激光钻井技术基础学科问题研究成果-【新闻】汨罗

2021-04-29 07:48

虽然各国在激光钻井技术研究方面各有侧重点,但对基础学科问题的认识趋于一致,主要包括5个方面:①激光/岩石/流体相互作用原理(即微观物理过程和岩石热破坏理论);②岩石快速相变的热力学与传热学;③强激光的传输变换与微型化原理;④激光破岩岩屑运移的多相流动理论;⑤激光钻井的安全与环境保护科学。目前各国学者已在激光/岩石/流体相互作用原理(即微观物理过程和岩石热破坏理论)和岩石快速相变的热力学与传热学研究方面展开深入研究,强激光的传输变换与微型化原理处于研究初期,而激光破岩岩屑运移的多相流动理论和激光钻井的安全与环境保护方面的研究尚未展开。激光/岩石/流体相互作用原理研究在实际钻井过程中,岩石处于地层流体和钻井液等介质的浸泡之下,为了使激光钻井技术更好地适应实际工况,研究介质环境对激光破岩的影响极其重要。近年各国学者对激光破岩进行了大量的试验研究,对激光与岩石作用原理认识日趋成熟,普遍认为激光直接破岩的原理是利用高能光束使岩石基质材料局部快速加热,由固态瞬间相变到热熔和汽化状态,并形成气、液、固多相混合物,然后由高速辅助气流将其携走和排除。M.AHMADI等选取砂岩、页岩和花岗岩等3种典型的岩石,对比研究了3种岩石孔隙中含水、重油和未浸泡处理3种情况下的破岩效率。研究结果表明,与未浸泡处理的岩石相比,对孔隙中含水和重油的岩石进行破岩试验时需要消耗更多的能量,并且孔隙中含水的岩石破岩时消耗的能量要多于含重油的岩石。在实际工况下,岩石所处的介质环境比实验室内模拟环境更复杂,激光破岩所消耗的能量要高于试验所得出的能量。岩石快速相变的热力学与传热学研究N.BJORNDALEN等采用移动界面模型,并假设岩石所有的热物理参数与温度无关,模拟了激光破岩温度场,而易先中等根据相变过程中焓连续原理,假设岩石材料在每相中的热物理参数仅与温度变化有关,与压力及周围其他环境参数的变化无关,建立等焓模型。激光破岩过程中,相变的热能传递与交换是一个复杂的三维非稳定传热学问题,涉及到热传导、对流传热与传质以及辐射传热等多个专业分支和交叉学科内容,移动界面模型和等焓模型在模拟计算时都进行了简化,使得计算值与实际值有所差异,但整体趋势相符。这2种模型是对激光破岩岩石温度场模拟的主流方式。根据非定常传热学原理分析了均匀激光束和高斯激光束照射砂岩时的温度场分布,得出结论:在作用时间和总功率相同的情况下,高斯光束照射在岩石表面获得的最大环向拉应力明显小于均匀光束在岩石中产生的拉应力,采用均匀光束破碎砂岩所需的激光强度阈值较小。现阶段对激光破岩温度场的模拟简化条件过多,缺乏复杂地层环境、岩石导热和激光能量损失等因素对激光破岩温度场影响的研究,更加精确的模拟计算工作有待开展。

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高苏尧

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