(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111394128.7 (22)申请日 2021.11.23 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 刘毅　赵勇　张赫　刘鸿基　 林福昌　谢敬瑶　王天宇　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 代理人 徐美琳 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) B02C 19/18(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法 及系统 (57)摘要 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Sa～Sc， 再根据h和Q为分析 对象， 确定最优电极间隙距离Sb和最优电极数 Nb； 在所述的最优电极间隙Sb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nb， 且nmax≥nb。 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。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 114169151 A 2022.03.11 CN 114169151 A 1.一种高压脉冲破碎装置 工作参数设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 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； S2.在所述的脉冲次数n0下， 改变所述的电极间隙距 离S， 获取单个高压 脉冲的破碎体积 Q与电极间隙距离S的变化关系式； S3.在所述的脉冲次数n0下， 改变所述的电极间隙距 离S， 获取高压 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； S4.综合所述三种变化关系式， 以所述的高压脉冲破碎单位体积岩石的耗能w为主要因 素， 初步确定 最优电极间隙距离的选择范围Sa～Sc， 再根据所述的高压脉冲破碎的相对深度 h和所述的单个高压脉冲的破碎体积Q为分析对象， 确定最优电极间隙距离Sb和最优电极数 Nb； 其中， Sa≤Sb≤Sc； S5.在所述的最优电极间隙Sb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nb， 且nmax≥nb， nmax为脉冲次数的最大值。 2.根据权利要求1所述的一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法， 其特征在于， 所述 S1中的高压脉冲破碎的相对深度h与电极间隙距离S的变化关系式为： h＝hcSa 式中， hc为所选取的某个电极间隙距离Sc下最大相对 破碎深度的平均值， a为试验系数。 3.根据权利要求1所述的一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法， 其特征在于， 所述 S2中的单个高压脉冲的破碎体积Q具体公式为： 式中， Qc为试验基准 值， ai为是试验系数。 4.根据权利要求1所述的一种高压脉冲破碎装置工作参数设计方法， 其特征在于， 所述 S3中的高压脉冲破碎单位体积 岩石的耗能w具体公式为： 式中， W0为是试验系数。 5.根据权利要求1所述的高压电脉冲破碎效果优化方法， 其特征在于， 所述S4中确定最 优电极数Nb的具体公式为： 式中， D为实际钻孔 直径， Sb为最优电极间隙距离 。 6.根据权利要求5所述的高压电脉冲破碎效果优化方法， 其特征在于， 所述最优脉冲次 数nb为使得单个高压脉冲的破碎体积Q达 到最大时的取值。 7.一种高压脉冲破碎装置工作参数设计系统， 其特征在于， 包括： 计算机可读存储介质 和处理器； 所述计算机可读存 储介质用于存 储可执行指令； 所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令， 执行权利要求1 至6任一项所述的高压脉冲破碎装置 工作参数设计方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114169151 A 2一种高压脉冲破 碎装置工作参数设计方 法及系统 技术领域 [0001]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 [0002]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Ub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。 [0003]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。 [0004]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。 [0005]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 [0006]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Sb、 最优说　明　书 1/4 页 3 CN 114169151 A 3