等离子脉冲（Plasma Pulse Technology）压裂原理

通过等离子发射控制器，在密闭条件下产生高能量等离子束，通过射孔孔眼周期性的作用在地层岩石和流体，能够在近井地带形成多条不受地应力影响的径向裂缝，使得人工裂缝和天然裂缝沟通；同时在周期性力作用下，地层流体产生谐振，对储层天然流通通道进行疏通、清洗，从而大幅度提高储层渗流能力。

等离子脉冲压裂主要增产原理包括：①机械作用：高能等离子束在近井地带产生微裂缝，有效沟通天然裂缝，提高油层渗流能力，增加油井产能；②脉冲冲击波作用：高能等离子束产生强水力冲击波，引起地层流体谐振，对油层的机械杂质堵塞起到解堵作用；③热效应：等离子束的高温可溶解近井地带的蜡质和沥青质，解除油层孔道堵塞，改善地层流体的物性和流态，加快原油向井底的流动速度，提高储层的驱油效率，有效降低表皮系数，从而达到增产增注的目的。

等离子脉冲压裂岩石起裂机理研究

（1）基于拉格朗日定理研究了气液介质中单个气泡动力学的轴对称问题。在此基础上优化轴对称气泡模型，考虑气泡界面与液体的传质条件，得出了在有限气液介质中气泡体积变化的动力学特性的计算式，计算气泡脉动过程中任一点气泡压力。结合能量平衡方程、热力学方程、应用戈杜诺夫等方法，计算了压力波参数，得到球形放电通道和圆柱形放电通道的通道压力与时间的变化关系，说明压力幅值主要由过程初期对放电通道的能量输入速度决定。

（2）在常规模型基础上，通过施加了脉冲等离子冲击波产生的等效应力，推导了储层裸眼完井时井壁和射孔井孔壁围岩的应力场分布模型，结合破坏准则建立了脉冲等离子压裂时裸眼井和射孔井破裂压力的计算模型。假设井壁岩石为脆性材料且遵循最大周向应力强度理论，即周向应力一旦超过岩石抗拉强度，岩石发生张性破裂，起裂裂缝形成。通过能量守恒的方法，建立脉冲等离子压裂时，岩石起裂过程的能量守恒方程。经过推导，最终得到裂缝起裂和止裂判据。

（3）自主研制一套脉冲等离子压裂岩石实验装置，能够通过控制电极数量和电路连接方式，实现两口井同时压裂的功能。针对单井组，实验分为裸眼井单井和射孔井单井。裸眼井单井实验研究对有机玻璃和致密砂岩进行裂缝规律研究，射孔井单井实验是通过改变放电电压，研究不同电压下裂缝生成规律。针对双井组，通过改变两口井的位置，针对双井组起裂裂缝分布规律进行分析。实验表明，双井组压裂所得的裂缝长度较单井组更长，裂缝宽度更宽，裂缝数量更多。单井组和双井组裂缝主要呈现放射状，主裂缝成对称趋势，裂缝出现了明显的交叉，转向以及分叉的特征，裂缝面呈现波形特征。电压越高，裂缝形貌特征越复杂。

（4）借助LS_DYNA非线性有限元软件，采用ALE多物质流固耦合算法，通过在液体内部添加实验得到的衰减型脉动曲线来施加荷载的方式实现流体介质和岩石介质的非线性耦合作用。针对脉冲等离子压裂进行数值模拟研究，其中分析了地应力、岩石强度、冲击波压力、钻井数量、井距和射孔数量等因素的影响规律。模拟结果得知增加射孔的数量对近井地区的破碎效果明显，但裂缝传播距离较近。射孔井和裸眼井相比，裸眼井在近井部分的裂缝密集程度没有射孔井密集，但是传播的距离更远。

等离子脉冲压裂实验装置示意图