高效破岩前沿钻井技术综述.pdf

2 0 1 2年 第 4 1卷 第 1期第 5 O页 石 油矿 场 机械 OI L F I EL D EQUI PMENT 文 章 编 号 1 O 01 - 3 4 82 2 01 2 01 - 0 05 0 0 6 高效破岩前沿钻井技术综述 闰 铁 ， 杜婕妤 ， 李玮 ， 毕雪亮 ， 姚 尚林。 1 ． 东北石油大学 石油工程学院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 ； 2 ． 中国地质大学 北京能源学 院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 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 。 关 键词 高效破 岩 ； 破岩 效率 ； 钻 井； 方 法； 机 理 中图分 类号 TE 2 1 文献标 识码 A 也应与此相符 。因此 ， 为使连续管钻机更易实现数 字化控制 ， 对注入头及配套装备采用交流变频驱 动 和 P L C控 制技术 也成 为主要 发展 方 向。 5 结 语 本文 首 先介 绍 了连续 管 注入 头 的 发展 起 源 ， 并 对现 今连续 管 注入头 的典 型结构 及工作 原理 进行 了 阐述 。在此 基础 上 ， 对 注 入头 国 内外 发展 现 状进 行 了详 细介绍 ， 并 对 其发 展 趋 势 进行 了总 结 。可 以看 出 ， 国 内研 制 的连续 管 注 人头 工 作 能 力 与 国外 相 比 存在 较大 差距 ， 适用 连续 管尺寸 范 围较 窄 。 且 主要 应 用 于连续 管作 业领 域 ， 对 适 用 于钻 井 工 况下 的注 入 头研 发力 度 不 够 ， 与 国 外 大 公 司 相 比缺 乏 竞 争 力 。 2 1 世纪连续管钻机将成为主要的钻井装备 ， 且我国 具有 广 阔的连 续管钻 井市 场需求 ， 在这 种背 景下 ， 国 内亟须加大对连续管钻井装备 ， 特别是钻井用注人 头的研发力度 ， 加快连续管装备国产化进程 ， 为我国 连 续管钻 井技 术 的快 速发展 创造 有利 条件 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘新会 ， 张兴平． 连续油管设备及技术 的发展 E J ] ． 国外 油 田工 程 ， 2 0 0 7， 2 3 6 2 6 2 8 ． 李 大公 ， 朱 长 发． 连 续油 管 综述 [ J ] ． 国外 石 油机 械 ， 1 9 9 5， 6 3 2 2 - 3 3 ． 邓平 ， 王定亚 ， 杨建武 ， 等． 连续管钻机技术研究及开 发建议m J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 1 3 6 4 0 ． 任国富 ， 张华光 ， 付钢旦 ， 等． 国外连续油管作业机 的最 新进展E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 9 7 9 9 ． Ri c h a r d B．M i c r o dr i l l I ni t i a t i v e I n i t i a l M a r k e t Eva l u a t i o n E R ] ． US D e p a r t me n t o f E n e r g y ， 2 0 0 3 9 - 1 1 ． 王少力 ， 郑子元． 连续油管 国产化技术研究 新进展[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 8 9 1 9 3 ． 王海涛 ， 李相方． 连续油管技术在井下作业 中的应用 现 状及思考[ J ] ． 石油钻采 工艺 ， 2 0 0 8 ， 3 O 6 I 2 0 1 2 4 ． 单代伟 ， 刘清友 ， 陈俊 ， 等． 连续油管钻机现状 和发 展 趋势E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 5 7 9 8 3 ． 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 1 2 基金项 目 国家 自然科学基金 5 0 9 7 4 0 2 9 ； 国家重点基础研究 发展计划 9 7 3 计划 “ 深井复杂地层安全高效 钻井基础研究” 2 01 O CB2 26 7 03 作者简介 闫铁 1 9 5 7 ， 男 ， 黑龙江肇州人 ， 教授 ， 博 士生导师 ， 博士 ， 主要从 事油气井 工程力学 等方 向的教 学和研究 工 作 ， E ma i l y a n t d q p i ． e d u ． c n ． ] ] ] ] ] ] ] l∽l l卜 第 4 1卷第 1 期 闫 铁 ， 等 高效破岩前沿钻井技术综述 S y nt h e s i z i ng Co m me n t o n Ef f i c i e n t Ro c k Fr a g me nt a t i o n M e t h o d i n Fr o nt i e r Dr i l l i n g Te c h n o l o g y YAN Ti e ， DU J i e y u ， I I W e i ， B I Xu e l i a n g ， YA S h a n g l i n 。 1 ． Co l l e g F o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8， Ch i n a； 2 ． En e r g yI n s t i t u t ， Ck i n a L ， ” v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s Be i j i n g ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3。 Ch i n a 钻井工程是油气藏开发 中投资大 、 风险高 的工 程 ， 它 的费用 占勘 探 开发 成 本 的 5 0 以上 。破 岩 技 术是 油气 钻井 技术 的 核心 内容 ， 破 岩 效 率 的好 坏 直 接决 定着 钻 井速 度 和 成本 ， 更决 定 着 钻 井 工 程 的经 济效 益口 ] 。在 油气 田开 发 日益深 入 的今 天 ， 高 效破 岩技术更 是安全 、 快 速钻井 的基 本保 障之 一 。在 面 临 更深和更 复杂 的地 质 条件 时 ， 破 岩 难 度逐 渐加 大 ， 钻 井过程中普遍存在钻速慢 、 周期长 、 成本高等问题 ， 而 现有 的旋 转钻井 方 式在 提 高机 械钻 速 的能 力方 面是 有 限的 ， 因此研 究高效 破岩钻井技 术势在 必行 ] 。 随着 现 代 科 学技 术 的发 展 ， 高 效 破岩 技 术 出现 了一些 新 的发 展趋 势 。本文 综述 了高效破 岩前 沿 钻 井 技术 的发展 ， 介 绍 了几 种 广 泛 应 用 的高 效 破 岩 技 术 一 高 压水 射流 破岩 技术 、 欠平 衡 钻井 破岩 技术 、 旋 冲钻井破岩技术 ， 并分别 阐述 了它们能够提高 破 岩效 率 的机 理 、 方 法 和 国内外研 究 方 向 ； 同时介绍 了逐渐 成 熟 的 前 沿 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 、 等离子体 破岩技术 。 。 ， 以及它们 的特点， 并展望 了高效破岩 钻井技术的未来与发展趋势 。 1 旋转 钻井高效破岩方 法 1 ． 1 高压 水射 流破 岩技 术 自 2 0世 纪 5 0年 代 喷射 钻 井 问 世 以来 ， 石 油钻 井 的速 度 和质量 大 幅度提 高 。高压射 流钻 井提 高 了 钻头牙齿对岩石 的穿透能力， 解除了岩石 自由面的 束 缚 ， 从 而 降低 了岩 石 的负载 能力 ， 能够有 效地 在岩 石的某些部位产生或扩展微裂纹 ， 增加 了岩石的渗 透 性 。 在 裂 纹尖端 产 生拉应 力集 中区 ， 水楔 人裂 纹产 生一定 的压 力场 ， 使 裂纹 迅速 扩展 ， 致 使 岩石进 一步 破 坏 。 2 O世 纪 6 O年 代 ， 海 湾 石 油 公 司 进 行 了压 力 为 5 6 ～ 1 0 2 MP a的磨 料 射 流试 验 ， 结 果 表 明钻 速是 常 规 钻井 的 2 ～ 3 倍 。2 O世 纪 7 O年代 ， 壳 牌 和埃 克森 石 油公 司分别 进行 了射流辅 助 P DC钻 头破 岩试 验 ， 其试 验压 力 在 7 0 ～1 0 5 MP a ， 结 果 表 明 钻速 比常 规 钻 井方 法提 高 了 3倍 。2 0世 纪 9 O年 代 ， 美 国 F l o w d r i l l 公 司研 究柱 塞 式井 底 增 压 技 术 辅助 钻 头 破 岩 ， 可 以将 1 ／ 1 0的井 底 钻 井 液 增 压 到 2 0 0 MP a左 右 ， 钻 速提 高 了 1 ． 5 ～2 ． 5 倍 。2 O世纪 8 0年 代 ， 美 国 B e c h t e l 投资 公 司 和 P e t r o p h y s i c s有 限公 司 研 究 了 高压 水射 流钻 径 向水平 井技 术 u ， 可 以在 直井 产 层 钻出多个辐射状水平井眼， 提高了油层的开发效果。 2 0 I 世纪 9 0年 代 ， 中 国 石 油 大 学 研究 了 径 向水 平钻井技术 ， 对高压射流结构特性 、 岩石破碎规律等 进行 了深 入 研 究[ 1 ， 同 时结 合 大 量 的现 场 试 验 ， 基 本解 决 了高压 水射 流破 岩技 术 中的核 心问题～ 转 向器 系统 和参 数 控 制 。近 年来 ， 中 国石 油大 学 系 统 一 一 一 一 一 ～ ～ 一 一 ～ 一 ～ 一一 ～ 一 一一 一 ～ ．～一 一 ～ 帐 舯 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一～ 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 ～ 一 _量 盯 k -三 ∞ 互 m 三三 ．j ∞ 竹 一暑 肌 一 一 ～ 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一 ．。兰 一 唧 枷 ．薹 一 撇 -蚕 一 ．耋 一 训 石 油矿 场机 械 2 O 1 2年 1月 地研究了高压射流破岩机理和过程， 在数值模拟和 试验 结合 的基 础上 ， 取得 了很大 的进展 。 高 压水射 流直 接或辅 助破 岩在石 油钻 井 中取 得 了显著 的成 果 ， 极 大地 提高 了机械 钻速 ； 双射流有 利 于形成 大而深 的破 岩孑 L 道 ， 避 免孑 L 眼凸底 的形成 ， 可 以提 高射流破 岩 钻孔 效 率 ； 在 面 对 常规 水 平井 钻 进 过程中钻压施加困难和钻柱旋转带来的问题时， 高 压水射流钻径向水平井技术彻底解决 了这些 问题 ， 提高 了钻进 速度[ 1 。 高 压水 射流 破 岩技 术 已广泛 应 用 于现 场 ， 取得 了显 著 的经济效 益 ， 具 有广 阔 的应用前 景 。 1 ． 2欠 平衡钻 井破岩 技术 欠平衡钻井技术 是采用井筒负压 的钻井技术 ， 是 降压差提 高机械 钻速 最有 效 的方法 。欠平 衡钻 井 过 程 中由于钻 头端面上液柱压力减 小 ， 正在 被钻 的岩石 更易破碎 ； 另外 ， 低 密度的循环液体 有助 于减少“ 压 持 效应 ” ， 使 钻头继 续切 削新 的岩 石而 不是 重 复碾压 已 破碎 的岩石 ， 减少 了岩 鹏 的 币复破 碎现 象 ， 能 够有 效 地破 碎岩石 。欠 平衡 钻井 的这- 技 术优 势在 钻水 平 井 和大尺寸 、 长井段井 眼时表现得尤为突 出口 。 1 9 9 7年 ， 美 国 采 用 液 相 欠 平 衡 钻 井 技 术 钻 _片 1 1 0 0 口； 加 拿大 已成功 将不可 压 缩空 心玻 璃球 应 用 于液相 欠平衡 钻井 作业 之 中。美 国应用空 气欠平 衡 侧 钻 ， 经过对 侧钻 井段 的裸 眼测试 ， 测得 的油气 产量 是 原直 井段综 合产 量 的 1 0倍 ， 效果 显著 。加拿 大用 连续软管欠平衡钻井技术钻成 了 1口水平井～ Wa i n wr i g h t l 5 B _ 4 4 4 W4 M ， 其 产 量 是该 地 区直 井 产 量 的 2 ． 5 ～6 ． 0倍 。 国 内大 庆油 田应用 水包 油 钻 井液 体 系 ， 在火 山 岩层开展液相欠平衡钻井技术研究与试验 ， 成功钻 成评价 井 宋 深 1 0 1井 和 探 井卫 深 5井 ， 减 少 了 井下复杂情况 的发生， 提高了机械钻速， 尤其对及时 发现产 层并保 护 产层 的意 义十分重 要 。大港 油 田在 千米桥 古潜 山地层 采用 无 固相 淡水 卤水 欠平衡 钻 井 技术 发现 了 1个 含油 气 面积 超 过 6 0 k m。的亿 吨 级大型气 田， 取得 了很好 的勘探效果口 。 欠平衡钻井技术有如下优势 ① 由于井筒液柱 压力始终小于所钻地层孔隙压力， 其井底岩石 自身 有崩脱趋势 ， 因此可提高机械钻速 ， 延长钻头寿命 ； ②能减少或消除漏失和压差卡钻， 并能减少地层损 害， 大大提高钻井效率 ， 降低钻井直接成本 。 目前全球装备的欠平衡钻井数量已经超过 1 ． 5 万口。在许多发达国家， 欠平衡钻井已经成为常规 的钻井技术 ， 美国和加拿大欠平衡钻井 已经 占到本 国钻井 总量 的 1 ／ 5左 右 。我 国不 但研究 、 开 发 、 改进 了大量欠平衡钻井技术方案 ， 而且还设计 、 制造了大 量的欠平衡钻井装备 ， 逐步实现了主要装备的国产 化 ， 并逐步开始向海外输出技术、 工艺和装备。 1 ． 3 旋 冲钻 井破岩 技术 旋冲钻井技术是在旋转钻井基础上发展起来的 钻 井新技 术 ， 其 方法 是 在 转 盘钻 进 的基 础 上 再 加上 1个冲击器 ； 其原理是在旋转钻井 的同时， 接在钻头 上端的冲击器在高压气体或钻井液的推动下， 促使 冲锤上下往复运动冲击钻头 ， 在 冲击动载和静压旋 转联合作用下 ， 岩石裂隙扩展 ， 形成大体 积的岩石 破 碎㈨ 。 应 用旋 冲钻井 技术 可以减 少钻挺 使用 和钻柱 的 弯 曲 、 磨损 与疲 劳破 坏 及井 下 事 故 ， 提 高井 身 质 量 。 冲击点密度大增加 ， 冲击破岩产生体积破碎 ， 两相邻 点的冲击波可相互重叠 ， 破碎区相连 ， 从而大大提高 了岩石破碎效率 ， 消耗功率较低 ， 产生的较大岩屑有 利于地质录井。在不增加任何设备 的情况下 ， 提高 了钻 深能力 。 实现旋冲钻井的主要手段是冲击钻具 ， 在不需 要改变任何设备的前提下实现石油钻井 。在石油钻 井领域研究应用最多的还是气动 又称空气锤 和液 动冲击器 2种。 1 ． 3 ． 1 液 动 旋 冲 钻 井 技 术 液动 冲击 器只需 串联 于井下 钻具组 合 中即可 实 现液动旋冲钻井。l 9 ～1 9 0 5年， 俄国工程师 B 沃 尔斯基一 第 1 位 液动 冲 击钻 具 理 论研 究 者 ， 设 计了几种石油钻井液动冲击器 。目前 ， 国外许多公 司在液动冲击器方面的研究都处 于先进水平 ， 其 中 有 美 国 S mi t h t o o l公 司 、 Un d e r g a u g e公 司 、 AWD S 公 司 、 S p e r r y钻井 服 务公 司和 德 国克 劳斯 塔尔 工业 大 学 、 日本 T ONE公 司 、 挪威 国家 石油公 司等 ， 其 研 究 主要 以各类 阀式 冲击器 为主 。 2 0世纪 9 O年代中期 ， 国土资源部勘探 技术研 究 所 、 德 州石 油钻 井研 究 所 、 长 春 科技 大 学 、 中 国石 油 大学 等科研单 位 对 旋 冲钻 井技 术 展 开 研究 ， 发 明 了射流式冲击器、 射吸式冲击器。其中， 中石化德州 石油钻井研究所研制的 YS C 一 1 7 8型液动射流式冲 击器处于国内领先水平 。 1 ． 3 ． 2 气 动旋 冲钻 井技术 空气锤钻 井 加拿大一项使用气动旋冲钻井技术的现场记录 表 明 ， 用 1 6 6个 纯钻 时 ， 钻深 可达 I 7 3 8 m。 目前 ， 美 国英格索兰公司在空气锤钻井技术领域处于领先地 位， 能生产多达 4 O余种气动冲击器 ， 钻孔范围 9 0 ～ 1 9 8 0 mm； 同时其研制了多种类型冲击钻头和比较 成熟的配套设备 ， 能适应各种地层的钻进 2 。 第 4 1 卷 第 1 期 铁 ， 等 高效破岩前沿钻井技术综述 国内各研究机构开始重视气动旋 冲钻井技术 ， 但 目前还处于研究阶段 。 2新型钻井破岩方法 由于现 有旋 转钻 井方 式 在提 高机 械钻 速 的能 力 方 面是 有 限的 ， 全新 的钻 井 破 岩 方 法 打破 了常 规 旋 转 钻井 破 岩 方 式 。研 究 工 作 者 提 出 了 全 新 的 钻 井破 岩方 法 。 2 ． 1 粒 子 冲击破 岩 技术 粒子冲击钻井是 以高速球形硬质钢粒子冲击破 岩 为主 ， 联合 高 速水 力 破 岩 和 机 械 牙齿 破 岩 为辅 的 一 种 新 的钻 井破 岩 方 法 。在 钻 井 过 程 中 ， 为 实 现 粒 子破 岩 过程 ， 需在 钻 井 液 泵 出 后 通 过 注入 系统 将 粒 子 注入 到高 压钻 井 液 中， 经 过 钻 具 到达 专 门设 计 的 P I D钻 头 ， 粒 子 以 较 高 的频 率 和 速 度 从 喷 嘴 喷 出并 冲击 地层 ， 实 现破 碎 岩石 的 目的 ， 并 被钻 井液 携带 返 到地 面 ， 粒子 被捕 获 分离再 利 用 。 2 0 0 5年 ， 在 盐 湖 城 T e r r a Te k的 钻 井完 井 实 验 室 ， P D 1 ’ I 公 司首次试 验 了 自己设 计 的 2种新 型 P I D 钻 头 。2 0 0 6年 ， P DT I 公 司才 成 功 地 完成 第 2口井 的现 场试 验 ， 并 创 下 粒 子 冲击 钻 井 P I D 最 长 的 现 场钻进记录P I D钻进 7 h ， 进尺 2 8 ． 0 1T I ， 而常规 钻头 在该 地 区 钻 进 2 4 h ， 平 均 进 尺 约 为 2 7 ． 4 r n 。 2 0 0 7年 ， P D TI 公 司在 Te x a s东部 的 Tr a v i s P e a k层 段又 完成 了粒 子 冲击 钻 井 系统 的一 次试 验 ， 使 用 常 规钻 井 工 艺 ， 在 本 次 试 验 之 前 的 井 段 ， 钻 速 为 1 ． 2 m／ h ； 在 本次 试验 之后 的 井段 为 2 ． 6 m／ h 。 而 P I D的 平均 钻速 为 5 ． 4 m／ h 。 伍开松等 对 双粒 子冲击破岩进行数值模 拟 分析 ， 采用无量纲分析方法 ， 得到双粒子冲击破岩的 规律 及双 粒子 在各 种 参 数 粒 子 直径 、 粒子 间距 、 冲 击 初 速度 和入 射角 度 变化 时 的冲击 破碎 岩石 效果 。 与传 统 钻 井 相 比 ， 粒 子 冲击 钻 井 系统 的主 要 优 点是 ①粒 子 冲击 产 生 的局 部 瞬 时脉 冲应 力 峰 值极 高， 足 以破碎和侵彻极坚硬的岩石， 提高了能量 的利 用率 ， 其钻 井 速度 是常 规 钻 井 的 2 ～4倍 ； ② 需要 的 钻压 和扭 矩较 常规 钻 井 要 小 得 多 ， 大 大 地 减 小 了 钻 柱和钻 具 的疲 劳破 坏 的概率 ， 钻 头磨 损非 常小 ； ③ 粒 子 冲击 破 岩能 产生 比较 精确 的预期井 眼直径 和井 眼 轨迹 ， 对防止井斜能产生显著的效果 。 粒 子 冲击 钻井 技术 有可 能成 为一 种 高效经 济 的 深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验 阶段 和现 场试 验 阶段 ， 目前 正在迈 人 商业 应用 阶段 。 2 ． 2 激 光钻 井破 岩技 术 从 2 O世 纪 6 O年 代 开始 ， 许 多 国家 开 展 了 利用 激光 破岩 的研 究T 作 ， 它经 历 了小 功率 激 光 器 的岩 石切 割 阶段和 大功 率激 光器 的钻井 破岩 阶段 。激光 破岩的基本原理是利用高能光束直接作用岩石 ， 使 之局 部 快 速 加 热 到熔 化 和 汽 化状 态并 形 成气 、 液 2 相混合 物 ， 然后 由高 速辅 助气 流将其 携走 和排 除 ， 是 一 种 非机 械接触 式 的物理 破 岩方法[ 2 。 1 9 9 9年 ， 美 国前芝 加哥 天然 气 研 究 院进 行 了激 光钻 井可 行性试 验 ， 结 果肯定 了其 可行性 ， 在钻 进砂 页岩 夹层 时 ， 激 光束 钻进 速度 可达 l 3 7 ． 2 m／ h ， 是 转 盘钻 井 的 1 0 ～ 1 0 0倍 ， 并且 激 光钻井 形成 坚 固、 光滑 的井壁 可以避免井 眼坍 塌等情况一 】 。1 9 9 8 ⋯1 9 9 9 年 ， 俄 罗斯 L e b e d e v物 理 研 究所 开展 了激 光 破岩 的 岩石 临界 能 量 和 岩 石 激 光 可 钻 性 等方 面 的 基 础 研 究 ] 。2 0 0 0年 ， 加拿 大 D a l h o u s i e 大学 _ _2 开 展 了激 光破岩 的 岩石传 热学 和热 力学 方面 的研究 。 1 9 9 8 ～ 2 0 0 7年 ， 我 国学 者 易 先 中。 ” |、开 展 了激 光破岩 机理 研究 并 进 行 了大 量 室 内试 验 ， 其 研 究 结 果 表 明 激 光破 岩 速 度 可 高 达 1 0 5 ～ 1 l 5 m／ h ， 岩 石 基 本上 是 以受 热碎 裂 、 汽化 和 熔 融 等形 式 破 坏 。岩 石受激光作用后 ， 热影响区附近的岩石存在着宏观 裂 纹 发 育现 象 ， 其 孔 隙 度 、 渗透 率 均 有提 高 。另 外 ， 开 展 了激光 破岩 的 排 屑机 理 与 温 度场 特 性 研 究 ， 得 出温度 场 的剧烈 变 化 是 引起 岩 石 微观 物 性 、 宏 观 性 质 发牛 改 变 的根 本 因 素 。2 0 1 0年 ， 中 国 石 油 大 学 华 东 徐 依 吉 等 分 析 了激 光破 岩 试 验 中 出现 的 岩 石热 裂 、 液 体 汽 化 效 应 ， 得 出 了影 响激 光 热 裂 岩 石 、 激光 汽化 钻 井 液 的 因素 ， 从 理 论 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 。 采用 激 光钻井 主要 具有 以下 优 势 ①激 光 钻 进更易穿透岩石 ， 同时光子沿直线传播 ， 所以井眼轨 迹偏 离 预定 轨道 的情 况 减 少 ； ② 激 光 钻井 过 程 中无 需 钻头 、 套管 等设 备 ， 免 去了下套 管和 起下钻 柱 的时 问 ， 大大 节 约 了成 本 和时 问 ； ③激 光 冲击岩石 后会 形 成一层坚硬井鼙 ， 可 以有效地 防止地层流体流入井 中 ， 预 防井 喷 ； ④激 光 器系统 包括 各种 图像可 视 系统 及井 下传 感器 ， 可 以对 整 个钻 进 过 程 有更 全 面 的把 握 与布局 。 激光钻井破岩技 术是一项前沿技术， 其发展前 景广阔。目前 ， 国内外在这方面 的研究还处 于探索 阶段 ， 主要包括理论模型 和试验研究等 ， 预计 2 0 2 0 年投入商业化应用 ， 并有望给钻井带来一场革命。 2 ． 3 等 离子体 破 岩技 术 2 o世纪 6 0年代 中期 ， 等离子体切割金属的技 术被 引入 到 岩石破 碎 中 ， 并 用于二 次破 碎大块 岩石 。 石 油矿 场 机械 2 0 1 2年 1 月 若在等离子枪的金属阴、 阳极之 间加上常规 的直流 电压 ， 便 可通过 高频 电火花 或碳 粒短路 激发 ， 而产 生 电弧 。等 离子体 破 岩是 在 等 离 子 弧 的作 用 下 ， 以 岩 石 中产生 的应 力状态 为基 础 的。在高 温高速 的等 离 子弧 的作 用下 ， 产生 的热 应 力超 过 岩 石 的强 度 极 限 从而 使它 破碎[ 3 。等离 子 弧破 岩如 同火钻 一样 ， 属 于 热力破 岩 。 挪威 的獾 式钻探 器公 司开 发 了等离子 体通道 钻 井技 术 ， 该技 术 的核 心 是 高 电压 脉 冲 能量 技 术 。利 用 高 电压脉 冲在“ 钻 头” 前 方 的岩石 中形成 高能等 离 子体， 等离子体在1 S的时问内在岩石中极迅速 地 膨胀 ， 导致 局 部 岩石 破 裂 和 破 碎 。2 0 0 6年 ， 斯 特 拉斯 克 莱德大 学 电子 电气 工程 系利用 高压 电脉 冲微 放 电 的作用 ， 使岩石 开裂 破碎 ， 产生 直径 2 5 ～5 0 mm 的洞 。该装 置 能使 放 电长 度 缩 小 到 1 0 ～ 2 O mm， 且 1 s内连续 2 0 43 0次 ， 岩 石 在 这样 频 繁 的作用 下 破 碎 。由于产 生小 洞 ， 需要 清 除钻屑要 少得 多 ， 这样 也 就降低 了钻井成本 ， 同时减轻了对环境的影响。加 拿大诺兰达技术中心研究 了等离子爆破技术 ， 即利 用 电容器的放电使钻孑 L 中的电解液汽化产生高温高 压等离子用以破岩， 但距离应用还为时尚早 。 2 0 0 6年 ， 我 国学 者 陈 世 和 探 究 了低 温 等 离 子体 破岩 、 凿岩 的原理 和方 法 ， 应 用等离 子技 术在 核 工业 矿 山破 碎 坚硬岩 石 ， 并 取得 了显著效 果 ， 充分 反 映 了等离 子技术 的优越 性 和先进 性 。 在石 油钻井 中， 经 常会 钻遇 硬度较 大 的岩层 ， 主 要有石英岩， 砂岩等。试验表明 等离子破岩技术在 钻遇 这样 的高 硬度 地 层 时 ， 钻 进速 度 很 快 。应 用 等 离子体技术进行凿岩和破岩 ． 发挥了等离子体高温 高速 的优势 ， 非 常坚硬 的岩 石也 只要 2 ～ 3 mi n就 可 以使 其破 碎 ， 破 岩效 率远 大于机 械破岩 效率 。 这项 破 岩技 术 目前 尚处 于 验证 阶 段 ， 其可 行 性 还有 待进 一 步 验 证 。如 果 它 最 终 能 够 通 过 现 场 试 验 ， 则 有 望成为 一种新 的 简单 、 高 效 、 成 本低 、 风 险小 的破 岩方 式 ， 将 主要用 于修 井和 钻小井 眼 。 2 ． 4电子束破 岩技 术 电子 在 强 电场 作 用下 获 得 动能 ， 在 真 空 中经 过 聚焦形成定向高速电子束 ， 用它可 以切割金属和破 碎岩石 ， 目前 已研制出功率为 1 5 O k w 的电子束破 岩装 置 。岩石 在 电子束作 用下 是 以熔 化和 汽化形 态 离开岩体的， 因此 ， 对岩石的加热作用不受岩石种类 影响。电子束破岩装置有 2种不同系统 一种是聚 焦电子束 ； 另一种是脉冲电子束 。 国外对聚焦电子束破岩技术进行了大量研究与 试验 ， 结果 表 明 聚 焦 电 子 束 破 岩 方 法 是 最 为 成 熟 的 ， 任何一种硬岩在 电子束作用下均可被破碎。对 电子 束 这 种 破 岩 方 法 而 言 ， 岩 石 硬 度 是 微 不 足 道 的[ 3 。l 9 7 6年 ， 美 国 加利 福 尼 亚 大 学 劳 伦 斯一 伯 克 利试 验室 提出一种 脉 冲 电子加 速 器 掘进 机 ， 这 种 加 速器 能产 生脉 冲宽 度 1 s的 1 1 0 ～ 4 1 0 V 的脉 冲 电流 ， 脉 冲的 重 复频 率 为 3 6 0 Hz ， 每 微 秒 可 放 出 2 5 J能量 。用这 种 加 速 器 破 岩可 不 受 岩 种 的 限 制 ， 硬岩 软岩 都可 ， 甚至硬 岩 的剥 落 比软岩更 容易 些 。每次剥落岩石的深度可达 7 ～1 5 mm， 直径 1 2 0 ～ 1 3 0 mm， 比能为 1 ． 2 5 k J ／ c m。 。特别需 要指 出 ， 脉 冲电子束破岩机理与聚焦 电子束不 同， 它不是靠熔 化 ， 而是靠热拉应力形式剥落岩石 。热拉应力产生 的原 因与 脉 冲水 射流 相似 。 尽管 电子束 破岩 有能量 密度 大 、 转换 效率 高 、 适 用 性广 等优 点 ， 且 不存 在 一 般 机 械 法 的反 冲 问题 。 但 是 ， 目前 电子束破 岩 的研 究还 处于 实验室 阶段 ， 还 有许多问题 ， 如能耗大 、 照射距离小等需要研究解 决 ， 才有 可能 在采矿 工业 中应用 。 2 ． 5 新 型钻 井破岩 方法 的未来 趋势 面对 油气 勘探 开发 的程度加 深 、 难 度加 大 、 开 发 成本高等问题 ， 必须要提高钻井质量 。我 国东西部 存在着大量的复杂坚硬地层 ， 而西部地区油气藏埋 藏普遍较深 ， 急需解决深部地层钻井效率低的问题， 提高破 岩效 率是加 快钻井 速度 的最优 途径 。激 光钻 井 破岩 技术 和粒子 冲击 破 岩技 术 能解 决 深 井 、 硬 地 层 钻速 慢 的问题 ， 为 钻硬 地 层 提供 了一 个技 术 储 备 方 向。激光 钻井 和旋 转 钻 井有 机 地 结合 起 来 ， 将 会 逐渐取代传统的旋转钻井技术 ， 成为一种经济、 高效 的钻井 新方 法 。预 计到 2 0 2 0年 ， 激光 钻井 技术将 会 投入商 业化 应用 ， 并 成 为 钻井 发 展 的方 向 。等离 子 破岩技术和电子束破 岩技术 目前都处于试验 阶段 ， 有待 于进一 步验证 其 可行性 。 3 结 语 旋转钻 井高 效破 岩方法 经多年 理论攻 关及 现场 实践 ， 已逐渐趋于成熟并广泛应用于现场 ， 其各种设 备逐 步完善 。高 压水 射 流 破 岩技 术 、 欠 平 衡 钻井 破 岩技术、 旋冲钻井破岩技术等旋转钻井破岩方式在 今后的一段时间内依然是钻井工程的主体， 但随着 科学技术的发展， 新型高效破岩方法将会取代传统 的破岩方 法 。 目前 ， 粒子 冲击破 岩技术 、 激光 钻井 破 岩 技术 、 等离子 破岩 技术 、 电子束 破岩 技术等 新技 术 虽然处于试验探索阶段， 但将逐渐成为具有发展潜 力的新钻井破岩技术， 并逐渐改变整个钻井破岩体 系 ， 成 为钻 井发 展 的新方 向 。 第 4 1 卷第 1 期 闫 铁 ， 等 高效破岩前沿钻井技术综述 5 5 参考文献 E l i 李士斌 ， 李 玮． 基 于分形 理论 的岩石可钻性分级方 法 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 0 6 3 6 6 ． [ 2 3 李玮 ， 闫 铁 ， 毕雪亮 ． 实钻条件 下破 碎能 耗的分 形 评价方法E J ] ． 中国石油 大学 学报 自然科 学版 ， 2 0 1 0 ， 3 4 6 7 6 7 9． [ 3 ] 李玮 ， 闫 铁 ， 毕雪亮 ． 压 差 下实钻岩 石可 钻性模 型 及破 岩 机 理 研 究 [ J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 O 7 0 7 2． E 4 3 曾 英 ， 龙辉 ， 涂 能安． 牙轮钻 头不 同轮头 速 比破 岩 量仿真分析 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 4 5 4 8 ． [ 5 ] 杨 进 ， 曹式 敬． 深水 石 油钻井 技 术现 状及 发 展趋 势 [ J ] ． 石油钻采工 艺 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 0 1 3 ． [ 6 ] 金波． 海拉尔探 区钻 井速度 影响 因素 的分 析及其 对 策[ J ] ． 大庆 石油 学院学报 ， 2 0 0 6 ， 3 0 5 3 5 4 0 ． [ 7 ] 王 瑞 和 ， 倪 红 坚 ， 周 卫 东． 高压 水 射 流 破岩 机 理 研 究 [ J ] ． 中国 石 油 大 学学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 2 ， 2 6 4 11 8 1 2 4． E a ] 蒋宏伟 ， 刘永胜 ， 翟应 虎． 旋 冲钻井 破岩 力学模 型 的研 究I- J ] ． 石油 钻探 技术 ， 2 0 0 6 ， 3 6 1 1 0 1 3 ． [ 9 ] 伍丌松 ， 荣 明， 况雨 春． 粒子 冲击 钻井 破岩 仿真模 拟 研究[ J ] ． 石油机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 2 9 - 1 4 ． [ 1 o ] Ga h a n B C， P a r k e r R A， B a t a r s e h S ， e t a 1 ． L a s e r d r i l l i ng d e t e r mi na t i on o f e ne r gy r e qu i r e d t o r e mo ve r o c k [ C ] ／ ／ P E p a p e r 7 1 4 6 6 p r e s e n t e d a t t h e 2 0 0 1 S P E a n nu a l t e c hni c a l c o nf e r e nc e a nd e xhi bi t i on he l d i n Ne w Or l e a n s ， Lo u i s i a n a ． 2 0 0 1 ． [ 1 1 ] 宋 宜梅 ， 李 少林 ， 钟庆华． 电子束技术在工业领域