岩石破碎新方法.ppt

概述一、探矿工程在国民经济中的战略地位我国是一个幅员辽阔的大国，地下和海洋资源十分丰富。在21世纪的今天，随着国民经济高速发展，资源、能源开发，环境保护与治理，以及交通、土木、水利、国防等各种大规模工程建设的工作量与日俱增，这些都对探矿工程、钻井工程提出了更高的需求及新的高技术挑战。在探矿工程领域中，钻探（井）是关键核心技术之一。地下蕴藏的金属、非金属矿产，石油、天然气、原煤、地热、水等资源主要依靠钻探（井）技术去勘探开发，尤其占世界能源结构60％的石油、天然气勘探开发更是如此。油气勘探与开发具有资金和技术密集型，高投入、高产出、高风险的特点，其目标必须通过钻井工程才能实现。,据统计，世界油气钻井费用占油气工业上游（由勘探至采出原油）总投资的40％左右；我国1998年的陆上钻井费用占勘探费用的80％85％，占上游费用的42％，达220亿元左右。因此，发展钻井新技术，降低钻井费用，提高钻井效率和效益，对提升资源、能源开发，环境保护与治理，以及交通、土木、水利、国防等各种大规模工程建设的总体效益具有至关重大的战略意义。,在旋转钻井领域一直处于领导地位的美国，为了保持其技术优势，1995年启动了一项称为“国家先进的钻井与掘进技术”TheNationalAdvancedDrillingExcavationTechnologies，简称NADET的重大长期研究开发计划，NADET计划指出钻探和采掘是石油、矿业、现代交通、地下公用设施等关键部门所急需的，其未来的状况取决于我们钻采技术的领先程度。在高新技术流行的今天，这些并不诱人的部门的生命力对我们的持续繁荣和昌盛是必不可少的。该计划前期的基础研究主要由政府率先资助作为催化剂，后期大规模的技术和产品研究与开发则主要靠工矿企业投入巨额资金。预期通过该计划在岩石破碎高效破岩、井眼净化洗井及井眼稳定等方面有所革新，在钻头、岩石和井眼的测量与评价，以及定向控制等方面有所革命。该项计划的核心任务，是要长期致力于研发一种智能钻井系统。美国的“NADET”计划，从另一个角度说明了探矿工程、岩土钻掘工程是与国计民生息息相关、保证国民经济可持续发展不可替代的重要技术手段。,二、钻探（井）工程系统的组成及技术进步钻探（井）工程是一个动态的复杂系统，主要由四个子系统组成，即地层（钻遇的各种地层）、钻具（钻头、钻柱及其它井下工具）、流体（钻井液、完井液、水泥浆等）及地面装备（动力机和工作机等）。地层是钻井的工作对象，钻具和流体是钻井的工作手段，装备是驱动钻具和流体工作的动力源。在上述四个子系统中，除所钻地层外，其余三个子系统都涌现了许多新技术。例如，在钻井过程中如何使钻头沿预置轨道钻进并保持井眼稳定性（减少或避免漏、涌、塌、卡等井下复杂情况和事故），如何优选钻头和钻井参数以提高钻进速度，如何实现钻井智能化与自动化以减少钻进间断及提高钻井质量和效率，如何有效地保护储层以提高钻探或生产效果，以及如何提高固井质量及测试成功率等等，都是钻井工程中的关键技术。,1.钻进破岩主要研究地层的抗钻特性、破岩方法、破岩工具（钻头、射流、井下动力钻具等）及钻进参数优选等内容。2.钻具主要研究钻柱和套管柱的管材制造、服役环境、失效机理、优化设计及合理使用等内容。3.钻井液、井壁稳定主要研究钻井液、完井液及固井水泥浆的体系优化设计、性能处理工艺，研究所钻地层的理化特性及井壁岩石的力学不稳定性、井身结构和流体压力控制等内容。4.钻孔（井眼）轨迹控制主要研究钻孔（井眼）轨迹偏斜机理、各向异性钻井特性、底部钻具组合、井眼轨迹优化控制模型及井下测控系统等内容。,5.实物地质资料的获取主要研究钻进过程中准确获取岩心、岩样，进行地质和工程录井的技术与工艺。6.地下信息随钻探测主要研究随钻测量包括几何、地质、力学等测量内容、储层测试、地球物理测井等探测方法。7.储层损害与保护主要研究储层损害机理及快速诊断方法、不同储层的保护方法及保护储层钻井与完井工艺等内容。8.钻井安全评价与工程风险分析主要研究复杂条件下钻井行为的安全可靠性及工程风险预测等内容。,英国学者李约瑟博士在中国古代科学技术文明史一书中指出中国古代钻井技术，对世界油气勘探开发技术产生了巨大的启蒙、奠基与推动作用，在国际上领先数百年甚至上千年。他说“今天在勘探油田时所使用的这种钻深井或凿井的技术，肯定是中国人的发明，比西方要早1100年”，“中国的卓筒井工艺革新，在11世纪就传入西方，直到公元1900年以前，世界上所有的深井，基本上都是采用中国人创造的方法打成的”。中国在1835年就建成了四川的世界最深井深达1001.42m的粲海井。而欧洲人1834年才开始应用中国钻井技术打盐井，1841年用于钻油井。1848年俄罗斯钻成他们的第一口油井。1859年，美国人德拉克在宾夕法尼亚州石油湾使用中国的冲击钻方法钻出了第一口油井，井深只有21.64m，直到1871年才钻达338.33m。美国人很可能在19世纪从修筑铁路的中国劳工手里获得钻井的技术知识。,尽管人类的钻井活动已有3000多年的历史，然而人类在钻井方式上的创新却是屈指可数，一般可归结为四种方式的历史变革，即，1人工掘井；2人工冲击钻；3机械顿钻钢丝绳冲击钻；4旋转钻井。当今，全世界广泛采用的钻井方式是旋转钻井（已有100多年历史）。近20多年来，世界旋转钻井的技术和装备有了显著进步，70年代末期出现了PDC钻头，是一个明显的进步标志，随后便出现了快速发展的生动局面。进入80年代，相继出现了随钻测量仪器，可控井下马达，以及水平钻井技术等；进入九十年代，随钻测井和随钻地震等先进的测量技术不断投入商用，大位移井和复杂结构井钻井技术，以及连续柔管钻井、可膨胀套管、欠平衡钻井以及智能化、自动化钻井技术等，得到迅速发展并进入工业应用。可以说，进入21世纪后油气钻井技术发展日新月异。展望未来，由于石油等地下资源勘探开发工程成本差的驱动（亦即效益目标的驱动），以及人类对“健康、安全、环境”更高目标的追求，旋转钻井技术的发展势头仍将有增无减。然而，在旋转钻井领域，以美国和俄罗斯为代表的发达国家一直处于领先地位，而中国显然是落后于人。,,激光破岩新方法早在20世纪60年代和70年代，国外就开展过激光钻井研究。但是由于当时的激光技术水平有限，认为用激光钻井需要的能量太大，实现不了；在经济上激光钻井太昂贵，不合算。正是这一结论在此后25年的时间里妨碍了激光技术在钻井领域的研究与应用，尽管这期间激光技术取得了飞速的发展，特别冷战期间美国星球大战计划开发的激光武器，其能量足以击毁来袭导弹，摧毁地面目标。,一、激光钻井的研究现状19971999年，美国气体技术研究所与科罗拉多州矿业学院、美国能源部、美国陆军、美国空军和其他三家公司一起开展了激光钻井的基础研究。研究小组在200多块页岩、灰岩和砂岩上测试了三种军用激光系统，发现激光能穿透各种类型的岩石，破岩机理是高能激光击碎、熔化和蒸发岩石，激光钻井在技术上是可行的，而且速度可能比常规旋转钻井快10倍，甚至更多。鉴于这项为期两年的基础研究工作取得了可喜的成果，从2000年起又对激光钻井开展了一系列深入研究。参与研究的除了美国气体技术研究所、科罗拉多州矿业学院以及美国能源部下设的国家能源技术实验室和Argonne国家实验室以外，还有油气公司和服务公司，比如哈里伯顿公司等。着重研究了激光钻井需要的能量以及激光、岩石和液体三者的相互影响，发现实际所需要的能量并没有60年代所计算的那么大（图1）；,图1.900KW的特效激光作用4.5秒后的砂岩,高能激光熔化岩石后，在井壁形成一层陶瓷样保护层，其周围的岩石因受热膨胀而出现一些微裂缝，有助于提高渗透率（图2、3）。,图3.激光作用于岩石的痕迹区与当量炸药爆炸效果的比较,图2.在钇铝石榴石上的激光碎岩实验,二、激光钻井优势明显，前景广阔与常规钻井相比，激光钻井具有如下潜在优势1、激光钻机重量轻，用一辆拖车一次就可运到井场；2、激光钻井的井场很小，也许只有普通井场的十分之一，甚至更小；3、激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快，用常规钻井方法需要100天才能钻成的井，用激光钻井也许只需10天时间；4、激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低，也许只有常规旋转钻井的1/10，甚至更低；5、激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面，对环境的影响甚微；6、过程具有可导向性。,激光钻井经过七年的研究，已经取得了许多研究成果，尽管现在还处在室内试验阶段，还有大量的工作要做，但有美国能源部的支持和世界一流的油气服务公司的参与，相信离现场试验和商业应用已经为期不远了，计划两年内造出样机，激光射孔将先于激光钻井投入商业应用。届时必将给钻井和完井带来一场深刻的革命，彻底改变钻井完井的作业方式，大幅度提高作业效率和经济效益。,热熔钻进新方法热熔钻进是一种新式钻进方法。美国加利福尼亚大学LASA实验室在20世纪60、70年代就已开始研究热熔钻进工艺。其后，在日本、俄罗斯等国家也投入了研究。目前俄罗斯圣彼得堡国立矿业学院（建于1773年）的热熔钻研究水平处于世界领先地位。,一、热熔钻进原理热熔钻进的实质是通过电加热器产生的高温大于1300C使井底岩土处于熔融状态，经过挤密或取心使钻孔延伸。产生高温的钻具为接触式加热器，其结构示意图如图4所示，用特殊材料制成的不同形状热熔法“钻头”如图5所示。图4中电极1与外壳3形成一个回路；通电后石墨元件6便发红产生高温，高温热能集中于孔底使孔底岩土熔融成热熔体；热熔体从孔底挤出，经成孔环5刮平修正，冷却后便在孔壁形成致密高强度的玻璃层。加热器的中心通入氦气以防止石墨元件氧化。绝缘体4是起隔热、隔电作用。,,,,,图4.接触式加热器示意图1电极；2锁紧螺母；3外壳；4绝缘体；5成孔环；6石墨元件,图5.不同形状的热熔法“钻头”,图6.加热器熔融岩石的机理1液相层；2硬化层；3软化层,目前经过实验和分析认为在第四纪地层钻进时，加热器熔融岩石的机理如下如图6所示，加热器在钻进过程中，孔壁由于温度的不同可分为三层①液相层在温度高于1200℃时，岩石中某些成分被熔化成液相，熔化后密度降低。液相层在冷却凝固后就变成一层坚硬致密的外壳；②硬化层硬化层温度较高，岩石经过焙烧作用，吸附水被烧掉，在750℃左右时，碳酸盐岩发生分解，CO2气体逸出。950℃时，粉砂岩全部分解，岩石强度降低；③软化层热量在传递到软化层后，产生的温度已不是很高，地层里的水分发生汽化蒸发，有机物在100-150℃时被烧掉。,图7.俄罗斯圣彼得堡矿业学院的高温“钻头”在现场进行钻进试验的情况,图7.俄罗斯圣彼得堡矿业学院的高温“钻头”在现场进行钻进试验的情况,二、热熔钻进的优越性传统的硬质合金、金刚石、牙轮等机械破岩方法，对于松软、破碎坍塌地层，加固孔壁的工作量很大。热熔法用特殊材料的高温“钻头”压在岩石表面，通过热作用下使岩石成分的团聚状态发生改变，导致其熔化。圣彼得堡矿业学院的新型耐热合成材料高温“钻头”，用70100V的低压电，钻进直径140mm的钻孔需710kW电能。与一般的机械能碎岩钻进方法相比，热熔钻进具有以下优点1、可利用承重电缆或软管电缆实现无钻杆钻进，从而节省了庞大的钻进设备；2、孔底能量传递效率大大提高，减少了材料消耗，简化了钻进工艺，提高了成孔速度，降低了劳动强度；3、在松软、弱胶结和不稳定地层钻进时，依靠形成高强的不透水玻璃状或陶土状硬壳，可代替套管加固孔壁，简化了钻孔结构，大幅度降低套管及堵漏材料的消耗。,三、热熔钻进的应用领域1、用于开采孔和勘探孔钻进。简化了钻孔结构，可不用套管和止水材料。2、水井钻进。热熔钻进行水井钻进时，会自然形成井壁管。钻进含水层时，钻具外部形成一个蒸汽绝热层，可防止地层中水进入孔内。成井时，可使含水层井壁热熔或用其他方法穿透含水层。3、钻进冻土层，冰层等。4、用于基础工程施工钻进。利用热熔法施工无噪音，无震动，并可利用挤密作用提高地基土的承载力。5、可用于地下管线的铺设、古建筑物地基的加固和边坡治理。由于软地层在加热时会发生相变使其机械性质提高几倍，形成的玻璃质孔壁非常稳定，故可在岩土中形成沿着空间任何方向延仲的通道。从而拓宽了这种钻孔的应用领域，尤其是在复杂地质条件下，在疏松，弱粘结性的地层中钻进这种孔。,图8.铁路路基下施工天然气管道孔1-填土，2-铁路路基，3-孔壁固结成型器，4-热熔后形成的孔壁，5-钻具，6-钻机，7-岩石熔化区，8-高温钻头，9-岩石。,图8.铁路路基下施工天然气管道孔1-填土，2-铁路路基，3-孔壁固结成型器，4-热熔后形成的孔壁，5-钻具，6-钻机，7-岩石熔化区，8-高温钻头，9-岩石。,每年政府都要花费巨大的资金用于地下管线的安装和旧管线系统的维护。城市中水管、气管和供热管破损的主要原因在于铺设地下管线处的土壤强度不够；铺设在地下的管线材料被氧化和锈蚀；管线通道周围的介质具有腐蚀性。因此，提高地下管线的耐久性，节约用于维护、恢复管线的耗费是非常紧迫的任务。美、日、俄都曾指出，可以用热熔法钻进岩石的方法在岩体中形成具有结实孔壁的圆柱形通道。石油、天然气工业部门，城市的供水供电部门都可能成为应用热熔法施工地下管线工程的潜在用户。6、用于深井破碎漏失层的加固和止水，可大幅度节约套管。俄方还找到一种易熔化工原料聚丙烯，当用传统方法施工的钻井中遇到漏失坍塌井段时，可下入热熔法“钻头”并向井内投入该颗粒使其熔化（图9），断电冷却后它便形成一层与井壁完全吻合的固态壳，起到堵漏和护壁的作用。它是一种隔开复杂地层、不污染环境的方便措施。而且该材料的硬度不大，需要造斜时，很容易在该层固态壳上重新开孔。,四、热熔器的结构设计1.热熔器结构设计的内容热熔器的结构设计内容包括两部分一是热熔器的外形轮廓和尺寸、电极和绝缘部分结构；二是热熔器各部件所用的材料。2.热熔器的设计原则如下（1）热熔器的壳体为耐高温材料，高温的数值取决于热熔器的工作对象（岩石、土体、冰层）的熔点，如岩石为1600-1700℃；土体为1300℃，即热熔器的壳体材料在此温度下应能保持正常的性能；（2）要求热熔器具有良好的导热性能；（3）外壳材料应能够在高温下不与熔融的介质产生化学反应，高温下不易氧化；（4）在热熔器结构上应有扩孔器，以保证热熔器升降通畅。,,五、影响钻速的因素通过实钻试验发现，影响热熔钻进速度的因素主要有钻头单位面积上的热功率、钻进压力、钻头高度、固体介质的热导率等。1.热功率对钻速的影响随着热功率的增大钻速也增大；2.钻压对钻速的影响钻压与钻速成正比；3.热熔器外壳形状对钻速的影响悬链线旋转体比圆柱体和圆锥体的好；4.热熔器高度对钻速的影响；热熔器的有效高度大约在180-200mm；5.岩土体的导热性对钻速的影响随着岩土体的热导率增加，热熔钻进速度降低。,六、热熔钻进的初步实践俄罗斯的地质、钻探和岩石物理专业科技工作者经过多年努力，归纳出了新型热能碎岩钻进方法与岩石性质的对照表（表1），按表中给出的代表性岩石可选择钻进方法，很容易确定在某个区域内应采用这种或哪种钻进方法。俄罗斯为热熔法钻进已经做了大量的基础工作，他们对全国的地表地层适合于何种热熔法制作了分类图，可以根据现场所处位置方便地确定应采取何种方法（图10）。,,*包括砂-泥质的，砂-砂砾的，漂砾-卵砾的地层等。,表1.新型热能碎岩钻进方法与岩石性质的对照表,俄勘探技术研究所首次在花岗岩中用热力钻头而不是用传统的金刚石钻头钻成了深度达350m的钻孔，这是一次具有世界意义的实验。他们在科拉半岛的霞石磷灰岩和波罗的海花岗岩（可钻性9级）中试钻的平均机械钻速1.7m/h，最高机械钻速达3m/h。同时进行了在取心工具上用超高频电热原理破碎岩石机理的台架试验研究。位于乌克兰的国立“南方”设计局根据自己在开发火箭技术方面的经验，提出了一种原理上全新的通用型热熔钻岩方法。该方法采用新型结构的热熔室，该热熔室采用了液体火箭推进机中燃烧室的工作原理，它使能量可利用率最高--燃料完全燃烧，实现高压力，有效的冷却，具有成熟的制备工艺、燃烧过程的控制、启动和停止技术。在装有高能设备的实验台上利用研制的热熔室进行了点火试验，试验中在花岗岩中的机械钻速为17m/h，而钻混凝土为11.6m/h，耐火砖为4.1m/h。,,图9.用易熔颗粒加固事故孔段1承载电缆；2易熔颗粒容器；3高温钻头；4颗粒熔化区；5已加固孔壁,图10.前苏联国土上1000m深度以内，适用于热力和热熔法钻进的区域示意图1超高频电加热-机械钻进法；2热力钻进法；3热熔法,