郭先敏

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

目前，深井、超深井鉆井存在機械鉆速慢等諸多技術(shù)難點，鉆井成本很高。復(fù)雜地質(zhì)條件對鉆井技術(shù)提出了“優(yōu)、快、省、HSE”的要求，促使鉆井技術(shù)不斷革新。自20世紀60年代激光技術(shù)興起以來，國內(nèi)外專家學(xué)者對激光鉆井進行了50多年的研究，雖然理論研究證實激光鉆井可顯著提高機械鉆速，降低鉆井成本，但至今仍未見到穿透深度超過1m的文獻報告，更沒有在現(xiàn)場進行應(yīng)用［1－10］。激光鉆井未能取得重大進展，有基礎(chǔ)物理學(xué)和工藝方面的原因。美國麻省理工學(xué)院的Paul Woskov于2008年提出了可克服激光波譜范圍局限性的毫米波鉆井技術(shù)［11］。應(yīng)用該技術(shù)可省去常規(guī)鉆井更換鉆頭、清除巖屑和下套管固井等施工工序，可顯著提高機械鉆速，適合等井徑井眼鉆井施工。該技術(shù)目前雖處于研發(fā)階段，卻是為降低深層高溫巖體地?zé)崮茉?、石油和天然氣勘探開發(fā)成本而研發(fā)的。為了給我國毫米波鉆井技術(shù)的研發(fā)提供借鑒和研究思路，筆者對國外毫米波鉆井技術(shù)進行了介紹。

1 毫米波鉆井技術(shù)原理

毫米波是指波長為1～10mm，工作頻率為30～300GHz的電磁波。它位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有2種波譜的特點。毫米波的理論和應(yīng)用分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。近十幾年來，毫米波的應(yīng)用范圍迅速擴大，大功率毫米波回旋管發(fā)射機是毫米波得以應(yīng)用的載體。在國際聚變能發(fā)展計劃實施過程中，已研制成功發(fā)射頻率110～170GHz、功率1MW的毫米波回旋管發(fā)射機，其功率轉(zhuǎn)換效率超過50%。另外，發(fā)射頻率200～300GHz、功率1MW短脈沖毫米波回旋管發(fā)射機也已經(jīng)研制成功［12－14］。

圖1 毫米波鉆井過程示意Fig.1 Process of millimeter wave drilling

毫米波鉆井技術(shù)是利用大功率毫米波回旋管發(fā)射機發(fā)射的毫米波電磁能強束熔化、蒸發(fā)巖石而進行鉆進，鉆井過程如圖1所示。將圓形金屬波導(dǎo)管下入井眼一定深度，使金屬波導(dǎo)管前緣與井底間隔一定的距離，不僅可保證毫米波強束具有一定的發(fā)散度，能夠充滿整個井眼，而且可保持金屬波導(dǎo)管前緣溫度足夠低，延長金屬波導(dǎo)管的使用壽命。位于地面的毫米波回旋管發(fā)射機發(fā)射的毫米波強束通過金屬圓形波導(dǎo)管傳輸至波導(dǎo)管前緣，經(jīng)井眼（直徑10～30cm的井眼可作為傳輸毫米波的介質(zhì)，與長波光導(dǎo)纖維相似，但會出現(xiàn)能量損失）傳輸至井底，通過金屬圓形波導(dǎo)管向井眼內(nèi)注入壓縮空氣，控制井眼內(nèi)的壓力。在毫米波強束的作用下，井底巖石表面溫度快速升高，當(dāng)溫度超過3 000℃時巖石開始熔化和蒸發(fā)，熱熔體前沿快速前進，使井眼得以加深，產(chǎn)生的飽和巖石蒸汽形成納米顆粒煙霧，使井眼內(nèi)的壓力增大，一部分巖石蒸汽隨著氣流通過金屬圓形波導(dǎo)管和井眼之間的環(huán)形空間運移至地面，另一部分在壓力推動下進入地層微裂縫，冷卻后在井壁上形成厚的、堅固的玻璃／陶瓷層。當(dāng)毫米波在介質(zhì)傳輸中能量損失過大造成機械鉆速快速降低時，加深金屬波導(dǎo)管的下入深度、恢復(fù)金屬波導(dǎo)管前緣與井底之間的間隔距離，重復(fù)上述過程，即形成高效、控制狀態(tài)下的鉆井過程［11，15］。

2 巖石蒸發(fā)理論

2.1 熱力學(xué)基礎(chǔ)

毫米波蒸發(fā)巖石消耗的總能量H可以表示為4個階段所需能量的總和［16］：第1階段，巖石加熱至熔點所需要的能量；第2階段，巖石從固體變?yōu)槿刍癄顟B(tài)所需要的熔化潛熱；第3階段，巖石從熔化狀態(tài)至蒸發(fā)溫度所需要的能量；第4階段，巖石從熔化狀態(tài)變?yōu)檎羝枰钠瘽摕帷Ｓ霉奖硎緸椋?/p>

式中：cs為固體巖石的平均熱容，J／（g·℃）；cm為熔化巖石的平均熱容，J／（g·℃）；ti為巖石的初始溫度，℃；tm為巖石的熔化溫度，℃；tv為巖石的蒸發(fā)溫度，℃；Hf為熔化潛熱，J／g；Hv為汽化潛熱，J／g。

式（1）只是一個簡化的表達式，忽略了巖石從固相轉(zhuǎn)變?yōu)槿刍嗟闹虚g相變以及溫度對熱容的依賴關(guān)系。熱容取平均值即可預(yù)測所需的能量。表1和表2是利用大氣科學(xué)團體關(guān)于隕石熔化變?yōu)榧{米顆粒煙霧進入大氣的試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合特魯頓法則預(yù)測得到的巖石熔化和蒸發(fā)所需的能量［16］。

從表1和表2可以看出，巖石蒸發(fā)所需要的能量是巖石熔化所需能量的4～5倍，這與激光系統(tǒng)下測量的結(jié)果基本相符，這是因為紅外線能通常受到羽煙的阻礙，只有在極少的情況下或在脈沖開始時與才能巖石表面較好地耦合。毫米波輻射可以克服這一局限性，因為對于細小顆粒來說，瑞利散射能力與波長的4次方成反比，也就是說，散射損失隨毫米波波長增長而降低［17－18］。另外，巖石蒸發(fā)得到的顆粒更小，達到納米級，而較低能量的激光鉆井所得到的顆粒尺寸僅為微米級。

表1 巖石熔化所需的能量Table 1 Estimated energy for melting rocks

表2 巖石蒸發(fā)所需的能量Table 2 Estimated energy for vaporizing rocks

2.2 機械鉆速和井眼直徑理論預(yù)測

可用機械鉆速和井眼直徑這2個參數(shù)評價毫米波鉆井技術(shù)。美國麻省理工學(xué)院的Paul Woskov等人對此進行了預(yù)測［16］。

由于毫米波鉆井是利用毫米波輻射熔化、蒸發(fā)巖石而鉆進，因此，其機械鉆速即為毫米波輻射下巖石蒸發(fā)的速度，因而與巖石的蒸發(fā)比能、吸收功率密度密切相關(guān)。在巖石吸收功率密度給定的情況下，利用巖石蒸發(fā)比能可確定毫米波鉆井的機械鉆速，其表達式為：

式中：vP為機械鉆速，cm／s；PD為功率密度，kW／cm2；eV為蒸發(fā)比能，kJ／cm3。

根據(jù)式（2）計算得到巖石蒸發(fā)比能分別為10，20和40kJ／cm3時的功率密度與機械鉆速關(guān)系曲線（見圖2）。對于具有代表性的蒸發(fā)比能為26kJ／cm3的花崗巖和玄武巖，其吸收功率密度為1～50kW／cm2，毫米波鉆井機械鉆速為1.4～70.0m／h。為了避免產(chǎn)生等離子體，建議功率密度不要太高。因為等離子體會使能量多向流動，而不是定向流動，使機械鉆速降低。在不產(chǎn)生等離子體的情況下，巖石的熔化和蒸發(fā)可利用更多的稠密能量，減少巖石表面的直接能量耦合，同時使熱熔體前沿成為一個錐形模腔，有助于提高熱熔體前沿對稠密毫米波強束的吸收效率，從而提高機械鉆速。短脈沖回旋管毫米波束空氣擊穿試驗證實，在大氣環(huán)境下，功率密度超過1MW／cm2才會發(fā)生擊穿。雖然擊穿閾值隨著作業(yè)的連續(xù)進行會有所降低，但在深井較高的壓力環(huán)境下會增大。

圖2 不同巖石蒸發(fā)比能下功率密度與機械鉆速的關(guān)系Fig.2 Relationship between power density and penetration rate at different specific energies of rock vaporization

在毫米波回旋管發(fā)射機輸出功率P一定的情況下，可估算出井眼的直徑D。功率密度與井眼直徑的關(guān)系式為：

圖3為根據(jù)式（3）計算得到的不同功率下功率密度與井眼直徑的關(guān)系曲線。由圖2和圖3可以看出：毫米波鉆井的機械鉆速和所鉆出井眼的直徑與毫米波回旋管發(fā)射機輸出的功率有直接的關(guān)系，輸出功率越大，機械鉆速和井眼直徑也就越大。

圖3 不同功率下功率密度與井眼直徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between power density and wellbore diameter at different millimeter wave powers

3 巖石蒸發(fā)試驗研究

2011年10月，Paul Woskov和Phil Michael等人首次采用輻射線熱分析方法進行了毫米波熔化和蒸發(fā)巖石的實時動態(tài)熱力學(xué)試驗［19－20］，巖樣為美國馬薩諸塞州東部采集的質(zhì)地堅硬的淺灰色花崗巖。

毫米波蒸發(fā)花崗巖巖樣試驗的設(shè)備主要有10kW、28GHz CPI Model VIA－301HeatWave二次諧波回旋管，水負荷試驗箱，130GHz外差式輻射計，一對完全相同的肖特基二極管檢波器，定向耦合器，TE02－TE01模式轉(zhuǎn)換器，Agilent Model E83632B網(wǎng)絡(luò)分析儀及其他組件。試驗箱為帶有不銹鋼蓋的φ32cm不銹鋼杜瓦瓶，其內(nèi)部高度為76cm。內(nèi)徑32mm的銅波導(dǎo)管穿過不銹鋼蓋中心進入試驗箱?；◢弾r巖樣放在陶瓷坩堝或鋁支架上。φ13mm特氟隆管（水在其中流動）螺旋排列在試驗箱的內(nèi)壁上，用來吸收捕獲的能量，監(jiān)測水的流量和溫度的上升值，以確定吸收功率的大小。從試驗箱上面銅波導(dǎo)管內(nèi)的屏蔽窗進入的壓縮空氣可防止揮發(fā)物向銅波導(dǎo)管內(nèi)傳播。130GHz外差式輻射計包括次諧波混頻器和65GHz本機振蕩器，可實時測量巖石表面的溫度變化。2個肖特基二極管檢波器可分別測量正向功率和反射功率。定向耦合器在TE02工作模式下可對毫米波信號按照一定的功率比例進行分配。Agilent Model E83632B網(wǎng)絡(luò)分析儀可測量室溫下巖石對28GHz毫米波的折射指數(shù)和吸收系數(shù)。

3.1 巖石蒸發(fā)試驗結(jié)果

共進行了4塊花崗巖巖樣蒸發(fā)試驗，其中1＃和2＃巖樣經(jīng)毫米波輻射后的情況如圖4所示。1＃巖樣共進行了2次毫米波輻射：第1次入射功率4kW，時間3.6min；第2次入射功率6kW，時間3.3min。從圖4可以看出：1＃巖樣上直徑15.5mm的虛線圓是TE01模式下峰值功率輻射輪廓的大體位置；不規(guī)則黑色區(qū)域表明玻璃熔體已經(jīng)流到輻射范圍之外，并存在許多輻射過程中巖石蒸汽散逸形成的坑，最大的直徑可達5mm；熔化區(qū)域周圍的未熔化區(qū)域顏色較淺，后來證實該區(qū)域的巖石很脆，容易破碎；在熔化區(qū)域周圍存在發(fā)絲狀裂縫，沿著巖樣的側(cè)邊向下延伸約4mm。1＃巖樣的質(zhì)量損失為1.2g，僅為初始質(zhì)量的0.07%，研究認為是脫氣而不是巖石蒸發(fā)所致。

圖4 毫米波輻射后的巖樣Fig.4 Rock samples after millimeter wave radiation

2＃巖樣輻射時間為9min，入射功率從1.2kW緩慢增至3.9kW，輻射后也出現(xiàn)了黑色玻璃熔體區(qū)域。將巖樣沿著黑色區(qū)域中心對半切開（見圖4），巖石的熔化深度清晰可見，黑色熔體延伸的最大深度為9mm，顏色較淺區(qū)域延伸深度大約30mm，而且輻射引起巖石破裂，從巖樣左上角開始沿著對角線向右下延伸。雖然在室溫下，輻射使巖石有一定的熔深，但高于熔點以上的吸收主要還是發(fā)生在巖石表面。2＃巖樣的質(zhì)量損失為3.2g，為初始質(zhì)量的0.24%，假設(shè)脫氣質(zhì)量與1＃巖樣相等，那么其余2g就是蒸發(fā)所致。

輻射過程中對溫度、正向功率和水吸收功率進行了實時測量，計算分析得到花崗巖熔體的輻射系數(shù)為0.66±0.03，而在76s蒸發(fā)周期（溫度2 710±120℃）內(nèi)，輻射系數(shù)增至0.70±0.03。

3.2 功率平衡分析

在76s穩(wěn)定蒸發(fā)周期內(nèi)，認為正向功率與所有功率的損耗相等，由此可確定巖石的蒸發(fā)比能。功率平衡方程為：

式中：Pvap為巖石蒸發(fā)消耗的功率，kW；Pf為回旋管毫米波發(fā)射器的正向功率，kW；Prad，Pcond和Pconv分別為輻射、傳導(dǎo)和對流功率損耗，kW；ε為毫米波輻射系數(shù)；V為巖石蒸發(fā)的體積，cm3；t為巖石蒸發(fā)時間，s；εir為熱輻射波長最大時的紅外輻射系數(shù)；σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，σ＝5.67×10－8W／（m2·K4）；A為蒸發(fā)面積，cm2；Th為蒸發(fā)溫度，K；Tc為環(huán)境溫度，K；h為對流換熱系數(shù)，W／（m2·K）。

計算可知巖石蒸發(fā)消耗的功率和輻射功率損耗之間的差為1.91kW，而這不可能實現(xiàn)，除非在溫度為2 710℃時花崗巖熔體的紅外輻射系數(shù)低于0.5。不同玻璃熔體的紅外輻射系數(shù)有極大差別，玄武巖熔體的紅外輻射系數(shù)為0.2～0.5。假設(shè)花崗巖熔體的紅外輻射系數(shù)為0.2～0.5，那么蒸發(fā)比能為10～100kJ／cm3，因此不能通過功率平衡分析獲得精確的巖石蒸發(fā)比能，除非輻射功率損耗是已知量，或需要測量明顯高于蒸發(fā)臨界值的入射波束強度情況下的質(zhì)量損失。但目前的試驗和分析足以證明，毫米波比紅外波更容易被高溫熔化的巖石吸收。

3.3 鉆進性能評價

通過測得的熱力學(xué)參數(shù)可對毫米波鉆井的鉆進效果進行評價。在毫米波耦合效率為0.7、紅外輻射系數(shù)為0.5、巖石蒸發(fā)比能分別為25和45kJ／cm3條件下，得到毫米波鉆井機械鉆速和功率密度的關(guān)系曲線（見圖5）。功率密度為1～100kW／cm2時不僅可確保足夠的輻射熱量，還可避免發(fā)生等離子擊穿，從而提高機械鉆速。從圖5可以看出，當(dāng)巖石蒸發(fā)比能為25kJ／cm3、功率密度為100kW／cm2時，機械鉆速可達100m／h，這幾乎是采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆地?zé)峋畽C械鉆速的100倍，而在毫米波功率轉(zhuǎn)換效率超過50%的情況下，回旋管毫米波發(fā)射機發(fā)射功率為2 MW的毫米波可以在巖石功率密度為1kW／cm2的地層鉆出直徑25cm的井眼。

圖5 毫米波定向能鉆井機械鉆速與功率密度之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between ROP and power density for millimeter wave drilling with directed energy

4 結(jié)論與建議

1）毫米波鉆井技術(shù)利用毫米波電磁能強束結(jié)合高壓熔化、蒸發(fā)巖石并對產(chǎn)生的納米級巖石顆粒煙霧進行清除，以實現(xiàn)井眼連續(xù)鉆進。與激光鉆井技術(shù)相比，極低的散射損失使毫米波波束可有效通過微米級和亞微米級顆粒而不會受到干擾，因此可提供更高的能量，鉆進效率更高，機械鉆速可以進一步提高。

2）進一步進行10kW和更高功率毫米波輻射蒸發(fā)巖石的試驗，對比分析不同的入射功率、蒸發(fā)效率和毫米波鉆井的鉆進性能及經(jīng)濟性的關(guān)系，并對納米級顆粒煙霧冷卻后形成的玻璃／陶瓷狀物質(zhì)進行強度、密封能力及其他特性測試。

3）研發(fā)小尺寸毫米波鉆井系統(tǒng)并進行淺層測試，為全尺寸毫米波鉆井系統(tǒng)的研發(fā)及現(xiàn)場應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4）建議進行毫米波輔助破巖的可行性研究，為深井、超深井鉆井提速、提效提供更為有效的技術(shù)手段。

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