高功率脈沖技術(shù)是指通過短時間內(nèi)以脈沖形式釋放高能量獲得高功率的技術(shù)。我國863計劃的提出者、中國科學(xué)院院士王淦昌指出:高功率脈沖技術(shù)是當(dāng)代高科技的主要基礎(chǔ)學(xué)科之一。當(dāng)前,高功率脈沖技術(shù)在國民經(jīng)濟中有著廣泛的應(yīng)用前景;脈沖功率科學(xué)和技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用已引起全球越來越多國家的重視。

推動人類生產(chǎn)力進步的“引擎”

回顧人類的生產(chǎn)能力的進步,高能量密度技術(shù)和高功率技術(shù)就是人類生產(chǎn)力進步的支撐技術(shù)。無論鉆木取火、還是拉弓射箭,再到銅鐵爐中翻火焰,都是把人有限的體能,聚集在木棍頂端、弓桿和弓弦以及銅鐵爐有限的空間上;然后借助于鉆木的速度實現(xiàn)摩擦生熱、弓桿和弓弦彈性勢能釋放的速度打獵;在銅鐵爐中的高溫環(huán)境中冶煉金屬。

當(dāng)代最大的高功率脈沖技術(shù)成果就是核武器。它可在100納秒內(nèi)釋放出100萬噸TNT炸藥的能量。在核技術(shù)研究的需求牽引下,高功率電技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,通過各種大型設(shè)備,可以將大量電能壓縮到納秒量級快速釋放,比閃電的速度還快。

比如,邱愛慈院士團隊在實驗室中研究出100納秒內(nèi)產(chǎn)生1MA電子束流的“閃光二號”加速器應(yīng)用于尖端科研實驗。高功率電脈沖技術(shù)還用于高功率微波、納秒強激光與慣性約束核聚變、電磁軌道炮、粒子加速器等技術(shù)研究。

攻克第三代可控沖擊波技術(shù)

可控沖擊波技術(shù)是基于高功率脈沖驅(qū)動源在水中快速、大電流釋放電能,通過水介質(zhì)間隙擊穿、金屬絲電爆炸等機理在水中激起強大的沖擊波,以40MPa/μs的超高加載率作用到各種介質(zhì)中。

可控沖擊波技術(shù)具有應(yīng)力加載速率高,能透射到介質(zhì)的內(nèi)部的特點;可控沖擊波設(shè)備可以重復(fù)運行、重復(fù)加載。其作用、做功機理是在目標介質(zhì)內(nèi)部的弱面、裂隙和孔隙的尖端以剪切拉伸機理損傷、甚至破壞介質(zhì)結(jié)構(gòu),具有極強的精準作業(yè)性;多次重復(fù)作用的模式,以疲勞效應(yīng)獲得所需要的效果,克服了單次大能量模式(炸藥)的安全和環(huán)保難題。

針對各種應(yīng)用的需求,我們團隊在脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)出高壓擊穿型、金屬絲電爆炸型和等離子體輻射驅(qū)動含能材料等三代可控沖擊波技術(shù)。我們將三代可控沖擊波技術(shù)應(yīng)用于各種油氣的儲層,在一定范圍內(nèi)制造微米級裂縫網(wǎng)絡(luò),如同為油藏鋪設(shè)了三維網(wǎng)狀的“毛細血管”。這種技術(shù)猶如一把叩開地球能源寶庫的金鑰匙,在能源開發(fā)領(lǐng)域掀起一場靜悄悄的革命。

在能源開發(fā)領(lǐng)域大放異彩

我國的石油資源以低產(chǎn)低滲為主,約60%的原油因巖層滲透率低和地層壓力不足而難以開采。在水力壓裂的主通道中,通過可控沖擊波創(chuàng)造的微裂隙系,可恢復(fù)或提高石油儲層的滲透性;或者在水力壓裂前首先以沖擊波作用近井地創(chuàng)造出多方位的裂隙并弱化其力學(xué)強度,可降低水力壓裂的破裂壓力、增大壓裂規(guī)模。某油田的現(xiàn)場試驗顯示,單井作業(yè)可使油井日產(chǎn)量提升3倍,且效果持續(xù)超過300天;可控沖擊波預(yù)處理高壓難壓儲層后,可降低水力壓裂的破裂壓力30~60%,擴大水力壓裂規(guī)模一倍以上。

在松軟煤層高瓦斯礦井中,瓦斯事故是煤炭生產(chǎn)的攔路虎,占煤礦安全事故的60%。以幅值沖量可控的沖擊波在松軟煤層增透方面有獨到之處,能夠在鉆孔中全孔段、均衡增透煤層而不破壞煤層結(jié)構(gòu)。沖擊波作業(yè)有效增透半徑達到20米,促進解析區(qū)域半徑可達40米以上,百米鉆孔瓦斯抽采流量提高 11 倍以上,瓦斯治理效率提高了 61%,減少了瓦斯直接排放引起的環(huán)境污染。

目前,常規(guī)石油、天然氣、煤層氣的采出動力來源于地層的壓力梯度,可采資源量愈來愈少。中低成熟度頁巖油、煤基油氣資源(富油煤)是未來的主要接替資源,也是我國油氣供給安全的主要保障渠道。這些資源需要在原位加熱改質(zhì)才能產(chǎn)生油氣?？煽貨_擊波可以應(yīng)用于這些儲層的預(yù)裂,如同“儲層雕刻師”一樣在原位創(chuàng)造一定范圍的微裂隙系,創(chuàng)新對流式加熱改質(zhì)工藝。目前已經(jīng)在富油煤原位改質(zhì)提油的探索性現(xiàn)場實驗中,將加熱改質(zhì)周期縮短到1個月,并產(chǎn)出了全球第一桶原位改質(zhì)煤焦油。

技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)世界礦業(yè)革新

更令人期待的是技術(shù)延展性。針對礦產(chǎn)行業(yè)百年未有突破的機械碎磨礦能耗高、過粉碎、礦物難解離的難題,我們將在地下原位致裂巖層的可控沖擊波技術(shù)移植到在地面艙體中作用于已采出的礦石。可控沖擊波透射進入礦石內(nèi)部,對礦石進行預(yù)弱化、預(yù)富集,并促進解離和避免過粉碎。國際上,德國科學(xué)家正在探索用類似原理開發(fā)礦石碎磨技術(shù)。加拿大艾芬豪是國際最大的銅礦公司之一,于2023年投入7600萬美元,與必和必拓共同研制高壓電脈沖破碎設(shè)備,并在世界第三大銅礦卡莫阿卡庫拉銅礦進行試驗。2024,力拓、紐芒特、紐克雷斯特、賽吉滿等資助JK中心開發(fā)電脈沖預(yù)富集技術(shù)。我國在高壓放電碎礦方面的研究遠不及國外,但是,可控沖擊波技術(shù)從2021年介入礦業(yè)領(lǐng)域后,由于采用了正確的碎礦機理,目前,經(jīng)過沖擊波作業(yè)后,實驗室礦石樣品碎磨功耗可降低20%,回收率提高5%。沖擊波碎磨礦新技術(shù)是對傳統(tǒng)機械碎磨技術(shù)的徹底顛覆,還將帶動礦物分選技術(shù)與工藝的創(chuàng)新與升級,引領(lǐng)世界礦業(yè)技術(shù)革新。

學(xué)科融合拓展全新應(yīng)用領(lǐng)域

始于國防實驗室的“超級脈沖”沖擊波的以非接觸、高效、精確和可重復(fù)性高等特點,適用于復(fù)雜環(huán)境和敏感目標。高功率脈沖技術(shù)和可控沖擊波技術(shù)可以應(yīng)用于各行各業(yè)的關(guān)鍵節(jié)點上,發(fā)揮關(guān)鍵作用并提高生產(chǎn)效率。

可以預(yù)見的是:高功率脈沖技術(shù)和可控沖擊波技術(shù)將與材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科深度融合,拓展應(yīng)用領(lǐng)域和提升應(yīng)用效果。

高功率脈沖技術(shù)和可控沖擊波技術(shù)的發(fā)展正在書寫一個頗具啟示的科技寓言:最尖端的科技成果,終將以最接地氣的方式造福人類。當(dāng)科學(xué)家學(xué)會用“溫柔的力量”、以多次重復(fù)作業(yè)的方式叩擊地球,人們收獲的不僅是能源、資源,更是與自然和諧共處的智慧密鑰。

作者簡介:

1978年,國防科技大學(xué)物理系學(xué)習(xí);

1982年,西北核技術(shù)研究所助理工程師;

1987年,西北核技術(shù)研究所工程師;

1993年,西北核技術(shù)研究所高級工程師;

2003年,西北核技術(shù)研究所研究員

2007年,獲國務(wù)院政府貼別津貼

2008年,獲得清華大學(xué)博士學(xué)位;

2011年,兼任西安交通大學(xué)教授;

2019年,任西安交通大學(xué)研究員。

張永民,西安交通大學(xué)、西北核技術(shù)研究院研究員。四十多年來一直從事高功率脈沖技術(shù)及其應(yīng)用等的研究。主持了“低能強流脈沖相對論電子束加速器(閃光二號)”的低阻抗、高能注量負載的研究和研制,成功應(yīng)用于多項國防科研試驗中,獲得國家科技進步二等獎兩項(1、低能強流脈沖相對論電子束加速器(閃光二號)/1995年;2、核爆脈沖輻射模擬源系統(tǒng)/2008年);獲國家發(fā)明二等獎一項/2024年,部委級科技進步一等獎三項、二等獎一項,2007年享受國務(wù)院特殊津貼。

作為邱愛慈院士團隊的骨干成員,近十余年來,致力于將高功率脈沖技術(shù)拓展到能源、資源開發(fā)領(lǐng)域,通過多學(xué)科、多行業(yè)的技術(shù)交叉,開發(fā)出基于脈沖功率技術(shù)的可控沖擊波儲層改造新技術(shù)。“十二五”以來,主持了863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計劃、國家科技重大專項、國家重點研發(fā)計劃項目和國企的科研項目。可控沖擊波技術(shù)在煤炭瓦斯治理中的應(yīng)用獲得2020年煤炭協(xié)會科技進步一等獎,所研發(fā)的電磁脈沖輻射驅(qū)動可控沖擊波技術(shù)與裝備2024年獲的國家發(fā)明二等獎。目前主持國家“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點專項“頁巖油開發(fā)可控沖擊波壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)研究”項目和可控沖擊波在富油煤開發(fā)中的應(yīng)用,近期聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)、福州大學(xué)、廣西華錫集團和陜西有色集團等開展金屬礦石可控沖擊波預(yù)處理產(chǎn)業(yè)化研究,在預(yù)富集、預(yù)弱化、促進解離等方面取得良好效果。

等多項新方向。近五年來發(fā)表論文11篇、獲授權(quán)發(fā)明專利9項。