巖石破碎新方法

1、概 述 一、探礦工程在國民經濟中的戰(zhàn)略地位 我國是一個幅員遼闊的大國，地下和海洋資源十分豐富。在21世紀的今天，隨著國民經濟高速發(fā)展，資源、能源開發(fā)，環(huán)境保護與治理，以及交通、土木、水利、國防等各種大規(guī)模工程建設的工作量與日俱增，這些都對探礦工程、鉆井工程提出了更高的需求及新的高技術挑戰(zhàn)。在探礦工程領域中，鉆探（井）是關鍵核心技術之一。地下蘊藏的金屬、非金屬礦產，石油、天然氣、原煤、地熱、水等

2、資源主要依靠鉆探（井）技術去勘探開發(fā)，尤其占世界能源結構60％的石油、天然氣勘探開發(fā)更是如此。油氣勘探與開發(fā)具有資金和技術密集型，高投入、高產出、高風險的特點，其目標必須通過鉆井工程才能實現(xiàn)。,據(jù)統(tǒng)計，世界油氣鉆井費用占油氣工業(yè)上游（由勘探至采出原油）總投資的40％左右；我國1998年的陸上鉆井費用占勘探費用的80％~85％，占上游費用的42％，達220億元左右。因此，發(fā)展鉆井新技術，降低鉆井費用，提高鉆井效率和效益，對提升資源、能源開

3、發(fā)，環(huán)境保護與治理，以及交通、土木、水利、國防等各種大規(guī)模工程建設的總體效益具有至關重大的戰(zhàn)略意義。,在旋轉鉆井領域一直處于領導地位的美國，為了保持其技術優(yōu)勢，1995年啟動了一項稱為“國家先進的鉆井與掘進技術”(The National Advanced Drilling & Excavation Technologies，簡稱NADET) 的重大長期研究開發(fā)計劃，NADET計劃指出 ：鉆探和采掘是石油、礦業(yè)、現(xiàn)代交通、地下公

4、用設施等關鍵部門所急需的…，其未來的狀況取決于我們鉆采技術的領先程度。在高新技術流行的今天，這些并不誘人的部門的生命力對我們的持續(xù)繁榮和昌盛是必不可少的。該計劃前期的基礎研究主要由政府率先資助作為催化劑，后期大規(guī)模的技術和產品研究與開發(fā)則主要靠工礦企業(yè)投入巨額資金。預期通過該計劃在巖石破碎(高效破巖)、井眼凈化(洗井)及井眼穩(wěn)定等方面有所革新，在鉆頭、巖石和井眼的測量與評價，以及定向控制等方面有所革命。該項計劃的核心任務，是要長期致力于

5、研發(fā)一種智能鉆井系統(tǒng)。美國的“NADET”計劃，從另一個角度說明了探礦工程、巖土鉆掘工程是與國計民生息息相關、保證國民經濟可持續(xù)發(fā)展不可替代的重要技術手段。,二、鉆探（井）工程系統(tǒng)的組成及技術進步 鉆探（井）工程是一個動態(tài)的復雜系統(tǒng)，主要由四個子系統(tǒng)組成，即地層（鉆遇的各種地層）、鉆具（鉆頭、鉆柱及其它井下工具）、流體（鉆井液、完井液、水泥漿等）及地面裝備（動力機和工作機等）。地層是鉆井的工作對象，鉆具和流體是鉆井的工

6、作手段，裝備是驅動鉆具和流體工作的動力源。在上述四個子系統(tǒng)中，除所鉆地層外，其余三個子系統(tǒng)都涌現(xiàn)了許多新技術。例如，在鉆井過程中如何使鉆頭沿預置軌道鉆進并保持井眼穩(wěn)定性（減少或避免漏、涌、塌、卡等井下復雜情況和事故），如何優(yōu)選鉆頭和鉆井參數(shù)以提高鉆進速度，如何實現(xiàn)鉆井智能化與自動化以減少鉆進間斷及提高鉆井質量和效率，如何有效地保護儲層以提高鉆探或生產效果，以及如何提高固井質量及測試成功率等等，都是鉆井工程中的關鍵技術。,1.鉆進破巖：主

7、要研究地層的抗鉆特性、破巖方法、破巖工具（鉆頭、射流、井下動力鉆具等）及鉆進參數(shù)優(yōu)選等內容。 2.鉆具：主要研究鉆柱和套管柱的管材制造、服役環(huán)境、失效機理、優(yōu)化設計及合理使用等內容。 3.鉆井液、井壁穩(wěn)定：主要研究鉆井液、完井液及固井水泥漿的體系優(yōu)化設計、性能處理工藝，研究所鉆地層的理化特性及井壁巖石的力學不穩(wěn)定性、井身結構和流體壓力控制等內容。 4.鉆孔（井眼）軌跡控制：主要研究鉆孔（井眼）軌跡偏斜

8、機理、各向異性鉆井特性、底部鉆具組合、井眼軌跡優(yōu)化控制模型及井下測控系統(tǒng)等內容。,5.實物地質資料的獲?。褐饕芯裤@進過程中準確獲取巖心、巖樣，進行地質和工程錄井的技術與工藝。 6.地下信息隨鉆探測：主要研究隨鉆測量(包括幾何、地質、力學等測量內容)、儲層測試、地球物理測井等探測方法。 7.儲層損害與保護：主要研究儲層損害機理及快速診斷方法、不同儲層的保護方法及保護儲層鉆井與完井工藝等內容。 8.鉆井

9、安全評價與工程風險分析：主要研究復雜條件下鉆井行為的安全可靠性及工程風險預測等內容。,英國學者李約瑟博士在《中國古代科學技術文明史》一書中指出：中國古代鉆井技術，對世界油氣勘探開發(fā)技術產生了巨大的啟蒙、奠基與推動作用，在國際上領先數(shù)百年甚至上千年。他說：“今天在勘探油田時所使用的這種鉆深井或鑿井的技術，肯定是中國人的發(fā)明，比西方要早1100年”，“中國的卓筒井工藝革新，在11世紀就傳入西方，直到公元1900年以前，世界上所有的深井，基本

10、上都是采用中國人創(chuàng)造的方法打成的”。中國在1835年就建成了四川的世界最深井——深達1 001.42m的粲海井。而歐洲人1834年才開始應用中國鉆井技術打鹽井，1841年用于鉆油井。1848年俄羅斯鉆成他們的第一口油井。1859年，美國人德拉克在賓夕法尼亞州石油灣使用中國的沖擊鉆方法鉆出了第一口油井，井深只有21.64m，直到1871年才鉆達338.33 m。美國人很可能在19世紀從修筑鐵路的中國勞工手里獲得鉆井的技術知識。,盡管人類的

11、鉆井活動已有3 000多年的歷史，然而人類在鉆井方式上的創(chuàng)新卻是屈指可數(shù)，一般可歸結為四種方式的歷史變革，即，1)人工掘井；2)人工沖擊鉆；3)機械頓鉆(鋼絲繩沖擊鉆)；4)旋轉鉆井。當今，全世界廣泛采用的鉆井方式是旋轉鉆井（已有100多年歷史）。近20多年來，世界旋轉鉆井的技術和裝備有了顯著進步， 70年代末期出現(xiàn)了PDC鉆頭，是一個明顯的進步標志，隨后便出現(xiàn)了快速發(fā)展的生動局面。進入80年代，相繼出現(xiàn)了隨鉆測量儀器，可控井下馬達，以

12、及水平鉆井技術等；進入九十年代，隨鉆測井和隨鉆地震等先進的測量技術不斷投入商用，大位移井和復雜結構井鉆井技術，以及連續(xù)柔管鉆井、可膨脹套管、欠平衡鉆井以及智能化、自動化鉆井技術等，得到迅速發(fā)展并進入工業(yè)應用?？梢哉f，進入21世紀后油氣鉆井技術發(fā)展日新月異。展望未來，由于石油等地下資源勘探開發(fā)工程成本差的驅動（亦即效益目標的驅動），以及人類對“健康、安全、環(huán)境”更高目標的追求，旋轉鉆井技術的發(fā)展勢頭仍將有增無減。然而，在旋轉鉆井領域，以美

13、國和俄羅斯為代表的發(fā)達國家一直處于領先地位，而中國顯然是落后于人。,,激光破巖新方法 早在20世紀60年代和70年代，國外就開展過激光鉆井研究。但是由于當時的激光技術水平有限，認為用激光鉆井需要的能量太大，實現(xiàn)不了；在經濟上激光鉆井太昂貴，不合算。正是這一結論在此后25年的時間里妨礙了激光技術在鉆井領域的研究與應用，盡管這期間激光技術取得了飛速的發(fā)展，特別冷戰(zhàn)期間美國星球大戰(zhàn)計劃開發(fā)的激光武器，其能

14、量足以擊毀來襲導彈，摧毀地面目標。,一、 激光鉆井的研究現(xiàn)狀 1997~1999年，美國氣體技術研究所與科羅拉多州礦業(yè)學院、美國能源部、美國陸軍、美國空軍和其他三家公司一起開展了激光鉆井的基礎研究。研究小組在200多塊頁巖、灰?guī)r和砂巖上測試了三種軍用激光系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)激光能穿透各種類型的巖石，破巖機理是高能激光擊碎、熔化和蒸發(fā)巖石，激光鉆井在技術上是可行的，而且速度可能比常規(guī)旋轉鉆井快10倍，甚至更多。 鑒于這項

15、為期兩年的基礎研究工作取得了可喜的成果，從2000年起又對激光鉆井開展了一系列深入研究。參與研究的除了美國氣體技術研究所、科羅拉多州礦業(yè)學院以及美國能源部下設的國家能源技術實驗室和Argonne國家實驗室以外，還有油氣公司和服務公司，比如哈里伯頓公司等。著重研究了激光鉆井需要的能量以及激光、巖石和液體三者的相互影響，發(fā)現(xiàn)實際所需要的能量并沒有60年代所計算的那么大（圖1）；,圖1. 900KW的特效激光作用4.5秒后的砂巖,高能激光熔化

16、巖石后，在井壁形成一層陶瓷樣保護層，其周圍的巖石因受熱膨脹而出現(xiàn)一些微裂縫，有助于提高滲透率（圖2、3）。,圖3. 激光作用于巖石的痕跡區(qū)與當量炸藥爆炸效果的比較,圖2. 在釔鋁石榴石上的激光碎巖實驗,二、 激光鉆井優(yōu)勢明顯，前景廣闊 與常規(guī)鉆井相比，激光鉆井具有如下潛在優(yōu)勢： 1、 激光鉆機重量輕，用一輛拖車一次就可運到井場； 2、激光鉆井的井場很小，也許只有普通井場的十分之一，甚至更??；

17、 3、 激光能夠穿透各種類型的巖石，而且速度很快，用常規(guī)鉆井方法需要100天才能鉆成的井，用激光鉆井也許只需10天時間； 4、激光鉆井不需要常規(guī)鉆頭和常規(guī)鉆柱，鉆成的井眼小，激光將巖石熔化，在井壁形成一種陶瓷樣的保護層，無需下套管固井，因此鉆井成本很低，也許只有常規(guī)旋轉鉆井的1/10，甚至更低； 5、激光鉆井是一種清潔鉆井，激光擊碎、熔化和蒸發(fā)巖石，鉆井中無鉆屑上返到地面，對環(huán)境的影響甚微；

18、 6、過程具有可導向性。,激光鉆井經過七年的研究，已經取得了許多研究成果，盡管現(xiàn)在還處在室內試驗階段，還有大量的工作要做，但有美國能源部的支持和世界一流的油氣服務公司的參與，相信離現(xiàn)場試驗和商業(yè)應用已經為期不遠了，計劃兩年內造出樣機，激光射孔將先于激光鉆井投入商業(yè)應用。屆時必將給鉆井和完井帶來一場深刻的革命，徹底改變鉆井完井的作業(yè)方式，大幅度提高作業(yè)效率和經濟效益。,熱熔鉆進新方法 熱熔鉆進是一種新式鉆進方法。美國加

19、利福尼亞大學LASA實驗室在20世紀60、70年代就已開始研究熱熔鉆進工藝。其后，在日本、俄羅斯等國家也投入了研究。目前俄羅斯圣彼得堡國立礦業(yè)學院（建于1773年）的熱熔鉆研究水平處于世界領先地位。,一、熱熔鉆進原理 熱熔鉆進的實質是通過電加熱器產生的高溫(大于1300°C)使井底巖土處于熔融狀態(tài)，經過擠密或取心使鉆孔延伸。 產生高溫的鉆具為接觸式加熱器，其結構示意圖如圖4所示，用特殊材料

20、制成的不同形狀熱熔法“鉆頭”如圖5所示。圖4中電極1與外殼3形成一個回路；通電后石墨元件6便發(fā)紅產生高溫，高溫熱能集中于孔底使孔底巖土熔融成熱熔體；熱熔體從孔底擠出，經成孔環(huán)5刮平修正，冷卻后便在孔壁形成致密高強度的玻璃層。加熱器的中心通入氦氣以防止石墨元件氧化。絕緣體4是起隔熱、隔電作用。,,,,,圖4. 接觸式加熱器示意圖1—電極；2—鎖緊螺母；3—外殼；4—絕緣體；5—成孔環(huán)；6—石墨元件,圖5. 不同形狀的熱熔法“鉆頭”,圖

21、6. 加熱器熔融巖石的機理1—液相層；2—硬化層；3—軟化層,目前經過實驗和分析認為：在第四紀地層鉆進時，加熱器熔融巖石的機理如下：如圖6所示，加熱器在鉆進過程中，孔壁由于溫度的不同可分為三層：①液相層——在溫度高于1200℃時，巖石中某些成分被熔化成液相，熔化后密度降低。液相層在冷卻凝固后就變成一層堅硬致密的外殼；②硬化層——硬化層溫度較高，巖石經過焙燒作用，吸附水被燒掉，在750℃左右時，碳酸鹽巖發(fā)生分解，CO2氣體逸出。950℃

22、時，粉砂巖全部分解，巖石強度降低；③軟化層——熱量在傳遞到軟化層后，產生的溫度已不是很高，地層里的水分發(fā)生汽化蒸發(fā)，有機物在100-150℃時被燒掉。,圖7. 俄羅斯圣彼得堡礦業(yè)學院的高溫“鉆頭”在現(xiàn)場進行鉆進試驗的情況,圖7. 俄羅斯圣彼得堡礦業(yè)學院的高溫“鉆頭”在現(xiàn)場進行鉆進試驗的情況,二、熱熔鉆進的優(yōu)越性 傳統(tǒng)的硬質合金、金剛石、牙輪等機械破巖方法，對于松軟、破碎坍塌地層，加固 孔壁的工作量很大。熱熔法用特殊材料的高

23、溫“鉆頭”壓在巖石表面，通過熱作用下使巖石成分的團聚狀態(tài)發(fā)生改變，導致其熔化。圣彼得堡礦業(yè)學院的新型耐熱合成材料高溫“鉆頭”，用70~100V的低壓電，鉆進直徑140mm的鉆孔需7~10 kW電能。與一般的機械能碎巖鉆進方法相比，熱熔鉆進具有以下優(yōu)點： 1、可利用承重電纜或軟管電纜實現(xiàn)無鉆桿鉆進，從而節(jié)省了龐大的鉆進設備； 2、孔底能量傳遞效率大大提高，減少了材料消耗，簡化了鉆進工藝，提高了成孔速度，降低了勞動強度； 3、在松軟、

24、弱膠結和不穩(wěn)定地層鉆進時，依靠形成高強的不透水玻璃狀或陶土狀硬殼，可代替套管加固孔壁，簡化了鉆孔結構，大幅度降低套管及堵漏材料的消耗。,三、熱熔鉆進的應用領域 1 、用于開采孔和勘探孔鉆進。簡化了鉆孔結構，可不用套管和止水材料。 2、水井鉆進。熱熔鉆進行水井鉆進時，會自然形成井壁管。鉆進含水層時，鉆具外部形成一個蒸汽絕熱層，可防止地層中水進入孔內。成井時，可使含水層井壁熱熔或用其他方法穿透含水層。 3

25、、鉆進凍土層，冰層等。 4、用于基礎工程施工鉆進。利用熱熔法施工無噪音，無震動，并可利用擠密作用提高地基土的承載力。 5、可用于地下管線的鋪設、古建筑物地基的加固和邊坡治理。由于軟地層在加熱時會發(fā)生相變使其機械性質提高幾倍，形成的玻璃質孔壁非常穩(wěn)定，故可在巖土中形成沿著空間任何方向延仲的通道。從而拓寬了這種鉆孔的應用領域，尤其是在復雜地質條件下，在疏松，弱粘結性的地層中鉆進這種孔。,圖8. 鐵路路基下施工天然氣管

26、道孔1-填土，2-鐵路路基，3-孔壁固結成型器，4-熱熔后形成的孔壁，5-鉆具，6-鉆機，7-巖石熔化區(qū)，8-高溫鉆頭，9-巖石。,圖8. 鐵路路基下施工天然氣管道孔1-填土，2-鐵路路基，3-孔壁固結成型器，4-熱熔后形成的孔壁，5-鉆具，6-鉆機，7-巖石熔化區(qū)，8-高溫鉆頭，9-巖石。,每年政府都要花費巨大的資金用于地下管線的安裝和舊管線系統(tǒng)的維護。城市中水管、氣管和供熱管破損的主要原因在于：鋪設地下管線處的土壤強度不夠；鋪設

27、在地下的管線材料被氧化和銹蝕；管線通道周圍的介質具有腐蝕性。因此，提高地下管線的耐久性，節(jié)約用于維護、恢復管線的耗費是非常緊迫的任務。美、日、俄都曾指出，可以用熱熔法鉆進巖石的方法在巖體中形成具有結實孔壁的圓柱形通道。石油、天然氣工業(yè)部門，城市的供水供電部門都可能成為應用熱熔法施工地下管線工程的潛在用戶。 6、用于深井破碎漏失層的加固和止水，可大幅度節(jié)約套管。俄方還找到一種易熔化工原料(聚丙烯)，當用傳統(tǒng)方法施工的鉆井中

28、遇到漏失坍塌井段時，可下入熱熔法“鉆頭”并向井內投入該顆粒使其熔化（圖9），斷電冷卻后它便形成一層與井壁完全吻合的固態(tài)殼，起到堵漏和護壁的作用。它是一種隔開復雜地層、不污染環(huán)境的方便措施。而且該材料的硬度不大，需要造斜時，很容易在該層固態(tài)殼上重新開孔。,四、熱熔器的結構設計 1.熱熔器結構設計的內容 熱熔器的結構設計內容包括兩部分：一是熱熔器的外形輪廓和尺寸、電極和絕緣部分結構；二是熱熔器各部件所用的

29、材料。 2.熱熔器的設計原則如下： （1）熱熔器的殼體為耐高溫材料，高溫的數(shù)值取決于熱熔器的工作對象（巖石、土體、冰層）的熔點，如巖石為1600-1700℃；土體為1300℃，即熱熔器的殼體材料在此溫度下應能保持正常的性能； （2）要求熱熔器具有良好的導熱性能； （3）外殼材料應能夠在高溫下不與熔融的介質產生化學反應，高溫下不易氧化； （4）在熱熔器結構上應有擴孔器，以保證熱熔器升降通暢。

30、,,五、影響鉆速的因素 通過實鉆試驗發(fā)現(xiàn)，影響熱熔鉆進速度的因素主要有：鉆頭單位面積上的熱功率、鉆進壓力、鉆頭高度、固體介質的熱導率等。 1.熱功率對鉆速的影響：隨著熱功率的增大鉆速也增大； 2.鉆壓對鉆速的影響：鉆壓與鉆速成正比； 3.熱熔器外殼形狀對鉆速的影響：懸鏈線旋轉體比圓柱體和圓錐體的好； 4.熱熔器高度對鉆速的影響；熱熔器的有效高度大約在180-200

31、mm； 5.巖土體的導熱性對鉆速的影響：隨著巖土體的熱導率增加，熱熔鉆進速度降低。,六、 熱熔鉆進的初步實踐 俄羅斯的地質、鉆探和巖石物理專業(yè)科技工作者經過多年努力，歸納出了新型熱能碎巖鉆進方法與巖石性質的對照表（表1），按表中給出的代表性巖石可選擇鉆進方法，很容易確定在某個區(qū)域內應采用這種或哪種鉆進方法。俄羅斯為熱熔法鉆進已經做了大量的基礎工作，他們對全國的地表地層適合于何種熱熔法制作了分類

32、圖，可以根據(jù)現(xiàn)場所處位置方便地確定應采取何種方法（圖10）。,,*包括：砂-泥質的，砂-砂礫的，漂礫-卵礫的地層等。,表1. 新型熱能碎巖鉆進方法與巖石性質的對照表,俄勘探技術研究所首次在花崗巖中用熱力鉆頭而不是用傳統(tǒng)的金剛石鉆頭鉆成了深度達350m的鉆孔，這是一次具有世界意義的實驗。他們在科拉半島的霞石磷灰?guī)r和波羅的 ?；◢弾r（可鉆性9級）中試鉆的平均機械鉆速1.7 m/h，最高機械鉆速達3 m/h。同時進行了在取心工具上用超高頻電熱

33、原理破碎巖石機理的臺架試驗研究。 位于烏克蘭的國立“南方”設計局根據(jù)自己在開發(fā)火箭技術方面的經驗，提出了一種原理上全新的通用型熱熔鉆巖方法。該方法采用新型結構的熱熔室，該熱熔室采用了液體火箭推進機中燃燒室的工作原理，它使能量可利用率最高--燃料完全燃燒，實現(xiàn)高壓力，有效的冷卻，具有成熟的制備工藝、燃燒過程的控制、啟動和停止技術。在裝有高能設備的實驗臺上利用研制的熱熔室進行了點火試驗，試驗中在花崗巖中的機械鉆速為17m/h，