高壓電脈沖破碎非均質(zhì)花崗巖數(shù)值模擬

摘要：對高壓電脈沖破碎機制的研究是提高鉆井破巖效率和優(yōu)化電脈沖電參數(shù)的關(guān)鍵。利用顆粒流離散元軟件及Voronoi劃分建立非均勻介電性質(zhì)的花崗巖模型，從電流場、電路場、電擊穿場進行等離子通道生長過程仿真，并分析非均質(zhì)度對擊穿路徑的影響；對比不同花崗巖的電破巖效率和電脈沖破巖效果。結(jié)果表明：花崗巖的非均質(zhì)度增大使得初始電場極值增大，相應(yīng)地降低了電破巖的能量需求；等離子通道的生長方向存在優(yōu)先發(fā)展區(qū)域，等離子通道的生長過程體現(xiàn)出通道尖端處電場集中現(xiàn)象強于通道軀干處；花崗巖非均質(zhì)度的差異使得等離子通道的總長度和平均貫穿深度存在顯著差異，在一定非均質(zhì)度范圍內(nèi)電脈沖破碎效果和非均質(zhì)度呈正相關(guān)；不同非均質(zhì)度花崗巖的單脈沖電破巖效率差異不大，等離子通道的總長度越長，電破巖效率越高。

關(guān)鍵詞：電脈沖破巖； 非均質(zhì)花崗巖； 電擊穿； 等離子通道鉆井； 鉆井提速

中圖分類號：P 642"" 文獻標志碼：A

引用格式：祝效華，陳夢秋，劉偉吉.高壓電脈沖破碎非均質(zhì)花崗巖數(shù)值模擬［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，48（5）：151-159.

ZHU Xiaohua， CHEN Mengqiu， LIU Weiji. Numerical simulation of high-voltage electric pulses crushing" heterogeneous granite ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（5）：151-159.

Numerical simulation of high-voltage electric pulses crushing" heterogeneous granite

ZHU Xiaohua1，2，3， CHEN Mengqiu1 ， LIU Weiji1，2，3

（1.School of Mechatronic Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu" 610500， China;

2.Key Laboratory of Petroleum and Natural Gas Equipment， Ministry of Education， Chengdu 610500， China;

3.Geothermal Energy Research Center， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract： A detailed understanding of the fragmentation mechanism by the high-voltage electrical pulses （HVEP） technology is essential to enhance ROP in rock-breaking and to optimize the electrical parameters. The particle flow code （PFC） software and Voronoi tessellation were used to generate granite models with non-uniform dielectric properties. The plasma channel growth process was simulated from the current field， the circuit field and the electric breakdown field， and also the influence of heterogeneity on the breakdown path was analyzed. The HVEP rock-breaking efficiency and the electric pulse rock-breaking effect of different granites were compared. The results show that the increase of heterogeneity of granite increases the initial electric field’s extreme value， and correspondingly reduces the energy demand of electric rock breaking. There is a preferential development region in the growth direction of the plasma channel， and the growth process of the plasma channel shows that the electric field concentration at the tip of the channel is stronger than that at the trunk of the channel. The difference in the heterogeneity of the granites results in significant difference in the total length and the average penetration depth of the plasma channels. In the range of a certain degree of heterogeneity， the HVEP crushing effect is positively correlated with the degree of heterogeneity. The single-pulse electric rock breaking efficiency of different heterogeneity granites has little difference. The longer the total length of the plasma channel， the higher the electric rock breaking efficiency is.

Keywords： electric pulses rock-breaking; heterogeneous granite; electric breakdown; plasma channel drilling; rate of penetration

傳統(tǒng)機械式鉆井技術(shù)在深部硬巖地層中存在鉆探成本高、鉆頭失效嚴重等問題，迫切需要研究新型高效破巖提速技術(shù)［1-4］。20世紀中葉提出的高壓電脈沖破巖技術(shù)已在許多領(lǐng)域被作為施工作業(yè)的替代方案［5］，其在鉆井領(lǐng)域的經(jīng)濟性和巨大潛力已被證實：與傳統(tǒng)機械式鉆井的破巖能耗（600～950 J/m3）相比，該技術(shù)的能量需求大幅度減少（100～300 J/m3）［6］。同時該技術(shù)還具有破巖效率高、鉆頭壽命長等優(yōu)勢，尤其在硬巖地層具有良好的鉆進效果，等離子通道在高壓電脈沖破巖過程中十分重要。考慮了電場強度因素、“物理時間”和擊穿隨機因素的分形模型［7］生動地再現(xiàn)了絕緣體的擊穿過程。Kuretsv等進一步考慮了空間電荷密度、非均質(zhì)巖石的介電性質(zhì)和介質(zhì)熱力老化對等離子通道生成過程的影響［8-9］。另一方面，電路結(jié)構(gòu)參數(shù)、電極鉆頭的幾何參數(shù)對等離子通道的影響也不容忽視［10-11］。然而以往的電擊穿模型很少考慮到巖石的非均質(zhì)介電性質(zhì)。這在一定程度上阻礙了電脈沖技術(shù)在鉆井工程相關(guān)領(lǐng)域的風(fēng)險評估和商業(yè)化發(fā)展，限制了脈沖電源和鉆頭等設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計。筆者建立高壓電脈沖碎裂花崗巖數(shù)值模型，研究等離子通道的生長機制，探討花崗巖非均質(zhì)介電性質(zhì)引起的電擊穿差異；分析高壓電脈沖破碎不同非均質(zhì)度花崗巖的能量轉(zhuǎn)換效率和電脈沖破碎效果；以花崗巖的非均質(zhì)介電性質(zhì)為立足點，從電脈沖破巖的電流場、電路場以及電擊穿場3個方面模擬電-熱耦合破巖的全過程，并考慮不同礦物組分擁有的不同的閾值擊穿場強及邊界效應(yīng)。

1 電擊穿的演繹邏輯

1.1 電流場控制方程

經(jīng)典的Maxwell方程可以描述電擊穿的準靜態(tài)過程，巖石域和液體介質(zhì)域的控制方程為

-εrε02φ=ρq，

-φ=E，

ρt=J，

J=σE+Dt .（1）

式中，D為電位移矢量，C/m2；J為電流密度矢量，A/m2；E為電場強度矢量，V/m；σ為電導(dǎo)率，S/m；t為時間，s；ε0為真空介電常數(shù)，取 8.854×10-12 F/m；εr為介質(zhì)（巖石、電極和絕緣液體）的相對介電常數(shù)；φ為電勢，V；ρq為空間電荷密度，C/m3。

1.2 電擊穿場控制方程

電擊穿過程中等離子通道的生長由概率發(fā)展模型控制 ［12］。概率發(fā)展模型為

PBi=1， Ei≥Es;

（Ei-Ec）Es-Ecn， Eclt;Eilt;Es，n≠1;

0， Ei≤Ec. （2）

式中，Ei為局部電場模，V/m；Es為完全擊穿場強，V/m；Ec為閾值擊穿場強，V/m；n為概率指數(shù)；PBi為局部電擊穿概率。

不同礦物組分的閾值擊穿場強Ec不同。閾值擊穿場強Ec ［13］為

Ec=2ε0εr（Et2+2Etw2f-Et）12.（3）

式中，Et為彈性模量，GPa；wf為空間體積能密度閾值，J/m3。

考慮自然界中的系統(tǒng)遵循能量最低原理，當(dāng)待發(fā)展點的擊穿概率相差不大時，等離子通道生長會優(yōu)先選擇擊穿時間短的通道路徑。利用統(tǒng)計處理的泊松理論可推導(dǎo)出“樹枝”生長時間τi為

τi=-ln（1-ξi）kPBi .（4）

式中，ξi為樹枝的生長概率函數(shù)；k為與樹枝生長時間量級有關(guān)的常數(shù)。

1.3 電路場控制方程

Cho等［14］根據(jù)試驗得到電擊穿過程中回路的電流、電壓隨時間變化曲線，將電擊穿過程分為預(yù)擊穿階段Ⅰ、擊穿階段Ⅱ和爆破階段Ⅲ。圖1為典型的擊穿電流-電壓曲線和破巖過程中的能耗分配關(guān)系。

從宏觀角度來看，擊穿階段的剩余能耗Eex和爆破階段注入等離子通道的能量Et才是有效能耗。因此對于擊穿階段的能量轉(zhuǎn)換效率η1可定義為

η1=EexE1=12CU2i12CU2p=UiUp2.（5）

式中，C為儲能電容，F(xiàn)；Up為峰值電壓，V；Ui為剩余擊穿電壓，V。

同樣，對于爆破階段的能量轉(zhuǎn)換效率η2可定義為

η2=EstE1=∫tbtiI2（t）Rtdt12CU2p .（6）

式中，Rt為爆破階段通道電阻，Ω；I（t）為爆破階段通道電流，A;ti和tb分別為擊穿階段和爆破階段結(jié)束時間，s;t為時間，s。

單次電脈沖的破巖效率ηe為

ηe=η1η2.（7）

電擊穿過程中巖石的電學(xué)性質(zhì)會發(fā)生改變。電破巖電路簡化如圖2所示。圖2中，Uc為等效電容C兩端的電壓，電阻Rz為回路等效電阻，電感L為電容電感、回路阻抗及已發(fā)展通道電感，Rch為已發(fā)展等離子通道的電阻?？紤]到巖石在擊穿過程中是介于絕緣體與電阻之間的介質(zhì)，引入回路絕緣子M，M表征巖石內(nèi)已發(fā)展通道和發(fā)展趨勢交界處的電勢差φd（φ0接地）。絕緣子M既考慮了擊穿過程中巖石介于絕緣體和電阻之間的電學(xué)性質(zhì)，也考慮了完全電擊穿情況下等離子通道連續(xù)發(fā)展的過程。

對于每一個分析步，由基爾霍夫回路定律可得

di（t）dt=Uc/L-q（t）/（CL）-（Rz+Rch）i（t）/L-φd（t）/L.（8）

式中，C為回路等效電容，F(xiàn)；L為電路電感，H；q（t）為注入等離子通道電荷，C；Rch為主等離子通道電阻，Ω；Rz為回路電阻，Ω；i（t）為擊穿階段通道電流，A；Uc為等效電容C兩端的電壓，V；φd為交界處電勢，V。

此外，已發(fā)展通道內(nèi)部的電勢迭代可用通道壓降場強描述為

φ（n）i，j=φ（n）i′，j′-h*i，jEd.（9）

式中，Ed為通道壓降場強，V/m；（i，j）表示已發(fā)展通道的點；（i′，j′）表示點（i，j）的上一個已發(fā)展點；φ（n）i，j和φ（n）i′，j′為第n個分析步時坐標點的電勢，V；h*i，j為點（i′，j′）與點（i，j）之間的樹枝生長路徑，m。

式（8）可寫為一個一階微分方程組［12］：

q（t）=y1，i（t）=y2，

di（t）dt=y3，T（t）=y4.（10）

dy1dt=y2，

dy2dt=y3，

dy3dt=y2CL-y3（Rz+Rch）L-

y2（v（t）exp（Ha/（Ky4））-HaLch（t）exp（Ha/（Ky4））/（Ky24）dTdtσ0πr2L+

Edh*τiL ，

dy4dt=2Ky24y2exp（Ha/（Ky4））8σ0σBπ2r3Ky54+y22Haexp（Ha/（Ky4））y3.

（11）

式中，Ha為熔融巖體的活化焓，J/mol，取100 kJ/mol；K為氣體普適常數(shù)，約為8.314 J·mol-1·K-1；r為主等離子通道半徑，m；T（t）為等離子通道溫度，K；σ0為前指因子，S·m-1；σB為黑體輻射常數(shù)，取5.67×10-8 W·m-2·K-4；τi為單位分析步的樹枝生長時間，s；Lch（t）為已發(fā)展主通道長度，m；v（t）為等離子通道的生長速度，m/s；h*為特征長度，m，表示每個分析步中樹枝生長的最短路徑。

擊穿階段結(jié)束后為爆破階段。若此時通道發(fā)展完全，剩余擊穿電壓將會以電能的形式注入通道中，引起通道受熱膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力波破碎巖石。同樣，由基爾霍夫回路定律可得

d′i（t）dt=Ui/L-q（t）/（CL）-（Rz+R′ch）i′（t）/L.（12）

式中，R′ch為等離子通道電阻，Ω；i′（t）為爆破階段通道電流，A。

等離子通道電阻R′ch采用Weizel-Rompe模型對電流進行積分［15］計算為

R′ch=KchL′ch∫t0［i′（t）］2dt-1/2.（13）

式中，Kch為電阻系數(shù)，V·S1/2/m；L′ch為通道長度，m。

式（12）可寫為一個一階微分方程組：

i′（t）=y1，di′（t）dt=y2，

∫t0［i′（t）］2dt=y3.（14）

dy1dt=y2，

dy2dt=KchL′chy312Ly-1.53-y1/（CL）-

y2（Rz+KchL′chy-0.53）L，

dy3dt=y21.

（15）

由圖1可知，擊穿階段的計算結(jié)果作為爆破階段方程的初始條件，表示為

y1（0）=Ii，

y2（0）=Ui/L，

y3（0）=0.（16）

式中，Ii為擊穿階段結(jié)束時電流，A。

爆破階段注入等離子通道能量Wch，表示為

Wch=∫t0［i′（t）］2R′chdt.（17）

2 電破巖模型

2.1 電破巖二維模型

無論電極如何排布，其本質(zhì)上是以“高壓電極—巖石域—接地電極”作為一個破巖單元。由此建立電破巖二維模型，如圖3所示。

模型中高壓電極與接地電極均與巖石直接接觸。電極間距為10 mm，液體介質(zhì)的尺寸為20 mm×5 mm。非均質(zhì)花崗巖模型巖石尺寸為20 mm×10 mm，對整個電破巖模型進行網(wǎng)格化處理，差分網(wǎng)格的寬度和高度均為0.2 mm。在電破巖模型中規(guī)定電場迭代誤差εe為0.1 V，通道壓降場強Ed為2.0 kV/mm，完全擊穿場強Es為18.0 kV/mm，概率指數(shù)n為2.0，時間量級常數(shù)k為10-7，等效充電電壓U0為90.0 kV，等效電容C為5.0 μF。由于等離子通道的發(fā)展深度hK約為電極間距的1/3［16］，設(shè)定hK為3.5 mm。結(jié)合式（2）模擬等離子通道的概率發(fā)展模型，每個分析步中具有最短生長時間τi的新樹枝產(chǎn)生于網(wǎng)格矩形的相鄰頂點之間。等離子通道發(fā)展方向為8方向發(fā)展，具體過程參考文獻 ［11］。

選取自來水作為液體介質(zhì)，相對介電常數(shù) εr為80，電導(dǎo)率σ為（0.5～5）×10-5 S/mm。高壓電極和接地電極的材料相同，相對介電常數(shù) εr為1.0，電導(dǎo)率σ為5×104 S/mm。

2.2 非均質(zhì)花崗巖模型

選取湖北隨州花崗巖作為研究對象，包含主要礦物為石英、鈉長石、斜長石和黑云母。首先在PFC 2D 中生成非均質(zhì)度不同但礦物組分比例相同的花崗巖模型，然后基于顆粒的位置和組分信息生成泰森多邊形，通過柵格點進行礦物組分判斷和微觀電學(xué)性質(zhì)參數(shù)賦值。

用巖石的非均質(zhì)度H（無量綱化）表征顆粒大小的差異性及礦物組分細化程度，其計算過程為

Ra=∑nj=1ωjrj，（18）

H=∑nj=1rjRa-12 .（19）

式中，Ra為巖石的平均粒度，mm；ωj為第j種礦物的體積分數(shù)；rj為第j種礦物顆粒的平均半徑，mm。

為防止礦物含量影響仿真結(jié)果，令各礦物組分的體積分數(shù)保持不變，即石英31.9%、鈉長石20.9%、斜長石37.9%和黑云母9.3%。表1為5種非均質(zhì)度下的平均粒度和各礦物平均半徑。在PFC 2D 中生成花崗巖模型的具體過程參考Potyondy的相關(guān)文獻［17］。

劃分的柵格點總數(shù)為101×51。不同非均質(zhì)度下的泰森多邊形及柵格點陣如圖4所示。圖5為不同非均質(zhì)度花崗巖的屬性分布，參數(shù)取值見表2。這樣花崗巖的非均質(zhì)性綜合考慮了電學(xué)性質(zhì)、礦物分布和晶粒粒徑。

3 電破巖結(jié)果

3.1 通道發(fā)展機制

圖6為不同非均質(zhì)度花崗巖的電破巖初始電場?；◢弾r的非均質(zhì)介電性質(zhì)導(dǎo)致初始電場發(fā)生不同程度的波動。初始電場的波動程度與花崗巖礦物顆粒的形狀和位置分布密切相關(guān)。除了與電極直接接觸引起的電場集中現(xiàn)象外，發(fā)展界限Hk處的初始電場表現(xiàn)出在相對介電常數(shù)較低的區(qū)域電場強度較高的特性。隨著H從0.32增加到1.08，石英和鈉長石晶粒變得更細小，發(fā)展界限hk內(nèi)的整體介電性質(zhì)增強而整體電場集中現(xiàn)象減弱（圖5）。這是由于相對介電常數(shù)高的礦物產(chǎn)生的感應(yīng)電場強度較高，對外加電場的抵消作用較強，使得電場集中現(xiàn)象減弱。由于初始電場總能量恒定，發(fā)展界限Hk內(nèi)電場強度越高，電極端電場的極值越低。因此電極端的電場強度極值隨著非均質(zhì)度的增大而增大，相應(yīng)地更容易發(fā)生初始擊穿。這說明非均質(zhì)度越高，電破巖的能量需求越低。

圖7為第100個分析步時等離子通道的軌跡及電場分布。由圖7可知，5種非均質(zhì)度花崗巖中等離子通道均使得等電勢線產(chǎn)生畸變，畸變形狀與通道的生長形態(tài)一致，即橫向電場畸變大于縱向電場畸變，通道尖端出現(xiàn)電場集中現(xiàn)象。電場畸變的方向異性使得等離子通道大概率橫向生長。

觀察通道尖端電勢分布云圖（圖7中A區(qū)域放大圖）發(fā)現(xiàn)等離子通道的尖端出現(xiàn)的電場集中現(xiàn)象使得通道生長存在優(yōu)先發(fā)展區(qū)域ωe，由等離子通道發(fā)展沿8方向發(fā)展的假設(shè)，此區(qū)域與電破巖模型橫向方向的夾角在90°以內(nèi)。對于一個真實的通道發(fā)展過程，其發(fā)展方向也具有隨機性，優(yōu)先發(fā)展區(qū)域ωe的范圍視具體情況有所變化。此時多次局部電擊穿以后，電極間電場能量下降，通道的生長方向主要由已發(fā)展通道尖端的優(yōu)先發(fā)展區(qū)域ωe主導(dǎo)。

對比5個非均質(zhì)度花崗巖的通道尖端電場和通道軀干電場（圖7中B區(qū)域放大圖）發(fā)現(xiàn)，尖端處的電場集中程度遠遠大于軀干處的電場集中程度，等離子通道的生長具有“尖端優(yōu)先”的特點?！凹舛藘?yōu)先”可闡述為：在每個分析步中通道軀干部分的電擊穿競爭力低于尖端處，使得通道優(yōu)先選擇從尖端處生長，而不太可能從軀干處長出新樹枝。這說明放電擊穿不會一直發(fā)生在高壓電極側(cè)的已發(fā)展通道，這從電場的角度詮釋了等離子通道連續(xù)發(fā)展的過程。

圖8為完全擊穿階段的電場和完整的等離子通道路徑。由圖8可知，接地電極側(cè)發(fā)生了嚴重的電場畸變，已發(fā)展等離子通道處的等電位線趨于平緩和稀疏，證實了等離子通道生長的“尖端優(yōu)先”特性。結(jié)合礦物邊界圖，由通道的發(fā)展路徑可以看出，電破巖過程中會優(yōu)先選擇擊穿邊界上或邊界周圍的“樹點”，通道生長具有一定的“邊界擊穿”傾向［18］。

3.2 非均質(zhì)性影響

當(dāng)發(fā)生完全電擊穿時，等離子通道的總長度Lt和平均貫穿深度da可定義為

Lt=∑ni=1（Xi-xi）2+（Yi-yi）2 ，（20）

da=1n∑ni=1

H2-Yi+yi2.（21）

式中，（Xi，Yi）為第i個已發(fā)展樹點的坐標，mm；（xi，yi）為第i個已發(fā)展樹點的上一已發(fā)展的坐標，mm；H2為巖石高度，mm。

在非均質(zhì)度不變的情況下各取3個巖樣，以此考慮巖樣的隨機性；在不改變加載參數(shù)的情況下，對每種花崗巖進行5次擊穿仿真，以考慮電擊穿的隨機性。圖9為仿真中等離子通道的總長度Lt和平均貫穿深度da。從等離子通道的總長度Lt來看，當(dāng)H為0.32和0.85時，其等離子通道總長度Lt呈波峰狀。這說明兩種非均質(zhì)度花崗巖的完全電擊穿過程需要更多的擊穿時間及能量。通道總長度Lt為 37～67.8 mm，平均貫穿深度da主要集中在0.74～1.1 mm，說明擊穿過程中受隨機因素影響較大，通道長度的翻倍意味著能耗和時間的成倍增加。

進一步地，通道的總長度Lt越小，且平均貫穿深度da越深，對應(yīng)的是更短的擊穿時間和更大的破碎體積。因此定義通道破碎比系數(shù)γ來衡量電破巖效果：

γ=Lt/da.（22）

圖10給出了圖9中等離子通道的破碎比系數(shù)

γt及其均值。破碎比系數(shù)γt可以評價單次脈沖下的電破巖效果，

其平均值可以評價多次脈沖下的電破巖效果。當(dāng)H=0時，γt的幅值比其他非均質(zhì)度的花崗巖更大，但γt的平均值最小，表明其多脈沖鉆進破巖的綜合破碎效果最好，但穩(wěn)定性最差。在一定范圍內(nèi)γt隨著非均質(zhì)度增大而增大，破碎效果漸漸變差。這與粒度越小的花崗巖的機械式破碎效果越好的事實并不統(tǒng)一，可能的原因是電脈沖破碎與晶粒尺寸和晶界數(shù)量息息相關(guān)。

3.3 破巖效率

利用公式（5）和公式（17），得到電破巖的能量轉(zhuǎn)換效率η1和電破巖爆炸階段注入等離子通道的能量Wch，并取平均值。圖11為能量轉(zhuǎn)換效率及注入通道能量。從圖11（a）可以看出，5種非均質(zhì)度下的η1相差不大。

當(dāng)H為0.32和0.85時，η1較低，這與圖10中其等離子通道總長度Lt較長的現(xiàn)象相反。這說明擊穿階段Lt越大，擊穿能耗越高，η1越低。爆破階段注入等離子通道中的能量Wch均在7 000～7 500 J（圖11（b））。Lt越大，注入通道的能量Wch就越多，η2越高。在這個過程中等離子通道產(chǎn)生的應(yīng)力波和內(nèi)能進一步破壞巖石，使巖屑剝離。爆破階段Wch與ηe呈正相關(guān)（圖11（b））。換言之，等離子通道的總長度Lt是影響電破巖效果的關(guān)鍵。Lt并不是越大越好，還需要平衡破碎比系數(shù)γt的影響。因為發(fā)展界限hk的存在，Lt過大標志著很多亞通道的產(chǎn)生。而主等離子通道以下的亞通道在破巖過程中會形成無法貫穿的細微裂紋，同時亞通道也導(dǎo)致巖屑的重復(fù)破碎 ［11-12］。

由式（10）計算的單次電破巖效率ηe及其均值如圖12所示。由圖12可知，5種非均質(zhì)度花崗巖的ηe均值相差不大，說明電脈沖的鉆進成本不受鉆進深度限制，與Schiegg等［19］的結(jié)論基本一致。進一步地，將本文中的5種非均質(zhì)度花崗巖（每種3個巖樣）視為電脈沖鉆進破巖過程中可能遇到的巖石環(huán)境，由此可以估測實際多脈沖鉆進時的電破巖效率為30.18%～38.20%。

3.4 溫度分布及電流-電壓曲線

圖13為電擊穿過程中等離子通道的溫度分布。由圖13可知，溫度分布的輪廓顯示出了通道的形態(tài)，擊穿通道的溫度數(shù)量級為104 K，這與已有研究的結(jié)論［5］一致。此外電極端部的局部高溫可能會造成燒蝕，這一問題在電脈沖破巖鉆井的工業(yè)化應(yīng)用中不可忽略。

在仿真過程中回路的電壓-電流曲線如圖14所示。由圖14可知，在預(yù)擊穿階段和擊穿階段電壓-電流曲線與Cho 等［14］得到的曲線一致。在爆破階段由于沒有考慮巖屑脫離巖體所產(chǎn)生的效應(yīng)，使得電壓-電流曲線與實測曲線有誤差。

4 結(jié) 論

（1）花崗巖的非均質(zhì)度會引起電破巖初始電場產(chǎn)生波動，非均質(zhì)度增大會促進初始擊穿，降低電破巖的能量需求。

（2）等離子通道的生長具有“尖端優(yōu)先”的特點，等離子通道的生長方向存在優(yōu)先發(fā)展區(qū)域，且存在“邊界擊穿”傾向。

（3）不同非均質(zhì)度花崗巖的平均貫穿深度存在顯著差異，這導(dǎo)致電脈沖技術(shù)在不同花崗巖地層的破碎效果差異可能很大，在一定非均質(zhì)度范圍內(nèi)破碎比系數(shù)和非均質(zhì)度呈正相關(guān)。

（4）不同非均質(zhì)度花崗巖的單脈沖電破巖效率差異不大，電脈沖的鉆進破巖成本不受鉆進深度的限制，等離子通道的總長度與電破巖能耗效率呈正相關(guān)。

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（編輯 沈玉英）