巖石破碎新方法5

1、概 述一、探礦工程在國民經(jīng)濟中的戰(zhàn)略地位 我國是一個幅員遼闊的大國，地下和海洋資源十分豐富。隨著國民經(jīng)濟高速發(fā)展，資源、能源開發(fā)，環(huán)境保護(hù)與治理，以及交通、土木、水利、國防等各種大規(guī)模工程建設(shè)的工作量與日俱增，這些都對探礦工程提出了更高的要求及新的高技術(shù)挑戰(zhàn)。在探礦工程領(lǐng)域中，鉆探是關(guān)鍵核心技術(shù)之一。地下蘊藏的金屬、非金屬礦產(chǎn)，石油、天然氣、原煤、地?zé)?、水等資源主要依靠鉆探技術(shù)去勘探開發(fā)，這些資源的勘探與開發(fā)具有資金和技術(shù)密集型，高投入、高產(chǎn)出、高風(fēng)險的特點，其目標(biāo)必須通過鉆井工程才能實現(xiàn)。1二、鉆探工程系統(tǒng)的組成 鉆探工程是一個動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由四個子系統(tǒng)組成，即地層、鉆具、流體、地面裝

2、備。地層是鉆井的工作對象，鉆具和流體是鉆井的工作手段，裝備是驅(qū)動鉆具和流體工作的動力源。三、鉆探工程的技術(shù)進(jìn)步 在上述四個子系統(tǒng)中，除所鉆地層外，其余三個子系統(tǒng)都涌現(xiàn)了許多新技術(shù)。例如，70年代末期出現(xiàn)了PDC鉆頭，進(jìn)入80年代，相繼出現(xiàn)了隨鉆測量儀器，可控井下馬達(dá)，以及水平鉆井技術(shù)等；進(jìn)入九十年代，大位移井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù)等得到迅速發(fā)展并進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。2激光破巖新方法 早在20世紀(jì)60年代和70年代，國外就開展過激光鉆井研究。但是由于當(dāng)時的激光技術(shù)水平有限，認(rèn)為用激光鉆井需要的能量太大，實現(xiàn)不了；在經(jīng)濟上激光鉆井太昂貴，不合算。正是這一結(jié)論在此后25年的時間里妨礙了激光技術(shù)在鉆井領(lǐng)域的研

3、究與應(yīng)用，盡管這期間激光技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，特別冷戰(zhàn)期間美國星球大戰(zhàn)計劃開發(fā)的激光武器，其能量足以擊毀來襲導(dǎo)彈，摧毀地面目標(biāo)。3一、激光鉆井的研究現(xiàn)狀 19971999年，美國氣體技術(shù)研究所與科羅拉多州礦業(yè)學(xué)院、美國能源部、美國陸軍、美國空軍和其他三家公司一起開展了激光鉆井的基礎(chǔ)研究。研究小組在200多塊頁巖、灰?guī)r和砂巖上測試了三種軍用激光系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)激光能穿透各種類型的巖石，破巖機理是高能激光擊碎、熔化和蒸發(fā)巖石，激光鉆井在技術(shù)上是可行的，而且速度可能比常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井快10倍，甚至更多。 從2000年起又對激光鉆井開展了一系列深入研究。著重研究了激光鉆井需要的能量以及激光、巖石和液體三者的相互

4、影響，發(fā)現(xiàn)實際所需要的能量并沒有60年代所計算的那么大（如圖1）。 4圖1. 900KW的特效激光作用4.5秒后的砂巖5 高能激光熔化巖石后，在井壁形成一層陶瓷樣保護(hù)層，其周圍的巖石因受熱膨脹而出現(xiàn)一些微裂縫，有助于提高滲透率（如圖2、3）。圖3. 激光作用于巖石的痕跡區(qū)與當(dāng)量炸藥爆炸效果的比較圖2. 在釔鋁石榴石上的激光碎巖實驗6二、激光鉆井優(yōu)勢明顯，前景廣闊 與常規(guī)鉆井相比，激光鉆井具有如下潛在優(yōu)勢：1、激光鉆機重量輕，用一輛拖車一次就可運到井場；2、激光鉆井的井場很小，也許只有普通井場的十分之一，甚至更??；3、激光能夠穿透各種類型的巖石，而且速度很快，用常規(guī)鉆井方法需要100天才能鉆成的

5、井，用激光鉆井也許只需10天時間；4、激光鉆井不需要常規(guī)鉆頭和常規(guī)鉆柱，鉆成的井眼小，激光將巖石熔化，在井壁形成一種陶瓷樣的保護(hù)層，無需下套管固井，因此鉆井成本很低，也許只有常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的1/10，甚至更低； 7熱熔鉆進(jìn) 熱熔鉆進(jìn)是一種新式鉆進(jìn)方法。美國加利福尼亞大學(xué)LASA實驗室在20世紀(jì)60、70年代就已開始研究熱熔鉆進(jìn)工藝。其后，在日本、俄羅斯等國家也投入了研究。目前俄羅斯圣彼得堡國立礦業(yè)學(xué)院的熱熔鉆研究水平處于世界領(lǐng)先地位。8一、熱熔鉆進(jìn)原理 1、熱熔鉆進(jìn)的實質(zhì) 通過電加熱器產(chǎn)生的高溫（大于1300），使井底巖土處于熔融狀態(tài)，經(jīng)過擠密或取心，使鉆孔延伸。 9 2、接觸式加熱器的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)

6、生高溫的鉆具為接觸式加熱器，如圖所示。電極與外殼形成一個回路；當(dāng)通電后，石墨元件便發(fā)紅產(chǎn)生高溫，高溫?zé)崮芗杏诳椎资箍椎讕r土熔融成熱熔體；熱熔體從孔底擠出，經(jīng)成孔環(huán)刮平修正，冷卻后便在孔壁形成致密高強度的玻璃層。加熱器的中心通入的氦氣是防止石墨元件氧化。絕緣體是起隔熱、隔電作用。 10圖1. 接觸式加熱器示意圖1電極；2鎖緊螺母；3外殼；4絕緣體；5成孔環(huán)；6石墨元件11 3、加熱器熔融巖石的機理 加熱器熔融巖石的機理如圖3所示，加熱器在鉆進(jìn)過程中，孔壁由于溫度的不同可分為三層： 液相層 在溫度高于1200時，巖石中某些成分被熔化成液相，熔化后密度降低。液相層在冷卻凝固后就變成一層堅硬致密的外

7、殼；12 硬化層 硬化層溫度較高，巖石經(jīng)過焙燒作用，吸附水被燒掉，在750左右時，碳酸鹽巖發(fā)生分解，CO2氣體逸出。950時，粉砂巖全部分解，巖石強度降低； 軟化層 熱量在傳遞到軟化層后，產(chǎn)生的溫度已不是很高，地層里的水分發(fā)生汽化蒸發(fā)，有機物在100150時被燒掉。13圖2. 不同形狀的熱熔法“鉆頭”14圖3. 加熱器熔融巖石的機理1液相層；2硬化層；3軟化層15圖4. 高溫“鉆頭”在現(xiàn)場進(jìn)行鉆進(jìn)試驗的情況16二、熱熔鉆進(jìn)的優(yōu)越性 實現(xiàn)無鉆桿鉆進(jìn) 可利用承重電纜或軟管電纜實現(xiàn)無鉆桿鉆進(jìn)，從而節(jié)省了龐大的鉆進(jìn)設(shè)備； 提高了成孔速度，降低了勞動強度 孔底能量傳遞效率大大提高，減少了材料消耗，簡化了

8、鉆進(jìn)工藝，提高了成孔速度，降低了勞動強度；17 簡化了鉆孔結(jié)構(gòu) 在松軟、弱膠結(jié)和不穩(wěn)定地層鉆進(jìn)時，依靠形成高強的不透水玻璃狀或陶土狀硬殼，可代替套管加固孔壁，簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)，大幅度降低套管及堵漏材料的消耗。18三、熱熔鉆進(jìn)的應(yīng)用 勘探孔鉆進(jìn) 簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)，可不用套管； 水井鉆進(jìn) 鉆進(jìn)時，會自然形成井壁管。鉆進(jìn)含水層時，鉆具外部形成一個蒸汽絕熱層，可防止地層中水進(jìn)入孔內(nèi)。成井時，可使含水層井壁用其他方法穿透含水層； 鉆進(jìn)凍土層，冰層等19 地下管線的鋪設(shè) 由于軟地層在加熱時會發(fā)生相變使其機械性質(zhì)提高幾倍，形成的玻璃質(zhì)孔壁非常穩(wěn)定，故可在巖土中形成沿著空間任何方向延仲的通道。如圖5所示。 基礎(chǔ)工

9、程施工 利用熱熔法施工無噪音，無震動，并可利用擠密作用提高地基土的承載力；20圖5. 鐵路路基下施工天然氣管道孔1-填土，2-鐵路路基，3-孔壁固結(jié)成型器，4-熱熔后形成的孔壁，5-鉆具，6-鉆機，7-巖石熔化區(qū)，8-高溫鉆頭，9-巖石。21 深井破碎漏失層的加固和止水 可大幅度節(jié)約套管。俄方找到一種易熔化工原料(聚丙烯)，當(dāng)用傳統(tǒng)方法施工的鉆井中遇到漏失坍塌井段時，可下入熱熔法“鉆頭”并向井內(nèi)投入該顆粒使其熔化，如圖12所示。斷電冷卻后它便形成一層與井壁完全吻合的固態(tài)殼，起到堵漏和護(hù)壁的作用。22圖9. 用易熔顆粒加固事故孔段1承載電纜；2易熔顆粒容器；3高溫鉆頭；4顆粒熔化區(qū)；5已加固孔壁

10、圖12. 用易熔顆粒加固孔壁1承載電纜；2易熔顆粒容器；3高溫鉆頭；4顆粒熔化區(qū)；5已加固孔壁23 四、熱熔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、熱熔器結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容 熱熔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括兩部分 一是熱熔器的外形輪廓和尺寸、電極和絕緣部分結(jié)構(gòu)； 二是熱熔器各部件所用的材料。242、熱熔器的設(shè)計原則 殼體為耐高溫材料 高溫的具體數(shù)值取決于熱熔器工作對象的熔點，如巖石為1600l700；土體1300；冰層100左右，即熱熔器殼體材料在此溫度下應(yīng)能保持正常的性能； 有良好的導(dǎo)熱性能 熱熔器殼體應(yīng)能迅速將殼體內(nèi)的熱量傳到外面的巖土中去； 25 高溫下不易氧化 外殼材料應(yīng)能夠在高溫下不與熔融的介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)； 外殼應(yīng)

11、與上面的鉆桿部分有隔熱部件 減少熱量往鉆桿上部傳遞，提高熱功的利用率； 熱熔器應(yīng)有流線型的外形 能夠保證形成平整、光滑的孔壁，在熱熔器結(jié)構(gòu)上應(yīng)有擴孔器，以保證熱熔器升降通暢；26 電阻材料在高溫的空氣中不氧化 采用電流通過具有一定電阻值的電阻來產(chǎn)生高溫作為熱源，該電阻材料在高溫的空氣中不氧化； 熱熔器內(nèi)的正負(fù)電極在高溫下應(yīng)能保持其工作性能； 熱熔器的各部件抗熱震性好。27 五、制造熱熔器的材料 1、殼體材料 當(dāng)時美國、俄羅斯采用最好的耐高溫金屬材料鉬合金作為熱熔器的殼體，經(jīng)工作一段時間后，均發(fā)生了氧化現(xiàn)象。后來，俄羅斯圣彼得堡礦業(yè)大學(xué)開始尋找非金屬材料。提出了在石墨中加入si、si+SiC(滲

12、硅石墨)的設(shè)想，并取得了較好的效果。 28 2、熱熔器的加熱電阻材料 將電能轉(zhuǎn)化為熱能的電阻，是熱熔器中又一比較特殊的材料。熱解石墨是一種優(yōu)良的耐高溫材料，耐高溫1800以上，耐腐蝕，純度高，高度的各向異性，但熱解石墨的成本極高。29六、熱熔鉆進(jìn)實驗 熱熔鉆進(jìn)實驗臺全部實驗裝置所占面積15平方米，所采用的主要設(shè)備及性能參數(shù)見圖6和表一及表二。 表一：鉆機的主要參數(shù)鉆壓KN額定功率KW轉(zhuǎn)速r/min扭矩N.m030230120150030表二：實驗裝置的主要技術(shù)參數(shù)31圖6 熱熔鉆進(jìn)實驗臺32七、影響鉆速的因素 1、熱功率對鉆速的影響 隨著熱功率的增大鉆速也增大；33 2、鉆壓對鉆速的影響 鉆壓與鉆速成正比；34 3、熱熔器外殼形狀對鉆速的影響 懸鏈線旋轉(zhuǎn)體比圓柱體和圓錐體的好；35 4、熱熔器高度對鉆速的影響 熱熔器的有效高度大約在180200mm；鉆速高度365、巖土體的導(dǎo)熱性對鉆速的影響 隨著巖土體的熱導(dǎo)率增加，熱熔鉆進(jìn)速度降低。熱導(dǎo)率鉆速37八、 熱熔鉆進(jìn)的初