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        等離子炬破巖效果室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用建議

        2022-08-25 07:14:38賈玉丹
        石油鉆探技術(shù) 2022年4期

        于 巖, 高 銳, 賈玉丹, 喬 磊, 周 偉,3

        (1.新奧科技發(fā)展有限公司, 河北廊坊 065001;2.河北省深層地?zé)峒夹g(shù)創(chuàng)新中心, 河北廊坊 065001;3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院, 山東青島 266580)

        隨著油氣開發(fā)不斷深入和深層地?zé)崮荛_采需求不斷增加,鉆井作業(yè)面臨日益復(fù)雜的地質(zhì)條件。地層越深,巖石硬度越大,溫度和壓力越高,巖石破碎的難度也越大。深井、超深井采用傳統(tǒng)鉆井技術(shù)鉆進(jìn)時(shí),機(jī)械鉆速低、鉆頭磨損嚴(yán)重等問(wèn)題突出,導(dǎo)致鉆井周期長(zhǎng)、鉆井成本高,甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)鉆井目的。而且,受各種因素影響,傳統(tǒng)鉆井技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和提升的空間有限。因此,各種創(chuàng)新型能量鉆井技術(shù)不斷被提出。

        截至目前,已提出了多種創(chuàng)新型能量鉆井技術(shù),其中等離子炬鉆井是一種較有應(yīng)用前途的新型鉆井方式。等離子炬具有功率密度高、連續(xù)可調(diào)、溫度高和設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械加工切割、噴涂和固廢處理等領(lǐng)域[1–6]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外開始嘗試將等離子技術(shù)應(yīng)用于石油工程[7–8],進(jìn)行了等離子炬破巖以及切割套管的研究,如I.Kocis等人[9]研發(fā)了用于硬巖鉆井的等離子炬,并完成鉆井樣機(jī)開發(fā),開展了地面鉆井測(cè)試。但是,國(guó)內(nèi)還沒有將等離子炬應(yīng)用于鉆井的研究。為此,筆者分析了等離子炬的破巖原理,進(jìn)行了等離子炬破巖效果室內(nèi)試驗(yàn),證明等離子炬在地面具備破碎巖石能力之后,提出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用建議,以期為該技術(shù)的應(yīng)用研究提供借鑒。

        1 等離子炬破巖原理

        等離子體是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài),廣泛存在于宇宙中,常被視為物質(zhì)的第四態(tài),稱為等離子態(tài)或者超氣態(tài),也稱電漿體。等離子炬是一種等離子體的發(fā)生裝置,其工作原理如圖1所示:工質(zhì)氣體在陰陽(yáng)極之間被擊穿形成穩(wěn)定的電弧等離子體,并釋放大量的熱量,工質(zhì)氣體受熱膨脹后從陽(yáng)極噴嘴噴出,形成火炬狀的高溫等離子體射流。

        圖1 等離子炬工作原理示意Fig.1 Working principle of plasma torch

        等離子炬破巖是用高溫等離子體射流沖擊巖石,使巖石受熱后脆裂、熔化或蒸發(fā)[10–11]。

        等離子炬破巖的一種形式是利用高溫射流使巖石脆裂,其溫度場(chǎng)如圖2所示。等離子炬產(chǎn)生的高溫射流的中心溫度可達(dá)8 000 ℃以上,高溫射流噴射到巖石表面,直接將溫度傳遞給巖石。由于巖石的導(dǎo)熱性很差,高溫等離子體使巖石表面層具有很大的溫度梯度,產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,出現(xiàn)熱沖擊現(xiàn)象[12],巖石產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度極限時(shí)巖石破碎。

        圖2 等離子炬的溫度場(chǎng)Fig.2 Temperature field of plasma torch

        等離子炬破巖的另一種形式是通過(guò)高溫使巖石熔化,巖石熔化后溫度繼續(xù)升高甚至蒸發(fā),達(dá)到破巖效果。鉆進(jìn)中產(chǎn)生的高溫?zé)崮苁咕讕r石熔化,并被等離子體射流擠到井壁上,然后逐漸冷卻,形成致密的玻璃層。在只考慮巖石熔化的情況下,巖石的熔化速度即為鉆進(jìn)速度。利用巖石的熔化比能和吸收等離子炬的功率密度可求得鉆進(jìn)速度:

        式中:v為鉆進(jìn)速度,cm/s;Pd為功率密度,kW/cm2;e為熔化比能,kJ/cm3。

        由式(1)可知,等離子炬破巖速度和巖石硬度無(wú)關(guān)。因此,相對(duì)于傳統(tǒng)鉆井,等離子炬在破碎硬巖時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)。筆者選用硬巖中的玄武巖和花崗巖進(jìn)行等離子炬破巖試驗(yàn),測(cè)試不同種類硬巖的破碎效果,其熔化、蒸發(fā)所需要的能量見表1。

        表1 巖石熔化和蒸發(fā)所需要的能量Table 1 Energy required for rock melting and evaporation

        根據(jù)等離子炬的功率和熱能轉(zhuǎn)換效率,以及等離子炬射流與巖石接觸的面積,可以得到作用于巖石表面的功率密度,從而可以計(jì)算出理想狀態(tài)下熔化巖石的鉆進(jìn)速度。 如果需要提高鉆進(jìn)速度,只需提高等離子炬的功率,增大功率密度。

        綜合以上分析,可知等離子炬破巖的特點(diǎn):通過(guò)高溫射流,使巖石碎裂、熔化和少部分蒸發(fā);與傳統(tǒng)鉆井相比,等離子炬鉆井不需要鉆頭接觸巖石表面,鉆進(jìn)速度和巖石的硬度無(wú)關(guān);鉆進(jìn)中鉆頭不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損;提高等離子炬的功率,即可加快巖石的熔化,從而提高鉆井速度。

        2 等離子炬破巖試驗(yàn)

        為了驗(yàn)證等離子炬對(duì)巖石的作用效果,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了等離子炬破碎花崗巖和玄武巖的試驗(yàn)。通過(guò)改變巖樣厚度、等離子炬功率等參數(shù),對(duì)破巖過(guò)程及效果進(jìn)行比較分析,確定不同巖樣在不同參數(shù)下的破巖差異。

        2.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

        2.1.1 試驗(yàn)方案

        分別用玄武巖巖樣和花崗巖巖樣進(jìn)行等離子炬破巖試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),等離子炬可以使用氬氣、空氣和水蒸氣等氣體作為工質(zhì),功率在10~50 kW連續(xù)可調(diào)。

        將等離子炬固定在破巖試驗(yàn)裝置平臺(tái)上,巖樣固定在移動(dòng)支架上,巖樣中心與等離子炬噴口中心對(duì)齊;移動(dòng)支架可以在等離子炬中心軸線方向移動(dòng),精確調(diào)整巖樣和等離子炬的位置;啟動(dòng)等離子炬后,移動(dòng)巖樣到合適的位置,進(jìn)行等離子炬破巖測(cè)試(見圖3)。

        圖3 等離子炬破巖試驗(yàn)裝置Fig.3 Test device of rock breaking by plasma torch

        2.1.2 玄武巖試驗(yàn)及結(jié)果

        用玄武巖巖樣進(jìn)行等離子炬破巖試驗(yàn)時(shí),等離子炬起弧后,移動(dòng)支架將巖樣從遠(yuǎn)離等離子炬的位置逐漸向等離子炬方向移動(dòng)。巖樣移動(dòng)過(guò)程中,等離子炬射流噴射到巖樣表面,玄武巖巖樣受熱熔化,形成大量玻璃體。隨著巖樣和等離子炬之間的距離變短,巖樣接收的熱量增多,表面溫度升高,射流燒出的孔變大。試驗(yàn)中,巖樣的破碎主要由等離子炬的高溫熔化所致,有少量巖石碎裂,等離子炬噴口距離巖樣很近時(shí)可觀察到有少量的巖石蒸發(fā)。

        試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),等離子炬在空氣工質(zhì)、功率30 kW下可以燒穿厚度50 mm的玄武巖巖樣,但因?yàn)閹r石熔化后的成孔面積不夠大,等離子炬本體無(wú)法穿過(guò)玄武巖巖樣,且高溫射流長(zhǎng)度不夠,試驗(yàn)時(shí)未能燒穿厚度100 mm的玄武巖巖樣。將等離子炬功率由30 kW升至50 kW再次進(jìn)行試驗(yàn),破巖速度明顯加快,破巖成孔面積也有所增大,但仍未燒穿厚度100 mm的玄武巖巖樣。等離子炬對(duì)玄武巖巖樣的破巖效果如圖4所示。

        圖4 等離子炬對(duì)玄武巖巖樣的破巖效果Fig.4 Rock breaking effect of plasma torch on basalt samples

        2.1.3 花崗巖試驗(yàn)及結(jié)果

        用花崗巖巖樣進(jìn)行等離子炬破巖試驗(yàn)時(shí),以空氣為等離子炬的工質(zhì),用不同功率對(duì)厚度30和100 mm的花崗巖巖樣進(jìn)行破巖試驗(yàn)。

        試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),等離子炬可以燒穿厚度30 mm的花崗巖樣品,但同樣不能燒穿厚度100 mm的花崗巖巖樣。隨著等離子炬功率增大,巖石破碎速度加快,且成孔面積增大,再次驗(yàn)證了增大等離子炬功率可以提高破巖速率。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),破巖過(guò)程中花崗巖主要是碎裂方式,巖石熔化成玻璃態(tài)的較少。破巖過(guò)程中,巖石破裂嚴(yán)重,有大量巖屑飛出?;◢弾r破巖成孔圓度、光滑度都不如玄武巖,但等離子炬對(duì)花崗巖巖樣的整體破壞程度較高。等離子炬對(duì)花崗巖巖樣的破巖效果如圖5所示。

        圖5 等離子炬對(duì)花崗巖樣品的破巖效果Fig.5 Rock breaking effect of plasma torch on granite samples

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        玄武巖的主要成分為SiO2,天然玄武巖為各礦物相的混合晶體,經(jīng)1 500 ℃高溫熔融后晶體消失,變?yōu)榉蔷w玻璃態(tài),也就是發(fā)生了熔化?;◢弾r是由石英、云母和長(zhǎng)石形成的復(fù)雜混合物,礦物質(zhì)晶體和存在形式不同,高溫加熱后,不同礦物的熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能差距較大,更容易發(fā)生碎裂。

        在不考慮破巖過(guò)程中巖石碎屑飛濺、只考慮巖石熔化的情況下,燒穿巖石時(shí),巖樣前后兩面(正對(duì)等離子炬噴口射流的一面為前面)成孔的面積相差不是很大,可以根據(jù)成孔直徑和巖石厚度計(jì)算熔化巖石的體積,根據(jù)巖石的熔化比能計(jì)算所需要的能量,然后根據(jù)等離子炬的功率和燒穿時(shí)間計(jì)算等離子炬消耗的能量,從而得到破巖時(shí)的熱能效率,其表達(dá)式為:

        式中:η為破巖時(shí)的熱能效率;V為等離子炬熔化巖石的體積,cm3;P為等離子炬的功率,kW;t為等離子炬灼燒巖石時(shí)間,s。

        利用式(2)可以計(jì)算出上述試驗(yàn)的熱能效率,相關(guān)數(shù)據(jù)見表2(因100 mm厚的巖樣沒有燒穿,等離子炬的破巖時(shí)間無(wú)法測(cè)量,未計(jì)算相應(yīng)的熱能效率)。

        表2 等離子炬破巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算的熱能效率Table 2 Test data of rock breaking by plasma torch and calculated thermal energy efficiency

        由表2可知:玄武巖在等離子炬功率分別為30和50 kW時(shí),熱能效率分別為6.2%和5.7%;花崗巖在等離子炬功率分別為30和50 kW時(shí),熱能效率分別為3.8%和3.9%,熱能效率都不高。對(duì)熱能效率偏低的原因進(jìn)行了分析,分析認(rèn)為:1)等離子炬的能量有一部分被冷卻水帶走,由等離子炬噴口噴出的射流熱效率大約80%;2)巖石熔化過(guò)程中,熔化的巖漿有一小部分蒸發(fā),巖石的蒸發(fā)比能遠(yuǎn)大于熔化比能,需要吸收更多的能量;3)試驗(yàn)開始時(shí)巖樣距離等離子炬較遠(yuǎn),等離子炬啟動(dòng)后才逐漸向其移動(dòng),直至被高溫射流噴射到,移動(dòng)過(guò)程中大量的能量沒有作用到巖樣上,且較長(zhǎng)時(shí)間處于溫度相對(duì)較低射流區(qū),導(dǎo)致熱能效率降低;4)等離子炬的射流只在正面噴射到巖石上,且井孔為非密閉空間,射流和周圍的空氣接觸,被空氣帶走大量熱量,同時(shí)巖樣也向環(huán)境散發(fā)了大量熱量,這也是導(dǎo)致熱能效率偏低的一大原因。

        等離子炬破巖試驗(yàn)結(jié)果表明,玄武巖對(duì)熱量的吸收效率更高,巖石熔化更容易;花崗巖的熔化較慢,但在破巖過(guò)程中巖樣產(chǎn)生了大量的裂縫,巖石在熔化的同時(shí)部分產(chǎn)生破裂。等離子炬在破巖過(guò)程中,隨著等離子炬功率增大,成孔變大,破巖時(shí)間變短,但受到試驗(yàn)裝置的制約,大量能量沒有直接作用在巖石上,效率較低。在持續(xù)鉆井的施工條件下,效率將大幅度提高。

        3 應(yīng)用建議

        等離子炬將大量的電能轉(zhuǎn)換為熱能,運(yùn)行時(shí)需要?dú)怏w工質(zhì)和冷卻液,這使得在未來(lái)的鉆井應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)能量傳輸、工質(zhì)和冷卻液傳輸?shù)葐?wèn)題。另外,試驗(yàn)時(shí)等離子炬破巖成孔并不規(guī)則,鉆井時(shí)需要提高成孔質(zhì)量。對(duì)此,進(jìn)行了分析探討,提出了應(yīng)用建議。

        3.1 能量傳輸

        等離子炬破巖需要的功率達(dá)到幾十甚至上百千瓦,且功率越大,需要的電流越大。如果將供電系統(tǒng)設(shè)置在地面,可以采用連續(xù)油管的方式輸送動(dòng)力電纜,但會(huì)受到鉆井深度、水平段鉆進(jìn)距離的限制,存在可靠性方面的問(wèn)題等。需要研發(fā)特制的鉆桿,將傳輸電纜集成在鉆桿內(nèi)來(lái)輸送電能,但鉆桿的研發(fā)成本較高。如果將電源設(shè)置在井下,需要將供電系統(tǒng)集成在井下鉆鋌中,通過(guò)大功率井下發(fā)電機(jī)提供電能,而置于深井里的一切控制元件都要考慮抗高溫高壓性能,研發(fā)難度較大。

        建議加快鉆井專用等離子炬的研發(fā),提高破巖的能量效率,降低破巖的電能需求,從而降低特制鉆桿和井下發(fā)電機(jī)的研發(fā)難度。

        3.2 氣體工質(zhì)和冷卻液傳輸

        等離子炬工作時(shí),需要在電極間通入氣體工質(zhì)將高溫射流從陽(yáng)極噴出,隨著鉆井深度增加,井底壓力不斷上升,需要?dú)怏w工質(zhì)的壓力不斷增大,對(duì)氣體工質(zhì)的供給和傳輸都提出了很高的要求。另外,等離子炬需要循環(huán)水對(duì)電極進(jìn)行冷卻,在鉆井時(shí)要增加冷卻液的傳輸。

        因此,建議研發(fā)特制鉆桿,來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體工質(zhì)和冷卻液的傳輸。

        3.3 成孔質(zhì)量

        等離子炬鉆井主要利用電弧放電產(chǎn)生的高溫等離子體射流破巖,通過(guò)控制電功率和等離子炬與巖石的距離,使用合理的射流溫度區(qū)域來(lái)熔融破碎巖石,通過(guò)工質(zhì)氣體的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制射流形態(tài),保證鉆井成孔的質(zhì)量。但在實(shí)際鉆井過(guò)程中,由于地層深處存在多種不確定因素,很難精確控制井下等離子炬的功率、射流長(zhǎng)度、射流與巖石距離等參數(shù),必然會(huì)影響射流的形態(tài),對(duì)鉆井成孔的質(zhì)量造成影響。

        因此,建議加強(qiáng)對(duì)等離子炬鉆井過(guò)程的模擬研究,并開展井下鉆井環(huán)境模擬試驗(yàn),優(yōu)化施工參數(shù),提高成孔質(zhì)量。

        4 結(jié) 論

        1)等離子炬可以通過(guò)高溫射流進(jìn)行破巖,不同類型巖石的礦物組成不同,破碎形式也不同,主要破巖方式為巖石破碎和熔化。受熱相同情況下,花崗巖比玄武巖更容易發(fā)生破碎。

        2)等離子炬功率越大,作用于巖石單位表面積上的熱量越大,破巖速度越快。破巖試驗(yàn)中,因?yàn)榕c環(huán)境有大量熱交換,破巖效率不夠高。

        3)建議加大等離子炬鉆井的研究力度,探索更合適的等離子炬破巖參數(shù),提高等離子炬破巖效率;建議研發(fā)鉆井專用的等離子炬,解決能量傳輸、工質(zhì)及冷卻液傳輸?shù)葐?wèn)題,以更快地實(shí)現(xiàn)等離子炬在鉆井工程中的應(yīng)用。

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