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。      

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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。     

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。     

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。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

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。     

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。     

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。     

共振破岩技术原理与发展分析

共振破岩是一种先进的前沿钻井技术,能够使钻头与被钻岩石之间形成共振,加速裂纹扩展,提高破岩效率,因此有望为未来的钻井技术带来重要变革。介绍了共振破岩技术的原理、特点和国内外发展情况。重点分析了共振破岩所涉及的关键技术难点与发展趋势,并探讨自主开发共振破岩技术的可行性。为今后开展相关技术研究提供一些思路。