激光破岩的物理模型与传热学特性研究

高能激光破岩是一种非接触式的物理化学破岩方法。激光破岩的基本原理是，利用高能光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态瞬间相变到热熔和气化状态，并形成气液固多相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除。文章利用能量守恒原理，建立了激光破岩的基本物理模型；研究表明，激光破岩的机械钻速，主要与激光束的平均功率密度和岩石材料的热物理性能参数有关。同时，对激光束的发散角、主瓣半径和光斑的功率密度等技术参数进行了分析。另外，对岩石表面受激光辐射后的传热学特性、温度场的数学描述及其分布规律等基础问题进行了研究。     

燃烧热能机械能复合破岩先导性试验研究

为了证实燃烧热能-机械能复合破岩方法的可行性,通过理论分析和室内试验对该破岩方法进行了研究。采用瞬态传热方式对岩石有限元模型进行了热分析,评价了燃烧热能对破岩的作用;并利用自制的钻头和试验台架开展了模拟钻进试验和对比试验,验证了燃烧热能-机械复合破岩的可行性和破岩提速能力。理论分析可知,在不考虑岩石受热而发生热应力裂解的情况下,燃烧热能获得的钻速达18.0 m/h。模拟试验得到,该方法在花岗岩中的平均钻进速度为24.5 m/h,同时钻进中高温改变了井眼周围岩石成分的团聚状态,可形成1.8 mm厚的陶瓷层;在相同试验条件下,该破岩方法获得的钻进速度是常规机械破岩方法的8.3倍。研究结果表明,对于导热系数较小、抗拉强度和剪切强度较低的岩石,燃烧热能形成的热冲击力能引起岩石脆性破坏,降低岩石抗压强度,与机械能复合破岩能明显提高钻进效率。      

激光破岩方法研究及在石油钻井中的应用展望

激光钻井破岩研究是钻探工程领域一项具有前瞻性的应用基础理论课题,它包括5大基础科学问题,即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石相变的热力学与传热学理论、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等。阐述了激光直接破岩的机理,即击碎、熔化和蒸发的作用,并综述了国内外激光破岩试验研究成果,解释了比能、二次作用等专业概念;主要对激光破岩试验中出现的岩石热裂、液体汽化效应进行了分析,得出了影响激光热裂岩石、激光汽化钻井液的因素,从理论上探讨了激光-气体机械联合钻井与激光激励汽化射流辅助钻井方法的可行性,同时指出了发展激光钻井技术的优势及难点,为激光技术在钻井中的应用指出了研究方向。      

激光辅助破岩可钻性评价

激光辅助破岩是一种新的破岩方法。采用高能量激光束照射岩石表面,研究岩石对激光束的敏感性,并对激光辅助破岩的可钻性进行评价。结果表明,给定工艺参数下,砂岩激光钻孔处理后表面分为灰色瓷釉层、白色热影响区和褐色热影响区三个区域。与砂岩相比,花岗岩经激光照射后表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,玻璃泡周围形成大面积起裂区,且相同工艺参数下钻孔深度明显降低。激光照射花岗岩后可钻性级数较未处理岩石明显降低,表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,孔周围有裂纹及破碎现象,原始玻璃釉层出现明显的碎裂。激光照射砂岩后可钻性级数变化不大,表面出现磨损和滑擦痕迹,孔周围未见塑性变形。     

油气钻井组合式破岩技术研究

为了提高钻井效率,对油气钻井组合式破岩技术进行了深入研究,摩擦热-机械破岩、微波-机械破岩、激光-气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率,但也有各种技术瓶颈需要突破,距工业化应用还存在一定距离,机械破岩仍是高效破岩的主体.在研究岩石热物理特性、空气钻井装备工具、高温材料等的基础上,提出燃烧热能-机械能综合破岩方法是最有发展前景的新型破岩方法.采用燃烧热能-机械能综合破岩,双壁钻杆及双通道水龙头提供燃料通道,耐热材料用于研制高温钻头,高温造壁器将破岩形成的井眼井壁玻璃化,可实现深井和超深井钻井,并保护储层.      

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钻井工程作业要破碎厚达数千米厚的岩石，其破岩效率的主要影响因素是井下地层岩石性质、破岩工具和方法。文章对岩石性质进行了基本分析，进行了喷嘴射流水力冲蚀辅助破岩门限压力的实验研究。提出了在现有旋转钻井方式下，钻头的机械破岩、喷嘴射流的水力辅助破岩和降低井底压差是提高钻井破岩效率的三个重要途径。分别阐述了它们能够提高钻井速度的机理、方法、关键技术和研究方向。同时介绍了激光钻井和电热能钻井新方法的研究与发展趋势。     

激光辅助破岩试验研究

为了探索激光破碎岩石的规律和效果,设计了激光辅助破岩系统,进行了激光破岩试验研究。试验岩样为花岗岩和致密砂岩,在地面大气状态下分别对2种岩样进行了试验,测试了离焦量、激光功率、激光照射时间、钻头转速等对激光破岩效果的影响。试验结果表明,岩石的物理、化学性质影响激光破岩效果,针对岩性进行激光参数的优化有助于提升激光破岩效果。     

深井高温岩石破岩机理及生热分析

为了提高深井高温地层PDC齿的破岩效率,分别将花岗岩和砂岩加热至不同温度以模拟深部井底高温岩石,结合岩石岩性及其在高温条件下的力学特性,进行PDC单齿切削破岩室内试验,利用切削力传感器、高速摄影机和热红外成像仪对不同温度岩样的切削力、破岩过程和切削温度场进行深入分析.分析结果表明:花岗岩和砂岩均存在使自身力学特性发生较...     

凝析气液复杂渗流数学模型

为真实反映凝析气藏相变过程中流体的流动情况，需要考虑气、液相变作用及流-固热耦合对凝析气藏渗流规律的影响。引入相变产生的毛管力、界面阻力及非达西因子，建立表征凝析气藏多相高速流动相变特征的渗流方程，同时考虑气化潜热及流-固热耦合，推导出流-固热耦合能量方程，结合凝析气藏相变特征的传输方程，对速度场、温度场进行量化计算，从而合理描述流体渗流的特性和过程。利用该模型进行凝析气井复杂渗流规律研究，结果认为：凝析气相变对凝析气渗流的影响显著；流体与岩石颗粒温度在相变区都是先升后降，最终低于气藏原始温度，但岩石颗粒温度变化有滞后趋势；模型考虑界面张力、毛管力时预测的凝析气产能低，凝析油产能高。     

激光钻井技术研究进展与展望

采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重,需经常更换钻头,钻井周期长,成本高。而激光钻井技术可大大提高钻井速度,缩短钻井周期。综述了国内外激光钻井技术在激光/岩石/流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学2大基础学科中的研究成果。指出了激光钻井技术面临的诸多问题,深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素。提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术,并阐述了激光辅助破岩技术的原理,为激光钻井技术的发展指明了研究方向。     

国内外激光钻井破岩技术研究与发展

激光钻井破岩是钻探工程领域一项具有前瞻性的应用基础理论课题。它包括5大基础科学问题，即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石快速相变的热力学与传热学、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等。详细评述了国内外激光钻井破岩技术的研究水平与进展，指出大功率激光器的小型化、井喷控制和井漏防治、井壁岩石釉化层强度与井眼防坍塌能力、油气藏的发现与储层保护、激光束在井下环境传输性能、每米钻井成本的经济性等问题将是未来的重要研究内容。     

径向钻孔喷头破岩成孔流固耦合分析

利用ANSYS软件流固耦合模型对径向钻孔喷头破岩成孔过程进行分析,将CFD软件的内、外流场分析结果导入结构力学分析软件,对破岩成孔过程进行了精确的数值模拟分析。结果显示:在30L/min的入口条件下,喷头能够产生大于破岩临界速度的高压水射流;前向射流旋转切割岩石,反向射流提供反冲力,从而实现自进式破岩。表明该设计方案用于破岩是有效的,该数值模拟方法在分析高压水射流破岩方面是可行的。     

PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析

基于有限元法对PDC钻头切削齿破岩过程中温度场做了研究,利用有限元软件模拟分析动态破岩,并采用温度-位移耦合显式侵彻接触算法研究破岩过程中切削齿的温度分布,建立了三维切削齿-岩石仿真模型,分析了单齿破岩过程中温度场的分布规律。分析结果表明,采用三维曲面岩石模型使仿真环境更接近PDC钻头切削齿破岩的实际工况,在切削齿施加转速边界条件的情况下,更能反映出切削过程中切削齿不同位置的温度分布情况;同一个齿的齿刃上因各点的线速度不同,温度分布也不同,齿刃切削区域上靠近钻头轴线侧的温度低于远离钻头轴线侧的温度。     

斧形PDC切削齿破岩机理及试验研究

斧形PDC切削齿比常规PDC齿具有更明显的破岩优势。为了分析斧形PDC齿的破岩机理,利用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,通过斧形PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比与受力分析,揭示了斧形PDC齿破岩过程的力学机制。分析结果表明:斧形PDC切削齿破碎岩石时,斧刃会使其前方岩石内部形成一个剪应力集中区,岩石更易发生剪切破坏;切削齿斧刃吃入岩石后,屋脊形的斧形齿逐渐楔入岩石,从侧向上使岩石发生拉伸破坏,提高了其破岩效率;斧形齿破岩时所受轴向力和切向力小,更易吃入岩石,所受切向力及轴向力波动幅度更小,具有攻击性及稳定性强的优点,不易发生冲击损坏,在井下使用寿命更长。研究结果可以为新型PDC切削齿的研发和高效PDC钻头的设计及应用提供指导。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

带空气锤的空气钻井破岩机理

国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究,但对破岩机理的研究却较少。为了弄清楚空气钻井尤其是带空气锤的空气钻井破岩机理, 依据空气钻井中的专用钻具空气锤的工作特性及其破岩特点,从井底破碎坑的分布、岩石的破碎形态两个方面对岩石破碎、空气钻井破岩机理进行了定性与定量分析,分析了空气钻井的工艺参数与空气锤的工作参数对破岩的影响,进而建议开展空气钻井破岩机理仿真、实验台架研制及专用空气钻井设备选型的研究工作。     

扭转冲击破岩效果影响因素评价

通过理论分析并根据现场资料计算,对影响高频扭转冲击破岩效果的4个参数进行了分析评价。结果表明:扭转冲击破岩冲击能量应该保持在岩石临界冲击能量附近,可获得理想的破岩效果;扭转冲击破岩效率比旋转剪切破岩效率更高,能大幅提高机械钻速。可为扭转冲力钻井工具及与之匹配的PDC钻头设计提供参考。     

热-结构耦合PDC单齿破岩温升规律研究

PDC单齿破岩过程中所产生的热量导致PDC齿上温度场的变化对其使用寿命有着重要影响。由于目前测量切削温度场的方法都存在着一定的缺陷或不足,导致用试验法研究PDC齿破岩温升变化规律存在很大的局限性。为此,利用ABAQUS热-结构耦合仿真技术,通过改变切削参数,研究了PDC单齿破岩温升变化规律。研究结果发现,在PDC单齿破岩的过程中,PDC齿温度变化与单齿切深以及PDC齿线速度密切相关,且存在让PDC齿温度急剧上升的临界切深和临界切削线速度。这一成果对PDC钻头布齿设计具有重要的指导意义。     

脉冲射流破岩规律的数值试验

利用非线性动力有限元方法和岩石的动态损伤模型,系统研究了脉冲射流的速度、长度、频率以及脉冲的数量等参数对破岩效果的影响,并用试验进行了验证。研究结果表明,脉冲射流的速度、长度和脉冲数量增大时,岩石的破碎效率迅速增大;射流的破岩效果随脉冲频率的增大,呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优频率范围。在此基础上分析了脉冲射流的破岩机理,所得结论为脉冲射流的设计提供了依据。     

电脉冲破岩钻井地层主要参数敏感性分析

岩石的硬度、耐磨性等严重限制了深层超深层油气资源的高效开采,而电脉冲破岩钻井技术在破碎硬岩方面具有独特优势。为探究地层特性对电脉冲破岩效果的影响,根据电脉冲破岩的基本原理,并基于基本破岩单元建立了动态电损伤模型。基于动态电损伤模型,讨论了特定高压脉冲电源参数下,岩石特性对电脉冲破岩效果的影响。通过讨论分析可知,相对介电常数越大,岩石内部发生电击穿的时间成本越低,破坏深度与损伤总量也会越大;电击穿时间、破坏深度会随泊松比和弹性模量的变化出现小幅波动,但不具有规律性;岩石的密度不会对电脉冲破岩造成影响。相关结论可为电脉冲破岩钻井技术的进一步工业化应用提供一定参考。