油氣鉆井組合式破巖技術(shù)研究

張正祿， 劉運榮， 胡 瓊， 任小玲

(1.中石化石油機械裝備重點實驗室，湖北武漢 430070；2.中石化石油工程機械有限公司石油機械研究院，湖北武漢 430070)

破巖技術(shù)是礦業(yè)、土木、交通和軍事等行業(yè)工程領(lǐng)域的核心技術(shù)，其中對鉆井破巖技術(shù)的研究一直圍繞 “優(yōu)、快、省”和“健康、安全、環(huán)境”展開。20世紀80年代以來，針對常規(guī)機械破巖方式存在機械磨損嚴重、提高破巖效率能力有限的缺點，在完善機械破巖方法的同時，探索了一些破巖新方法[1]，包括激光破巖、等離子通道鉆井破巖和電熱熔破巖等熱能破巖方法及綜合破巖方法。

筆者重點研究了機械能組合破巖、摩擦熱-機械破巖、微波-機械破巖、激光-氣體機械破巖等組合破巖方法的技術(shù)研究現(xiàn)狀，并根據(jù)熱作用對巖石性能的影響提出了燃燒熱能-機械破巖技術(shù)，從巖石熱物理特性、空氣鉆井裝備工具、高溫材料研究現(xiàn)狀等方面分析了其可行性和需要解決的關(guān)鍵問題。

1 機械能組合破巖方法

機械能破巖是利用地面設(shè)備和/或井下動力鉆具產(chǎn)生的能量來破碎巖石，破巖效率受地層巖石性質(zhì)、鉆井方式、鉆井工藝參數(shù)、破巖工具等的影響，需要合理優(yōu)化組合地面設(shè)備和井下動力鉆具，有效利用機械能量破巖。

通常，在巖石性能、鉆井方式確定的條件下，破巖能力增強，破巖效率提高。為提高機械鉆速，在常規(guī)破巖方法的基礎(chǔ)上增加了輔助破巖能量，如水力輔助破巖技術(shù)(如高壓噴射、超高壓噴射技術(shù)、脈沖射流技術(shù)等)[2-4]、旋沖鉆井技術(shù)[5]、共振鉆井技術(shù)[6]、粒子沖擊鉆井[7]、脈沖水炮技術(shù)等。水力輔助機械能破巖的實質(zhì)是增加井底能量輔助破巖和改善清巖效果，與該技術(shù)配套研發(fā)了射流式井底增壓裝置和新型雙流道高效破巖鉆頭，并已在現(xiàn)場推廣應(yīng)用。沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井是在普通旋轉(zhuǎn)鉆頭上部接一個沖擊器，為鉆頭提供沖擊力來破碎巖石。在沖擊作用下，巖石不易產(chǎn)生塑性變形，表現(xiàn)為脆性增加，巖石易形成大體積破碎，提高破巖速度。共振破巖是通過調(diào)節(jié)破巖工具沖擊頻率，使其與正鉆地層裂縫傳播的“自然頻率”基本相同，以實現(xiàn)高效破巖的目的。

此外，可以利用井底降壓工具(如渦流降壓工具、脈沖降壓工具和射流泵降壓工具等)降低井底壓力，從而減少巖屑的壓持效應(yīng)和重復(fù)破裂，盡量實現(xiàn)井底欠平衡條件，提高機械破巖效率[8-10]。

2 摩擦熱-機械破巖方法

摩擦熱-機械破巖(簡稱熱-機械破巖)方法是利用機械破巖過程中切削元件與巖石摩擦產(chǎn)生的摩擦熱能和沖洗液流經(jīng)巖石時的驟冷作用在巖石表面和內(nèi)部生成新裂隙，同時擴展原有裂隙，從而降低巖石的強度和切削阻力，提高破巖效率。

采用的熱機鉆頭主要包括熱摩擦元件和硬質(zhì)合金切削元件，兩者均勻分布在鉆頭底部(見圖1)。

圖1 熱-機械破巖機理示意Fig.1 Sketch of rock-breaking mechanism by thermal-mechanical energy

鉆進時，摩擦過程與切削過程相對獨立。摩擦元件經(jīng)由鉆桿傳遞鉆機的立軸壓力進行摩擦生熱，將巖石加熱至600 ℃以上，以降低巖石強度；切削元件的壓力來自沖洗液作用在堵頭上所形成的水泵壓力[11]。沖洗液經(jīng)由水龍頭、鉆桿水眼流入熱機鉆具外管，經(jīng)由內(nèi)外管之間的環(huán)形空間最終流到井底，起到冷卻和弱化巖石、冷卻鉆頭和攜帶巖屑的作用。

俄羅斯全俄勘探技術(shù)研究所現(xiàn)已解決了如何產(chǎn)生摩擦熱能和耐磨、耐高溫材料等問題，成功設(shè)計了一系列取心式熱機鉆頭和全面破碎熱機鉆頭等，形成了熱機碎巖工藝技術(shù)。采用常規(guī)鉆機、熱機鉆具、熱機鉆頭和可鉆性級值為6的巖石進行熱機破巖試驗，結(jié)果表明，鉆進過程中平均機械鉆速1.7 m/h，最高鉆速達3.0 m/h。該研究所將該破巖工藝應(yīng)用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鉆孔工程中，取得了很好的效果。

熱-機械破巖技術(shù)大幅度提高了硬質(zhì)合金或金剛石鉆頭的碎巖速度，擴大了可鉆性范圍，可以廣泛應(yīng)用于地質(zhì)鉆探、油氣井鉆探以及坑道、隧道掘進等領(lǐng)域。其下一步研究的重點是優(yōu)選鉆頭摩擦元件和切削元件的材料、完善鉆具結(jié)構(gòu)、探索鉆進不同巖層時的熱-機械破巖工藝[12]。

3 微波-機械破巖方法

微波-機械破巖是利用微波加熱巖體,改變其物理熱性，降低巖石強度。為驗證微波對巖石強度的影響，加拿大麥吉爾大學(xué)采用加州玄武巖、佛蒙特州花崗巖、薩德伯里蘇長巖、中國玄武巖4種巖樣進行了試驗。試驗過程中能明顯觀察到巖樣在微波作用下出現(xiàn)裂縫甚至融化(見圖2)。試驗結(jié)果證明，微波作用后的巖石抗拉強度和無側(cè)限抗壓強度均有所降低，降低程度和降低速率取決于微波功率的大小、巖石與微波的接觸時間和巖石的微波功率吸收密度等因素[13]。

圖2 微波作用下巖石熔化情況Fig.2 Rock melting under the microwave

微波-機械破巖中采用的旋轉(zhuǎn)切割鉆頭主要包括切削齒和微波發(fā)生器(見圖3)，2組以上切削齒和微波發(fā)生器均布在鉆頭底部，微波發(fā)生器主要由變壓器和磁控管等組成。在微波輔助破巖鉆進中，微波發(fā)生器通電，變壓器升高電壓，磁控管產(chǎn)生一定頻率的微波。巖體經(jīng)微波作用后，內(nèi)部偶極子部排列無序且做布朗運動，產(chǎn)生的內(nèi)摩擦熱使巖石溫度迅速升高，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力使巖體強度下降[14]。隨后，鉆頭切削齒對巖石進一步破壞，鉆井液將巖石顆粒及時地沖離巖體。

圖3 微波輔助破巖鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Sketch of rock-breaking bit with microwave

微波輔助破巖試驗結(jié)果表明[15]，經(jīng)微波作用后花崗巖溫度達1 093 ℃，鉆進速度是巖體溫度為25 ℃時的3倍以上。試驗結(jié)束后鉆頭磨損很小，可忽略不計。由于鉆頭溫度保持低溫，鉆頭硬合金刃片的銅焊未發(fā)生破壞，所有的鉆頭均保留良好的工作狀態(tài)。但對微波破巖技術(shù)的經(jīng)濟性還要進一步驗證，尚未進行工業(yè)化應(yīng)用。

4 激光-氣體機械破巖

激光-氣體機械破巖是在空氣鉆井用鉆頭的中心軸處設(shè)置一個激光頭，將氣體鉆井中巖石內(nèi)外壓差的拉應(yīng)力、激光照射巖石產(chǎn)生較高的局部熱應(yīng)力和鉆頭高速沖擊力產(chǎn)生的局部應(yīng)力三者結(jié)合，增強巖石裂縫擴展能力，從而提高破巖效率[16-17]。激光-氣體機械鉆頭如圖4所示[18]。

圖4 激光-氣體機械鉆頭Fig.4 Laser-aero mechanical bit

在鉆進過程中，高能激光在鉆頭與巖石接觸前照射熱裂新巖石面，激光照射所產(chǎn)生的溫度場可以降低巖石強度，擴展裂縫、干燥及汽化礦物質(zhì)，再進行機械能破巖。隨后，循環(huán)的空氣或惰性氣體冷卻井下激光元件，并將巖石碎屑攜帶至井口。

激光-氣體機械破巖具有機械鉆速快、鉆頭磨損小、鉆頭壽命長、起下鉆時間短等優(yōu)點，完全適用于氣體鉆井。為了實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，需要研究解決高壓差及局部高溫下井底巖石特性的變化、高能激光的產(chǎn)生和傳輸、多激光頭-牙輪鉆頭的研制、激光頭的保護與多束激光開閉組合方式等問題。

5 燃燒熱能-機械破巖方法

為了提高機械能的破巖效率，提出了摩擦熱-機械、微波-機械、激光-氣體破巖等綜合破巖方法，但都處于探索試驗階段，由于各種原因沒有進行工業(yè)化應(yīng)用。目前已進入工業(yè)化成熟應(yīng)用的機械能破巖仍是高效破巖的主要方式。

分析綜合破巖方法可知，對于導(dǎo)熱系數(shù)較小、抗拉強度和抗剪強度較低的巖石，熱作用能夠在其內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，形成一定的熱沖擊力，導(dǎo)致巖石脆性破壞，且大多數(shù)巖石隨溫度的升高其抗壓強度呈下降趨勢。在激光輔助破巖過程中，熱能作用還能使巖石成分的團聚狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致其熔化，形成具有結(jié)實孔壁的圓柱形通道，達到造壁的目的。因此，將熱能與機械能結(jié)合的綜合破巖方法，對于提高破巖效率、穩(wěn)定井壁、保護儲層具有積極意義，其技術(shù)可行性主要體現(xiàn)在以下方面：

1) 空氣鉆井技術(shù)已趨于成熟。通過地面燃氣/助燃氣系統(tǒng)、雙壁水龍頭和雙壁鉆桿，能夠?qū)崿F(xiàn)向井下特殊高溫鉆頭輸送燃氣和助燃氣，并能將部分巖屑上返至地面，建立安全、有效的循環(huán)系統(tǒng)。

2) 耐高溫材料已應(yīng)用于高溫鉆頭。目前合成的耐熱材料能耐溫2 500 ℃甚至更高[19]，已成功應(yīng)用于電熱熔鉆井，使高溫鉆頭的研制成為可能。

3) 結(jié)合火焰焊槍技術(shù)，采用鉆頭內(nèi)燃燒，燃燒熱能-機械能綜合破巖的溫度為2 200～2 500 ℃。燃氣和助燃氣在特殊高溫鉆頭內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫氣流高速噴向巖石，迅速形成井眼。另外，巖石導(dǎo)熱系數(shù)低，表面溫度迅速升高，與更深層的巖石形成較大的溫度梯度，產(chǎn)生熱破壞，巖石強度下降，甚至熱破巖，隨后高溫鉆頭切削低強度的巖石，可以提高鉆進速度。

4) 結(jié)合已有的電熱熔造壁技術(shù)[20]，可將鉆頭本體加熱至1 300 ℃。若利用熱能，在鉆頭本體上設(shè)置造壁器，高溫造壁器緊貼已形成的井眼壁面將其玻璃化，形成堅固、光滑的井壁，井壁穩(wěn)定，更容易實現(xiàn)深井和超深井鉆井，并且井筒與地層被陶瓷層隔絕，有利于保護儲層。

燃燒熱能-機械破巖方法需要開展特殊鉆頭內(nèi)燃燒機理研究(包括速度場、溫度場、燃燒流動過程)、鉆頭內(nèi)部絕熱冷卻技術(shù)研究(包括防輻射涂層、高溫隔熱涂層和氣膜冷卻技術(shù))、特殊鉆頭切削齒材料研究、造壁器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模擬試驗研究、陶瓷化井壁保護儲層及穩(wěn)定性試驗研究、燃燒熱能-機械能復(fù)合破巖機理研究、燃燒熱能-機械能鉆井關(guān)鍵裝備研究、鉆進時復(fù)雜多相流研究以及鉆進燃爆危險性研究等。

6 結(jié) 論

1) 目前，機械破巖仍是高效破巖的主體，為提高破巖效率，多與射流輔助破巖、降低井底壓差等技術(shù)措施配合使用。

2) 摩擦熱能-機械、微波-機械、激光-氣體等新型綜合破巖鉆井技術(shù)處于探索階段，室內(nèi)試驗證明其能有效提高破巖效率，但還有各種技術(shù)瓶頸需要突破，離推廣應(yīng)用還有一定距離。

3) 熱能-機械能綜合碎巖方法是最有發(fā)展前景的新型破巖方法，特別是燃燒熱能-機械能綜合碎巖方法。目前國內(nèi)外開展的相關(guān)研究較少，需要進一步加強。

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