張正祿， 劉運榮， 胡 瓊， 任小玲

(1.中石化石油機械裝備重點實驗室，湖北武漢 430070；2.中石化石油工程機械有限公司石油機械研究院，湖北武漢 430070)

破巖技術是礦業(yè)、土木、交通和軍事等行業(yè)工程領域的核心技術，其中對鉆井破巖技術的研究一直圍繞 “優(yōu)、快、省”和“健康、安全、環(huán)境”展開。20世紀80年代以來，針對常規(guī)機械破巖方式存在機械磨損嚴重、提高破巖效率能力有限的缺點，在完善機械破巖方法的同時，探索了一些破巖新方法[1]，包括激光破巖、等離子通道鉆井破巖和電熱熔破巖等熱能破巖方法及綜合破巖方法。

筆者重點研究了機械能組合破巖、摩擦熱-機械破巖、微波-機械破巖、激光-氣體機械破巖等組合破巖方法的技術研究現(xiàn)狀，并根據(jù)熱作用對巖石性能的影響提出了燃燒熱能-機械破巖技術，從巖石熱物理特性、空氣鉆井裝備工具、高溫材料研究現(xiàn)狀等方面分析了其可行性和需要解決的關鍵問題。

1 機械能組合破巖方法

機械能破巖是利用地面設備和/或井下動力鉆具產生的能量來破碎巖石，破巖效率受地層巖石性質、鉆井方式、鉆井工藝參數(shù)、破巖工具等的影響，需要合理優(yōu)化組合地面設備和井下動力鉆具，有效利用機械能量破巖。

通常，在巖石性能、鉆井方式確定的條件下，破巖能力增強，破巖效率提高。為提高機械鉆速，在常規(guī)破巖方法的基礎上增加了輔助破巖能量，如水力輔助破巖技術(如高壓噴射、超高壓噴射技術、脈沖射流技術等)[2-4]、旋沖鉆井技術[5]、共振鉆井技術[6]、粒子沖擊鉆井[7]、脈沖水炮技術等。水力輔助機械能破巖的實質是增加井底能量輔助破巖和改善清巖效果，與該技術配套研發(fā)了射流式井底增壓裝置和新型雙流道高效破巖鉆頭，并已在現(xiàn)場推廣應用。沖擊旋轉鉆井是在普通旋轉鉆頭上部接一個沖擊器，為鉆頭提供沖擊力來破碎巖石。在沖擊作用下，巖石不易產生塑性變形，表現(xiàn)為脆性增加，巖石易形成大體積破碎，提高破巖速度。共振破巖是通過調節(jié)破巖工具沖擊頻率，使其與正鉆地層裂縫傳播的“自然頻率”基本相同，以實現(xiàn)高效破巖的目的。

此外，可以利用井底降壓工具(如渦流降壓工具、脈沖降壓工具和射流泵降壓工具等)降低井底壓力，從而減少巖屑的壓持效應和重復破裂，盡量實現(xiàn)井底欠平衡條件，提高機械破巖效率[8-10]。

2 摩擦熱-機械破巖方法

摩擦熱-機械破巖(簡稱熱-機械破巖)方法是利用機械破巖過程中切削元件與巖石摩擦產生的摩擦熱能和沖洗液流經巖石時的驟冷作用在巖石表面和內部生成新裂隙，同時擴展原有裂隙，從而降低巖石的強度和切削阻力，提高破巖效率。

采用的熱機鉆頭主要包括熱摩擦元件和硬質合金切削元件，兩者均勻分布在鉆頭底部(見圖1)。

圖1 熱-機械破巖機理示意Fig.1 Sketch of rock-breaking mechanism by thermal-mechanical energy

鉆進時，摩擦過程與切削過程相對獨立。摩擦元件經由鉆桿傳遞鉆機的立軸壓力進行摩擦生熱，將巖石加熱至600 ℃以上，以降低巖石強度；切削元件的壓力來自沖洗液作用在堵頭上所形成的水泵壓力[11]。沖洗液經由水龍頭、鉆桿水眼流入熱機鉆具外管，經由內外管之間的環(huán)形空間最終流到井底，起到冷卻和弱化巖石、冷卻鉆頭和攜帶巖屑的作用。

俄羅斯全俄勘探技術研究所現(xiàn)已解決了如何產生摩擦熱能和耐磨、耐高溫材料等問題，成功設計了一系列取心式熱機鉆頭和全面破碎熱機鉆頭等，形成了熱機碎巖工藝技術。采用常規(guī)鉆機、熱機鉆具、熱機鉆頭和可鉆性級值為6的巖石進行熱機破巖試驗，結果表明，鉆進過程中平均機械鉆速1.7 m/h，最高鉆速達3.0 m/h。該研究所將該破巖工藝應用到鋼筋混凝土結構的鉆孔工程中，取得了很好的效果。

熱-機械破巖技術大幅度提高了硬質合金或金剛石鉆頭的碎巖速度，擴大了可鉆性范圍，可以廣泛應用于地質鉆探、油氣井鉆探以及坑道、隧道掘進等領域。其下一步研究的重點是優(yōu)選鉆頭摩擦元件和切削元件的材料、完善鉆具結構、探索鉆進不同巖層時的熱-機械破巖工藝[12]。

3 微波-機械破巖方法

微波-機械破巖是利用微波加熱巖體,改變其物理熱性，降低巖石強度。為驗證微波對巖石強度的影響，加拿大麥吉爾大學采用加州玄武巖、佛蒙特州花崗巖、薩德伯里蘇長巖、中國玄武巖4種巖樣進行了試驗。試驗過程中能明顯觀察到巖樣在微波作用下出現(xiàn)裂縫甚至融化(見圖2)。試驗結果證明，微波作用后的巖石抗拉強度和無側限抗壓強度均有所降低，降低程度和降低速率取決于微波功率的大小、巖石與微波的接觸時間和巖石的微波功率吸收密度等因素[13]。

圖2 微波作用下巖石熔化情況Fig.2 Rock melting under the microwave

微波-機械破巖中采用的旋轉切割鉆頭主要包括切削齒和微波發(fā)生器(見圖3)，2組以上切削齒和微波發(fā)生器均布在鉆頭底部，微波發(fā)生器主要由變壓器和磁控管等組成。在微波輔助破巖鉆進中，微波發(fā)生器通電，變壓器升高電壓，磁控管產生一定頻率的微波。巖體經微波作用后，內部偶極子部排列無序且做布朗運動，產生的內摩擦熱使巖石溫度迅速升高，產生內應力使巖體強度下降[14]。隨后，鉆頭切削齒對巖石進一步破壞，鉆井液將巖石顆粒及時地沖離巖體。

圖3 微波輔助破巖鉆頭結構示意Fig.3 Sketch of rock-breaking bit with microwave

微波輔助破巖試驗結果表明[15]，經微波作用后花崗巖溫度達1 093 ℃，鉆進速度是巖體溫度為25 ℃時的3倍以上。試驗結束后鉆頭磨損很小，可忽略不計。由于鉆頭溫度保持低溫，鉆頭硬合金刃片的銅焊未發(fā)生破壞，所有的鉆頭均保留良好的工作狀態(tài)。但對微波破巖技術的經濟性還要進一步驗證，尚未進行工業(yè)化應用。

4 激光-氣體機械破巖

激光-氣體機械破巖是在空氣鉆井用鉆頭的中心軸處設置一個激光頭，將氣體鉆井中巖石內外壓差的拉應力、激光照射巖石產生較高的局部熱應力和鉆頭高速沖擊力產生的局部應力三者結合，增強巖石裂縫擴展能力，從而提高破巖效率[16-17]。激光-氣體機械鉆頭如圖4所示[18]。

圖4 激光-氣體機械鉆頭Fig.4 Laser-aero mechanical bit

在鉆進過程中，高能激光在鉆頭與巖石接觸前照射熱裂新巖石面，激光照射所產生的溫度場可以降低巖石強度，擴展裂縫、干燥及汽化礦物質，再進行機械能破巖。隨后，循環(huán)的空氣或惰性氣體冷卻井下激光元件，并將巖石碎屑攜帶至井口。

激光-氣體機械破巖具有機械鉆速快、鉆頭磨損小、鉆頭壽命長、起下鉆時間短等優(yōu)點，完全適用于氣體鉆井。為了實現(xiàn)工業(yè)化應用，需要研究解決高壓差及局部高溫下井底巖石特性的變化、高能激光的產生和傳輸、多激光頭-牙輪鉆頭的研制、激光頭的保護與多束激光開閉組合方式等問題。

5 燃燒熱能-機械破巖方法

為了提高機械能的破巖效率，提出了摩擦熱-機械、微波-機械、激光-氣體破巖等綜合破巖方法，但都處于探索試驗階段，由于各種原因沒有進行工業(yè)化應用。目前已進入工業(yè)化成熟應用的機械能破巖仍是高效破巖的主要方式。

分析綜合破巖方法可知，對于導熱系數(shù)較小、抗拉強度和抗剪強度較低的巖石，熱作用能夠在其內部產生較大的溫度梯度，形成一定的熱沖擊力，導致巖石脆性破壞，且大多數(shù)巖石隨溫度的升高其抗壓強度呈下降趨勢。在激光輔助破巖過程中，熱能作用還能使巖石成分的團聚狀態(tài)發(fā)生改變，導致其熔化，形成具有結實孔壁的圓柱形通道，達到造壁的目的。因此，將熱能與機械能結合的綜合破巖方法，對于提高破巖效率、穩(wěn)定井壁、保護儲層具有積極意義，其技術可行性主要體現(xiàn)在以下方面：

1) 空氣鉆井技術已趨于成熟。通過地面燃氣/助燃氣系統(tǒng)、雙壁水龍頭和雙壁鉆桿，能夠實現(xiàn)向井下特殊高溫鉆頭輸送燃氣和助燃氣，并能將部分巖屑上返至地面，建立安全、有效的循環(huán)系統(tǒng)。

2) 耐高溫材料已應用于高溫鉆頭。目前合成的耐熱材料能耐溫2 500 ℃甚至更高[19]，已成功應用于電熱熔鉆井，使高溫鉆頭的研制成為可能。

3) 結合火焰焊槍技術，采用鉆頭內燃燒，燃燒熱能-機械能綜合破巖的溫度為2 200～2 500 ℃。燃氣和助燃氣在特殊高溫鉆頭內燃燒產生的高溫氣流高速噴向巖石，迅速形成井眼。另外，巖石導熱系數(shù)低，表面溫度迅速升高，與更深層的巖石形成較大的溫度梯度，產生熱破壞，巖石強度下降，甚至熱破巖，隨后高溫鉆頭切削低強度的巖石，可以提高鉆進速度。

4) 結合已有的電熱熔造壁技術[20]，可將鉆頭本體加熱至1 300 ℃。若利用熱能，在鉆頭本體上設置造壁器，高溫造壁器緊貼已形成的井眼壁面將其玻璃化，形成堅固、光滑的井壁，井壁穩(wěn)定，更容易實現(xiàn)深井和超深井鉆井，并且井筒與地層被陶瓷層隔絕，有利于保護儲層。

燃燒熱能-機械破巖方法需要開展特殊鉆頭內燃燒機理研究(包括速度場、溫度場、燃燒流動過程)、鉆頭內部絕熱冷卻技術研究(包括防輻射涂層、高溫隔熱涂層和氣膜冷卻技術)、特殊鉆頭切削齒材料研究、造壁器結構優(yōu)化及模擬試驗研究、陶瓷化井壁保護儲層及穩(wěn)定性試驗研究、燃燒熱能-機械能復合破巖機理研究、燃燒熱能-機械能鉆井關鍵裝備研究、鉆進時復雜多相流研究以及鉆進燃爆危險性研究等。

6 結 論

1) 目前，機械破巖仍是高效破巖的主體，為提高破巖效率，多與射流輔助破巖、降低井底壓差等技術措施配合使用。

2) 摩擦熱能-機械、微波-機械、激光-氣體等新型綜合破巖鉆井技術處于探索階段，室內試驗證明其能有效提高破巖效率，但還有各種技術瓶頸需要突破，離推廣應用還有一定距離。

3) 熱能-機械能綜合碎巖方法是最有發(fā)展前景的新型破巖方法，特別是燃燒熱能-機械能綜合碎巖方法。目前國內外開展的相關研究較少，需要進一步加強。

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