韓彬,李美艷,李璐,王勇 (中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東青島266580)

激光輔助破巖可鉆性評價

韓彬,李美艷,李璐,王勇 (中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東青島266580)

激光輔助破巖是一種新的破巖方法。采用高能量激光束照射巖石表面,研究巖石對激光束的敏感性,并對激光輔助破巖的可鉆性進行評價。結(jié)果表明,給定工藝參數(shù)下,砂巖激光鉆孔處理后表面分為灰色瓷釉層、白色熱影響區(qū)和褐色熱影響區(qū)三個區(qū)域。與砂巖相比,花崗巖經(jīng)激光照射后表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,玻璃泡周圍形成大面積起裂區(qū),且相同工藝參數(shù)下鉆孔深度明顯降低。激光照射花崗巖后可鉆性級數(shù)較未處理巖石明顯降低,表面具有明顯的磨損和滑擦痕跡,孔周圍有裂紋及破碎現(xiàn)象,原始玻璃釉層出現(xiàn)明顯的碎裂。激光照射砂巖后可鉆性級數(shù)變化不大,表面出現(xiàn)磨損和滑擦痕跡,孔周圍未見塑性變形。

激光;巖石破碎;宏觀形貌;可鉆性

目前在地質(zhì)鉆探和石油鉆井中,大多數(shù)情況下都采用機械方法破碎巖石,即在軸壓和扭矩 (剪切力)作用下破碎巖石,該方法碎巖效率不高,鉆頭壽命較短,因此迫切需要研發(fā)新的鉆進方法[1,2]。激光束具有相干性好、指向性好 (近于平行光)、單色性好、亮度高和聚光性能好等優(yōu)點,光束密度可達109W/mm2,受如此高密度的光束照射時,巖石可在極短時間(1μs或1ms)內(nèi),在很小范圍內(nèi)出現(xiàn)急速升溫和急速凝固的過程,使巖石受熱后產(chǎn)生微裂隙并擴張、相變而引起顆粒分離,氣體與水在空穴中擴張并最終導(dǎo)致巖石破碎[3～5]。依靠激光輔助破碎巖石,能夠為后續(xù)的機械破巖創(chuàng)造有利條件。

巖石可鉆性作為衡量破碎巖石難易程度的一個綜合指標(biāo),是工程鉆探中選擇鉆進方法、鉆頭結(jié)構(gòu)類型、鉆進工藝參數(shù),衡量鉆井速度的主要依據(jù)[6]。筆者采用高能量激光束照射巖石表面,然后采用PDC鉆頭進行機械鉆進,研究巖石對激光照射的敏感性以及激光輔助破巖對機械鉆井的影響,對提高深層巖石的鉆井速度提供理論支持。

1 試驗材料及方法

1.1 可鉆性級數(shù)的概念

采用可鉆性測定儀,用直徑31.75mm的微鉆頭在巖心上鉆孔,記錄鉆深3mm的鉆孔時間,換算成以2為底的對數(shù)來表示可鉆性,所得值稱可鉆性級數(shù)。隨著巖石可鉆性級數(shù)增大,巖石可鉆性降低。可鉆性級數(shù)的計算公式可表示為[1]:

式中:Kd為可鉆性級數(shù);t為時間,s。

1.2 試驗材料及方法

試驗材料為120mm×120mm×80mm的砂巖和花崗巖,采用DL-HL-T5000型CO2激光加工成套設(shè)備照射巖石表面,激光功率P=900W,作用時間t=4s,離焦量L=103mm。處理后采用kzx-1型多功能巖石可鉆性測定儀對經(jīng)過激光處理的巖石進行可鉆性試驗,評價激光處理對巖石可鉆性的影響。可鉆性試驗采用PDC型鉆頭,鉆進巖石深度為3mm,鉆載壓力為508N,試驗后采用LEICA S6D三維體式顯微鏡觀察巖石表面形貌。

1.3 試驗方案設(shè)計

試驗采用以下方案對巖石表面進行激光表面照射處理,如圖1所示。其中,第1圈直徑為2.1cm,第2圈直徑為3.3cm,第3圈直徑為4.2cm(圖1)。巖石的激光處理參數(shù)及所選加工方案見表1。

表1 激光處理巖石工藝參數(shù)及試驗方案

圖1 巖石表面激光處理方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 激光輔助破巖效果

圖2所示為給定工藝參數(shù)下砂巖激光鉆孔處理后的表面形貌,由圖2可知,鉆孔后表面主要分為3個區(qū)域:灰色瓷釉層、白色熱影響區(qū)和褐色熱影響區(qū)。圖3所示為砂巖激光鉆孔處理后的截面形貌。由圖3可知,鉆孔內(nèi)部截面主要分為2個區(qū)域:灰色瓷釉層和褐色熱影響區(qū)。

圖2 砂巖激光照射后表面形貌

圖3 砂巖激光照射后截面形貌

圖4 花崗巖激光照射后表面形貌

圖5 花崗巖激光照射后截面形貌

圖4所示為花崗巖經(jīng)激光照射后的表面形貌。由4圖可知,激光照射后,花崗巖表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,且在玻璃泡周圍形成大面積起裂區(qū)。圖5所示為花崗巖激光照射后的截面形貌。由圖5可知,與砂巖相比(圖3),花崗巖激光鉆孔深度明顯降低,且在鉆孔周圍出現(xiàn)明顯的裂紋,如圖5箭頭所示。激光輔助破巖過程中,激光照射的主要貢獻不是高溫熔化氣化作用,而是依靠激光照射產(chǎn)生的極高的溫度應(yīng)力而引起的破碎作用。在溫度應(yīng)力的作用下,花崗巖能夠產(chǎn)生裂紋及裂縫,且裂紋數(shù)量隨著溫度變化的逐漸增加,直至巖石破碎[7]。

2.2 激光輔助破巖可鉆性評價

按照上述設(shè)計的巖石可鉆性試驗方案,砂巖和花崗巖經(jīng)過PDC鉆頭鉆進后的可鉆性試驗結(jié)果見表2。

表2 激光照射巖石的可鉆性試驗結(jié)果

由表2可見,砂巖和花崗巖的可鉆性級數(shù)與未做處理巖石相比都有所減小,說明巖石可鉆性得到改善,更容易鉆進。同時可見,未經(jīng)處理的花崗巖的可鉆性級數(shù)遠高于砂巖,而激光照射后,與砂巖相比,花崗巖的可鉆性級數(shù)顯著降低,表明激光照輔助破碎花崗巖更有助于提高其鉆進速度。

圖6所示為激光照射巖石經(jīng)PDC鉆頭鉆進后的表面宏觀形貌。圖7所示為未經(jīng)激光照射巖石經(jīng)機械鉆進后的宏觀形貌。由圖7可見,砂巖和花崗巖的研磨表面較光滑,無塑性變形及剝落現(xiàn)象。圖8所示為激光照射巖石經(jīng)PDC鉆頭鉆進后的宏觀形貌。由圖8可知,激光照射砂巖表面具有明顯的磨損和滑擦痕跡,鉆孔周圍未見塑性變形(圖8 (a))。激光照射花崗巖表面具有明顯的磨損和滑擦痕跡(圖8(b)),鉆孔周圍出現(xiàn)明顯的裂紋及破碎現(xiàn)象,原始玻璃釉層出現(xiàn)明顯的碎裂(圖8(c))。

圖6 激光照射巖石經(jīng)PDC鉆頭鉆進后的宏觀形貌

圖7 未經(jīng)激光照射巖石經(jīng)PDC鉆頭鉆進后的宏觀形貌

圖8 激光照射巖石經(jīng)PDC鉆頭鉆進后的宏觀形貌

3 結(jié)論

1)在給定工藝參數(shù)下,砂巖激光鉆孔處理后表面分為灰色瓷釉層、白色熱影響區(qū)和褐色熱影響區(qū)3個區(qū)域;鉆孔內(nèi)部截面分為灰色瓷釉層和褐色熱影響區(qū)2個區(qū)域。

2)花崗巖經(jīng)激光照射后表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,且在玻璃泡周圍形成大面積起裂區(qū),與砂巖相比,相同工藝參數(shù)下花崗巖激光鉆孔深度明顯降低,且在鉆孔周圍出現(xiàn)明顯的裂紋。

3)激光照射花崗巖后可鉆性級數(shù)較未處理巖石明顯降低,經(jīng)PDC鉆頭鉆進后,表面具有明顯的磨損和滑擦痕跡,鉆孔周圍出現(xiàn)明顯的裂紋及破碎現(xiàn)象,原始玻璃釉層出現(xiàn)明顯的碎裂。

4)激光照射砂巖后可鉆性變化不大,經(jīng)PDC鉆頭鉆進后,表面具有明顯的磨損和滑擦痕跡,鉆孔周圍未見塑性變形。

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[編輯] 黃鸝

TE249

A

1000-9752(2014)09-0094-04

2013-12-13

國家自然科學(xué)基金項目(51179202);中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2013D-5006-0309);國家“863”計劃項目(2012AA09A203);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(13CX02073A)。

韓彬(1973-),男,1996年大學(xué)畢業(yè),博士,副教授,現(xiàn)主要從事石油鉆采裝備激光加工處理方面的研究。