高效破岩新方法研究进展及其应用前景分析

金雪萌，黄宇渊，袁钟涛，董明凯，姜 旭

（西安石油大学，陕西西安 710065）

钻井在整个油气田开发中不仅是最为消耗成本的工程，而且充斥着不同种类不同量级的风险，这就需要进行技术密集的高水平作业。根据世界各地油田作业现场的统计结果显示，钻进过程中的钻井工程将会使用近半的工程预算，这也导致了追求最大效率破岩钻进的目的和动力，这也能从根本上决定钻进结果，也最终决定了整个工程的经济收支。

近年来，随着新技术与新设备持续的进入钻井工程领域，钻井过程能源的利用率和钻进速度与破岩效率都进一步提高，进而提高了在地底深处的钻进速度，高速度高效率高利用率成为钻井研究领域的一个新方向。本文在国内外各类钻井新型技术与老式技术的基础上，对多种新型高效破岩技术做了简单的归纳与阐述，并总结了各自所采用的新型应用技术以及应用特点[2]。

1 水力破岩方法

1.1 水力破岩原理

在高压喷水和高速水流的冲击下破坏物体，如气流腐蚀损伤、高压下高速水流和动态压力、高压高速水流脉冲不断冲击造成疲劳损坏，进而使受力岩层面上产生足量裂缝与缝隙，随着裂缝的数量与规模得到大范围的扩张，岩石的渗透率将会显著上升，进而达到破岩的效果。水力破岩包括水楔破岩与密实核破岩等破岩原理。

1.2 旋冲钻井破岩技术

1.2.1 旋冲钻井破岩技术原理 在钻头的前部额外安装一个多余的冲击装置，当钻头向前钻进的过程中，在外力的作用下，多余的冲击器将会多次重复挤压周边岩层，从而使坚硬岩层破碎。这种旋转冲击钻井技术可以减少钻芯的使用，减少钻管的损失和机械疲劳损伤。不仅可以阻止钻杆钻进时发生强烈的磨损，而且可以防止井下安全事故的出现。这种技术可以进一步分为滚动旋冲、气动旋冲两种。

1.2.2 旋冲钻井技术的特点

（1）在钻进过程中，岩石的破碎不仅仅依靠钻头的不断冲击，还有钻头的切削作用，在一些复杂坚硬的地层中，这种钻进方式使岩石更容易破碎，因而具有更加高效的破岩效率。

（2）其次因为是高频的冲击破碎岩石，所以破岩时间相当短，而且破碎岩石的效果不受岩石性质的变化影响，在钻头上很难形成偏斜力矩，因而这种钻井方式钻成的井眼规则，质量高，不易坍塌（见图1）。

1.3 高压水力脉冲破岩技术

1.3.1 水力脉冲空化射流钻井机理 该技术依赖于液压脉冲空化射流发生器的基本原理进行生产。液压脉冲空化射流发生器通常被放置在前进的钻头上方，而其中的水力脉冲是由外来的高速水流激励源与钻头喷嘴的高速射流自振耦合最后生成，此时当高速流体的摄动效应与自振动的空穴效应相结合时，常规的连续流入钻具的流动将成为振动脉冲流，并在钻具喷嘴出口形成脉冲空穴射流，提高井底净化效率，对破岩起到辅助作用，最终达到提高钻头钻速的目的。

图1 射流冲击器示意图

图2 冲击频率对岩石破碎的影响

2 机械破岩方法

2.1 复合冲击破岩技术

复合冲击破岩是将扭向的反转冲击破岩脉冲和破碎岩石技术结合起来，把钻井液所具有的能量化为轴向扭向二者相互轮换的机械能，在扭向方面的冲击能让钻杆的旋转所具有的能量传递给钻头，黏滑效应被抵消或者消除；而轴向冲击则能让钻头得到很高的轴向方面的破碎岩石的能量，因此在此种作用机理下就可以使钻头拥有“三维的立体破岩效果”[6]（见图2）。

2.1.1 复合冲击工作原理 结合附近井的大量录井数据与资料，利用轴向脉动冲击与扭向反转冲击两个模块合理有效的相互配合，并且同时依据测井的一些资料以及相关区块地质资料等，并且对比地层的岩性随着钻进的动态变化，然后综合判断而且启动复合型冲击钻具的轴向脉动冲击，当遇到中等硬度或者更高以及研磨性较高的地层时，就开启复合型钻具的轴向脉动型冲击模块（见图3、图4）。

2.1.2 复合钻具特点

（1）为了加长钻头的耐磨能力，对钻头切削齿加入了保护能力。

（2）为了得到强力的水力参数，基于经过岩层的特点修改了钻头的喷嘴直径。

（3）为了避免较高的温度使钻头出现故障，下部的钻具采用了全金属改造。

2.2 微波辅佐机械破岩

图3 扭向反转冲击模块原理图

图4 复合冲击钻具的工作方式

图5 微波辅助钻头破碎岩石结构示意图

微波辅佐机械破岩是一个掺杂型破岩办法，它将微波加热技术和机械破岩技术掺杂在一起。一种全新的冲击锤轴向和扭转冲击锤（同时产生高频轴向和扭转冲击力）已经开发出来，以提高深孔和超深井的穿透率并消除黏滑振动。分别研究了单个PDC齿在轴向、扭转、轴向和扭转冲击力作用下的破岩过程。轴向和扭转冲击钻井方法能够以最小的机械比能破碎岩石，并显著提高渗透率（ROP）（见图 5）。

2.3 摩擦热结合机械破岩

摩擦热辅助机械破岩[9]主要是在岩石破碎过程中使用机械切削工具与井底岩石摩擦产生的热量与钻井液或者冲洗液流过岩石时候骤然的降温作用，在井底岩石的内部和表面形成微小裂隙，进而就可以降低岩石的强度和钻头切削时的阻力，提高破碎岩石的效率。应用此种钻井方法热机钻头主要包括硬质合金元件和热摩擦元件，二者均匀的分布在钻头的下部[9]（见图6）。

3 高压水射流辅助机械破岩机理

图6 热-机械破岩机理示意图

水射流是围绕机械工具设置的。当水射流撞击岩石时，岩石破碎的次要机制是侵蚀效应和散裂的膨胀。如果在超高压水喷射作用下，岩石中存在的各种微观结构和孔隙在微弱的水射流压缩压力作用下被增压成岩石的临界破坏形式，从而使微观结构膨胀和连接，如果这种膨胀造成切割边缘岩石的裂缝，刀具的切削力会大大降低。在不减小切削力的情况下，提高了切削深度和速度（见图7）。

图7 水射流辅助刀具破碎岩石示意图

3.1 “水楔”胀裂机制

考虑到当喷水压力达到50 MPa时，作用在岩石上的工具的压力可以减小。同时，切割工具的切割力可以通过直接对人体的裂缝进行射击，并使其扩张以破碎岩石，并最终降低切割工具的切割力。高压水射流侵入滚刀切削所形成的裂纹在裂纹压力作用下，以切断压力的形式作用于裂纹表面。水射流辅助切削刀具切削岩石是水楔的一个过程，而不是直接切削岩石的过程。

3.2 “冲蚀”破碎机制

在裂缝形成过程中。能量的释放速率与裂缝的扩展有关。Murai和Nishi在1989年研究了水射流结构与材料去除率之间的关系，研究了水射流侵蚀机理的数学模型，并解释了材料去除率产生两个峰值的原因，因此切削力应该相邻。射流对材料的破坏主要是由于水射流在材料上的碰撞造成的，刀尖上的压力和岩石的侵蚀是削减切削力的主要原因。这些研究都认为工具的切削力是由从尖端附近区域去除水射流引起的。

3.3 “联合”破碎机制

水射流辅助岩石切割受三个过程的影响。（1）来自承受压强区域收到的强烈地冲击和侵蚀；（2）高速射流造成的破裂；（3）孔隙压力的作用。由于岩石微孔隙度和岩石尺寸的不同，岩石的固有断裂在水压作用下发生了非弹性收缩，并在水射流作用下产生膨胀和加压，进一步促进了裂纹的产生和扩展。

4 其他破岩方式

4.1 粒子冲击破岩技术

碰撞涉及两个或更多个对象相互影响。每一个土质物体，无论是静态的还是动态的，都有某种形式的能量储存在其中。涉及两个或更多个物体的碰撞可以被定义为导致交换或转移能量的现象，碰撞的后果取决于碰撞中涉及的物体的其他物理和机械特性。碰撞后残留在物体中的能量完全取决于其变形特征。一些能量损失来自冲击产生的热量和声音，但物体的弹性和强度决定了物体破裂时储存或损失的能量。

4.2 激光钻井破岩技术

如果开发的激光钻孔已经显示出有可能成为改进传统旋转钻井系统的未来先进工具。它基本上是一种将一种形式的能量转换成电磁辐射束（光子）的装置。这些光子基本上是由于原子在激发到较高能态后返回其较低能态而产生的。当这发生时，光子被释放。这种高能相干光辐射可聚焦形成强大的高功率光束，可根据输入功率，激光类型，调整后的焦距以及激光与特定岩石类型的相互作用特性，对岩石进行碎裂，熔化或蒸发。

4.3 盘管局部欠平衡破岩技术

这种方法使用连续油管和钻杆完成钻井过程，微环在钻杆和盘管之间形成实现插条运输。在钻孔过程中，盘绕油管通过钻杆连接到钻杆，以及为钻头提供的液压能量破碎的岩石通过连续油管转移到钻头。钻杆仅将扭矩传递给钻头破岩。微环在钻杆之间和连续油管。而正常的环状空间介于钻杆和井筒，一种称为回流的设备连接钻井液两侧的装置设备安装在钻杆和钻头间，回流装置上有一个封隔器，它可以实现之间的旋转密封和滑动密封钻杆和封隔器。在钻井期间，封隔器设置是将正常环分为两部分。上层部分是高密度钻井液。所以井壁可以保持稳定。将低密度钻井液泵入连续油管在盘管中循环，下部正常环和微环的一部分。插条通过低密度进行井筒，此设定将正常环分为两个独立的环系统。

4.4 使用新型钻具的破岩技术

图8 新型钻具结构示意图

图9 PDC新型钻具钻进结构示意图

该动力系统由一个特殊结构的喷嘴和一个旋转阀组成。喷嘴先转换高压钻井液连续流成高频射流脉冲。旋转阀将部分轴向射流脉冲重定向到旋转方向。负载转移组件位于工具的下部，充当动力传输系统。当上述两种射流冲击锤砧时，产生复合冲击力形成并通过砧传给钻头。有一系列不同尺寸的工具来满足不同的需求。冲击载荷值一般随钻井液流量的增大而增大（见图8、图 9）。

5 结论

任何一种破碎岩石的方法，无论是现在已经在使用的还是正在研究的都需要借助相应的工具来实施，粒子冲击钻井技术虽然在国内并没有推广工业化使用，但在理论突破上实现了很大的飞跃，尤其是在国外，这种技术已经在油田应用的比较广。想要提高破碎岩石的效率，一种是更新出来钻井技术，比如超高压钻井，还有一种就是研发制造出来新的工具，在已有的方法上配上新的钻井工具，这也是一种提高破碎岩石效率的方法之一；同时在实际中，提高破岩效率，无论是采用新型的钻井技术还是工具，首先应根据所钻地层的地质特征合理设计钻井方案，选择合适的钻井工具与钻井技术，充分发挥各种工具与技术的优势，将技术中的阻碍降到最低。

高憎水型气相二氧化硅用于胶黏剂行业

瓦克（WACKER）将在2019年欧洲涂料展上，首次展示一种名为HDKRH21的新型气相二氧化硅。

该产品为白色无定型粉末，纯度高、密度低、比表面积大，是专为调节极性胶黏剂系统的流动性而开发的助剂。该产品憎水性极强，但可以迅速、高效地与极性胶黏剂混合；因在环氧化物基、乙烯基酯基及聚氨酯基胶黏剂中拥有优异的流变性能，可用来配制抗流挂型产品，包括众多工业领域用结构胶黏剂。测试结果表明，HDKRH21与胶黏剂配方产品的混合速度比其他憎水性产品大得多，尤其在极性系统中，该产品具有优异的流变性能和比其他憎水性气相二氧化硅更强的功效。具体而言，HDKRH21能够赋予极性流体优异的剪切变稀性能，使胶黏剂能迅速涂覆，并做到可重复且无瑕疵黏接。此外，该产品还可以延长胶黏剂活性组分的储存期限，预防填料沉积；由于其具有憎水性，该气相二氧化硅不会与胶黏剂基体相互作用。

（摘自中国化工信息2019年第5期）