巖石破碎新方法

巖石破碎新方法第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二二、鉆探工程系統(tǒng)的組成鉆探工程是一個(gè)動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成，即地層、鉆具、流體、地面裝備。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(gè)子系統(tǒng)中，除所鉆地層外，其余三個(gè)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。第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二激光破巖新方法

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(shí)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(shí)現(xiàn)不了；在經(jīng)濟(jì)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(shí)間里妨礙了激光技術(shù)在鉆井領(lǐng)域的研究與應(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(jì)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)。第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二一、激光鉆井的研究現(xiàn)狀1997－1999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(jī)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影響，發(fā)現(xiàn)實(shí)際所需要的能量并沒有60年代所計(jì)算的那么大（如圖1）。第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖1.900KW的特效激光作用4.5秒后的砂巖第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二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(shí)驗(yàn)第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二二、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(jī)重量輕，用一輛拖車一次就可運(yùn)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天才能鉆成的井，用激光鉆井也許只需10天時(shí)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；第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二熱熔鉆進(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(shí)驗(yàn)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。第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二一、熱熔鉆進(jìn)原理

1、熱熔鉆進(jìn)的實(shí)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。第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二

2、接觸式加熱器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(gè)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(qiáng)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。第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖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—石墨元件第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二3、加熱器熔融巖石的機(jī)理加熱器熔融巖石的機(jī)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(shí)，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(jiān)硬致密的外殼；第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二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(shí)，碳酸鹽巖發(fā)生分解，CO2氣體逸出。950℃時(shí)，粉砂巖全部分解，巖石強(qiáng)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(jī)物在100－150℃時(shí)被燒掉。第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖2.不同形狀的熱熔法“鉆頭”第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖3.加熱器熔融巖石的機(jī)理1—液相層；2—硬化層；3—軟化層第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖4.高溫“鉆頭”在現(xiàn)場進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)的情況第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二二、熱熔鉆進(jìn)的優(yōu)越性實(shí)現(xiàn)無鉆桿鉆進(jìn)可利用承重電纜或軟管電纜實(shí)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(qiáng)度孔底能量傳遞效率大大提高，減少了材料消耗，簡化了鉆進(jìn)工藝，提高了成孔速度，降低了勞動強(qiáng)度；第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)在松軟、弱膠結(jié)和不穩(wěn)定地層鉆進(jìn)時(shí)，依靠形成高強(qiáng)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。第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二三、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(shí)，會自然形成井壁管。鉆進(jìn)含水層時(shí)，鉆具外部形成一個(gè)蒸汽絕熱層，可防止地層中水進(jìn)入孔內(nèi)。成井時(shí)，可使含水層井壁用其他方法穿透含水層；

鉆進(jìn)凍土層，冰層等第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二地下管線的鋪設(shè)由于軟地層在加熱時(shí)會發(fā)生相變使其機(jī)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?；A(chǔ)工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；第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖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(jī)，7-巖石熔化區(qū)，8-高溫鉆頭，9-巖石。第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二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(shí)，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。第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖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—已加固孔壁第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二四、熱熔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、熱熔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容熱熔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二2、熱熔器的設(shè)計(jì)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(diǎn)，如巖石為1600～l700℃；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；第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二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)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(kuò)孔器，以保證熱熔器升降通暢；第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二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。第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二

五、制造熱熔器的材料

1、殼體材料當(dāng)時(shí)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(shí)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(滲硅石墨)的設(shè)想，并取得了較好的效果。第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二2、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。第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二六、熱熔鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)熱熔鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺全部實(shí)驗(yàn)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(jī)的主要參數(shù)鉆壓KN額定功率KW轉(zhuǎn)速r/min扭矩N.m0～30230～1201500第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二表二：實(shí)驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)調(diào)壓器額定容量kVA輸入電壓V輸出電壓V輸出電流A203800～43327整流器203800～1000～200第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二圖6熱熔鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺

第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二七、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；第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二2、鉆壓對鉆速的影響鉆壓與鉆速成正比；第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二3、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；第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二4、熱熔器高度對鉆速的影響熱熔器的有效高度大約在180－200mm；鉆速高度第三十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二5、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)率鉆速第三十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期二八、熱熔鉆進(jìn)的初步實(shí)踐