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。     

�꾮��Ч�����½�չ

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。     

冲击旋转钻井破岩特点分析

冲击旋转钻井破岩原理是在钻头冲击刃与岩石的接触面上施加静压力的同时，给以脉动冲击负荷对岩石作功，从而提高岩石破碎效率。本文就冲击旋转钻井破岩特点及影响冲击旋转钻井破岩效果的因素进行了分析。     

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。     

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。     

旋冲钻井技术的破岩及提速机理

深部硬地层钻井效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻井技术由于其具有提高硬地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到认可，但旋冲钻井技术的破岩提速机理尚不够明晰，且与冲击器配合的钻头使用寿命尚达不到工业要求。基于岩石力学、岩石破碎学、损伤力学等理论结合有限元方法建立了单齿旋冲破岩的三维有限元模型，分析了单齿旋冲作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究发现，硬地层岩石在旋冲作用下更易发生脆性破碎，旋冲钻井技术能够改善钻齿的受力状态，更好地保护切削齿，提高钻进效率；冲击幅值对破岩比功的影响程度不大，这与扭冲钻井技术不同；冲击频率对于破岩比功的影响较大；旋冲钻进技术不适用于软地层。     

高效破岩前沿钻井技术综述

高效破岩技术是钻井工程中的基础技术,是提高破岩效率、减少钻进时间和降低钻井成本的重要因素之一。着重介绍当前一些主要的高效破岩钻井技术,如高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术、粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等,并综述了各种高效破岩技术的原理、特点和国内外发展趋势及当前应用情况等。分析结果表明:高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术等传统破岩技术在一定时间仍将是高效破岩钻井技术的主体,而激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等新型高效破岩钻井技术处于探索阶段,但会逐渐成为钻井破岩技术的发展方向。     

机械-射流破岩耦合特性研究

在现代旋转钻井破碎井底岩石中仍是以机械破岩为主，理论与实践证明，射流辅助破岩是提高钻井破岩效率的重要途径，但它们的耦合特性研究极少。文章基于渗流场与应力场的耦合理论分析，进行了机械与射流破岩耦合特性的实验研究。结果表明：射流压力和水楔作用对岩石渗流场、应力场具有重要作用，耦合作用比非耦合作用的破岩效率有较大幅度的提高。在实验条件下，砂岩的耦合作用提高破岩效率40％左右，灰岩的耦合作用提高破岩效率20％左右。     

旋冲钻井破岩力学模型的研究

旋冲钻井技术可有效提高硬地层、易斜地层的机械钻速。以弹性力学、波动理论和冲击动力学为基础，采用室内试验和力学理论相结合的研究方法，建立了旋冲钻井破岩力学模型。在该模型的建立过程中。首先根据冲击器的工作原理，结合冲击动力学，对旋，中钻井中冲击动载作用下的破岩过程进行了简化；假设岩石为弹性介质，根据弹性力理论，分析了轴向力和剪切力作用下岩石的受力状态；对在室内进行的载荷侵入深度曲线的试验结果进行分析，得出岩石所受外栽荷与侵入深度成一定的线性关系；结合波动理论，分析了冲击动栽作用下岩石的应力状态。建立的破岩力学模型对旋冲钻井的进一步发展具有重要的现实意义。