高效破巖新方法研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景分析

金雪萌，黃宇淵，袁鐘濤，董明凱，姜 旭

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

鉆井在整個(gè)油氣田開(kāi)發(fā)中不僅是最為消耗成本的工程，而且充斥著不同種類(lèi)不同量級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)，這就需要進(jìn)行技術(shù)密集的高水平作業(yè)。根據(jù)世界各地油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆井工程將會(huì)使用近半的工程預(yù)算，這也導(dǎo)致了追求最大效率破巖鉆進(jìn)的目的和動(dòng)力，這也能從根本上決定鉆進(jìn)結(jié)果，也最終決定了整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)收支。

近年來(lái)，隨著新技術(shù)與新設(shè)備持續(xù)的進(jìn)入鉆井工程領(lǐng)域，鉆井過(guò)程能源的利用率和鉆進(jìn)速度與破巖效率都進(jìn)一步提高，進(jìn)而提高了在地底深處的鉆進(jìn)速度，高速度高效率高利用率成為鉆井研究領(lǐng)域的一個(gè)新方向。本文在國(guó)內(nèi)外各類(lèi)鉆井新型技術(shù)與老式技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)多種新型高效破巖技術(shù)做了簡(jiǎn)單的歸納與闡述，并總結(jié)了各自所采用的新型應(yīng)用技術(shù)以及應(yīng)用特點(diǎn)[2]。

1 水力破巖方法

1.1 水力破巖原理

在高壓噴水和高速水流的沖擊下破壞物體，如氣流腐蝕損傷、高壓下高速水流和動(dòng)態(tài)壓力、高壓高速水流脈沖不斷沖擊造成疲勞損壞，進(jìn)而使受力巖層面上產(chǎn)生足量裂縫與縫隙，隨著裂縫的數(shù)量與規(guī)模得到大范圍的擴(kuò)張，巖石的滲透率將會(huì)顯著上升，進(jìn)而達(dá)到破巖的效果。水力破巖包括水楔破巖與密實(shí)核破巖等破巖原理。

1.2 旋沖鉆井破巖技術(shù)

1.2.1 旋沖鉆井破巖技術(shù)原理 在鉆頭的前部額外安裝一個(gè)多余的沖擊裝置，當(dāng)鉆頭向前鉆進(jìn)的過(guò)程中，在外力的作用下，多余的沖擊器將會(huì)多次重復(fù)擠壓周邊巖層，從而使堅(jiān)硬巖層破碎。這種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)可以減少鉆芯的使用，減少鉆管的損失和機(jī)械疲勞損傷。不僅可以阻止鉆桿鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的磨損，而且可以防止井下安全事故的出現(xiàn)。這種技術(shù)可以進(jìn)一步分為滾動(dòng)旋沖、氣動(dòng)旋沖兩種。

1.2.2 旋沖鉆井技術(shù)的特點(diǎn)

（1）在鉆進(jìn)過(guò)程中，巖石的破碎不僅僅依靠鉆頭的不斷沖擊，還有鉆頭的切削作用，在一些復(fù)雜堅(jiān)硬的地層中，這種鉆進(jìn)方式使巖石更容易破碎，因而具有更加高效的破巖效率。

（2）其次因?yàn)槭歉哳l的沖擊破碎巖石，所以破巖時(shí)間相當(dāng)短，而且破碎巖石的效果不受巖石性質(zhì)的變化影響，在鉆頭上很難形成偏斜力矩，因而這種鉆井方式鉆成的井眼規(guī)則，質(zhì)量高，不易坍塌（見(jiàn)圖1）。

1.3 高壓水力脈沖破巖技術(shù)

1.3.1 水力脈沖空化射流鉆井機(jī)理 該技術(shù)依賴(lài)于液壓脈沖空化射流發(fā)生器的基本原理進(jìn)行生產(chǎn)。液壓脈沖空化射流發(fā)生器通常被放置在前進(jìn)的鉆頭上方，而其中的水力脈沖是由外來(lái)的高速水流激勵(lì)源與鉆頭噴嘴的高速射流自振耦合最后生成，此時(shí)當(dāng)高速流體的攝動(dòng)效應(yīng)與自振動(dòng)的空穴效應(yīng)相結(jié)合時(shí)，常規(guī)的連續(xù)流入鉆具的流動(dòng)將成為振動(dòng)脈沖流，并在鉆具噴嘴出口形成脈沖空穴射流，提高井底凈化效率，對(duì)破巖起到輔助作用，最終達(dá)到提高鉆頭鉆速的目的。

圖1 射流沖擊器示意圖

圖2 沖擊頻率對(duì)巖石破碎的影響

2 機(jī)械破巖方法

2.1 復(fù)合沖擊破巖技術(shù)

復(fù)合沖擊破巖是將扭向的反轉(zhuǎn)沖擊破巖脈沖和破碎巖石技術(shù)結(jié)合起來(lái)，把鉆井液所具有的能量化為軸向扭向二者相互輪換的機(jī)械能，在扭向方面的沖擊能讓鉆桿的旋轉(zhuǎn)所具有的能量傳遞給鉆頭，黏滑效應(yīng)被抵消或者消除；而軸向沖擊則能讓鉆頭得到很高的軸向方面的破碎巖石的能量，因此在此種作用機(jī)理下就可以使鉆頭擁有“三維的立體破巖效果”[6]（見(jiàn)圖2）。

2.1.1 復(fù)合沖擊工作原理 結(jié)合附近井的大量錄井?dāng)?shù)據(jù)與資料，利用軸向脈動(dòng)沖擊與扭向反轉(zhuǎn)沖擊兩個(gè)模塊合理有效的相互配合，并且同時(shí)依據(jù)測(cè)井的一些資料以及相關(guān)區(qū)塊地質(zhì)資料等，并且對(duì)比地層的巖性隨著鉆進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化，然后綜合判斷而且啟動(dòng)復(fù)合型沖擊鉆具的軸向脈動(dòng)沖擊，當(dāng)遇到中等硬度或者更高以及研磨性較高的地層時(shí)，就開(kāi)啟復(fù)合型鉆具的軸向脈動(dòng)型沖擊模塊（見(jiàn)圖3、圖4）。

2.1.2 復(fù)合鉆具特點(diǎn)

（1）為了加長(zhǎng)鉆頭的耐磨能力，對(duì)鉆頭切削齒加入了保護(hù)能力。

（2）為了得到強(qiáng)力的水力參數(shù)，基于經(jīng)過(guò)巖層的特點(diǎn)修改了鉆頭的噴嘴直徑。

（3）為了避免較高的溫度使鉆頭出現(xiàn)故障，下部的鉆具采用了全金屬改造。

2.2 微波輔佐機(jī)械破巖

圖3 扭向反轉(zhuǎn)沖擊模塊原理圖

圖4 復(fù)合沖擊鉆具的工作方式

圖5 微波輔助鉆頭破碎巖石結(jié)構(gòu)示意圖

微波輔佐機(jī)械破巖是一個(gè)摻雜型破巖辦法，它將微波加熱技術(shù)和機(jī)械破巖技術(shù)摻雜在一起。一種全新的沖擊錘軸向和扭轉(zhuǎn)沖擊錘（同時(shí)產(chǎn)生高頻軸向和扭轉(zhuǎn)沖擊力）已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，以提高深孔和超深井的穿透率并消除黏滑振動(dòng)。分別研究了單個(gè)PDC齒在軸向、扭轉(zhuǎn)、軸向和扭轉(zhuǎn)沖擊力作用下的破巖過(guò)程。軸向和扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井方法能夠以最小的機(jī)械比能破碎巖石，并顯著提高滲透率（ROP）（見(jiàn)圖 5）。

2.3 摩擦熱結(jié)合機(jī)械破巖

摩擦熱輔助機(jī)械破巖[9]主要是在巖石破碎過(guò)程中使用機(jī)械切削工具與井底巖石摩擦產(chǎn)生的熱量與鉆井液或者沖洗液流過(guò)巖石時(shí)候驟然的降溫作用，在井底巖石的內(nèi)部和表面形成微小裂隙，進(jìn)而就可以降低巖石的強(qiáng)度和鉆頭切削時(shí)的阻力，提高破碎巖石的效率。應(yīng)用此種鉆井方法熱機(jī)鉆頭主要包括硬質(zhì)合金元件和熱摩擦元件，二者均勻的分布在鉆頭的下部[9]（見(jiàn)圖6）。

3 高壓水射流輔助機(jī)械破巖機(jī)理

圖6 熱-機(jī)械破巖機(jī)理示意圖

水射流是圍繞機(jī)械工具設(shè)置的。當(dāng)水射流撞擊巖石時(shí)，巖石破碎的次要機(jī)制是侵蝕效應(yīng)和散裂的膨脹。如果在超高壓水噴射作用下，巖石中存在的各種微觀(guān)結(jié)構(gòu)和孔隙在微弱的水射流壓縮壓力作用下被增壓成巖石的臨界破壞形式，從而使微觀(guān)結(jié)構(gòu)膨脹和連接，如果這種膨脹造成切割邊緣巖石的裂縫，刀具的切削力會(huì)大大降低。在不減小切削力的情況下，提高了切削深度和速度（見(jiàn)圖7）。

圖7 水射流輔助刀具破碎巖石示意圖

3.1 “水楔”脹裂機(jī)制

考慮到當(dāng)噴水壓力達(dá)到50 MPa時(shí)，作用在巖石上的工具的壓力可以減小。同時(shí)，切割工具的切割力可以通過(guò)直接對(duì)人體的裂縫進(jìn)行射擊，并使其擴(kuò)張以破碎巖石，并最終降低切割工具的切割力。高壓水射流侵入滾刀切削所形成的裂紋在裂紋壓力作用下，以切斷壓力的形式作用于裂紋表面。水射流輔助切削刀具切削巖石是水楔的一個(gè)過(guò)程，而不是直接切削巖石的過(guò)程。

3.2 “沖蝕”破碎機(jī)制

在裂縫形成過(guò)程中。能量的釋放速率與裂縫的擴(kuò)展有關(guān)。Murai和Nishi在1989年研究了水射流結(jié)構(gòu)與材料去除率之間的關(guān)系，研究了水射流侵蝕機(jī)理的數(shù)學(xué)模型，并解釋了材料去除率產(chǎn)生兩個(gè)峰值的原因，因此切削力應(yīng)該相鄰。射流對(duì)材料的破壞主要是由于水射流在材料上的碰撞造成的，刀尖上的壓力和巖石的侵蝕是削減切削力的主要原因。這些研究都認(rèn)為工具的切削力是由從尖端附近區(qū)域去除水射流引起的。

3.3 “聯(lián)合”破碎機(jī)制

水射流輔助巖石切割受三個(gè)過(guò)程的影響。（1）來(lái)自承受壓強(qiáng)區(qū)域收到的強(qiáng)烈地沖擊和侵蝕；（2）高速射流造成的破裂；（3）孔隙壓力的作用。由于巖石微孔隙度和巖石尺寸的不同，巖石的固有斷裂在水壓作用下發(fā)生了非彈性收縮，并在水射流作用下產(chǎn)生膨脹和加壓，進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

4 其他破巖方式

4.1 粒子沖擊破巖技術(shù)

碰撞涉及兩個(gè)或更多個(gè)對(duì)象相互影響。每一個(gè)土質(zhì)物體，無(wú)論是靜態(tài)的還是動(dòng)態(tài)的，都有某種形式的能量?jī)?chǔ)存在其中。涉及兩個(gè)或更多個(gè)物體的碰撞可以被定義為導(dǎo)致交換或轉(zhuǎn)移能量的現(xiàn)象，碰撞的后果取決于碰撞中涉及的物體的其他物理和機(jī)械特性。碰撞后殘留在物體中的能量完全取決于其變形特征。一些能量損失來(lái)自沖擊產(chǎn)生的熱量和聲音，但物體的彈性和強(qiáng)度決定了物體破裂時(shí)儲(chǔ)存或損失的能量。

4.2 激光鉆井破巖技術(shù)

如果開(kāi)發(fā)的激光鉆孔已經(jīng)顯示出有可能成為改進(jìn)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)的未來(lái)先進(jìn)工具。它基本上是一種將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成電磁輻射束（光子）的裝置。這些光子基本上是由于原子在激發(fā)到較高能態(tài)后返回其較低能態(tài)而產(chǎn)生的。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，光子被釋放。這種高能相干光輻射可聚焦形成強(qiáng)大的高功率光束，可根據(jù)輸入功率，激光類(lèi)型，調(diào)整后的焦距以及激光與特定巖石類(lèi)型的相互作用特性，對(duì)巖石進(jìn)行碎裂，熔化或蒸發(fā)。

4.3 盤(pán)管局部欠平衡破巖技術(shù)

這種方法使用連續(xù)油管和鉆桿完成鉆井過(guò)程，微環(huán)在鉆桿和盤(pán)管之間形成實(shí)現(xiàn)插條運(yùn)輸。在鉆孔過(guò)程中，盤(pán)繞油管通過(guò)鉆桿連接到鉆桿，以及為鉆頭提供的液壓能量破碎的巖石通過(guò)連續(xù)油管轉(zhuǎn)移到鉆頭。鉆桿僅將扭矩傳遞給鉆頭破巖。微環(huán)在鉆桿之間和連續(xù)油管。而正常的環(huán)狀空間介于鉆桿和井筒，一種稱(chēng)為回流的設(shè)備連接鉆井液兩側(cè)的裝置設(shè)備安裝在鉆桿和鉆頭間，回流裝置上有一個(gè)封隔器，它可以實(shí)現(xiàn)之間的旋轉(zhuǎn)密封和滑動(dòng)密封鉆桿和封隔器。在鉆井期間，封隔器設(shè)置是將正常環(huán)分為兩部分。上層部分是高密度鉆井液。所以井壁可以保持穩(wěn)定。將低密度鉆井液泵入連續(xù)油管在盤(pán)管中循環(huán)，下部正常環(huán)和微環(huán)的一部分。插條通過(guò)低密度進(jìn)行井筒，此設(shè)定將正常環(huán)分為兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)系統(tǒng)。

4.4 使用新型鉆具的破巖技術(shù)

圖8 新型鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 PDC新型鉆具鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

該動(dòng)力系統(tǒng)由一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴和一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥組成。噴嘴先轉(zhuǎn)換高壓鉆井液連續(xù)流成高頻射流脈沖。旋轉(zhuǎn)閥將部分軸向射流脈沖重定向到旋轉(zhuǎn)方向。負(fù)載轉(zhuǎn)移組件位于工具的下部，充當(dāng)動(dòng)力傳輸系統(tǒng)。當(dāng)上述兩種射流沖擊錘砧時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合沖擊力形成并通過(guò)砧傳給鉆頭。有一系列不同尺寸的工具來(lái)滿(mǎn)足不同的需求。沖擊載荷值一般隨鉆井液流量的增大而增大（見(jiàn)圖8、圖 9）。

5 結(jié)論

任何一種破碎巖石的方法，無(wú)論是現(xiàn)在已經(jīng)在使用的還是正在研究的都需要借助相應(yīng)的工具來(lái)實(shí)施，粒子沖擊鉆井技術(shù)雖然在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有推廣工業(yè)化使用，但在理論突破上實(shí)現(xiàn)了很大的飛躍，尤其是在國(guó)外，這種技術(shù)已經(jīng)在油田應(yīng)用的比較廣。想要提高破碎巖石的效率，一種是更新出來(lái)鉆井技術(shù)，比如超高壓鉆井，還有一種就是研發(fā)制造出來(lái)新的工具，在已有的方法上配上新的鉆井工具，這也是一種提高破碎巖石效率的方法之一；同時(shí)在實(shí)際中，提高破巖效率，無(wú)論是采用新型的鉆井技術(shù)還是工具，首先應(yīng)根據(jù)所鉆地層的地質(zhì)特征合理設(shè)計(jì)鉆井方案，選擇合適的鉆井工具與鉆井技術(shù)，充分發(fā)揮各種工具與技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將技術(shù)中的阻礙降到最低。

高憎水型氣相二氧化硅用于膠黏劑行業(yè)

瓦克（WACKER）將在2019年歐洲涂料展上，首次展示一種名為HDKRH21的新型氣相二氧化硅。

該產(chǎn)品為白色無(wú)定型粉末，純度高、密度低、比表面積大，是專(zhuān)為調(diào)節(jié)極性膠黏劑系統(tǒng)的流動(dòng)性而開(kāi)發(fā)的助劑。該產(chǎn)品憎水性極強(qiáng)，但可以迅速、高效地與極性膠黏劑混合；因在環(huán)氧化物基、乙烯基酯基及聚氨酯基膠黏劑中擁有優(yōu)異的流變性能，可用來(lái)配制抗流掛型產(chǎn)品，包括眾多工業(yè)領(lǐng)域用結(jié)構(gòu)膠黏劑。測(cè)試結(jié)果表明，HDKRH21與膠黏劑配方產(chǎn)品的混合速度比其他憎水性產(chǎn)品大得多，尤其在極性系統(tǒng)中，該產(chǎn)品具有優(yōu)異的流變性能和比其他憎水性氣相二氧化硅更強(qiáng)的功效。具體而言，HDKRH21能夠賦予極性流體優(yōu)異的剪切變稀性能，使膠黏劑能迅速涂覆，并做到可重復(fù)且無(wú)瑕疵黏接。此外，該產(chǎn)品還可以延長(zhǎng)膠黏劑活性組分的儲(chǔ)存期限，預(yù)防填料沉積；由于其具有憎水性，該氣相二氧化硅不會(huì)與膠黏劑基體相互作用。

（摘自中國(guó)化工信息2019年第5期）