激光辅助破岩可钻性评价

韩彬,李美艳,李璐,王勇 (中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580)

激光辅助破岩可钻性评价

韩彬,李美艳,李璐,王勇 (中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580)

激光辅助破岩是一种新的破岩方法。采用高能量激光束照射岩石表面,研究岩石对激光束的敏感性,并对激光辅助破岩的可钻性进行评价。结果表明,给定工艺参数下,砂岩激光钻孔处理后表面分为灰色瓷釉层、白色热影响区和褐色热影响区三个区域。与砂岩相比,花岗岩经激光照射后表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,玻璃泡周围形成大面积起裂区,且相同工艺参数下钻孔深度明显降低。激光照射花岗岩后可钻性级数较未处理岩石明显降低,表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,孔周围有裂纹及破碎现象,原始玻璃釉层出现明显的碎裂。激光照射砂岩后可钻性级数变化不大,表面出现磨损和滑擦痕迹,孔周围未见塑性变形。

激光;岩石破碎;宏观形貌;可钻性

目前在地质钻探和石油钻井中,大多数情况下都采用机械方法破碎岩石,即在轴压和扭矩 (剪切力)作用下破碎岩石,该方法碎岩效率不高,钻头寿命较短,因此迫切需要研发新的钻进方法[1,2]。激光束具有相干性好、指向性好 (近于平行光)、单色性好、亮度高和聚光性能好等优点,光束密度可达109W/mm2,受如此高密度的光束照射时,岩石可在极短时间(1μs或1ms)内,在很小范围内出现急速升温和急速凝固的过程,使岩石受热后产生微裂隙并扩张、相变而引起颗粒分离,气体与水在空穴中扩张并最终导致岩石破碎[3～5]。依靠激光辅助破碎岩石,能够为后续的机械破岩创造有利条件。

岩石可钻性作为衡量破碎岩石难易程度的一个综合指标,是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数,衡量钻井速度的主要依据[6]。笔者采用高能量激光束照射岩石表面,然后采用PDC钻头进行机械钻进,研究岩石对激光照射的敏感性以及激光辅助破岩对机械钻井的影响,对提高深层岩石的钻井速度提供理论支持。

1 试验材料及方法

1.1 可钻性级数的概念

采用可钻性测定仪,用直径31.75mm的微钻头在岩心上钻孔,记录钻深3mm的钻孔时间,换算成以2为底的对数来表示可钻性,所得值称可钻性级数。随着岩石可钻性级数增大,岩石可钻性降低。可钻性级数的计算公式可表示为[1]:

式中:Kd为可钻性级数;t为时间,s。

1.2 试验材料及方法

试验材料为120mm×120mm×80mm的砂岩和花岗岩,采用DL-HL-T5000型CO2激光加工成套设备照射岩石表面,激光功率P=900W,作用时间t=4s,离焦量L=103mm。处理后采用kzx-1型多功能岩石可钻性测定仪对经过激光处理的岩石进行可钻性试验,评价激光处理对岩石可钻性的影响。可钻性试验采用PDC型钻头,钻进岩石深度为3mm,钻载压力为508N,试验后采用LEICA S6D三维体式显微镜观察岩石表面形貌。

1.3 试验方案设计

试验采用以下方案对岩石表面进行激光表面照射处理,如图1所示。其中,第1圈直径为2.1cm,第2圈直径为3.3cm,第3圈直径为4.2cm(图1)。岩石的激光处理参数及所选加工方案见表1。

表1 激光处理岩石工艺参数及试验方案

图1 岩石表面激光处理方案

2 试验结果及分析

2.1 激光辅助破岩效果

图2所示为给定工艺参数下砂岩激光钻孔处理后的表面形貌,由图2可知,钻孔后表面主要分为3个区域:灰色瓷釉层、白色热影响区和褐色热影响区。图3所示为砂岩激光钻孔处理后的截面形貌。由图3可知,钻孔内部截面主要分为2个区域:灰色瓷釉层和褐色热影响区。

图2 砂岩激光照射后表面形貌

图3 砂岩激光照射后截面形貌

图4 花岗岩激光照射后表面形貌

图5 花岗岩激光照射后截面形貌

图4所示为花岗岩经激光照射后的表面形貌。由4图可知,激光照射后,花岗岩表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,且在玻璃泡周围形成大面积起裂区。图5所示为花岗岩激光照射后的截面形貌。由图5可知,与砂岩相比(图3),花岗岩激光钻孔深度明显降低,且在钻孔周围出现明显的裂纹,如图5箭头所示。激光辅助破岩过程中,激光照射的主要贡献不是高温熔化气化作用,而是依靠激光照射产生的极高的温度应力而引起的破碎作用。在温度应力的作用下,花岗岩能够产生裂纹及裂缝,且裂纹数量随着温度变化的逐渐增加,直至岩石破碎[7]。

2.2 激光辅助破岩可钻性评价

按照上述设计的岩石可钻性试验方案,砂岩和花岗岩经过PDC钻头钻进后的可钻性试验结果见表2。

表2 激光照射岩石的可钻性试验结果

由表2可见,砂岩和花岗岩的可钻性级数与未做处理岩石相比都有所减小,说明岩石可钻性得到改善,更容易钻进。同时可见,未经处理的花岗岩的可钻性级数远高于砂岩,而激光照射后,与砂岩相比,花岗岩的可钻性级数显著降低,表明激光照辅助破碎花岗岩更有助于提高其钻进速度。

图6所示为激光照射岩石经PDC钻头钻进后的表面宏观形貌。图7所示为未经激光照射岩石经机械钻进后的宏观形貌。由图7可见,砂岩和花岗岩的研磨表面较光滑,无塑性变形及剥落现象。图8所示为激光照射岩石经PDC钻头钻进后的宏观形貌。由图8可知,激光照射砂岩表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,钻孔周围未见塑性变形(图8 (a))。激光照射花岗岩表面具有明显的磨损和滑擦痕迹(图8(b)),钻孔周围出现明显的裂纹及破碎现象,原始玻璃釉层出现明显的碎裂(图8(c))。

图6 激光照射岩石经PDC钻头钻进后的宏观形貌

图7 未经激光照射岩石经PDC钻头钻进后的宏观形貌

图8 激光照射岩石经PDC钻头钻进后的宏观形貌

3 结论

1)在给定工艺参数下,砂岩激光钻孔处理后表面分为灰色瓷釉层、白色热影响区和褐色热影响区3个区域;钻孔内部截面分为灰色瓷釉层和褐色热影响区2个区域。

2)花岗岩经激光照射后表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,且在玻璃泡周围形成大面积起裂区,与砂岩相比,相同工艺参数下花岗岩激光钻孔深度明显降低,且在钻孔周围出现明显的裂纹。

3)激光照射花岗岩后可钻性级数较未处理岩石明显降低,经PDC钻头钻进后,表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,钻孔周围出现明显的裂纹及破碎现象,原始玻璃釉层出现明显的碎裂。

4)激光照射砂岩后可钻性变化不大,经PDC钻头钻进后,表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,钻孔周围未见塑性变形。

[1]沈忠厚,黄洪春,高德利.世界钻井技术新进展及发展趋势分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2009,33(4):64～70.

[2]金波.海拉尔探区钻井速度影响因素的分析及其对策[J].大庆石油学院学报,2006,30(5):35～40.

[3]易先中,祁海鹰,余万军,等.高能激光破岩的传热学特性研究[J].光学与光电技术,2005,3(1):11～13.

[4]徐松林,席道瑛,唐志平,等.短脉冲激光与岩石相互作用机理初探[J].岩石力学与工程学报,2005,24:4694～4699.

[5]谢慧,周燕,董怀荣,等.激光辅助破岩试验研究[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2013,35(4):152～154,157.

[6]李夕兵,赖海辉,朱成忠.岩石动载强度与岩石可钻性[J].湖南有色金属,1990,6(5):17～19.

[7]柯珂.激光破岩温度应力数学模型的建立与实验研究[J].科学技术与工程,2012,12(29):7532～7537.

[编辑] 黄鹂

TE249

A

1000-9752(2014)09-0094-04

2013-12-13

国家自然科学基金项目(51179202);中国石油科技创新基金项目(2013D-5006-0309);国家“863”计划项目(2012AA09A203);中央高校基本科研业务费专项资金项目(13CX02073A)。

韩彬(1973-),男,1996年大学毕业,博士,副教授,现主要从事石油钻采装备激光加工处理方面的研究。