电脉冲压裂储层岩石机理与数值模拟研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.03.007

摘要/Abstract

摘要：

在全球能源结构转型的背景下，电脉冲压裂技术已成为非常规油气储层绿色开发的重要手段。该技术通过高压脉冲放电产生可控冲击波，实现储层多尺度裂缝网络的构建与高效破岩。聚焦电脉冲压裂破岩机理与数值模拟研究，系统分析了电脉冲放电的原理及其能量转换过程；建立放电冲击波与TNT爆炸冲击波的等效模型，揭示了电脉冲冲击波在砂岩与页岩储层中通过剪切、空化及拉伸作用的致裂机制，并量化了冲击波随传播距离衰减的致裂效果差异；基于Autodyn平台构建TNT爆炸模型，并对砂岩与页岩的损伤进行了监测。结果表明，岩性参数对冲击波能量衰减路径与损伤模式具有显著控制作用；砂岩储层需优先优化脉冲能量以激发多向裂缝网络，而页岩储层则需要通过作用距离的调控实现主裂缝的定向扩展。

关键词: 电脉冲压裂, 冲击波, 破岩机理, 数值模拟, 损伤模式

Abstract:

Amid global energy transition, electrical pulse fracturing has emerged as a key technology for environmentally sustainable development of unconventional oil and gas resources,as it uses controllable shockwaves generated by high?voltage pulse discharge to construct multi?scale fracture networks and achieve efficient rock fragmentation. This study focuses on the rock?breaking mechanisms and numerical simulation of electrical pulse fracturing. The principles of pulse discharge and energy conversion processes are systematically analyzed, with an equivalent model established between discharge?induced shockwaves and TNT explosion shockwaves. The fracturing mechanisms?including shear, cavitation, tensile effects are elucidated for sandstone and shale reservoirs, and the attenuation of fracturing efficacy with increasing distance is quantitatively evaluated. Using TNT explosion simulations performed on the Autodyn platform and damage monitoring in sandstone and shale, lithological parameters are found to critically govern shockwave energy attenuation paths and damage patterns. Specifically,sandstone reservoirs require pulse energy optimization to activate multidirectional fracture networks, whereas shale reservoirs call for distance modulation to guide the propagation of dominant fractures.

Key words: Electrical pulse fracturing, Shockwave, Rock?breaking mechanisms, Numerical simulation, Damage patterns

中图分类号:

O383

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图/表 12

图1 电脉冲压裂系统的基本电路

Fig.1 Basic circuit of the electric pulse fracturing system

图2 电脉冲压裂作用范围示意

Fig.2 Schematic of the action range of electric pulse fracturing

图3 井下射孔二维建模及监测点分布

Fig.3 Two?dimensional modeling of downhole perforation and distribution of monitoring points

表1 砂岩的主要参数数值

Table 1 Main parameter values of sandstone

参数	数值
密度/(g $⋅$ cm^-3)	2.400
多孔声速/(m $⋅$ s^-1)	2 320
抗压强度/kPa	60 000
抗拉强度/kPa	6 000
多孔密度/（g $⋅$ cm^-3）	2.112
抗剪切强度/kPa	12 000

表1 砂岩的主要参数数值

Table 1 Main parameter values of sandstone

参数	数值
密度/(g $⋅$ cm^-3)	2.400
多孔声速/(m $⋅$ s^-1)	2 320
抗压强度/kPa	60 000
抗拉强度/kPa	6 000
多孔密度/（g $⋅$ cm^-3）	2.112
抗剪切强度/kPa	12 000

图4 模型的压力与时间的关系曲线

Fig.4 Relationship curve of model pressure with time

图5 砂岩连续爆炸的损伤变化图

Fig.5 Map of damage evolution of sandstone under continuous explosion

图6 砂岩在不同放电能量下连续爆炸10次的损伤云图

Fig.6 Damage cloud map of sandstone after 10 consecutive explosions under different discharge energies

图7 砂岩在不同爆炸距离的损伤云图（a）爆炸距离为80 mm （b）爆炸距离为50 mm （c）爆炸距离为20 mm

Fig.7 Damage contours of sandstone at different blasting distances

图8 不同爆炸距离下监测点6-10的损伤值

Fig.8 Damage of monitoring points 6-10 under different explosion distances

表2 页岩的主要参数

Table 2 Main parameters of shale

参数	数值
密度/(g $⋅$ cm^-3)	2.670
多孔声速/(m $⋅$ s^-1)	3 000
抗压强度/kPa	80 000
抗拉强度/kPa	8 000
多孔密度/(g $⋅$ cm^-3)	2.500
抗剪切强度/kPa	20 000

表2 页岩的主要参数

Table 2 Main parameters of shale

参数	数值
密度/(g $⋅$ cm^-3)	2.670
多孔声速/(m $⋅$ s^-1)	3 000
抗压强度/kPa	80 000
抗拉强度/kPa	8 000
多孔密度/(g $⋅$ cm^-3)	2.500
抗剪切强度/kPa	20 000

图9 砂岩与页岩在不同能量下的连续爆炸损伤云图

Fig.9 Continuous explosion damage cloud diagrams of sandstone and shale under different energy conditions

图10 砂岩与页岩在不同方向上的损伤范围对比

Fig.10 Comparison of damage ranges in different directions between sandstone and shale

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