域出现了环形裂缝。

参考文献：

[1] 石崇兵,李传乐.高能气体压裂技术的发展趋势[J].西安石油学院学报,2000,15(5):17-21.

SHI Chongbing, LI Chuanle. Development tendency of high energy gas fracturing technique[J]. Journal of Xi’an Petroleum Institute, 2000,15(5):17-21.

[2] 张保平,方竞,田国荣,等.水力压裂中的近井筒效应[J].岩石力学与工程学报,2004,23(14):2476-2479.

ZHANG Baoping, FANG Jing, TIAN Guorong, et al. Near wellbore effects in hydraulic fracturing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004,23(14):2476-2479.

[3] 周健,陈勉,金衍,等.裂缝性储层水力裂缝扩展机理试验研究[J].石油学报,2007,28(5):109-113.

ZHOU Jian, CHEN Mian, JIN Yan, et al. Experimental study on propagation mechanism of hydraulic fracture in naturally fractured reservoir[J]. Acta Petrolei Sinica, 2007,28(5):109-113.

[4] RUTGERS W R, JONG I D. Multi-tip sparker for the generation of acoustic pulses[J]. Sensor Review, 2003,23(1): 55-59.

[5] SUN Y, FU R, FAN A, et al. Study of rock fracturing generated by pulsed discharging under confining pressure[C]∥2015 IEEE Pulsed Power Conference (PPC). Austin, TX, USA: IEEE, 2015:1-4. DOI:10.1109/PPC.2015.7296927.

[6] BEES G L, TYDEMAN A. Capacitor charging power supply design for pulse to pulse repeatability applications[C]∥Digest of Technical Papers: 12th IEEE International Pulsed Power Conference (Cat. No.99CH36358). Monterey, CA, USA: IEEE, 1999,1:397-398. DOI:10.1109/PPC.1999.825494.

[7] BIEBACH J, EHRHART P, MULLER A, et al. Compact modular power supplies for superconduting inductive storage and for capacitor charging[J]. IEEE Trans on Magnetics, 2001,37(1):353-357.

[8] POLLARD B C, NELMS R M．Using the series parallel resonant converter in capacitor charging application[C]∥Proceedings of APEC’92 Seventh Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. MA, USA, USA: IEEE, 1992:245-252. DOI:10.1109/APEC.1992.228405.

[9] 杨小卫,严萍,孙鹞鸿,等.35kV/0.7A高压变频恒流充电电源[J].高电压技术,2006,32(5):54-56.

YANG Xiaowei, YAN Ping, SUN Yaohong, et al. 35kV/0.7A high voltage high frequency constant charging power supply[J]. High Voltage Engineering, 2006,32(5):54 -56.

[10] FORSYTH A J, WARD G A, MOLLOV S V. Extended fundamental frequency analysis of the LCC resonant converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003,18(6):1286-1292.

[11] 邵建设,严萍.高压电容器充电电源谐振变换器的定频控制[J].高电压技术,2006,32(11):107-110.

SHAO Jianshe, YAN Ping. Constant switching frequency control of resonant converter of high voltage capacitor charging power supply[J]. High Voltage Engineering, 2006,32(11):107-110.

[12] 苏建仓,王利民,丁永忠,等.串联谐振充电电源分析与设计[J].强激光与粒子束,2004,16(12):1611-1614.

SU Jiancang, WANG Limin, DING Yongzhong, et al. Analysis and design of series resonant charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2004,16(12):1611-1614.

[13] NELMS R M, SCHATZ J E. A capacitor charging power supply utilizing a ward converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1992,39(5):421-428.

[14] 张东辉,严萍.高压电容器充电电源的研究[J].高电压技术,2008,34(7):1450-1455.

ZHANG Donghui, YAN Ping. Development in high voltage capacitor charging power supply[J]. High Voltage Engineering, 2008,34(7):1450-1455.