高效破巖前沿鉆井技術綜述

閆 鐵，杜婕妤，李 瑋，畢雪亮，姚尚林

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083）） ①

高效破巖前沿鉆井技術綜述

閆 鐵1，杜婕妤1，李 瑋1，畢雪亮1，姚尚林2

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083））①

高效破巖技術是鉆井工程中的基礎技術，是提高破巖效率、減少鉆進時間和降低鉆井成本的重要因素之一。著重介紹當前一些主要的高效破巖鉆井技術，如高壓水射流破巖技術、旋沖鉆井破巖技術、粒子沖擊破巖技術、激光鉆井破巖技術、電子束破巖技術等，并綜述了各種高效破巖技術的原理、特點和國內外發展趨勢及當前應用情況等。分析結果表明：高壓水射流破巖技術、旋沖鉆井破巖技術等傳統破巖技術在一定時間仍將是高效破巖鉆井技術的主體，而激光鉆井破巖技術、電子束破巖技術等新型高效破巖鉆井技術處于探索階段，但會逐漸成為鉆井破巖技術的發展方向。

高效破巖；破巖效率；鉆井；方法；機理

鉆井工程是油氣藏開發中投資大、風險高的工程，它的費用占勘探開發成本的50%以上。破巖技術是油氣鉆井技術的核心內容，破巖效率的好壞直接決定著鉆井速度和成本，更決定著鉆井工程的經濟效益［1－4］。在油氣田開發日益深入的今天，高效破巖技術更是安全、快速鉆井的基本保障之一。在面臨更深和更復雜的地質條件時，破巖難度逐漸加大，鉆井過程中普遍存在鉆速慢、周期長、成本高等問題，而現有的旋轉鉆井方式在提高機械鉆速的能力方面是有限的，因此研究高效破巖鉆井技術勢在必行［5－6］。

隨著現代科學技術的發展，高效破巖技術出現了一些新的發展趨勢。本文綜述了高效破巖前沿鉆井技術的發展，介紹了幾種廣泛應用的高效破巖技術——高壓水射流破巖技術、欠平衡鉆井破巖技術、旋沖鉆井破巖技術［7－8］，并分別闡述了它們能夠提高破巖效率的機理、方法和國內外研究方向；同時介紹了逐漸成熟的前沿破巖技術——粒子沖擊破巖技術、激光鉆井破巖技術、電子束破巖技術、等離子體破巖技術［9－12］，以及它們的特點，并展望了高效破巖鉆井技術的未來與發展趨勢。

1 旋轉鉆井高效破巖方法

1.1 高壓水射流破巖技術

自20世紀50年代噴射鉆井問世以來，石油鉆井的速度和質量大幅度提高。高壓射流鉆井提高了鉆頭牙齒對巖石的穿透能力，解除了巖石自由面的束縛，從而降低了巖石的負載能力，能夠有效地在巖石的某些部位產生或擴展微裂紋，增加了巖石的滲透性，在裂紋尖端產生拉應力集中區，水楔入裂紋產生一定的壓力場，使裂紋迅速擴展，致使巖石進一步破壞。

20世紀60年代，海灣石油公司進行了壓力為56～102MPa的磨料射流試驗，結果表明鉆速是常規鉆井的2～3倍。20世紀70年代，殼牌和埃克森石油公司分別進行了射流輔助PDC鉆頭破巖試驗，其試驗壓力在70～105MPa，結果表明鉆速比常規鉆井方法提高了3倍。20世紀90年代，美國Flowdrill公司研究柱塞式井底增壓技術輔助鉆頭破巖，可以將1／10的井底鉆井液增壓到200MPa左右，鉆速提高了1.5～2.5倍［13］。20世紀80年代，美國Bechtel投資公司和Petrophysics有限公司研究了高壓水射流鉆徑向水平井技術［14］，可以在直井產層鉆出多個輻射狀水平井眼，提高了油層的開發效果。

20世紀90年代，中國石油大學研究了徑向水平鉆井技術，對高壓射流結構特性、巖石破碎規律等進行了深入研究［15］，同時結合大量的現場試驗，基本解決了高壓水射流破巖技術中的核心問題——轉向器系統和參數控制。近年來，中國石油大學系統地研究了高壓射流破巖機理和過程，在數值模擬和試驗結合的基礎上，取得了很大的進展。

高壓水射流直接或輔助破巖在石油鉆井中取得了顯著的成果，極大地提高了機械鉆速；雙射流有利于形成大而深的破巖孔道，避免孔眼凸底的形成，可以提高射流破巖鉆孔效率；在面對常規水平井鉆進過程中鉆壓施加困難和鉆柱旋轉帶來的問題時，高壓水射流鉆徑向水平井技術徹底解決了這些問題，提高了鉆進速度［16］。

高壓水射流破巖技術已廣泛應用于現場，取得了顯著的經濟效益，具有廣闊的應用前景。

1.2 欠平衡鉆井破巖技術

欠平衡鉆井技術是采用井筒負壓的鉆井技術，是降壓差提高機械鉆速最有效的方法。欠平衡鉆井過程中由于鉆頭端面上液柱壓力減小，正在被鉆的巖石更易破碎；另外，低密度的循環液體有助于減少“壓持效應”，使鉆頭繼續切削新的巖石而不是重復碾壓已破碎的巖石，減少了巖屑的重復破碎現象，能夠有效地破碎巖石。欠平衡鉆井的這一技術優勢在鉆水平井和大尺寸、長井段井眼時表現得尤為突出［17］。

1997年，美國采用液相欠平衡鉆井技術鉆井1 100口；加拿大已成功將不可壓縮空心玻璃球應用于液相欠平衡鉆井作業之中。美國應用空氣欠平衡側鉆，經過對側鉆井段的裸眼測試，測得的油氣產量是原直井段綜合產量的10倍，效果顯著。加拿大用連續軟管欠平衡鉆井技術鉆成了1口水平井——Wainwrightl5B－44－4W4M，其產量是該地區直井產量的2.5～6.0倍［18］。

國內大慶油田應用水包油鉆井液體系，在火山巖層開展液相欠平衡鉆井技術研究與試驗，成功鉆成評價井——宋深101井和探井衛深5井，減少了井下復雜情況的發生，提高了機械鉆速，尤其對及時發現產層并保護產層的意義十分重要。大港油田在千米橋古潛山地層采用無固相淡水（鹵水）欠平衡鉆井技術發現了1個含油氣面積超過60km2的億噸級大型氣田，取得了很好的勘探效果［19］。

欠平衡鉆井技術有如下優勢：①由于井筒液柱壓力始終小于所鉆地層孔隙壓力，其井底巖石自身有崩脫趨勢，因此可提高機械鉆速，延長鉆頭壽命；②能減少或消除漏失和壓差卡鉆，并能減少地層損害，大大提高鉆井效率，降低鉆井直接成本。

目前全球裝備的欠平衡鉆井數量已經超過1.5萬口。在許多發達國家，欠平衡鉆井已經成為常規的鉆井技術，美國和加拿大欠平衡鉆井已經占到本國鉆井總量的1／5左右。我國不但研究、開發、改進了大量欠平衡鉆井技術方案，而且還設計、制造了大量的欠平衡鉆井裝備，逐步實現了主要裝備的國產化，并逐步開始向海外輸出技術、工藝和裝備。

1.3 旋沖鉆井破巖技術

旋沖鉆井技術是在旋轉鉆井基礎上發展起來的鉆井新技術，其方法是在轉盤鉆進的基礎上再加上1個沖擊器；其原理是在旋轉鉆井的同時，接在鉆頭上端的沖擊器在高壓氣體或鉆井液的推動下，促使沖錘上下往復運動沖擊鉆頭，在沖擊動載和靜壓旋轉聯合作用下，巖石裂隙擴展，形成大體積的巖石破碎［20］。

應用旋沖鉆井技術可以減少鉆挺使用和鉆柱的彎曲、磨損與疲勞破壞及井下事故，提高井身質量。沖擊點密度大增加，沖擊破巖產生體積破碎，兩相鄰點的沖擊波可相互重疊，破碎區相連，從而大大提高了巖石破碎效率，消耗功率較低，產生的較大巖屑有利于地質錄井。在不增加任何設備的情況下，提高了鉆深能力。

實現旋沖鉆井的主要手段是沖擊鉆具，在不需要改變任何設備的前提下實現石油鉆井。在石油鉆井領域研究應用最多的還是氣動（又稱空氣錘）和液動沖擊器2種。

1.3.1 液動旋沖鉆井技術

液動沖擊器只需串聯于井下鉆具組合中即可實現液動旋沖鉆井。1900—1905年，俄國工程師B·沃爾斯基——第1位液動沖擊鉆具理論研究者，設計了幾種石油鉆井液動沖擊器。目前，國外許多公司在液動沖擊器方面的研究都處于先進水平，其中有美國Smithtool公司、Undergauge公司、AWDS公司、Sperry鉆井服務公司和德國克勞斯塔爾工業大學、日本TONE公司、挪威國家石油公司等，其研究主要以各類閥式沖擊器為主。

20世紀90年代中期，國土資源部勘探技術研究所、德州石油鉆井研究所、長春科技大學、中國石油大學等科研單位對旋沖鉆井技術展開研究，發明了射流式沖擊器、射吸式沖擊器。其中，中石化德州石油鉆井研究所研制的YSC－178型液動射流式沖擊器處于國內領先水平。

1.3.2 氣動旋沖鉆井技術（空氣錘鉆井）

加拿大一項使用氣動旋沖鉆井技術的現場記錄表明，用166個純鉆時，鉆深可達1 738m。目前，美國英格索蘭公司在空氣錘鉆井技術領域處于領先地位，能生產多達40余種氣動沖擊器，鉆孔范圍90～1 980mm；同時其研制了多種類型沖擊鉆頭和比較成熟的配套設備，能適應各種地層的鉆進［21］。

國內各研究機構開始重視氣動旋沖鉆井技術，但目前還處于研究階段。

2 新型鉆井破巖方法

由于現有旋轉鉆井方式在提高機械鉆速的能力方面是有限的，全新的鉆井破巖方法打破了常規旋轉鉆井破巖方式［22－23］。研究工作者提出了全新的鉆井破巖方法。

2.1 粒子沖擊破巖技術

粒子沖擊鉆井是以高速球形硬質鋼粒子沖擊破巖為主，聯合高速水力破巖和機械牙齒破巖為輔的一種新的鉆井破巖方法。在鉆井過程中，為實現粒子破巖過程，需在鉆井液泵出后通過注入系統將粒子注入到高壓鉆井液中，經過鉆具到達專門設計的PID鉆頭，粒子以較高的頻率和速度從噴嘴噴出并沖擊地層，實現破碎巖石的目的，并被鉆井液攜帶返到地面，粒子被捕獲分離再利用。

2005年，在鹽湖城TerraTek的鉆井完井實驗室，PDTI公司首次試驗了自己設計的2種新型PID鉆頭。2006年，PDTI公司才成功地完成第2口井的現場試驗，并創下粒子沖擊鉆井（PID）最長的現場鉆進記錄——PID鉆進7h，進尺28.0m，而常規鉆頭在該地區鉆進24h，平均進尺約為27.4m。2007年，PDTI公司在Texas東部的TravisPeak層段又完成了粒子沖擊鉆井系統的一次試驗，使用常規鉆井工藝，在本次試驗之前的井段，鉆速為1.2 m／h；在本次試驗之后的井段為2.6m／h，而PID的平均鉆速為5.4m／h［24］。

伍開松等［25］對雙粒子沖擊破巖進行數值模擬分析，采用無量綱分析方法，得到雙粒子沖擊破巖的規律及雙粒子在各種參數（粒子直徑、粒子間距、沖擊初速度和入射角度）變化時的沖擊破碎巖石效果。

與傳統鉆井相比，粒子沖擊鉆井系統的主要優點是：①粒子沖擊產生的局部瞬時脈沖應力峰值極高，足以破碎和侵徹極堅硬的巖石，提高了能量的利用率，其鉆井速度是常規鉆井的2～4倍；②需要的鉆壓和扭矩較常規鉆井要小得多，大大地減小了鉆柱和鉆具的疲勞破壞的概率，鉆頭磨損非常小；③粒子沖擊破巖能產生比較精確的預期井眼直徑和井眼軌跡，對防止井斜能產生顯著的效果。

粒子沖擊鉆井技術有可能成為一種高效經濟的深井硬地層鉆井的新方法。該技術經歷了室內實驗階段和現場試驗階段，目前正在邁入商業應用階段。2.2 激光鉆井破巖技術

從20世紀60年代開始，許多國家開展了利用激光破巖的研究工作，它經歷了小功率激光器的巖石切割階段和大功率激光器的鉆井破巖階段。激光破巖的基本原理是利用高能光束直接作用巖石，使之局部快速加熱到熔化和汽化狀態并形成氣、液2相混合物，然后由高速輔助氣流將其攜走和排除，是一種非機械接觸式的物理破巖方法［26］。

1999年，美國前芝加哥天然氣研究院進行了激光鉆井可行性試驗，結果肯定了其可行性，在鉆進砂頁巖夾層時，激光束鉆進速度可達137.2m／h，是轉盤鉆井的10～100倍，并且激光鉆井形成堅固、光滑的井壁可以避免井眼坍塌等情況［27］。1998—1999年，俄羅斯Lebedev物理研究所開展了激光破巖的巖石臨界能量和巖石激光可鉆性等方面的基礎研究［28］。2000年，加拿大Dalhousie大學［29］開展了激光破巖的巖石傳熱學和熱力學方面的研究。

1998～2007年，我國學者易先中［30］開展了激光破巖機理研究并進行了大量室內試驗，其研究結果表明：激光破巖速度可高達105～115m／h，巖石基本上是以受熱碎裂、汽化和熔融等形式破壞。巖石受激光作用后，熱影響區附近的巖石存在著宏觀裂紋發育現象，其孔隙度、滲透率均有提高。另外，開展了激光破巖的排屑機理與溫度場特性研究，得出溫度場的劇烈變化是引起巖石微觀物性、宏觀性質發生改變的根本因素。2010年，中國石油大學（華東）徐依吉等［31］分析了激光破巖試驗中出現的巖石熱裂、液體汽化效應，得出了影響激光熱裂巖石、激光汽化鉆井液的因素，從理論上探討了激光－氣體機械聯合鉆井與激光激勵汽化射流輔助鉆井方法的可行性。

采用激光鉆井主要具有以下優勢［32］：①激光鉆進更易穿透巖石，同時光子沿直線傳播，所以井眼軌跡偏離預定軌道的情況減少；②激光鉆井過程中無需鉆頭、套管等設備，免去了下套管和起下鉆柱的時間，大大節約了成本和時間；③激光沖擊巖石后會形成一層堅硬井壁，可以有效地防止地層流體流入井中，預防井噴；④激光器系統包括各種圖像可視系統及井下傳感器，可以對整個鉆進過程有更全面的把握與布局。

激光鉆井破巖技術是一項前沿技術，其發展前景廣闊。目前，國內外在這方面的研究還處于探索階段，主要包括理論模型和試驗研究等，預計2020年投入商業化應用，并有望給鉆井帶來一場革命。

2.3 等離子體破巖技術

20世紀60年代中期，等離子體切割金屬的技術被引入到巖石破碎中，并用于二次破碎大塊巖石。若在等離子槍的金屬陰、陽極之間加上常規的直流電壓，便可通過高頻電火花或碳粒短路激發，而產生電弧。等離子體破巖是在等離子弧的作用下，以巖石中產生的應力狀態為基礎的。在高溫高速的等離子弧的作用下，產生的熱應力超過巖石的強度極限從而使它破碎［33］。等離子弧破巖如同火鉆一樣，屬于熱力破巖。

挪威的獾式鉆探器公司開發了等離子體通道鉆井技術，該技術的核心是高電壓脈沖能量技術。利用高電壓脈沖在“鉆頭”前方的巖石中形成高能等離子體，等離子體在＜1μs的時間內在巖石中極迅速地膨脹，導致局部巖石破裂和破碎。2006年，斯特拉斯克萊德大學電子電氣工程系利用高壓電脈沖微放電的作用，使巖石開裂破碎，產生直徑25～50mm的洞。該裝置能使放電長度縮小到10～20mm，且1s內連續20～30次，巖石在這樣頻繁的作用下破碎。由于產生小洞，需要清除鉆屑要少得多，這樣也就降低了鉆井成本，同時減輕了對環境的影響。加拿大諾蘭達技術中心研究了等離子爆破技術，即利用電容器的放電使鉆孔中的電解液汽化產生高溫高壓等離子用以破巖，但距離應用還為時尚早［34－35］。

2006年，我國學者陳世和［33］探究了低溫等離子體破巖、鑿巖的原理和方法，應用等離子技術在核工業礦山破碎堅硬巖石，并取得了顯著效果，充分反映了等離子技術的優越性和先進性。

在石油鉆井中，經常會鉆遇硬度較大的巖層，主要有石英巖，砂巖等。試驗表明：等離子破巖技術在鉆遇這樣的高硬度地層時，鉆進速度很快。應用等離子體技術進行鑿巖和破巖，發揮了等離子體高溫高速的優勢，非常堅硬的巖石也只要2～3min就可以使其破碎，破巖效率遠大于機械破巖效率。

這項破巖技術目前尚處于驗證階段，其可行性還有待進一步驗證。如果它最終能夠通過現場試驗，則有望成為一種新的簡單、高效、成本低、風險小的破巖方式，將主要用于修井和鉆小井眼。

2.4 電子束破巖技術

電子在強電場作用下獲得動能，在真空中經過聚焦形成定向高速電子束，用它可以切割金屬和破碎巖石，目前已研制出功率為150kW的電子束破巖裝置。巖石在電子束作用下是以熔化和汽化形態離開巖體的，因此，對巖石的加熱作用不受巖石種類影響。電子束破巖裝置有2種不同系統：一種是聚焦電子束；另一種是脈沖電子束。

國外對聚焦電子束破巖技術進行了大量研究與試驗，結果表明：聚焦電子束破巖方法是最為成熟的，任何一種硬巖在電子束作用下均可被破碎。對電子束這種破巖方法而言，巖石硬度是微不足道的［36］。1976年，美國加利福尼亞大學勞倫斯－伯克利試驗室提出一種脈沖電子加速器掘進機，這種加速器能產生脈沖寬度＜1μs的1×106～4×106V的脈沖電流，脈沖的重復頻率為360Hz，每微秒可放出25J能量。用這種加速器破巖可不受巖種的限制，硬巖軟巖都可，甚至硬巖的剝落比軟巖更容易些。每次剝落巖石的深度可達7～15mm，直徑120～130mm，比能為1.25kJ／cm3。特別需要指出，脈沖電子束破巖機理與聚焦電子束不同，它不是靠熔化，而是靠熱拉應力形式剝落巖石。熱拉應力產生的原因與脈沖水射流相似。

盡管電子束破巖有能量密度大、轉換效率高、適用性廣等優點，且不存在一般機械法的反沖問題。但是，目前電子束破巖的研究還處于實驗室階段，還有許多問題，如能耗大、照射距離小等需要研究解決，才有可能在采礦工業中應用。

2.5 新型鉆井破巖方法的未來趨勢

面對油氣勘探開發的程度加深、難度加大、開發成本高等問題，必須要提高鉆井質量。我國東西部存在著大量的復雜堅硬地層，而西部地區油氣藏埋藏普遍較深，急需解決深部地層鉆井效率低的問題，提高破巖效率是加快鉆井速度的最優途徑。激光鉆井破巖技術和粒子沖擊破巖技術能解決深井、硬地層鉆速慢的問題，為鉆硬地層提供了一個技術儲備方向。激光鉆井和旋轉鉆井有機地結合起來，將會逐漸取代傳統的旋轉鉆井技術，成為一種經濟、高效的鉆井新方法。預計到2020年，激光鉆井技術將會投入商業化應用，并成為鉆井發展的方向。等離子破巖技術和電子束破巖技術目前都處于試驗階段，有待于進一步驗證其可行性。

3 結語

旋轉鉆井高效破巖方法經多年理論攻關及現場實踐，已逐漸趨于成熟并廣泛應用于現場，其各種設備逐步完善。高壓水射流破巖技術、欠平衡鉆井破巖技術、旋沖鉆井破巖技術等旋轉鉆井破巖方式在今后的一段時間內依然是鉆井工程的主體，但隨著科學技術的發展，新型高效破巖方法將會取代傳統的破巖方法。目前，粒子沖擊破巖技術、激光鉆井破巖技術、等離子破巖技術、電子束破巖技術等新技術雖然處于試驗探索階段，但將逐漸成為具有發展潛力的新鉆井破巖技術，并逐漸改變整個鉆井破巖體系，成為鉆井發展的新方向。

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Synthesizing Comment on Efficient Rock Fragmentation Method in Frontier Drilling Technology

YAN Tie1，DU Jie－yu1，LI Wei1，BI Xue－liang1，YAO Shang－lin2
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Energy Institute，China University of Geosciences（Beijing），Beijing100083，China）

Efficient rock fragmentation technology，the foundation of drilling engineering，is one of main factors that improves rock fragmentation efficiency and reduces drilling time and cost.The major efficient broken rock drilling methods are introduced in this paper，such as high pressure water jet drilling technology，rotary blunt drilling technology，particle shock rock fragmentation technology，laser drilling rock fragmentation technology and electron beam rock fragmentation technique，etc.Principle，characteristics，development trend and the current application of all kinds of efficient rock fragmentation technology are summarized in this paper.Analysis results show that traditional rock fragmentation technology，high pressure water jet rock fragmentation technology and rotary blunt drilling rock fragmentation technology，will still be subject in certain time.However，the new efficient rock fragmentation drilling technology，Laser drilling rock fragmentation technology and electron beam rock fragmentation technology，are in exploration stage，will yet become development direction of rock fragmentation technology gradually.

efficient rock－breaking；rock fragmentation efficiency；well drilling；method；mechanism

1001－3482（2012）01－0050－06

TE21

A

2011－07－12

國家自然科學基金（50974029）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究”（2010CB226703）

閆 鐵（1957－），男，黑龍江肇州人，教授，博士生導師，博士，主要從事油氣井工程力學等方向的教學和研究工作，E－mail：yant＠dqpi.edu.cn.