(19)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 202210696903.2 (22)申请日 2022.06.20 (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　徐尤来　黄仕杰　赵勇　 李化　林福昌　李柳霞　王燕　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 专利代理师 徐美琳 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/398(2020.01) E21B 7/00(2006.01) G06F 119/06(2020.01) (54)发明名称 一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设 计方法 (57)摘要 本发明公开了一种高压脉冲放电破岩系统 的迭代优化设计方法， 属于脉冲功率技术领域。 方法包括： 确定破岩需求， 确定岩石与液体介质 种类以及钻孔直径； 确定伏秒特性， 绘制实际工 况下岩石与液体介质的伏秒曲线； 破碎电极电场 优化， 对破碎电极电进行迭代优化， 使得破碎电 极电场分布满足破岩需求； 输出电压脉冲优化， 对驱动源设计进行迭代优化， 使得输出电压脉冲 满足破岩需求。 本发明从实际破岩需求出发， 通 过有限元仿真与电路仿真软件分别对破碎电极 与驱动源设计进行优化， 为高压脉冲放电破岩系 统的设计提供指导， 提高高压脉冲破岩系统的设 计效率， 降低系统的设计成本， 提高系统的破岩 效率、 可靠性、 使用寿命以及对于不同工况的适 用性。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 115130290 A 2022.09.30 CN 115130290 A 1.一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 确定实际工况 下的岩石与液体介质种类以及钻孔 直径； 步骤2、 绘制实际工况下岩石与液体介质的伏秒 曲线， 确定所需电压脉冲的上升时间、 岩石以及液体击穿场强； 步骤3、 通过调整破碎电极设计， 对破碎电极电场进行迭代优化， 使得破碎电极电场分 布满足破岩需求； 步骤4、 通过调整驱动源设计， 对输出电压脉冲进行迭代优化， 使得输出电压脉冲满足 破岩需求。 2.如权利要求1所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 所述步骤1具体为确定钻空直径、 岩石与液体介质种类、 以及岩石与液体介质的电导率与介 电常数。 3.如权利要求1所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 所述的步骤2中考虑岩石与液体介质击穿的分散性， 岩石与液体介质的伏秒特性 曲线具有 多个交点。 4.如权利要求3所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 选取上升时间最短的交点为岩石与液体介质电气强度的反转临界点， 取小于该点横坐标若 干纳秒的时间作为所需电压脉冲的上升时间， 取所需电压脉冲上升时间对应的岩石伏秒特 性曲线的击穿场强上限为所需岩石击穿场 强以及液体介质伏秒特性曲线的击穿场 强下限 为所需液体介质击穿场强。 5.如权利要求1所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 所述步骤3中破碎电极外径与钻孔直径一致， 通过调整破碎电极极对 数以及形状， 使破碎电 极及其电场分布满足设计要求， 并获取满足电场分布要求时破碎电极的分布电容与泄露电 阻。 6.如权利要求5所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 破碎电极及其电场分布需要满足的要求包括： 1.破碎电极爪端最大宽度小于爪端最小间距 的0.7倍； 2.破碎电极 间隙各个区域的平均电场强度均大于所需岩石击穿场强； 3.破碎电极 间隙各个区域的平均电场强度均小于所需液体介质击穿场强； 4.破碎电极各个区域的平均 电场强度最大值与最小值之比小于所需液体击穿场强与所需 固体击穿场强之比。 7.如权利要求6所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 优先设计破碎电极满足条件1与条件4， 再通过调整作用于破碎电极的所需电压脉冲幅值以 满足其他要求。 8.如权利要求1所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 所述步骤4具体为搭建考虑分布参数的电路仿 真模型， 通过调整驱动源设计， 使得驱动源的 主要参数与分布参数改变， 以调整输出电压脉冲满足设计要求。 9.如权利要求8所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在于， 将破碎电极的泄 露电阻与分布电容并联作为负载。 10.如权利要求8所述的一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化设计方法， 其特征在 于， 输出电压脉冲需要满足的要求包括： 1.输出电压脉冲上升时间小于所需电压脉冲上升 时间； 2.输出电压脉冲峰值大于所需电压脉冲幅值。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115130290 A 2一种高压脉冲放电破岩系统的迭代优化 设计方法 技术领域 [0001]本发明属于脉冲功率技术领域， 更具体地， 涉及一种高压脉冲放电破岩系统的迭 代优化设计方法。 背景技术 [0002]在油气开发领域里钻井工程一直是最为消耗成本的工程， 同时充斥着不同种类不 同量级的风险， 对工程作业的技术水平要求很高。 根据国内外油气田开 发的统计结果显示， 钻井所消耗的资金将占整个开 发成本的50％以上， 而 所产生的风险将占所有 可能出现风险 的80％。 破岩技术更是该工程的主要核心技术之一， 破岩工作的技术水平直接影响到钻井 的效率和成本， 进而对整个油气开采工程产生决定性影响。 对于一些复杂的地形环境， 往往 破岩工作比较困难， 这就使得在钻井工程中， 钻速慢并且时间长， 增加了开发的成本， 而且 随着钻井过程中机械钻头钻进深度的增加， 钻头会受到井下温度高、 压力大的环境影响， 钻 井工程的难度逐渐增大， 钻进速度日渐下降。 [0003]高压脉冲放电破岩技术是一种近几十年来新发展的技术， 将 脉冲功率技术应用于 钻探工程， 利用电压波形、 电极形式、 液体介质以及岩石之间的相互配合， 使得放电通道形 成于岩石内部， 随着外界能量的注入， 高温高压的等离子体通道快速向外膨胀， 在短暂的时 间内产生巨大的机械应力， 并对外产生冲击波， 在周围岩层形成裂纹， 在多次脉冲作用下， 通过累积效应， 使得岩石发生破碎。 高压脉冲放电破岩技术要实现高效破岩的前提是等离 子体通道形成于岩石内部， 这对输出电压波形的波前陡度要求很高， 需要在100ns以内达到 几百千伏的高压。 此外， 由于钻孔直径的不同， 需要采用外径不同的破碎电极， 破碎电极一 般设计为同轴爪状。 [0004]现有高压脉冲破岩系统优先设计驱动源， 再根据孔径的不 同设计破碎电极， 存在 驱动源与破碎电极不匹配等问题。 由于破碎电极外径增大， 破碎电极的分布电容增大以及 泄露电阻减小， 导致输出电压脉冲的上升陡度减缓， 无法满足岩石破碎的要求。 不同的岩石 与液体介质组合对于上升时间与击穿场强的要求不同， 现有高压脉冲破岩系统设计时忽略 破碎电极以及驱动源针对不同工况的优化。 忽略破碎电极的优化导致破碎电极局部电场畸 变、 电场分布不适应实际工况等问题， 岩石部分区域破碎后， 放电经液体介质发生， 导致破 岩过程的终止； 忽略驱动源的优化导致输出电压脉冲幅值与上升时间配合较差， 使得岩石 无法破碎或者岩石破碎效率低、 破岩速度 慢、 破岩成本高。 已有设计方法缺乏系统设计前的 仿真验证与迭代优化， 在系统设计完成后， 直接通过破岩实验验证装置的适用性， 若 无法满 足实际破岩需要， 需要对系统再次进 行设计， 导致高压脉冲破岩系统设计周期 长、 制造成本 高。 发明内容 [0005]针对现有技术的缺陷或改进需求， 本发明的目的在于提供一种高压脉冲放电破岩 系统的迭代优化设计方法， 用以提高高压脉冲破岩系统的设计效率， 降低高压脉冲放电破说　明　书 1/6 页 3 CN 115130290 A 3