4.6 GHz高功率微波岩石钻探技术

王修昌， 赵连敏， 吴大俊*， 胡怀传， 程 敏， 刘 胜，周泰安， 王 健， 张立元， 吴则革， 王晓洁

(1.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所， 合肥 230031； 2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院， 合肥 230026)

机械钻探作为当前主流的开采地下深层矿产资源的方式，其技术已经比较成熟[1]。但是由于接触式钻探刀具、钻头等磨损程度较大，对于高温坚硬岩石的钻探(如地热能等)仍然存在较大的限制[2-3]。因此研究非接触式破岩的方法具有重要意义，当前大部分非接触式破岩方法(如激光、微波破岩)依靠高温熔化岩石来进行[4]。自从20世纪60年代激光发明以来，一直希望能够使用激光这样的高能能量束进行钻探，但是由于激光的波长较短，在传输到相应岩石表面之前容易被汽化颗粒物散射，持续钻探能力弱；其次高功率激光源效率较低，使用成本大，因此激光钻井技术目前仍停留在实验室研究阶段[5-8]。微波是频率介于300 MHz～300 GHz的电磁波，其波长较激光更长，加热岩石形成的粉尘颗粒物不会影响波束传输，且当前稳态大功率微波源技术已经获得长足发展，因此高功率微波在钻探方面的探索应用逐渐成为研究的重点[9-11]。具体应用形式上主要分为微波能辅助破岩和微波能直接辐射加热两种。

由于微波电磁场模式不同以及微波与岩石的耦合功率等因素，当前主要集中在微波辅助破岩方面的研究[12-13]。国外Hassani等[14]通过有限元模拟分析了微波照射对岩石单轴强度的影响；国内的戴俊等[15]在室内进行微波照射玄武岩试验，发现玄武岩经微波照射后，其抗拉强度明显下降，验证了微波对岩石的作用效果；卢高明等[16]研究微波照射参数对微波破岩效果的影响，室内试验证明高功率短时间微波照射更容易使岩石破裂。

在直接辐射加热研究方面，国内徐正晓等[17]研究利用大功率微波源对含油地层进行辐射增能的新型采油方式；胡亮等[18]建立了微波钻探井下环境宏观模型，模拟频率2.45 GHz微波在岩石中传播衰减、热量转化及对岩石的影响，使仿真效果更加接近真实情况。美国麻省理工学院(MIT)[19]已于2014年建立起以回旋管为微波源的28 GHz/10 kW实验平台并且开展了相应的岩石钻探实验。

目前中外在微波钻探方面的探索及公开发表文献相对较少，因此有必要开展高功率微波钻探技术相关的理论实验研究。为此，本文研究基于已有的4.6 GHz/250 kW高功率实验平台开展钻探技术研究，首先阐明微波加热的基本原理和影响温升速率的因素；使用相关仿真软件[20]，采用多物理场耦合法模拟发射波导在TE11模式下与岩石腔体的电场分布，并计算微波波束作用下岩石样品的温度变化；在平台上进行实验并观察在相应入射功率下的岩石介质烧蚀现象，积累实验数据以探索高功率微波钻探的技术可行性，以期为后续的微波钻探技术应用于实际钻井工程提供理论和实验指导。

1 微波加热原理

1.1 基本原理分析

微波加热是物质内极性分子在不断变化的高频电磁场中发生摩擦损耗(图1)，从而将电磁能转变为热能，这种方式在加热速率及效果等方面更具优势。

图1 极性分子运动方式

介质材料的复介电常数通常可以用式(1)表示：

εr=ε′-jε″=ε′(1-jtanδ)

(1)

式(1)中：ε′为介质复介电常数实部；ε″为介质的复介电常数虚部；j为虚数单位；tanδ为损耗角正切。

当电介质发生极化现象时，极化强度P和电位移矢量D的关系[21]为

D=ε0E+P=ε0εrE

(2)

式(2)中：D为电位移矢量；ε0为真空中的介电常数；P为极化强度；E为介质所处位置的电场强度。由式(2)可得极化强度的大小与复介电常数有关，一般通过材料复介电常数的实部和介电损耗因子大小来分析材料的微波吸收性能。

1.2 功率吸收计算

微波加热效率和微波的频率、电场强度及材料复介电常数的虚部值相关，单位体积内材料吸收的功率密度Pe可通过式(3)[22]计算：

(3)

式(3)中：f为外加电磁波频率；ε0为真空中的介电常数；ε″为介质的复介电常数虚部；u0为真空中的磁导率；u″为介质的复磁导率虚部；E和H分别为平均电场强度大小与平均磁场强度大小。由于地下岩石多为非磁性材料，因此在计算岩石吸收功率时，式(3)的第二项可以忽略不计。

相应介质材料的平均温升速率为

(4)

式(4)中：ρ为介质材料密度，kg/m3；Cm为介质材料比热容，J/(kg·K)。从式(4)中可以看出，增加电场强度即增加功率与升高微波频率均可以提高介质材料的温升速率。介质本身的物理参数如密度ρ、比热容Cm也有较大的影响，所以当材料的基本物理参数确定后，即可计算材料在微波场下的温升。

2 理论仿真

2.1 模型构建

岩石微波加热实验在岩石腔体中进行，图2为与实际实验工况相符的仿真模型。模型中发射波导为光滑圆波导，其内直径d为55 mm，长度195 mm；岩石介质放置于直径376 mm，高度540 mm的金属圆柱腔体中，腔体内壁排列水管以吸收岩石散射波。利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行模拟，入射功率设为10 kW，材质为方块状玄武岩，尺寸为150 mm×150 mm×50 mm，基本物理参数如表1所示。

表1 玄武岩基本物理参数

图2 微波加热岩石模型

求解频率f0为4.6 GHz，网格划分的最大单元尺寸为0.1×λ(λ为求解频率对应的波长)，求解的相对容差设为1×10-5以保证足够高的精度。对模型的端口及边界条件等进行了如下的基本设置：①发射波导传输模式为TE11模；②岩石腔体边界为理想电导体；③玄武岩表面为辐射边界。

2.2 电场及温度分布仿真结果

频率4.6 GHz 的微波能量传输至圆柱形岩石腔体内的玄武岩介质上，本研究主要模拟入射功率为10 kW时的电场强度分布及玄武岩温度分布。

整个腔体的瞬时电场强度分布如图3(a)所示，微波能量到达岩石表面并穿透岩石，在岩石介质的表面和内部均存在较大电场强度。图3(b)为入射端口处TE11模式电场分布，中心电场强度最大值为1.1×105V/m且电场强度呈椭圆分布。

图3 电场强度分布

当岩石介质距离圆波导末端2 cm时，岩石上表面的横向电场强度分布如图4(a)所示，中心位置仍然呈现和波导端口相似的电场强度分布，在中心位置处的电场强度为5×104V/m，岩石附近的电场强度较为集中且会产生较高的功率损耗，而腔体内的其他位置电场相对分散。图4(b)为与电场强度相对应的玄武岩开始烧蚀时的瞬时温度分布，整体温度分布呈现与电场分布类似的椭圆形，中心区域温度可达3 000 K以上，因此中心位置会最先出现烧蚀现象。

图4 玄武岩上表面电场及三维温度分布

如图5所示的20 s内玄武岩最大温度变化表明，初始温升速率约为60 K/s，并且与所加微波时间基本呈现正比关系，由于介质内部的热传导使得温度扩散，导致最大温升速率略低于式(4)理论计算的80 K/s。

图5 20 s内的最大温度曲线

由图5虚线与实线对比可以看出，在加热过程中，随着温度的升高，温升速率会逐渐下降，这是因为在高温时的辐射功率损耗及实验中吹气导致的对流功率损耗相对较高。

3 4.6 GHz实验分析

3.1 微波实验平台系统结构

4.6 GHz高功率实验平台如图6所示，主要组成部分包括波源速调管、环行器、定向耦合器、矩形波导传输、矩形-圆波导变换、发射波导和岩石腔体(负载)。平台上的微波器件均配有水冷管道以保障系统长时间运行而不会过热，此外，平台还有提供能量的高压电源系统及运行所需的监控保护系统等。在图6的系统布局中，岩石介质与整条传输线处于同一水平线，但是在实验过程中发现由于热应力剥落的岩石碎片容易飞溅进入发射波导口造成打火，所以将发射波导及岩石腔体改成垂直向下结构[23]，尽量减小打火造成的影响。

图6 4.6 GHz高功率实验平台

如图7所示，岩石腔体主要由发射波导、岩石介质和连接水冷系统的水管组成，发射波导末端与岩石介质的距离可调。用于吸收杂散功率的Teflon水管布置于圆柱形岩石腔体内壁，冷却水系统的水温和流速均可监测。

图7 岩石腔体内部结构

3.2 功率测量及实验结果分析

实验平台上加热岩石的入射功率和反射回波导的功率可通过定向耦合器采集，波源的输出功率通过高压电源系统的电压进行控制。通过数据的采集与处理可以得到基本的系统功率分布情况[24]。表2记录了实验过程中主要的3次实验数据。

表2 不同样品实验数据

实验中由于岩石和微波处于失配状态，易发生打火阻碍微波传输，打火后需关闭高压电源切断功率输出。在不发生打火保护的情况下，系统运行至设定时间关闭功率输出。运行时间420 s的速调管正向输出功率和岩石反射回波导的功率变化如图8所示，速调管输出功率约为10 kW，初始反射功率约为2 kW，持续时间约25 s，然后随着实验进程反射功率逐渐升高至4 kW，功率分布保持稳定至实验结束。图8中正向功率的波动是由于信号采集的检波器波动引起的，以其中间值作为正向功率。

图8 实验No.1功率分布

实验样品No.1在入射25 s后开始出现明显温度变化，与反射功率开始上升时间点相对应(如图8黑色虚线框所示)，而实验样品No.2出现明显温度变化的时间点约为40 s。实验样品No.3是与玄武岩同尺寸的砂岩样品，在相同的入射功率和时间下与No.1玄武岩的实验结果进行对比。

图9为通过内窥镜观察到的入射功率10 kW时No.1样品加热过程中腔体内部图像。由于岩石正在被加热温度升高，从图9可以看出岩石表面亮度有非常明显的变化，中心区域几乎呈现白色的光亮，温度最高。

图9 实验No.1腔体内部图像

图10为加热时间结束后还未完全冷却的No.1玄武岩样品，中心区域体现出很好的加热效果，已经烧蚀成熔融态，烧蚀区域的直径约为60 mm。玄武岩除了中心烧蚀区域外，上表面其他部分并没有出现因为高温导致的明显颜色变化。

图10 10 kW/420 s条件下实验No.1玄武岩烧蚀现象

如图10玄武岩样品实验结果所示，微波照射冷却后产生黑色玻璃态。从熔化区域的中心将该岩石切成一半测量黑色熔体最大深度约20 mm，样品右侧与下方延伸的裂缝是由温度梯度产生的热应力引起的。玄武岩在实验过程中产生较多裂缝，更加容易发生剧烈地破碎。与实验No.1相比，实验No.2的入射功率低于实验No.1，最终烧蚀面积及深度也相对较小。

如图11所示，在相同的入射功率和时间下，砂岩烧蚀区域的最大直径约为55 mm，明显温度变化区域的直径约为80 mm，没有玄武岩的烧蚀面积大。由于加热区域温升不同导致砂岩表面出现明显颜色差异，与图4电场强度分布和模拟的温升区域基本吻合。与玄武岩相比，砂岩由于热应力产生的裂纹明显更大，但是砂岩表面没有岩石碎片脱落。

图11 10 kW/420 s条件下实验No.3砂岩烧蚀现象

4.6 GHz微波加热岩石的相关实验表明高功率微波对多种岩石具有较好的烧蚀作用，烧蚀区域与电磁场分布和功率大小相关。在实验过程中逐渐升高入射功率时，通过内窥镜观察到岩石表面的发光区域更大、亮度更高。图12为不同功率下玄武岩和砂岩测量到的最大烧蚀直径对比，结果显示随着入射功率的增加，电场强度升高相应地烧蚀区域随之扩大。电场强度分布导致岩石内部存在很高的温度梯度从而产生较大热应力[25-27]，实验观察到玄武岩和砂岩这两种岩石介质均发生了不同程度的破裂，但在实验过程中通过四周的固定可保证样品的完整。

图12 不同功率下烧蚀直径对比(t=420 s)

4 结论

在理论分析的基础上开展了4.6 GHz微波加热岩石的模拟分析及实验研究，对比仿真结果及实验现象得出以下结论。

(1)玄武岩介质材料在10 kW的微波功率下有较快的温升速率。实验结果的介质温升区域与仿真结果有较好对应关系，并且最终在玄武岩和砂岩上分别烧蚀出直径约60 mm和55 mm的熔池。

(2)仿真和实验皆表明高功率微波能量可以对硬岩石有很好的烧蚀效果，烧蚀的孔径大小与微波波束尺寸及入射功率大小成正比。

(3)通过以上的分析验证了微波能量用于岩石钻探存在技术可行性，但是在实验过程中由于岩石介质并不是匹配负载，所以需要解决高功率下的反射功率过高及打火保护问题。接下来将进一步探索更高频段/功率的微波是否能够更加快速地加热穿透岩石。