高效破岩前沿钻井技术综述

闫 铁，杜婕妤，李 玮，毕雪亮，姚尚林

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083）） ①

高效破岩前沿钻井技术综述

闫 铁1，杜婕妤1，李 玮1，毕雪亮1，姚尚林2

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083））①

高效破岩技术是钻井工程中的基础技术，是提高破岩效率、减少钻进时间和降低钻井成本的重要因素之一。着重介绍当前一些主要的高效破岩钻井技术，如高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术、粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等，并综述了各种高效破岩技术的原理、特点和国内外发展趋势及当前应用情况等。分析结果表明：高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术等传统破岩技术在一定时间仍将是高效破岩钻井技术的主体，而激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等新型高效破岩钻井技术处于探索阶段，但会逐渐成为钻井破岩技术的发展方向。

高效破岩；破岩效率；钻井；方法；机理

钻井工程是油气藏开发中投资大、风险高的工程，它的费用占勘探开发成本的50%以上。破岩技术是油气钻井技术的核心内容，破岩效率的好坏直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益［1－4］。在油气田开发日益深入的今天，高效破岩技术更是安全、快速钻井的基本保障之一。在面临更深和更复杂的地质条件时，破岩难度逐渐加大，钻井过程中普遍存在钻速慢、周期长、成本高等问题，而现有的旋转钻井方式在提高机械钻速的能力方面是有限的，因此研究高效破岩钻井技术势在必行［5－6］。

随着现代科学技术的发展，高效破岩技术出现了一些新的发展趋势。本文综述了高效破岩前沿钻井技术的发展，介绍了几种广泛应用的高效破岩技术——高压水射流破岩技术、欠平衡钻井破岩技术、旋冲钻井破岩技术［7－8］，并分别阐述了它们能够提高破岩效率的机理、方法和国内外研究方向；同时介绍了逐渐成熟的前沿破岩技术——粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、电子束破岩技术、等离子体破岩技术［9－12］，以及它们的特点，并展望了高效破岩钻井技术的未来与发展趋势。

1 旋转钻井高效破岩方法

1.1 高压水射流破岩技术

自20世纪50年代喷射钻井问世以来，石油钻井的速度和质量大幅度提高。高压射流钻井提高了钻头牙齿对岩石的穿透能力，解除了岩石自由面的束缚，从而降低了岩石的负载能力，能够有效地在岩石的某些部位产生或扩展微裂纹，增加了岩石的渗透性，在裂纹尖端产生拉应力集中区，水楔入裂纹产生一定的压力场，使裂纹迅速扩展，致使岩石进一步破坏。

20世纪60年代，海湾石油公司进行了压力为56～102MPa的磨料射流试验，结果表明钻速是常规钻井的2～3倍。20世纪70年代，壳牌和埃克森石油公司分别进行了射流辅助PDC钻头破岩试验，其试验压力在70～105MPa，结果表明钻速比常规钻井方法提高了3倍。20世纪90年代，美国Flowdrill公司研究柱塞式井底增压技术辅助钻头破岩，可以将1／10的井底钻井液增压到200MPa左右，钻速提高了1.5～2.5倍［13］。20世纪80年代，美国Bechtel投资公司和Petrophysics有限公司研究了高压水射流钻径向水平井技术［14］，可以在直井产层钻出多个辐射状水平井眼，提高了油层的开发效果。

20世纪90年代，中国石油大学研究了径向水平钻井技术，对高压射流结构特性、岩石破碎规律等进行了深入研究［15］，同时结合大量的现场试验，基本解决了高压水射流破岩技术中的核心问题——转向器系统和参数控制。近年来，中国石油大学系统地研究了高压射流破岩机理和过程，在数值模拟和试验结合的基础上，取得了很大的进展。

高压水射流直接或辅助破岩在石油钻井中取得了显著的成果，极大地提高了机械钻速；双射流有利于形成大而深的破岩孔道，避免孔眼凸底的形成，可以提高射流破岩钻孔效率；在面对常规水平井钻进过程中钻压施加困难和钻柱旋转带来的问题时，高压水射流钻径向水平井技术彻底解决了这些问题，提高了钻进速度［16］。

高压水射流破岩技术已广泛应用于现场，取得了显著的经济效益，具有广阔的应用前景。

1.2 欠平衡钻井破岩技术

欠平衡钻井技术是采用井筒负压的钻井技术，是降压差提高机械钻速最有效的方法。欠平衡钻井过程中由于钻头端面上液柱压力减小，正在被钻的岩石更易破碎；另外，低密度的循环液体有助于减少“压持效应”，使钻头继续切削新的岩石而不是重复碾压已破碎的岩石，减少了岩屑的重复破碎现象，能够有效地破碎岩石。欠平衡钻井的这一技术优势在钻水平井和大尺寸、长井段井眼时表现得尤为突出［17］。

1997年，美国采用液相欠平衡钻井技术钻井1 100口；加拿大已成功将不可压缩空心玻璃球应用于液相欠平衡钻井作业之中。美国应用空气欠平衡侧钻，经过对侧钻井段的裸眼测试，测得的油气产量是原直井段综合产量的10倍，效果显著。加拿大用连续软管欠平衡钻井技术钻成了1口水平井——Wainwrightl5B－44－4W4M，其产量是该地区直井产量的2.5～6.0倍［18］。

国内大庆油田应用水包油钻井液体系，在火山岩层开展液相欠平衡钻井技术研究与试验，成功钻成评价井——宋深101井和探井卫深5井，减少了井下复杂情况的发生，提高了机械钻速，尤其对及时发现产层并保护产层的意义十分重要。大港油田在千米桥古潜山地层采用无固相淡水（卤水）欠平衡钻井技术发现了1个含油气面积超过60km2的亿吨级大型气田，取得了很好的勘探效果［19］。

欠平衡钻井技术有如下优势：①由于井筒液柱压力始终小于所钻地层孔隙压力，其井底岩石自身有崩脱趋势，因此可提高机械钻速，延长钻头寿命；②能减少或消除漏失和压差卡钻，并能减少地层损害，大大提高钻井效率，降低钻井直接成本。

目前全球装备的欠平衡钻井数量已经超过1.5万口。在许多发达国家，欠平衡钻井已经成为常规的钻井技术，美国和加拿大欠平衡钻井已经占到本国钻井总量的1／5左右。我国不但研究、开发、改进了大量欠平衡钻井技术方案，而且还设计、制造了大量的欠平衡钻井装备，逐步实现了主要装备的国产化，并逐步开始向海外输出技术、工艺和装备。

1.3 旋冲钻井破岩技术

旋冲钻井技术是在旋转钻井基础上发展起来的钻井新技术，其方法是在转盘钻进的基础上再加上1个冲击器；其原理是在旋转钻井的同时，接在钻头上端的冲击器在高压气体或钻井液的推动下，促使冲锤上下往复运动冲击钻头，在冲击动载和静压旋转联合作用下，岩石裂隙扩展，形成大体积的岩石破碎［20］。

应用旋冲钻井技术可以减少钻挺使用和钻柱的弯曲、磨损与疲劳破坏及井下事故，提高井身质量。冲击点密度大增加，冲击破岩产生体积破碎，两相邻点的冲击波可相互重叠，破碎区相连，从而大大提高了岩石破碎效率，消耗功率较低，产生的较大岩屑有利于地质录井。在不增加任何设备的情况下，提高了钻深能力。

实现旋冲钻井的主要手段是冲击钻具，在不需要改变任何设备的前提下实现石油钻井。在石油钻井领域研究应用最多的还是气动（又称空气锤）和液动冲击器2种。

1.3.1 液动旋冲钻井技术

液动冲击器只需串联于井下钻具组合中即可实现液动旋冲钻井。1900—1905年，俄国工程师B·沃尔斯基——第1位液动冲击钻具理论研究者，设计了几种石油钻井液动冲击器。目前，国外许多公司在液动冲击器方面的研究都处于先进水平，其中有美国Smithtool公司、Undergauge公司、AWDS公司、Sperry钻井服务公司和德国克劳斯塔尔工业大学、日本TONE公司、挪威国家石油公司等，其研究主要以各类阀式冲击器为主。

20世纪90年代中期，国土资源部勘探技术研究所、德州石油钻井研究所、长春科技大学、中国石油大学等科研单位对旋冲钻井技术展开研究，发明了射流式冲击器、射吸式冲击器。其中，中石化德州石油钻井研究所研制的YSC－178型液动射流式冲击器处于国内领先水平。

1.3.2 气动旋冲钻井技术（空气锤钻井）

加拿大一项使用气动旋冲钻井技术的现场记录表明，用166个纯钻时，钻深可达1 738m。目前，美国英格索兰公司在空气锤钻井技术领域处于领先地位，能生产多达40余种气动冲击器，钻孔范围90～1 980mm；同时其研制了多种类型冲击钻头和比较成熟的配套设备，能适应各种地层的钻进［21］。

国内各研究机构开始重视气动旋冲钻井技术，但目前还处于研究阶段。

2 新型钻井破岩方法

由于现有旋转钻井方式在提高机械钻速的能力方面是有限的，全新的钻井破岩方法打破了常规旋转钻井破岩方式［22－23］。研究工作者提出了全新的钻井破岩方法。

2.1 粒子冲击破岩技术

粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，联合高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的一种新的钻井破岩方法。在钻井过程中，为实现粒子破岩过程，需在钻井液泵出后通过注入系统将粒子注入到高压钻井液中，经过钻具到达专门设计的PID钻头，粒子以较高的频率和速度从喷嘴喷出并冲击地层，实现破碎岩石的目的，并被钻井液携带返到地面，粒子被捕获分离再利用。

2005年，在盐湖城TerraTek的钻井完井实验室，PDTI公司首次试验了自己设计的2种新型PID钻头。2006年，PDTI公司才成功地完成第2口井的现场试验，并创下粒子冲击钻井（PID）最长的现场钻进记录——PID钻进7h，进尺28.0m，而常规钻头在该地区钻进24h，平均进尺约为27.4m。2007年，PDTI公司在Texas东部的TravisPeak层段又完成了粒子冲击钻井系统的一次试验，使用常规钻井工艺，在本次试验之前的井段，钻速为1.2 m／h；在本次试验之后的井段为2.6m／h，而PID的平均钻速为5.4m／h［24］。

伍开松等［25］对双粒子冲击破岩进行数值模拟分析，采用无量纲分析方法，得到双粒子冲击破岩的规律及双粒子在各种参数（粒子直径、粒子间距、冲击初速度和入射角度）变化时的冲击破碎岩石效果。

与传统钻井相比，粒子冲击钻井系统的主要优点是：①粒子冲击产生的局部瞬时脉冲应力峰值极高，足以破碎和侵彻极坚硬的岩石，提高了能量的利用率，其钻井速度是常规钻井的2～4倍；②需要的钻压和扭矩较常规钻井要小得多，大大地减小了钻柱和钻具的疲劳破坏的概率，钻头磨损非常小；③粒子冲击破岩能产生比较精确的预期井眼直径和井眼轨迹，对防止井斜能产生显著的效果。

粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段，目前正在迈入商业应用阶段。2.2 激光钻井破岩技术

从20世纪60年代开始，许多国家开展了利用激光破岩的研究工作，它经历了小功率激光器的岩石切割阶段和大功率激光器的钻井破岩阶段。激光破岩的基本原理是利用高能光束直接作用岩石，使之局部快速加热到熔化和汽化状态并形成气、液2相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除，是一种非机械接触式的物理破岩方法［26］。

1999年，美国前芝加哥天然气研究院进行了激光钻井可行性试验，结果肯定了其可行性，在钻进砂页岩夹层时，激光束钻进速度可达137.2m／h，是转盘钻井的10～100倍，并且激光钻井形成坚固、光滑的井壁可以避免井眼坍塌等情况［27］。1998—1999年，俄罗斯Lebedev物理研究所开展了激光破岩的岩石临界能量和岩石激光可钻性等方面的基础研究［28］。2000年，加拿大Dalhousie大学［29］开展了激光破岩的岩石传热学和热力学方面的研究。

1998～2007年，我国学者易先中［30］开展了激光破岩机理研究并进行了大量室内试验，其研究结果表明：激光破岩速度可高达105～115m／h，岩石基本上是以受热碎裂、汽化和熔融等形式破坏。岩石受激光作用后，热影响区附近的岩石存在着宏观裂纹发育现象，其孔隙度、渗透率均有提高。另外，开展了激光破岩的排屑机理与温度场特性研究，得出温度场的剧烈变化是引起岩石微观物性、宏观性质发生改变的根本因素。2010年，中国石油大学（华东）徐依吉等［31］分析了激光破岩试验中出现的岩石热裂、液体汽化效应，得出了影响激光热裂岩石、激光汽化钻井液的因素，从理论上探讨了激光－气体机械联合钻井与激光激励汽化射流辅助钻井方法的可行性。

采用激光钻井主要具有以下优势［32］：①激光钻进更易穿透岩石，同时光子沿直线传播，所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少；②激光钻井过程中无需钻头、套管等设备，免去了下套管和起下钻柱的时间，大大节约了成本和时间；③激光冲击岩石后会形成一层坚硬井壁，可以有效地防止地层流体流入井中，预防井喷；④激光器系统包括各种图像可视系统及井下传感器，可以对整个钻进过程有更全面的把握与布局。

激光钻井破岩技术是一项前沿技术，其发展前景广阔。目前，国内外在这方面的研究还处于探索阶段，主要包括理论模型和试验研究等，预计2020年投入商业化应用，并有望给钻井带来一场革命。

2.3 等离子体破岩技术

20世纪60年代中期，等离子体切割金属的技术被引入到岩石破碎中，并用于二次破碎大块岩石。若在等离子枪的金属阴、阳极之间加上常规的直流电压，便可通过高频电火花或碳粒短路激发，而产生电弧。等离子体破岩是在等离子弧的作用下，以岩石中产生的应力状态为基础的。在高温高速的等离子弧的作用下，产生的热应力超过岩石的强度极限从而使它破碎［33］。等离子弧破岩如同火钻一样，属于热力破岩。

挪威的獾式钻探器公司开发了等离子体通道钻井技术，该技术的核心是高电压脉冲能量技术。利用高电压脉冲在“钻头”前方的岩石中形成高能等离子体，等离子体在＜1μs的时间内在岩石中极迅速地膨胀，导致局部岩石破裂和破碎。2006年，斯特拉斯克莱德大学电子电气工程系利用高压电脉冲微放电的作用，使岩石开裂破碎，产生直径25～50mm的洞。该装置能使放电长度缩小到10～20mm，且1s内连续20～30次，岩石在这样频繁的作用下破碎。由于产生小洞，需要清除钻屑要少得多，这样也就降低了钻井成本，同时减轻了对环境的影响。加拿大诺兰达技术中心研究了等离子爆破技术，即利用电容器的放电使钻孔中的电解液汽化产生高温高压等离子用以破岩，但距离应用还为时尚早［34－35］。

2006年，我国学者陈世和［33］探究了低温等离子体破岩、凿岩的原理和方法，应用等离子技术在核工业矿山破碎坚硬岩石，并取得了显著效果，充分反映了等离子技术的优越性和先进性。

在石油钻井中，经常会钻遇硬度较大的岩层，主要有石英岩，砂岩等。试验表明：等离子破岩技术在钻遇这样的高硬度地层时，钻进速度很快。应用等离子体技术进行凿岩和破岩，发挥了等离子体高温高速的优势，非常坚硬的岩石也只要2～3min就可以使其破碎，破岩效率远大于机械破岩效率。

这项破岩技术目前尚处于验证阶段，其可行性还有待进一步验证。如果它最终能够通过现场试验，则有望成为一种新的简单、高效、成本低、风险小的破岩方式，将主要用于修井和钻小井眼。

2.4 电子束破岩技术

电子在强电场作用下获得动能，在真空中经过聚焦形成定向高速电子束，用它可以切割金属和破碎岩石，目前已研制出功率为150kW的电子束破岩装置。岩石在电子束作用下是以熔化和汽化形态离开岩体的，因此，对岩石的加热作用不受岩石种类影响。电子束破岩装置有2种不同系统：一种是聚焦电子束；另一种是脉冲电子束。

国外对聚焦电子束破岩技术进行了大量研究与试验，结果表明：聚焦电子束破岩方法是最为成熟的，任何一种硬岩在电子束作用下均可被破碎。对电子束这种破岩方法而言，岩石硬度是微不足道的［36］。1976年，美国加利福尼亚大学劳伦斯－伯克利试验室提出一种脉冲电子加速器掘进机，这种加速器能产生脉冲宽度＜1μs的1×106～4×106V的脉冲电流，脉冲的重复频率为360Hz，每微秒可放出25J能量。用这种加速器破岩可不受岩种的限制，硬岩软岩都可，甚至硬岩的剥落比软岩更容易些。每次剥落岩石的深度可达7～15mm，直径120～130mm，比能为1.25kJ／cm3。特别需要指出，脉冲电子束破岩机理与聚焦电子束不同，它不是靠熔化，而是靠热拉应力形式剥落岩石。热拉应力产生的原因与脉冲水射流相似。

尽管电子束破岩有能量密度大、转换效率高、适用性广等优点，且不存在一般机械法的反冲问题。但是，目前电子束破岩的研究还处于实验室阶段，还有许多问题，如能耗大、照射距离小等需要研究解决，才有可能在采矿工业中应用。

2.5 新型钻井破岩方法的未来趋势

面对油气勘探开发的程度加深、难度加大、开发成本高等问题，必须要提高钻井质量。我国东西部存在着大量的复杂坚硬地层，而西部地区油气藏埋藏普遍较深，急需解决深部地层钻井效率低的问题，提高破岩效率是加快钻井速度的最优途径。激光钻井破岩技术和粒子冲击破岩技术能解决深井、硬地层钻速慢的问题，为钻硬地层提供了一个技术储备方向。激光钻井和旋转钻井有机地结合起来，将会逐渐取代传统的旋转钻井技术，成为一种经济、高效的钻井新方法。预计到2020年，激光钻井技术将会投入商业化应用，并成为钻井发展的方向。等离子破岩技术和电子束破岩技术目前都处于试验阶段，有待于进一步验证其可行性。

3 结语

旋转钻井高效破岩方法经多年理论攻关及现场实践，已逐渐趋于成熟并广泛应用于现场，其各种设备逐步完善。高压水射流破岩技术、欠平衡钻井破岩技术、旋冲钻井破岩技术等旋转钻井破岩方式在今后的一段时间内依然是钻井工程的主体，但随着科学技术的发展，新型高效破岩方法将会取代传统的破岩方法。目前，粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、等离子破岩技术、电子束破岩技术等新技术虽然处于试验探索阶段，但将逐渐成为具有发展潜力的新钻井破岩技术，并逐渐改变整个钻井破岩体系，成为钻井发展的新方向。

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Synthesizing Comment on Efficient Rock Fragmentation Method in Frontier Drilling Technology

YAN Tie1，DU Jie－yu1，LI Wei1，BI Xue－liang1，YAO Shang－lin2
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Energy Institute，China University of Geosciences（Beijing），Beijing100083，China）

Efficient rock fragmentation technology，the foundation of drilling engineering，is one of main factors that improves rock fragmentation efficiency and reduces drilling time and cost.The major efficient broken rock drilling methods are introduced in this paper，such as high pressure water jet drilling technology，rotary blunt drilling technology，particle shock rock fragmentation technology，laser drilling rock fragmentation technology and electron beam rock fragmentation technique，etc.Principle，characteristics，development trend and the current application of all kinds of efficient rock fragmentation technology are summarized in this paper.Analysis results show that traditional rock fragmentation technology，high pressure water jet rock fragmentation technology and rotary blunt drilling rock fragmentation technology，will still be subject in certain time.However，the new efficient rock fragmentation drilling technology，Laser drilling rock fragmentation technology and electron beam rock fragmentation technology，are in exploration stage，will yet become development direction of rock fragmentation technology gradually.

efficient rock－breaking；rock fragmentation efficiency；well drilling；method；mechanism

1001－3482（2012）01－0050－06

TE21

A

2011－07－12

国家自然科学基金（50974029）；国家重点基础研究发展计划（973计划）“深井复杂地层安全高效钻井基础研究”（2010CB226703）

闫 铁（1957－），男，黑龙江肇州人，教授，博士生导师，博士，主要从事油气井工程力学等方向的教学和研究工作，E－mail：yant＠dqpi.edu.cn.