深部巖石高效破碎方法研究

張 輝，蔡志翔，姜 敞，艾軍，徐 向

（1.中國石油大學石油工程學院，北京102249；2.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司，四川涪陵408000）

鉆井是石油勘探和油田開發的重要環節，破巖技術是鉆井工程的核心內容，提高鉆井破巖效率能夠經濟高效地開發油氣藏。隨著我國中淺層油氣勘探儲量增長越來越緩慢，未來勘探開發的重點將會轉向深層油氣資源。而在深井、超深井開發過程中由于地層致密、硬度高且研磨性強，傳統機械鉆井方式鉆速低、鉆頭壽命短、鉆井周期長、成本高，因此研究高效破碎硬巖的方法具有重要意義。隨著現代科學技術發展，近40年來國內外積極研究新型破巖方法以期提高破巖效率,當前一些主要的高效破巖方法包括：激光破巖、等離子體破巖、微波破巖、超臨界水熱燃燒破巖、熱熔鉆進破巖、粒子沖擊破巖[1]。在短時間內傳統機械鉆進方式仍將占主體地位，但隨著相關技術的成熟，新型破巖技術將取代傳統破巖技術。本文將著重介紹這些破巖方法及它們的破巖機理、優缺點、國內外研究現狀，并展望深部巖石高效破碎方法的未來與發展趨勢。

1 激光破巖

激光鉆井是在井底通過激光鉆頭將聚能激光束的巨大能量輻照在井底巖石，使巖石局部溫度驟然升高，導致巖石裂解、熔化甚至氣化。形成的氣液固多相混合物由高速輔助氣流攜帶出井，鉆頭繼續鉆進完成整個鉆井過程[2]。

美國和俄羅斯合作于2000年完成了高能激光鉆井破巖的室內可行性試驗,結果表明激光破巖的速度是傳統旋轉鉆井速度的10～100倍（馬衛國，2008）。2010年日本用二氧化碳脈沖激光器分別在凈水和膨潤土溶液淹沒條件下對花崗巖進行了破巖試驗，發現在淹沒條件下激光也能有效破巖。國內對激光破巖的研究起步較晚，自1998年起易先中開始對激光破巖進行研究，室內試驗發現高能激光束穿透泥質砂巖和頁巖試樣的速度可高達105～115m/h。隨后他對激光破巖的儲層物性、排屑機理與溫度場特性進行研究，建立了激光破巖溫度場等焓模型（易先中，2005）。

激光鉆井和傳統鉆井方式相比具有高速度、低成本、高效率和低污染等優勢，但由于大功率激光器遠距離傳輸能力有限，巖石基體材料重熔和井下礦物分解等引起激光能量損失嚴重，使得超大功率激光器能量輸出穩定性較差，因此小功率激光器輔助機械破巖研究成為近年的熱點。可預見隨著激光破巖理論的完善和激光技術的發展，激光破巖技術將從實驗室走向實際應用，并大幅提高油氣資源開采效率。

2 等離子體破巖

等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質第四態，它由離子、電子以及未電離的中性粒子組成，整體呈中性。根據產生等離子體的方式不同，一般有3種等離子體破巖方法，分別是在氣體中產生等離子體電弧的等離子電弧破巖、在液體中產生等離子體的液電沖擊破巖以及在巖石內部產生等離子體的等離子體通道破巖。

2.1 等離子體電弧破巖

等離子體電弧破巖的工具是等離子噴槍（圖1），通過在噴槍陰極和陽極之間加上一定的直流電壓,氣體在高頻起弧或碳粒短路激發下產生等離子體電弧。電離氣體通過水冷噴嘴，并且在機械壓縮、熱收縮或磁收縮等壓縮作用下獲得高溫高速等離子焰流（丁英東，2015）。當高溫（溫度超過5000℃）高速的等離子焰流與巖石接觸時，巖石內部產生的熱應力超過巖石的強度極限從而使巖石破碎、熔化。

圖1 非轉移弧等離子噴槍

等離子體電弧破巖速度受巖石熱力學性質影響與巖石的硬度無關，在硬地層中的速度可以達到傳統機械鉆進速度的3～4倍。2014年Igor Kocis設計了一種等離子噴槍鉆頭，該鉆頭電極上產生的電弧會在工作液的推力和永磁鐵的磁場作用下，從鉆頭端部被推向巖石的表面[3]。國內主要是礦業部門對等離子電弧破巖進行研究，2006年陳世和對等離子焰流破碎大塊礦石進行了研究，發現在礦山中應用等離子技術對硬度f≥6以上的巖石的破碎效果遠遠高于機械破巖（陳世和，2006）。

等離子體電弧破巖速度與巖石硬度關系不大，因此可高效破碎任何軟硬巖石，但研究發現高壓水射流、激光、電子束、等離子電弧4種典型破巖方法所消耗的能量范圍分別為:250～500、1000～2000、3000～6000、50000～100000J/cm2，所以等離子體電弧破巖的能量消耗非常大（周子龍，2005）。等離子體電弧鉆井需要解決地面到井底電能高效的傳輸、設計出適應井底復雜環境的等離子噴槍和巖屑的高效運移這三大問題。

2.2 等離子體液電沖擊破巖

電極對在液體中進行脈沖高壓放電時，會形成等離子體放電通道，電能瞬時注入通道中，使通道中溫度驟然升高（數萬攝氏度），導致放電通道內的壓力急劇升高，在液體中產生壓力高達103MPa～104MPa沖擊波和氣泡潰滅等力學效應，上述效應也稱液電效應[4]。液相放電等離子體破巖就是利用液電效應在液體中產生的沖擊波作用于巖石上使得巖石破碎的破巖方法(圖2)。

圖2 液電效應破巖示意圖

1962年尤特金首次將液電效應用作沖擊力源用于巖石破碎，設計了鑿巖的樣機并進行室內實驗，在大理石和輝綠巖上鉆出直徑40～50mm的孔，破巖速度可達9～30m/h。國內的液電放電等離子體破巖研究主要集中在礦業開采、煤層氣致裂增產和油層解堵等方面，在石油鉆井領域，2016年王廣旭對工作電流、擊穿電壓、脈沖寬度和脈沖間隔等因素對巖石破碎的效果影響進行了研究。

液相放電等離子體破巖可通過調節放電參數有效控制巖石破碎過程，沖擊波產生的巨大壓力是高壓水射流壓力的數十倍，可以實現對深部硬地層的快速鉆進。但單獨使用液電沖擊破巖一定程度上會對井壁和鉆柱穩定性造成影響，因此可研究以等離子體液電沖擊破巖為主，傳統機械破巖為輔的聯合破巖方法，在提高鉆進速度時最大程度消除負面影響。

2.3 巖石放電等離子體通道破巖

等離子體通道破巖就是通過電極對和巖石緊密接觸，電極在巖石內部進行脈沖高壓放電并擊穿巖石形成等離子體通道，儲存在高壓電容上的能量瞬間釋放到巖石內部的等離子體通道中并對通道進行加熱，當等離子體通道膨脹的應力超過巖石的應力強度時巖石就會破碎（張金龍，2013）。

2004年英Timoshkin等人提出等離子體通道鉆井技術并進行了室內實驗，使用?35mm和?50mm的鉆頭電極破碎砂巖時的鉆井速度是1.2～9.6m/h[5]。圖3是2007年Scott設計的一種用于等離子體通道鉆井的鉆頭（Macgregor S J，2004）。國內學者也對等離子通道破巖進行了研究，章志成于2013年開展了幅值電壓30～50kV，單次能量為10～20J脈沖放電破碎巖石的基礎研究。

圖3 等離子通道鉆井示意圖

等離子體通道鉆井技術在硬地層鉆速高，并且成本低、環保性好。接下來需要研究的重點是研制出能夠適應于幾千米井深的高壓脈沖發生器和脈沖傳輸線，深化等離子體通道發展引起巖石變形和破壞的機理研究以及設計合理的等離子體鉆機等。

3 微波破巖

微波是一種波長為0.01～1m，頻率為0.3～300GHz的超高頻電磁波，具有波長短、頻率高的特點。微波破巖是通過加熱巖體來改變巖石的物理性質，微波電磁場以波的形式將能量傳遞給巖石，即在微波電磁場環境中巖石內部電介質分子由于極化現象的劇烈作用導致巖石溫度升高,從而使巖體在水分蒸發、內部分解、膨脹作用下破壞。

D．P.Lindroth開展了在花崗閃長巖及玄武巖中用微波輔助鉆進破巖的技術研究，使用2.45GHz頻率的標準工業微波加熱巖石，實驗結果表明加熱后破巖速度提高了2～3倍，鉆具損耗降低50%。2014年牟善波設計了一種井下微波輔助破巖的鉆具，微波天線直接安裝在三牙輪鉆頭上，發射的微波能量加熱巖石來降低巖石強度輔助鉆頭破巖[6]。2016年戴俊用通過實驗分析提出了微波照射后巖石的抗拉強度計算準則。

微波由于具有無需介質傳遞能量、升溫速度快、穿透性強、過程易于控制等優點,所以它可以作為一種很好的輔助破巖手段。但微波加熱巖石是需要照射一定時間才能產生效果，在礦業、冶金工業有一定的應用價值，但是在石油鉆井目前只可能應用于某些超硬地層的氣體鉆進。

4 超臨界水熱燃燒破巖

超臨界水熱燃燒破巖就是將燃料（H2等）、氧化劑（O2等）和水注入到井底，在地層深處井眼內的靜液柱壓力下，燃料和氧化劑經點火發生超臨界水熱燃燒釋放大量熱量。加熱巖石并在巖石內部產生熱應力，使巖石內部缺陷（如裂紋等）擴展導致巖石破裂成碎塊的破巖方法（圖4）。

圖4 超臨界水熱燃燒破巖示意圖

1989～1993年之間Rauenzahn和Wilkinson做了一系列的數值模擬和室內實驗，實驗證明超臨界水熱燃燒可以作為一種熱源來鉆井。2009年Augustine設計了一套超臨界水熱燃燒破巖的實驗裝備，實驗表明雖然水熱燃燒是能夠提供足夠的溫度來裂解巖石，但是由于技術原因導致火焰燃燒維持的時間總是很短且很難重新點燃[7]。在國內，西安交通大學從2005年起一直致力于超臨界水熱燃燒技術的基礎及應用研究。

相比其它火焰噴射破巖方法，超臨界水熱燃燒鉆井由于可以用水作為鉆井液，所以井眼的清潔和井壁的穩定性都大大地得到了保障。特別是在地熱能開發中，由于超臨界水熱燃燒鉆井對井底高溫的控制能力強所以它更具優勢。但是超臨界水熱燃燒反應溫度（400℃～1200℃）較低，點火裝置可靠性和火焰燃燒的穩定性也都得不到保障，所以仍需通過理論和實驗完善該破巖技術。

5 熱熔鉆進破巖

熱熔鉆進是一種接觸式熱力破巖方法，一般通過石墨電加熱器在耐高溫的鉆頭上產生高溫(大于1600℃)，高溫鉆頭緊貼井底巖石表面使巖石熔化，而熔化的膠體則在鉆壓作用下被壓入進孔壁巖石中形成井壁的一部分。熱熔鉆進效果主要取決于巖石熱物理性質，如巖石的熱傳導性、熔點、粘結性等，而和巖石抗壓強度等力學性質關系不大，所以該方法可以用來破碎大多數熔點在1200～1700K范圍內并且導熱性好的巖石。

美國LASA實驗室在20世紀六七十年代開始研究熱熔鉆進工藝，其后日本、俄羅斯等國家也投入了研究,目前俄羅斯熱熔鉆進水平處于世界領先地位[8]。2002年俄羅斯圣彼得堡礦業學院用新型耐熱合成材料(可達2500℃甚至更高)做成的高溫鉆頭，在砂巖中完成了1.8m深鉆孔的模擬試驗。目前國內對熱熔鉆進的研究剛起步，陳晨2012年對熱熔鉆進過程中溫度場進行研究，建立了熱熔器外巖體中的溫度沿徑向分布的穩態及非穩態熱傳導方程。

熱熔鉆進過程中巖石融化形成玻璃狀井壁可以達到邊鉆邊固的效果，提高鉆井深度同時又減少固井費用，大幅度提高破巖效率并且簡化操作工藝，但熱熔鉆進技術發展仍不完善，面臨的問題有如熱熔器(鉆具)結構形狀需要優化設計、需要尋找鉆具所用的耐高溫抗氧化材料等等。如果以上問題得以解決，熱熔鉆進未來也有可能會應用在可燃冰開采以及地熱井的鉆進中。

6 粒子沖擊破巖

2003年美國的PDTI公司Curler H.B．、和Grego?ry M.A.等人，受到射彈沖擊破巖思想的啟發，提出了粒子沖擊鉆井(Particle Impact Drilling，簡稱PID)技術的新概念[9]。粒子沖擊鉆井是以高速球形硬質鋼粒子沖擊破巖（圖5）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。鉆井過程中，將2%～5%的鋼質粒子注入到高壓鉆井液中，通過鉆桿輸送到PID鉆頭，鉆頭噴嘴以高頻高速將粒子噴出并沖擊破碎井底巖石。

2005～2008年之間，PDTI公司在室內和現場做了一系列的實驗。實驗發現在井深335.28m處，粒子沖擊鉆井系統僅用了8h完成了36.85m的進尺，而常規鉆井則需要24h才能完成。該技術也在國內進行了現場實驗，2013年川慶鉆探工程公司在西南油氣田使用國內首套粒子鉆井設備，順利完成了國內首次粒子沖擊鉆井技術現場試驗[10]。該試驗以20MPa壓力注入8t濃度l%～2%的粒子，試驗井段比上部井段鉆井速度提高了92.7%。

與常規鉆井相比，粒子沖擊鉆井技術大大提高了能量的利用率，其鉆井速度是常規鉆井的2～4倍，可顯著提高深井超深井硬地層機械鉆速，此外它還不容易引起井斜。粒子沖擊鉆井是一種經濟、高效的深井硬地層鉆井的新方法，具有廣闊的應用前景。但是，PID鉆頭的切削模式、噴射系統和巖屑清除方式等許多地方還需進一步研究和改進

圖5 粒子沖擊破巖示意圖

7 結語

（1）目前大部分新型的破巖技術利用各種方法將巖石加熱，巖石在熱應力作用下裂解或融化從而實現巖石破碎，鉆進速度取決于巖石熱物理學性質，與力學性質無關，可顯著提高深部硬巖的鉆進效率。

（2）激光破巖、各種等離子體破巖、微波破巖、熱熔鉆進等破巖方法需從地面或者井底提供電能來維持破巖所需的能量。因此發電機的功率及可靠性、電纜的傳輸效率、鉆具電路設計的合理性以及井下其它電子設備的抗電磁干擾能力可能限制這些技術的推廣應用。

（3）粒子沖擊破巖相關理論研究已較為深入，國內外已有大量成功的現場實驗，因此可能成為首個實現商業應用的新型破巖方法；等離子體液電沖擊破巖過程安全可控，相比其他破巖方法簡單可靠，可與傳統機械破巖方式聯合，是一種值得深入研究的破巖方法。毫無疑問，機械旋轉鉆進破巖由于完善的理論和成熟的現場應用，在未來一段時間內仍將在鉆井工業中占據主導地位。但隨著科學技術的發展，新型高效破巖方法終將取代傳統的破巖方法，逐漸改變整個鉆井破巖體系。