岩石破碎新方法5(免费阅读).ppt

* * 概 述 一、探矿工程在国民经济中的战略地位 我国是一个幅员辽阔的大国，地下和海洋资源十分丰富。随着国民经济高速发展，资源、能源开发，环境保护与治理，以及交通、土木、水利、国防等各种大规模工程建设的工作量与日俱增，这些都对探矿工程提出了更高的要求及新的高技术挑战。在探矿工程领域中，钻探是关键核心技术之一。地下蕴藏的金属、非金属矿产，石油、天然气、原煤、地热、水等资源主要依靠钻探技术去勘探开发，这些资源的勘探与开发具有资金和技术密集型，高投入、高产出、高风险的特点，其目标必须通过钻井工程才能实现。 二、钻探工程系统的组成 钻探工程是一个动态的复杂系统，主要由四个子系统组成，即地层、钻具、流体、地面装备。地层是钻井的工作对象，钻具和流体是钻井的工作手段，装备是驱动钻具和流体工作的动力源。 三、钻探工程的技术进步 在上述四个子系统中，除所钻地层外，其余三个子系统都涌现了许多新技术。例如，70年代末期出现了PDC钻头，进入80年代，相继出现了随钻测量仪器，可控井下马达，以及水平钻井技术等；进入九十年代，大位移井和复杂结构井钻井技术等得到迅速发展并进入工业应用。 激光破岩新方法 早在20世纪60年代和70年代，国外就开展过激光钻井研究。但是由于当时的激光技术水平有限，认为用激光钻井需要的能量太大，实现不了；在经济上激光钻井太昂贵，不合算。正是这一结论在此后25年的时间里妨碍了激光技术在钻井领域的研究与应用，尽管这期间激光技术取得了飞速的发展，特别冷战期间美国星球大战计划开发的激光武器，其能量足以击毁来袭导弹，摧毁地面目标。 一、激光钻井的研究现状 1997－1999年，美国气体技术研究所与科罗拉多州矿业学院、美国能源部、美国陆军、美国空军和其他三家公司一起开展了激光钻井的基础研究。研究小组在200多块页岩、灰岩和砂岩上测试了三种军用激光系统，发现激光能穿透各种类型的岩石，破岩机理是高能激光击碎、熔化和蒸发岩石，激光钻井在技术上是可行的，而且速度可能比常规旋转钻井快10倍，甚至更多。 从2000年起又对激光钻井开展了一系列深入研究。着重研究了激光钻井需要的能量以及激光、岩石和液体三者的相互影响，发现实际所需要的能量并没有60年代所计算的那么大（如图1）。 图1. 900KW的特效激光作用4.5秒后的砂岩 高能激光熔化岩石后，在井壁形成一层陶瓷样保护层，其周围的岩石因受热膨胀而出现一些微裂缝，有助于提高渗透率（如图2、3）。 图3. 激光作用于岩石的痕迹区与当量炸药爆炸效果的比较 图2. 在钇铝石榴石上的激光碎岩实验 二、激光钻井优势明显，前景广阔 与常规钻井相比，激光钻井具有如下潜在优势： 1、激光钻机重量轻，用一辆拖车一次就可运到井场； 2、激光钻井的井场很小，也许只有普通井场的十分之一，甚至更小； 3、激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快，用常规钻井方法需要100天才能钻成的井，用激光钻井也许只需10天时间； 4、激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低，也许只有常规旋转钻井的1/10，甚至更低； 热熔钻进 热熔钻进是一种新式钻进方法。美国加利福尼亚大学LASA实验室在20世纪60、70年代就已开始研究热熔钻进工艺。其后，在日本、俄罗斯等国家也投入了研究。目前俄罗斯圣彼得堡国立矿业学院的热熔钻研究水平处于世界领先地位。 一、热熔钻进原理 1、热熔钻进的实质 通过电加热器产生的高温（大于1300℃），使井底岩土处于熔融状态，经过挤密或取心，使钻孔延伸。 2、接触式加热器的结构 产生高温的钻具为接触式加热器，如图所示。电极与外壳形成一个回路；当通电后，石墨元件便发红产生高温，高温热能集中于孔底使孔底岩土熔融成热熔体；热熔体从孔底挤出，经成孔环刮平修正，冷却后便在孔壁形成致密高强度的玻璃层。加热器的中心通入的氦气是防止石墨元件氧化。绝缘体是起隔热、隔电作用。 图1. 接触式加热器示意图 1—电极； 2—锁紧螺母；3—外壳； 4—绝缘体； 5—成孔环； 6—石墨元件 3、加热器熔融岩石的机理 加热器熔融岩石的机理如图3所示，加热器在钻进过程中，孔壁由于温度的不同可分为三层： 液相层 在温度高于1200℃时，岩石中某些成分被熔化成液相，熔化后密度降低。液相层在冷却凝固后就变成一层坚硬致密的外壳； 硬化层 硬化层温度较高，岩石经过焙烧作用，吸附水被烧掉，在750℃左右时，碳酸盐岩发生分解，CO2气体逸出。95