等离子炬破岩效果室内试验及现场应用建议

于 岩， 高 锐， 贾玉丹， 乔 磊， 周 伟,3

（1.新奥科技发展有限公司, 河北廊坊 065001；2.河北省深层地热技术创新中心, 河北廊坊 065001；3.中国石油大学（华东）石油工程学院, 山东青岛 266580）

随着油气开发不断深入和深层地热能开采需求不断增加，钻井作业面临日益复杂的地质条件。地层越深，岩石硬度越大，温度和压力越高，岩石破碎的难度也越大。深井、超深井采用传统钻井技术钻进时，机械钻速低、钻头磨损严重等问题突出，导致钻井周期长、钻井成本高，甚至无法实现钻井目的。而且，受各种因素影响，传统钻井技术进一步发展和提升的空间有限。因此，各种创新型能量钻井技术不断被提出。

截至目前，已提出了多种创新型能量钻井技术，其中等离子炬钻井是一种较有应用前途的新型钻井方式。等离子炬具有功率密度高、连续可调、温度高和设备简单等优点，已经广泛应用于冶金、机械加工切割、喷涂和固废处理等领域[1–6]。近年来，国内外开始尝试将等离子技术应用于石油工程[7–8]，进行了等离子炬破岩以及切割套管的研究，如I.Kocis等人[9]研发了用于硬岩钻井的等离子炬，并完成钻井样机开发，开展了地面钻井测试。但是，国内还没有将等离子炬应用于钻井的研究。为此，笔者分析了等离子炬的破岩原理，进行了等离子炬破岩效果室内试验，证明等离子炬在地面具备破碎岩石能力之后，提出了现场应用建议，以期为该技术的应用研究提供借鉴。

1 等离子炬破岩原理

等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为物质的第四态，称为等离子态或者超气态，也称电浆体。等离子炬是一种等离子体的发生装置，其工作原理如图1所示：工质气体在阴阳极之间被击穿形成稳定的电弧等离子体，并释放大量的热量，工质气体受热膨胀后从阳极喷嘴喷出，形成火炬状的高温等离子体射流。

图1 等离子炬工作原理示意Fig.1 Working principle of plasma torch

等离子炬破岩是用高温等离子体射流冲击岩石，使岩石受热后脆裂、熔化或蒸发[10–11]。

等离子炬破岩的一种形式是利用高温射流使岩石脆裂，其温度场如图2所示。等离子炬产生的高温射流的中心温度可达8 000 ℃以上，高温射流喷射到岩石表面，直接将温度传递给岩石。由于岩石的导热性很差，高温等离子体使岩石表面层具有很大的温度梯度，产生很大的热应力，出现热冲击现象[12]，岩石产生的热应力超过岩石强度极限时岩石破碎。

图2 等离子炬的温度场Fig.2 Temperature field of plasma torch

等离子炬破岩的另一种形式是通过高温使岩石熔化，岩石熔化后温度继续升高甚至蒸发，达到破岩效果。钻进中产生的高温热能使井底岩石熔化，并被等离子体射流挤到井壁上，然后逐渐冷却，形成致密的玻璃层。在只考虑岩石熔化的情况下，岩石的熔化速度即为钻进速度。利用岩石的熔化比能和吸收等离子炬的功率密度可求得钻进速度：

式中：v为钻进速度，cm/s；Pd为功率密度，kW/cm2；e为熔化比能，kJ/cm3。

由式（1）可知，等离子炬破岩速度和岩石硬度无关。因此，相对于传统钻井，等离子炬在破碎硬岩时更具有优势。笔者选用硬岩中的玄武岩和花岗岩进行等离子炬破岩试验，测试不同种类硬岩的破碎效果，其熔化、蒸发所需要的能量见表1。

表1 岩石熔化和蒸发所需要的能量Table 1 Energy required for rock melting and evaporation

根据等离子炬的功率和热能转换效率，以及等离子炬射流与岩石接触的面积，可以得到作用于岩石表面的功率密度，从而可以计算出理想状态下熔化岩石的钻进速度。 如果需要提高钻进速度，只需提高等离子炬的功率，增大功率密度。

综合以上分析，可知等离子炬破岩的特点：通过高温射流，使岩石碎裂、熔化和少部分蒸发；与传统钻井相比，等离子炬钻井不需要钻头接触岩石表面，钻进速度和岩石的硬度无关；钻进中钻头不会产生机械磨损；提高等离子炬的功率，即可加快岩石的熔化，从而提高钻井速度。

2 等离子炬破岩试验

为了验证等离子炬对岩石的作用效果，在实验室内进行了等离子炬破碎花岗岩和玄武岩的试验。通过改变岩样厚度、等离子炬功率等参数，对破岩过程及效果进行比较分析，确定不同岩样在不同参数下的破岩差异。

2.1 试验方案及结果

2.1.1 试验方案

分别用玄武岩岩样和花岗岩岩样进行等离子炬破岩试验。试验时，等离子炬可以使用氩气、空气和水蒸气等气体作为工质，功率在10～50 kW连续可调。

将等离子炬固定在破岩试验装置平台上，岩样固定在移动支架上，岩样中心与等离子炬喷口中心对齐；移动支架可以在等离子炬中心轴线方向移动，精确调整岩样和等离子炬的位置；启动等离子炬后，移动岩样到合适的位置，进行等离子炬破岩测试（见图3）。

图3 等离子炬破岩试验装置Fig.3 Test device of rock breaking by plasma torch

2.1.2 玄武岩试验及结果

用玄武岩岩样进行等离子炬破岩试验时，等离子炬起弧后，移动支架将岩样从远离等离子炬的位置逐渐向等离子炬方向移动。岩样移动过程中，等离子炬射流喷射到岩样表面，玄武岩岩样受热熔化，形成大量玻璃体。随着岩样和等离子炬之间的距离变短，岩样接收的热量增多，表面温度升高，射流烧出的孔变大。试验中，岩样的破碎主要由等离子炬的高温熔化所致，有少量岩石碎裂，等离子炬喷口距离岩样很近时可观察到有少量的岩石蒸发。

试验发现，等离子炬在空气工质、功率30 kW下可以烧穿厚度50 mm的玄武岩岩样，但因为岩石熔化后的成孔面积不够大，等离子炬本体无法穿过玄武岩岩样，且高温射流长度不够，试验时未能烧穿厚度100 mm的玄武岩岩样。将等离子炬功率由30 kW升至50 kW再次进行试验，破岩速度明显加快，破岩成孔面积也有所增大，但仍未烧穿厚度100 mm的玄武岩岩样。等离子炬对玄武岩岩样的破岩效果如图4所示。

图4 等离子炬对玄武岩岩样的破岩效果Fig.4 Rock breaking effect of plasma torch on basalt samples

2.1.3 花岗岩试验及结果

用花岗岩岩样进行等离子炬破岩试验时，以空气为等离子炬的工质，用不同功率对厚度30和100 mm的花岗岩岩样进行破岩试验。

试验发现，等离子炬可以烧穿厚度30 mm的花岗岩样品，但同样不能烧穿厚度100 mm的花岗岩岩样。随着等离子炬功率增大，岩石破碎速度加快，且成孔面积增大，再次验证了增大等离子炬功率可以提高破岩速率。试验还发现，破岩过程中花岗岩主要是碎裂方式，岩石熔化成玻璃态的较少。破岩过程中，岩石破裂严重，有大量岩屑飞出。花岗岩破岩成孔圆度、光滑度都不如玄武岩，但等离子炬对花岗岩岩样的整体破坏程度较高。等离子炬对花岗岩岩样的破岩效果如图5所示。

图5 等离子炬对花岗岩样品的破岩效果Fig.5 Rock breaking effect of plasma torch on granite samples

2.2 试验结果分析

玄武岩的主要成分为SiO2，天然玄武岩为各矿物相的混合晶体，经1 500 ℃高温熔融后晶体消失，变为非晶体玻璃态，也就是发生了熔化。花岗岩是由石英、云母和长石形成的复杂混合物，矿物质晶体和存在形式不同，高温加热后，不同矿物的热膨胀系数和力学性能差距较大，更容易发生碎裂。

在不考虑破岩过程中岩石碎屑飞溅、只考虑岩石熔化的情况下，烧穿岩石时，岩样前后两面（正对等离子炬喷口射流的一面为前面）成孔的面积相差不是很大，可以根据成孔直径和岩石厚度计算熔化岩石的体积，根据岩石的熔化比能计算所需要的能量，然后根据等离子炬的功率和烧穿时间计算等离子炬消耗的能量，从而得到破岩时的热能效率，其表达式为：

式中：η为破岩时的热能效率；V为等离子炬熔化岩石的体积，cm3；P为等离子炬的功率，kW；t为等离子炬灼烧岩石时间，s。

利用式（2）可以计算出上述试验的热能效率，相关数据见表2（因100 mm厚的岩样没有烧穿，等离子炬的破岩时间无法测量，未计算相应的热能效率）。

表2 等离子炬破岩试验数据及计算的热能效率Table 2 Test data of rock breaking by plasma torch and calculated thermal energy efficiency

由表2可知：玄武岩在等离子炬功率分别为30和50 kW时，热能效率分别为6.2%和5.7%；花岗岩在等离子炬功率分别为30和50 kW时，热能效率分别为3.8%和3.9%，热能效率都不高。对热能效率偏低的原因进行了分析，分析认为：1）等离子炬的能量有一部分被冷却水带走，由等离子炬喷口喷出的射流热效率大约80%；2）岩石熔化过程中，熔化的岩浆有一小部分蒸发，岩石的蒸发比能远大于熔化比能，需要吸收更多的能量；3）试验开始时岩样距离等离子炬较远，等离子炬启动后才逐渐向其移动，直至被高温射流喷射到，移动过程中大量的能量没有作用到岩样上，且较长时间处于温度相对较低射流区，导致热能效率降低；4）等离子炬的射流只在正面喷射到岩石上，且井孔为非密闭空间，射流和周围的空气接触，被空气带走大量热量，同时岩样也向环境散发了大量热量，这也是导致热能效率偏低的一大原因。

等离子炬破岩试验结果表明，玄武岩对热量的吸收效率更高，岩石熔化更容易；花岗岩的熔化较慢，但在破岩过程中岩样产生了大量的裂缝，岩石在熔化的同时部分产生破裂。等离子炬在破岩过程中，随着等离子炬功率增大，成孔变大，破岩时间变短，但受到试验装置的制约，大量能量没有直接作用在岩石上，效率较低。在持续钻井的施工条件下，效率将大幅度提高。

3 应用建议

等离子炬将大量的电能转换为热能，运行时需要气体工质和冷却液，这使得在未来的钻井应用中会出现能量传输、工质和冷却液传输等问题。另外，试验时等离子炬破岩成孔并不规则，钻井时需要提高成孔质量。对此，进行了分析探讨，提出了应用建议。

3.1 能量传输

等离子炬破岩需要的功率达到几十甚至上百千瓦，且功率越大，需要的电流越大。如果将供电系统设置在地面，可以采用连续油管的方式输送动力电缆，但会受到钻井深度、水平段钻进距离的限制，存在可靠性方面的问题等。需要研发特制的钻杆，将传输电缆集成在钻杆内来输送电能，但钻杆的研发成本较高。如果将电源设置在井下，需要将供电系统集成在井下钻铤中，通过大功率井下发电机提供电能，而置于深井里的一切控制元件都要考虑抗高温高压性能，研发难度较大。

建议加快钻井专用等离子炬的研发，提高破岩的能量效率，降低破岩的电能需求，从而降低特制钻杆和井下发电机的研发难度。

3.2 气体工质和冷却液传输

等离子炬工作时，需要在电极间通入气体工质将高温射流从阳极喷出，随着钻井深度增加，井底压力不断上升，需要气体工质的压力不断增大，对气体工质的供给和传输都提出了很高的要求。另外，等离子炬需要循环水对电极进行冷却，在钻井时要增加冷却液的传输。

因此，建议研发特制钻杆，来实现气体工质和冷却液的传输。

3.3 成孔质量

等离子炬钻井主要利用电弧放电产生的高温等离子体射流破岩，通过控制电功率和等离子炬与岩石的距离，使用合理的射流温度区域来熔融破碎岩石，通过工质气体的旋转来控制射流形态，保证钻井成孔的质量。但在实际钻井过程中，由于地层深处存在多种不确定因素，很难精确控制井下等离子炬的功率、射流长度、射流与岩石距离等参数，必然会影响射流的形态，对钻井成孔的质量造成影响。

因此，建议加强对等离子炬钻井过程的模拟研究，并开展井下钻井环境模拟试验，优化施工参数，提高成孔质量。

4 结 论

1）等离子炬可以通过高温射流进行破岩，不同类型岩石的矿物组成不同，破碎形式也不同，主要破岩方式为岩石破碎和熔化。受热相同情况下，花岗岩比玄武岩更容易发生破碎。

2）等离子炬功率越大，作用于岩石单位表面积上的热量越大，破岩速度越快。破岩试验中，因为与环境有大量热交换，破岩效率不够高。

3）建议加大等离子炬钻井的研究力度，探索更合适的等离子炬破岩参数，提高等离子炬破岩效率；建议研发钻井专用的等离子炬，解决能量传输、工质及冷却液传输等问题，以更快地实现等离子炬在钻井工程中的应用。