岩石破碎新方法5

二、钻探工程系统的组成钻探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、钻具、流体、地面装备。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。三、钻探工程的技术进步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，70年代末期出现了PDC钻头，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，大位移井和复杂结构井钻井技术等得到迅速发展并进入工业应用。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1997－1999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。从2000年起又对激光钻井开展了一系列深入研究。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（如图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（如图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；热熔钻进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的热熔钻研究水平处于世界领先地位。一、热熔钻进原理1、热熔钻进的实质通过电加热器产生的高温（大于1300℃），使井底岩土处于熔融状态，经过挤密或取心，使钻孔延伸。2、接触式加热器的结构产生高温的钻具为接触式加热器，如图所示。电极与外壳形成一个回路；当通电后，石墨元件便发红产生高温，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。加热器的中心通入的氦气是防止石墨元件氧化。绝缘体是起隔热、隔电作用。图1.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3、加热器熔融岩石的机理加热器熔融岩石的机理如图3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：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；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；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2.不同形状的热熔法“钻头”图3.加热器熔融岩石的机理1—液相层；2—硬化层；3—软化层图4.高温“钻头”在现场进行钻进试验的情况二、热熔钻进的优越性实现无钻杆钻进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；提高了成孔速度，降低了劳动强度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；简化了钻孔结构在松软、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、热熔钻进的应用勘探孔钻进简化了钻孔结构，可不用套管；水井钻进钻进时，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，可使含水层井壁用其他方法穿透含水层；钻进冻土层，冰层等地下管线的铺设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。如图5所示。基础工程施工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；图5.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。深井破碎漏失层的加固和止水可大幅度节约套管。俄方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，如图12所示。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。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12.用易熔颗粒加固孔壁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、热熔器的设计原则壳体为耐高温材料高温的具体数值取决于热熔器工作对象的熔点，如岩石为1600～l700℃；土体1300℃；冰层100℃左右，即热熔器壳体材料在此温度下应能保持正常的性能；有良好的导热性能热熔器壳体应能迅速将壳体内的热量传到外面的岩土中去；高温下不易氧化外壳材料应能够在高温下不与熔融的介质产生化学反应；外壳应与上面的钻杆部分有隔热部件减少热量往钻杆上部传递，提高热功的利用率；热熔器应有流线型的外形能够保证形成平整、光滑的孔壁，在热熔器结构上应有扩孔器，以保证热熔器升降通畅；电阻材料在高温的空气中不氧化采用电流通过具有一定电阻值的电阻来产生高温作为热源，该电阻材料在高温的空气中不氧化；热熔器内的正负电极在高温下应能保持其工作性能；热熔器的各部件抗热震性好。五、制造热熔器的材料1、壳体材料当时美国、俄罗斯采用最好的耐高温金属材料－钼合金作为热熔器的壳体，经工作一段时间后，均发生了氧化现象。后来，俄罗斯圣彼得堡矿业大学开始寻找非金属材料。提出了在石墨中加入si、si+SiC(渗硅石墨)的设想，并取得了较好的效果。2、热熔器的加热电阻材料将电能转化为热能的电阻，是热熔器中又一比较特殊的材料。热解石墨是一种优良的耐高温材料，耐高温1800℃以上，耐腐蚀，纯度高，高度的各向异性，但热解石墨的成本极高。六、热熔钻进实验热熔钻进实验台全部实验装置所占面积15平方米，所采用的主要设备及性能参数见图6和表一及表二。表一：钻机的主要参数钻压KN额定功率KW转速r/min扭矩N.m0～30230～1201500表二：实验装置的主要技术参数调压器额定容量kVA输入电压V输出电压V输出电流A203800～43327整流器203800～1000～200图6热熔钻进实验台七、影响钻速的因素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；钻速高度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。热导率钻速八、热熔钻进的初步实践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。如图13所示。俄勘探技术研究所首次在花岗岩中用热力钻头钻成了深度达350m的钻孔，这是一次具有世界意义的实验。精品课件！精品课件！图13.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