电脉冲冲击波破除技术及设备开发研究综述
摘要
电脉冲冲击波破除技术是一种利用高压脉冲放电产生可控冲击波以实现材料破碎的新型物理破除法，近年来以其高效、精准、环保的显著优势，在岩石破碎、钢筋混凝土破除、油气储层改造及水下工程等领域展现出广阔的应用前景。本文从冲击波理论基础、技术应用现状和设备研发进展三个维度，系统梳理了电脉冲冲击波破除技术的发展脉络与研究前沿。在理论层面，重点分析了液电效应破岩机理、等离子体通道形成机制及冲击波传播衰减特性；在应用层面，综述了该技术在油气钻井破岩、钢筋混凝土安全破除、储层增透改造等场景中的实践进展；在设备层面，归纳了高压脉冲电源、电极结构、放电控制系统等关键部件的技术演进。研究表明，电脉冲冲击波破除技术已从实验室验证迈向工程化应用阶段，但在能量转换效率提升、大功率脉冲电源可靠性、复杂工况适应性等方面仍面临诸多挑战，亟需在多物理场耦合机理、智能化控制策略及标准化设备体系等方向持续突破。
关键词：电脉冲冲击波；液电效应；破岩技术；设备开发；高压脉冲放电
一、引言
在矿产资源开采、地下工程建设、油气资源开发及既有建筑拆除等工程领域，如何高效、安全、环保地实现岩石或混凝土等硬质材料的破碎，始终是一个核心技术难题。传统的机械破碎方法（如钻爆法、冲击钻进取芯等）在面对深部硬岩、复杂地层时，往往面临钻进速度慢、工具磨损严重、能耗高等问题。而化学爆破虽然破碎效率较高，却不可避免地带来振动、飞石、噪声及有害气体等安全隐患与环境问题，尤其在城市密集区、近邻重要设施等敏感场景中应用受限。
在此背景下，电脉冲冲击波破除技术应运而生。该技术以高压脉冲电能替代传统化学能，通过在液体介质或固体材料内部产生等离子体通道，瞬间释放巨大能量形成冲击波，从而实现材料的定向、可控破碎。其核心优势在于：能量输出精确可控、无化学污染、振动和噪声水平显著低于传统爆破、可重复作业。
科技研究与创新曾刊文指出，电脉冲技术正在为工程破岩领域带来一场“安静的革命”——从依赖化学炸药的剧烈释放，走向基于物理原理的精确操控，这一转变不仅是技术路径的更替，更是工程安全理念的深层变革。
近年来，随着脉冲功率技术、绝缘材料科学及电力电子器件的持续进步，电脉冲冲击波破除技术的性能得到了显著提升，在破除钢筋混凝土结构等领域的应用逐渐受到关注。然而，该技术从实验室走向规模化工程应用，仍然面临能量转换效率、设备可靠性和经济性等多重瓶颈。本文旨在对电脉冲冲击波破除技术及设备开发的研究进展进行系统梳理，从理论机理、应用实践和设备研发三个层面展开综述，并在此基础上探讨该技术面临的关键挑战与未来发展方向，以期为相关领域的研究人员和工程技术人员提供参考。
电气传动自动化曾刊文强调，脉冲功率技术的工程化应用需要电源系统、放电控制和负载匹配三者的协同优化，任何一环的短板都会制约整个系统的效能发挥——这一判断在电脉冲冲击波破除设备的开发中同样适用。
二、电脉冲冲击波破除技术的基本原理
2.1 液电效应与冲击波产生机理
电脉冲冲击波破除技术的物理基础是“液电效应”（Electrohydraulic Effect）——当高压脉冲电流通过浸没在液体介质中的一对电极时，液体介质被击穿形成等离子体通道，通道内的焦耳热效应使液体迅速汽化、膨胀，产生剧烈的压力脉冲，向外辐射冲击波。这一效应最早由Yutkin于20世纪50年代发现并系统研究，此后逐渐被应用于岩石破碎、金属成形及水下声源等领域。
从能量转换的时序来看，电脉冲冲击波的产生可分为三个阶段。第一阶段是储能与放电：高压脉冲电源将电能储存于电容器组中，通过触发开关在微秒至纳秒级时间内向电极释放，形成陡峭的电压前沿。第二阶段是等离子体通道形成：当电极间的电场强度超过液体介质的击穿阈值时，液体被击穿，形成具有极高电流密度（可达10⁶~10⁸ A/m²）和极高温度（可达数万开尔文）的等离子体通道。第三阶段是冲击波辐射：等离子体通道的急速膨胀对周围液体产生强烈的压缩作用，形成球面扩散的冲击波。当冲击波传播至固体目标时，其携带的机械能通过应力波形式作用于材料内部，当应力超过材料的动态强度时，便引发裂纹萌生、扩展直至断裂。
与传统的化学爆破相比，电脉冲冲击波破除具有两个本质区别。其一，能量释放的时间和空间分布可通过电气参数精确调节；其二，冲击波的幅值、冲量和重复频率均可独立控制。这种“可编程”的特性，使电脉冲冲击波破除技术在需要精准控制的场景中具有不可替代的优势。
2.2 破岩的力学机制
电脉冲冲击波作用于岩石或混凝土等脆性材料时，其破碎机制是一个复杂的多物理场耦合过程。研究表明，冲击波致裂主要涉及以下几种力学作用。
压缩波效应是冲击波到达材料表面时产生的最直接作用。冲击波以压缩应力波的形式在材料内部传播，当压缩应力超过材料的动态抗压强度时，在冲击波作用区域产生压碎区。拉伸波效应更为关键——当压缩应力波传播至材料自由面或不同介质界面时，会反射形成拉伸应力波。由于脆性材料的抗拉强度远低于抗压强度（通常仅为后者的1/10~1/20），拉伸波往往比压缩波更容易引发宏观裂缝的萌生与扩展。剪切与空化效应在液电脉冲破岩中同样发挥重要作用。冲击波在非均匀材料中传播时，不同组分之间的波阻抗差异会在界面处产生剪切应力；而在液体环境中，冲击波通过时产生的负压可能导致空化气泡的形成与溃灭，空化溃灭时产生的微射流和二次冲击波进一步增强了对材料表面的侵蚀作用。
值得注意的是，不同岩性对冲击波的响应存在显著差异。砂岩储层因孔隙度较高、波阻抗相对较低，冲击波能量衰减较快，需优先优化脉冲能量以激发多向裂缝网络；而页岩储层则因层理发育、各向异性显著，需要通过作用距离的调控实现主裂缝的定向扩展。这一发现对于不同工程场景下的参数优化具有重要的指导意义。
2.3 冲击波的传播与衰减特性
冲击波在介质中的传播与衰减特性直接决定了破除效果的有效范围。研究表明，电脉冲产生的冲击波能量主要集中在0~100Hz的低频段，峰值振动能量在时域上集中于放电瞬间附近。随着传播距离的增加，冲击波的压力幅值呈指数衰减，衰减速率受介质密度、波速、孔隙率及裂隙发育程度等因素的显著影响。
液电冲击波的衰减特性已被纳入系统研究。通过构建由液相放电装置、堵塞与电极一体化构件、水箱及测试系统组成的试验平台，研究者测试了电极间冲击波的传播规律。结果表明，冲击波在液体介质中的衰减主要受几何扩散和介质黏性阻尼的双重控制，在近场区域（距源数倍电极间距范围内）衰减最为剧烈，进入远场后衰减速率趋于平缓。
三、电脉冲冲击波破除技术的分类与应用
3.1 技术分类
根据放电介质和电极与目标物的接触方式，电脉冲冲击波破除技术主要分为以下两类。
液电式破碎（Electro-hydraulic Fracturing）是在液体介质（通常是水）中设置放电电极，通过液电效应产生的冲击波经液体传递至目标物表面实现破碎。其优点在于电极不与目标物直接接触，不受目标物表面形状的限制，环境适应性较强。不足之处在于能量需经液体介质传递，存在一定的传输损失。液电式破碎是当前工程应用中最为主流的技术路线，广泛应用于油气井解堵、水下破岩及钢筋混凝土破除等场景。
直接电破碎（Electric Fracturing）是将高压电极直接与目标物接触，在固体材料内部形成等离子体通道，利用通道膨胀产生的热应力和冲击波实现破碎。这种方式的能量转换效率更高——当电极与目标物紧密贴合时，电能可直接作用于材料内部。然而，实际工况中电极难以与不规则表面完全贴合，空气间隙的存在会导致能量在击穿空气时大量损耗，这限制了直接电破碎在大规模工程中的推广应用。近年来，通过向钻孔或裂缝中注入导电液体的改进方案在一定程度上缓解了这一矛盾。
此外，还有研究者探索了金属丝电爆炸的技术路线——在高压脉冲作用下使金属丝瞬间爆炸，产生冲击波和爆炸气泡，从而实现对储层的刺激增产。这种方法兼具液电式和直接式的部分优点，在石油工程储层改造中展现出独特价值。
3.2 岩石与矿物破碎应用
在矿业和地下工程领域，电脉冲冲击波破除技术主要用于硬岩破碎和矿石预破碎。高压电脉冲破岩技术通过在岩石内部诱发高压电击穿形成等离子体通道，借助冲击波和热应力实现岩石破碎。与传统的钻爆法和机械破碎相比，该技术在破碎硬岩方面具有独特优势。
实验研究表明，电压是控制破碎模式的主导因素。当峰值电压从96kV提升至120kV时，红砂岩的主要裂缝数量从单条径向裂缝发展为多条复杂裂缝，破碎程度显著增强——从局部贯穿演变为整体崩解。电极间距则主要影响破碎范围：增大电极间距可扩展裂缝的长度和宽度，但会增加电击穿的难度。在低电压条件下（≤80kV），需要多次放电（≥5次）累积损伤才能实现有效破碎，破坏从钻孔底部萌生并向孔壁扩展；而在高电压条件下（≥100kV），单次放电即可导致试件的整体破坏。
电脉冲破岩的效率受多种因素综合影响。电学参数方面，脉冲电压的幅值、上升沿时间和重复频率对破岩效率有显著影响。岩石性质方面，岩石内部的裂缝、裂隙倾角和裂隙度会直接影响高压电脉冲的破岩效果。电极结构方面，钻头结构设计需结合井底流场分布并考虑高温烧蚀因素。这些因素的综合优化是提升电脉冲破岩工程效率的关键。
3.3 钢筋混凝土破除应用
在钢筋混凝土结构的破除方面，电脉冲冲击波技术近年来受到了越来越多的关注。相比于传统的机械破碎和爆破拆除，电脉冲破除具有振动小、噪声低、无飞石、可精准控制破碎范围等显著优势，尤其适合城市更新、历史建筑保护性拆除及近邻敏感设施施工等场景。
在技术实现上，研究者已开发出多种实施方案。一种典型的方法是在钢筋混凝土结构上设置高压作业点和低压作业点，构建储液腔并注入电解液，通过脉冲功率源产生高压大电流向电极放电，最终产生冲击波使混凝土破碎。该方法解决了传统爆破拆除法危险性高的问题。另一种方案是“外置电极加载式”系统，通过吸盘将电极固定于混凝土表面，实现非接触式破碎。
在机理层面，有研究在12kV电压和500μF电容的放电条件下实现了混凝土的有效破碎。通过希尔伯特-黄变换（HHT）对冲击波能量的时频特征进行分析后发现，冲击波能量主要集中在0~100Hz频段，当混凝土发生破碎时，能量在频域上向0~10Hz的低频段偏移。当电压从8kV升至12kV时，幅值积分的差异达到276.14。这些定量数据为混凝土破除工况下的参数优化提供了实验依据。
3.4 油气储层改造应用
在油气资源开发领域，电脉冲冲击波技术主要用于储层增透改造和井筒解堵。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。
在井下应用中，重复频率液电脉冲激波可用于轰击油气井射孔及附近岩层，以提高油气井的固有渗透率并增加油气产量。与传统的酸化压裂和水力压裂相比，电脉冲冲击波增透技术不引入外来化学物质，对储层无二次污染，且可在套管内实施，作业成本相对较低。
在参数优化方面，研究者通过建立放电冲击波与TNT爆炸冲击波的等效模型，量化了冲击波随传播距离衰减的致裂效果差异。液相放电等离子体破岩的最优充电电压范围为120~140kV，最优电极间距为10~12mm。在井下实际工况中，围压和轴压等环境因素对破岩效果具有显著影响——轴压对破岩效果的影响大于围压。这些参数的确定为电脉冲冲击波技术在油气领域的工程化应用提供了重要参考。
四、电脉冲冲击波破除设备的关键技术
4.1 高压脉冲电源系统
高压脉冲电源是电脉冲冲击波破除设备的核心部件，其性能直接决定了冲击波的能量和重复频率。典型的脉冲电源系统包括初级储能单元、脉冲成形网络、高压开关和输出耦合环节。
在储能方式上，电容器组是目前最主流的选择。电容器组通过高压直流电源充电，储存的电能通过快速开关在微秒级时间内释放至负载。储能电容的容量和充电电压共同决定了单次脉冲释放的总能量。对于混凝土破除等需要较大单次能量的场景，通常采用数百微法至数毫法的电容配置；对于需要高重复频率的钻井破岩场景，则更注重电容的充放电循环寿命和功率密度。
高压开关是脉冲电源的另一关键技术环节。传统的火花隙开关虽然通流能力强，但存在寿命短、触发抖动大等问题。近年来，半导体固态开关（如IGBT、MOSFET串联模块）在中小功率脉冲电源中逐步得到应用，其优势在于开关速度快、可控性好、寿命长。然而，在大功率（兆瓦级以上）应用中，固态开关的均压、均流和热管理仍是工程难题。
4.2 电极结构与放电控制系统
电极是能量转换的终端执行元件，其结构与材料直接影响等离子体通道的形成效率和电极本身的寿命。在液电式破碎中，电极通常采用铜钨合金、不锈钢等耐烧蚀材料制成，电极间距需根据工作电压和介质击穿特性进行优化。电极形状（针-针、针-板、同轴等）影响电场分布和等离子体通道的起始位置。
近年来，研究者开发了多种新型电极结构以适应不同工况。例如，一种负压真空高压电脉冲辅助破岩装置采用了“正电极居中、多个负电极环绕均布”的电极吸盘设计，通过真空吸附使电极紧密贴合于岩石表面。另一种高压电脉冲破岩装置则设计了轮廓电极、内环电极和针状电极的多层级电极布局，通过时序控制依次激发，实现了对隧道掌子面岩石的逐层破碎。
放电控制系统需要精确控制脉冲的电压幅值、上升沿时间、脉宽和重复频率等参数。在多电极协同工作中，各电极的放电时序控制尤为关键。智能化控制策略可根据负载阻抗的变化动态调整放电参数，以实现最优的能量匹配和破碎效果。
4.3 系统集成与工程化进展
从实验室原型到工程化设备，电脉冲冲击波破除系统需要在体积、重量、可靠性、操作便利性和经济性等多维度进行优化。当前，该技术的工程化应用仍处于从“原理验证”向“规模化应用”过渡的阶段。有研究团队开发的爪形放电电极系统，其单位体积破碎能耗约为967J/cm³，在10Hz脉冲放电频率下的钻进速度约为0.3m/h。这一数据表明，电脉冲破岩在能量效率方面已有初步的量化指标，但与工业化应用的要求相比仍有提升空间。
在设备标准化方面，目前尚缺乏统一的行业标准和系列化产品，各研究机构和企业的设备方案差异较大，这在一定程度上制约了技术的规模化推广。有研究者提出将高压电脉冲破岩与传统的PDC钻头机械钻进相结合的复合钻探方案，以期在发挥电脉冲破岩优势的同时，利用成熟机械钻进技术弥补其不足。
五、挑战与展望
5.1 当前面临的主要挑战
尽管电脉冲冲击波破除技术已取得长足进展，但距离大规模工程应用仍面临若干关键挑战。
能量转换效率有待提升是制约该技术经济性的核心瓶颈。从电能到冲击波机械能的转换涉及储能、放电、等离子体形成、冲击波产生与传播等多个环节，每个环节都存在能量损耗。如何在现有基础上进一步提高整体能量转换效率，是设备研发的首要课题。
大功率脉冲电源的可靠性与寿命是制约系统长期稳定运行的关键因素。高频次、高能量的脉冲放电对电容器、开关器件和绝缘材料的考验极为严酷，设备的维护周期和运行成本直接影响技术的经济可行性。
复杂工况下的适应性是技术推广面临的现实挑战。井下高温高压环境、水中含沙含盐介质、不规则目标表面等因素都会影响放电的稳定性和破碎效果的一致性。如何在复杂工况下保持可靠的破除效果，是工程化应用必须解决的问题。《科技研究与创新》曾刊文指出，任何先进技术从实验室走向工程现场，都必须跨越“环境适应性”这道门槛——实验室中的理想条件在真实工况中几乎不存在，技术的生命力恰恰体现在应对“不理想”的能力上。
标准化与安全性方面，电脉冲冲击波破除涉及高压电操作，对作业人员的安全防护和操作规程有严格要求。目前该技术尚缺乏系统的安全标准和操作规程，这在一定程度上制约了其在常规工程中的推广应用。
5.2 未来发展方向
展望未来，电脉冲冲击波破除技术有望在以下几个方向取得突破。
多物理场耦合机理的深化研究将是提升技术效能的理论基础。电脉冲破岩涉及电场、热场、流场和固体力学的多场耦合，目前对这一复杂过程的定量化描述仍不够充分。未来需结合更高精度的实验观测和数值模拟手段，建立更为精确的多场耦合模型。
智能化控制策略的发展将赋予设备更强的环境适应能力。通过实时监测放电参数和破碎效果，利用机器学习算法建立放电参数-破碎效果的映射关系，实现放电参数的自动优化和自适应调节，将是设备智能化的重要方向。
复合破岩技术的探索有望拓展技术的应用边界。将电脉冲冲击波破除与机械钻进、激光、微波等技术进行有机融合，形成“电脉冲预处理+机械/其他方式精加工”的复合工艺，可能在深部硬岩钻进等极端工况下发挥更大的效能。
设备标准化与系列化是推动技术规模化应用的必由之路。随着技术成熟度的提升和应用场景的拓展，建立统一的设备标准和操作规程，开发不同功率等级、不同用途的系列化产品，将有助于降低技术应用门槛，加速产业化进程。
六、结语
电脉冲冲击波破除技术作为一种新兴的物理破除法，凭借其高效、精准、可控、环保的独特优势，正在岩石破碎、钢筋混凝土破除和油气储层改造等多个工程领域展现出日益广阔的应用前景。本文从理论基础、技术应用和设备开发三个层面，系统梳理了该领域的研究进展。在理论层面，液电效应、等离子体通道形成机制及冲击波传播衰减特性的研究已取得较为系统的认识；在应用层面，该技术已在实验室和部分现场试验中验证了其可行性和优越性；在设备层面，高压脉冲电源、电极结构和控制系统的持续进步为技术的工程化应用提供了日益坚实的硬件基础。
然而，从“技术可行”到“工程好用”之间仍有相当的距离。能量转换效率的提升、大功率脉冲电源可靠性的增强、复杂工况适应性的改善以及设备标准化的推进，是当前和未来一段时间需要重点攻克的方向。《电气传动自动化》曾刊文指出，脉冲功率技术的工程化是一个典型的“系统级”问题——单个部件的性能提升固然重要，但真正决定系统效能的往往是各部件之间的匹配与协同。电脉冲冲击波破除设备的开发同样遵循这一规律——电源、电极、控制与工况条件的系统匹配，才是技术走向成熟的关键所在。可以预见，随着脉冲功率技术、电力电子器件和智能控制技术的持续进步，电脉冲冲击波破除技术将在更多工程场景中发挥不可替代的作用，为传统破岩方法带来深刻的变革。
参考文献
[1] 黄祥超, 陈晓磊. 电脉冲冲击波破除技术及设备开发研究综述[J]. 价值工程, 2026(6).
[2] 仝少凯, 岳艳芳, 罗海云, 等. 电脉冲压裂储层岩石机理与数值模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2026, 46(3): 51-58.
[3] 影响高压电脉冲破岩效率的关键因素分析[J]. 天然气工业, 2023(10).
[4] 电脉冲破岩钻井地层主要参数敏感性分析[J]. 石油机械, 2024(1).
