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。     

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。     

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。     

激光辅助破岩实验研究

采用高能激光束照射岩石表面,研究花岗岩和砂岩对激光热作用的敏感性规律,并对两种岩石的激光破岩效果进行表征。结果表明,激光照射花岗岩时,表面发生热应力破碎,生成透明玻璃泡,且有不同程度起裂。当激光功率(P=700 W)和作用时间一定时,随离焦量增大,玻璃泡直径先减小后增大。砂岩表面激光钻孔后,由黑色瓷釉层和褐色热影响区组成。当激光功率和作用时间一定时,随离焦量增大,砂岩钻孔直径、白色区直径和褐色热影响区直径均呈先增大后减小的趋势,且在离焦量L=103 mm时达到最大值。随激光入射角度的增大,砂岩孔型由圆形向椭圆形转变,且钻孔的黑色瓷釉层、红色和褐色热影响区基本呈现逐渐增大的趋势,钻孔直径变化不大,而孔深相应降低。     

激光破岩技术发展现状及未来发展方向

近年来,深层油气田的开发需求逐渐增加,对钻井技术的要求也越来越高,传统的机械旋转钻井技术在钻探深层地质高硬度岩石时略显乏力。激光钻井技术以其成本低、效率高、安全性好、对地层伤害小等特点在钻井领域引起了广泛的关注。相关的理论和实验研究已经取得了一定的成果,本文总结了近年来激光破岩技术的理论和实验研究成果,展望其发展前景,并对该技术发展中亟待解决的问题作了简要介绍。     

粒子冲击钻井破岩仿真模拟研究

粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主,以高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的钻深井硬地层的一种高效钻井工艺。应用一维应力波基本理论对粒子冲击破岩现象进行了分析,用冲击动力学有限元分析软件IDFEM研究了粒子冲击破岩的规律,得出了适合粒子冲击钻井工艺的如下参数:(1)粒子直径为0.5cm时,其初速度不宜超过200m/s的临界速度;(2)粒子直径在0.3~0.7cm比较合适;(3)粒子入射角度为0~30°比较合适。     

机械因素与水力因素联合破岩作用的研究与应用

岩石破碎是钻井过程中提高钻井速度的关键，它涉及到机城因素和水力因素两方面的技术问题，而机械和水力两方面的参数选择依较于岩石的可钻性，可根据不同井深的岩石可钻性指数选取不同的参数，使机械和水力方面的各项参数在钻井过程中形成最佳配合，发挥最好的效果，达到既能节约设备和能源，又能提高机械钻连的目的。     

激光破岩的计算机模拟研究

激光破岩就是利用激光引起的热应力将岩石在熔化前破裂成小碎屑。高强度激光集中在导热率非常低的岩石上，引起岩石局部温度瞬时升高，这就产生了击碎岩石的局部热应力。近来以使用先进的大功率激光器钻井为中心的研究主要集中在两个方面，一是开发适用于油气井钻井的多束激光破岩技术，其破岩效率比常规旋转钻井和火焰喷射钻井要高；二是开发一种用于油气井完井的激光射孔技术。实验室试验表明，激光束不仅能有效地切削岩石，而且较大地增加所钻岩石的渗透率。     

机械和水力联合破岩的力学模型

从机械、水力联合破岩时岩石所处的特定力学条件入手，建立了破碎岩石的基本力学模型；分析了联合破岩时岩石裂纹形成与扩展的条件；导出了岩石裂纹扩展的最可能方向，并通过实验进行了验证；得出了实验条件下射流的最佳喷射角为３０°左右。图２表１参４     

星形喷嘴射流的破岩特点

在淹没和非淹没条件下对星形喷嘴射流的破岩能力进行了实验研究。结果表明，在非淹没条件下，星形喷嘴射流的破岩能力高于常规圆形喷嘴射流；在淹没条件下，当喷距小于10倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力较圆形喷嘴射流弱，但是当喷距达到10～16倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力明显高于圆形喷嘴射流。据此可将星形喷嘴应用于牙轮钻头，替代圆形喷嘴，以提高钻井清岩和辅助破岩效率，达到提高钻井速度的目的。     

水力增压及高效破岩实验研究

充分有效地利用井底的水力能量，既要能够提高水力能量的利用率。同时又要易于井下实现。为此，设计了一种新型的井下水力增压装置，该装置依靠脉冲射流的卷吸、自激振荡反馈负压区的形成，以及井壁环空液柱压力的它激作用实现井下增压，所用增压介质仅为井下环空流体。井下水力增压装置是一种既能产生脉冲射流，又以环空液柱为它激射流源的新型增压装置。利用该装置分别进行了自增流量实验和射流瞬时动压力实验，并由此得出了实现最佳自增流量的开孔方案。实验结果表明：射流瞬时冲击力可以达到无孔时的2倍以上。     

徐深气田气体钻井破岩机理的初步研究

根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;径向岩石受力变化产生的内能膨胀;径向岩石膨胀及微裂纹产生;钻头敲击裂纹扩展及延伸阶段;钻头齿吃入岩石并旋转使裂纹延伸;剪切岩石使其产生脆性炸裂。因此,使岩石破碎由常规钻井的塑性破碎转变为脆性炸裂。在徐深气田进行了现场实钻,初步验证了该机理的准确性。依据该机理可以进行气体钻井的优化设计以及实钻中钻头和钻井参数的优选。     

激光破岩试验及激光技术在石油工程中的应用

针对激光技术在石油工程技术领域的应用,国内学者开展了大量理论研究,为了验证理论分析和激光破岩实际效果,搭建了激光试验系统,开展了硅质砂岩岩样激光直线扫描及定点打孔试验,分析得出激光破岩效果与激光光束参数、扫描速度、光斑尺寸及岩屑清理等因素相关。根据激光扫描和打孔试验结果,有针对性地提出了气体钻井激光辅助破岩和激光射孔2方面应用,并重点从激光光源优选、高能激光远距离传输及井下适应性3个方面分析了激光应用需要解决的关键技术。所得结论对激光技术在石油工程领域应用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。     

脉冲水射流破岩的数值模拟研究

根据连续介质力学理论，导出了脉冲水射流破岩系统的控制方程。并运用瞬时最小势能原理，建立了脉冲水射流破岩的有限元基本列式和离散方程。数值计算的结果较为真实地反映了脉冲射流破岩过程中岩石的动态响应的演化过程，揭示了射流破岩过程中的机理。所得结论与相关试验规律吻合良好，探索了一种研究水射流破岩规律的有效方法，对脉冲水射流破岩的深入研究和应用具有重要的意义。     

激光钻井研究新进展

激光钻井研究大概开始于60和70年代，但这些研究主要是理论上的—物理斌验受到激光技术的限制，那时的激光能量也很小。     

高分子添加剂射流破岩钻孔的试验研究

针对径向水平钻井技术的特点和水射流直接破岩钻孔的需要,试验研究了高分子聚合物添加剂聚丙烯酰胺(分子量大于1000万)对射流破岩钻孔效果的影响。试验是在常压实验架上进行的,由XZ型三柱塞泵提供动力,岩心采用灰砂比1:1.5的自制岩心。为了试验的可比性,聚丙烯酰胺溶液均一次性使用。结果表明:在合适的浓度范围内,高分子添加剂的加入有利于射流破碎岩石;高分子添加剂对旋转射流破岩效果的提高在小喷距条件下尤为突出;高分子添加剂能增大圆射流破岩的最优喷距;在小喷距范围内,添加剂旋转射流的破岩效果仍要优于圆射流。破岩效果表明,对于高分子添加剂射流存在有最优添加剂浓度。     

前景广阔的“激光钻井”

美国“亚力山大油气通讯”(Alexander′sOil&GasConnection)杂志追述了石油钻井中的激光钻井技术起源。1998年2月2 4日,由美国气体研究院、美国空军、美国海军联合发起了一个研究计划,即“激光钻井”,这是将美国军方的“星球大战”技术转化到民用工业应用系列项目的一个内容。这项计划预计5年时间,耗资60 0万美元,研制目的包括激光钻井与完井,其直接研制产品是一台激光钻机。激光钻井有两种激光发生器。一是利用化学的氧化碘激光发生器(COIL) ,这种发生器最初是美国空军用于跟踪和击毁敌方导弹的激光武器。这种激光器所具有的波长与振幅…     

脉冲水射流破岩的数值模拟研究

根据连续介质力学理论 ,导出了脉冲水射流破岩系统的控制方程。并运用瞬时最小势能原理 ,建立了脉冲水射流破岩的有限元基本列式和离散方程。数值计算的结果较为真实地反映了脉冲射流破岩过程中岩石的动态响应的演化过程 ,揭示了射流破岩过程中的机理。所得结论与相关试验规律吻合良好 ,探索了一种研究水射流破岩规律的有效方法 ,对脉冲水射流破岩的深入研究和应用具有重要的意义。     

压差下实钻岩石可钻性模型及破岩机理分析

为满足不同钻井条件下对可钻性评价方法适用性的要求，需要对岩石破碎机理进行深入的研究。在充分研究旋转钻井特点下，基于岩石破碎比功建立了一种使用钻井参数来计算可钻性的评价方法。用该方法可随钻建立岩石可钻性随深度变化的剖面，分析当前地层可钻性随深度的变化规律；且能评价过平衡和欠平衡钻井条件下的岩石的抗破碎能力的差异，弥补了可钻性国家标准的不足。实例计算结果显示，该模型可以描述不同压差下岩石在抗破碎能力上的差异。并进一步分析压差对岩石抗钻能力的影响，从压持效应、岩石强度、岩石的宏观破碎比功等几个方面剖析了两种钻井条件下的岩石破碎机理的差异。