高功率脈沖技術(shù)：開(kāi)啟能源寶庫的金鑰匙

高功率脈沖技術(shù)是指通過(guò)短時(shí)間內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)是當代高科技的主要基礎學(xué)科之一。當前,高功率脈沖技術(shù)在國民經(jīng)濟中有著(zhù)廣泛的應用前景;脈沖功率科學(xué)和技術(shù)在民用領(lǐng)域的應用已引起全球越來(lái)越多國家的重視。

推動(dòng)人類(lèi)生產(chǎn)力進(jìn)步的“引擎”

回顧人類(lèi)的生產(chǎn)能力的進(jìn)步,高能量密度技術(shù)和高功率技術(shù)就是人類(lèi)生產(chǎn)力進(jìn)步的支撐技術(shù)。無(wú)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(shí)現摩擦生熱、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納秒內釋放出100萬(wàn)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(guò)各種大型設備,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(ài)慈院士團隊在實(shí)驗室中研究出100納秒內產(chǎn)生1MA電子束流的“閃光二號”加速器應用于尖端科研實(shí)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動(dòng)源在水中快速、大電流釋放電能,通過(guò)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)具有應力加載速率高,能透射到介質(zhì)的內部的特點(diǎn);可控沖擊波設備可以重復運行、重復加載。其作用、做功機理是在目標介質(zhì)內部的弱面、裂隙和孔隙的尖端以剪切拉伸機理?yè)p傷、甚至破壞介質(zhì)結構,具有極強的精準作業(yè)性;多次重復作用的模式,以疲勞效應獲得所需要的效果,克服了單次大能量模式(炸藥)的安全和環(huán)保難題。

針對各種應用的需求,我們團隊在脈沖功率技術(shù)基礎上研發(fā)出高壓擊穿型、金屬絲電爆炸型和等離子體輻射驅動(dòng)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)應用于各種油氣的儲層,在一定范圍內制造微米級裂縫網(wǎng)絡(luò ),如同為油藏鋪設了三維網(wǎng)狀的“毛細血管”。這種技術(shù)猶如一把叩開(kāi)地球能源寶庫的金鑰匙,在能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域掀起一場(chǎng)靜悄悄的革命。

在能源開(kāi)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(kāi)采。在水力壓裂的主通道中,通過(guò)可控沖擊波創(chuàng )造的微裂隙系,可恢復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、增大壓裂規模。某油田的現場(chǎng)試驗顯示,單井作業(yè)可使油井日產(chǎn)量提升3倍,且效果持續超過(guò)300天;可控沖擊波預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構。沖擊波作業(yè)有效增透半徑達到20米,促進(jìn)解析區域半徑可達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,常規石油、天然氣、煤層氣的采出動(dòng)力來(lái)源于地層的壓力梯度,可采資源量愈來(lái)愈少。中低成熟度頁(yè)巖油、煤基油氣資源(富油煤)是未來(lái)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_擊波可以應用于這些儲層的預裂,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)提油的探索性現場(chǎng)實(shí)驗中,將加熱改質(zhì)周期縮短到1個(gè)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(guò)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?？煽貨_擊波透射進(jìn)入礦石內部,對礦石進(jìn)行預弱化、預富集,并促進(jìn)解離和避免過(guò)粉碎。國際上,德國科學(xué)家正在探索用類(lèi)似原理開(kāi)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(wàn)美元,與必和必拓共同研制高壓電脈沖破碎設備,并在世界第三大銅礦卡莫阿卡庫拉銅礦進(jìn)行試驗。2024,力拓、紐芒特、紐克雷斯特、賽吉滿(mǎn)等資助JK中心開(kāi)發(fā)電脈沖預富集技術(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(guò)沖擊波作業(yè)后,實(shí)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)是對傳統機械碎磨技術(shù)的徹底顛覆,還將帶動(dòng)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)科融合拓展全新應用領(lǐng)域

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

可以預見(jiàn)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)、生物醫學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科深度融合,拓展應用領(lǐng)域和提升應用效果。

高功率脈沖技術(shù)和可控沖擊波技術(shù)的發(fā)展正在書(shū)寫(xiě)一個(gè)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(lèi)。當科學(xué)家學(xué)會(huì )用“溫柔的力量”、以多次重復作業(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(jiǎn)介:

1978年,國防科技大學(xué)物理系學(xué)習;

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(lái)一直從事高功率脈沖技術(shù)及其應用等的研究。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,成功應用于多項國防科研試驗中,獲得國家科技進(jìn)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/2008年);獲國家發(fā)明二等獎一項/2024年,部委級科技進(jìn)步一等獎三項、二等獎一項,2007年享受?chē)鴦?wù)院特殊津貼。

作為邱愛(ài)慈院士團隊的骨干成員,近十余年來(lái),致力于將高功率脈沖技術(shù)拓展到能源、資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,通過(guò)多學(xué)科、多行業(yè)的技術(shù)交叉,開(kāi)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(lái),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(zhuān)項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目和國企的科研項目?？煽貨_擊波技術(shù)在煤炭瓦斯治理中的應用獲得2020年煤炭協(xié)會(huì )科技進(jìn)步一等獎,所研發(fā)的電磁脈沖輻射驅動(dòng)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(wèn)題”重點(diǎn)專(zhuān)項“頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)可控沖擊波壓裂技術(shù)的基礎研究”項目和可控沖擊波在富油煤開(kāi)發(fā)中的應用,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(kāi)展金屬礦石可控沖擊波預處理產(chǎn)業(yè)化研究,在預富集、預弱化、促進(jìn)解離等方面取得良好效果。

等多項新方向。近五年來(lái)發(fā)表論文11篇、獲授權發(fā)明專(zhuān)利9項。