左永強 惠坤亮 易暢 閆靜 吳小雄 王德貴 王前敏

(1. 中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 2. 寶雞石油機械有限責(zé)任公司3. 四川寶石機械石油鉆頭有限責(zé)任公司)

0 引 言

激光與機械聯(lián)合破巖方法作為激光鉆井近年來研究的新方向，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)與企業(yè)展開了相關(guān)研究工作。一方面，隨著鉆井深度的不斷增加，深部地層鉆遇可鉆性差的巖層的概率越來越大，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井破巖方法提速增效技術(shù)瓶頸逐漸顯現(xiàn)[1-4]；另一方面，激光已在國內(nèi)外多個行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年萬瓦級大功率商用化激光器發(fā)展迅速，為激光鉆井的工業(yè)化愿景提供了更明朗的技術(shù)可能性。激光技術(shù)與能源開發(fā)行業(yè)的融合是必然趨勢，未來可應(yīng)用于海洋與陸地資源開發(fā)中的鉆井、射孔、錄井、棄井、采收、增產(chǎn)等過程以及地?zé)?、可燃冰等特殊能源的開發(fā)[5-9]。

激光與機械聯(lián)合破巖方法基本思想是：利用激光照射巖石造成熱損傷，引起巖石的強度降低，在此基礎(chǔ)上利用旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的扭矩與鉆壓破巖[10-11]。激光與機械聯(lián)合破巖與常規(guī)的純激光鉆井破巖具有明顯的區(qū)別：①控制巖石在受到激光局部作用后更多地產(chǎn)生裂紋或者破碎損傷，盡量減少進一步熔化形成阻礙激光能量吸收的玻璃釉質(zhì)層，消除巖石完全氣化階段；②破巖能量主要來源于鉆頭切削力，激光作為輔助手段，能量利用率相對純激光鉆井破巖氣化巖石更加合理有效。但是兩種破巖方法由于都涉及激光,所以存在諸多不可避免的共同難題[12]，其中關(guān)于鉆井中極為關(guān)鍵的循環(huán)介質(zhì)的討論目前有初步結(jié)論：①激光無法穿過常規(guī)鉆井液而將大部分能量作用于巖石；②激光傳播路徑的保護可用高速氣體或者透明液體進行隔離，且具備相關(guān)工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)。例如激光表面熔覆和激光焊接利用惰性氣體保護，微水刀激光精密加工利用清水保護[13]。

國外方面，美國Foro Energy公司攻克了高功率激光遠距離傳輸技術(shù)，包括井下激光頭、連接器、光纖滑環(huán)、高功率光纜和井下激光鉆具組合等關(guān)鍵零部件。2012年首次利用連續(xù)管鉆機傳輸2萬W激光進行了地面試驗，并取得了成功[14]。沙特阿美石油公司高級研究中心(EXPEC)總結(jié)了未來高功率激光器在井下作業(yè)變革性應(yīng)用：鉆機及井場小型化、改善儲層與井眼連通性，并研制了二代激光射孔原理樣機[15]。德國地?zé)嵫芯恐行?GZB)和波鴻魯爾大學(xué)針對鉆井、采礦和地?zé)衢_發(fā)展開了9 kW連續(xù)、脈沖、單束、雙束激光預(yù)處理巖石后的對比切削試驗，結(jié)果表明激光的熱效應(yīng)可以軟化各種硬巖，驗證了激光與機械聯(lián)合這種創(chuàng)新的破巖方式；且雙激光束較單束照射后軟化效果更明顯，脈沖激光束預(yù)處理后巖石強度相關(guān)參數(shù)降低65%，較連續(xù)激光束效果好[11]。德國弗勞恩霍生產(chǎn)技術(shù)研究所(IPT)、德國地?zé)嵫芯恐行?GZB)、海瑞克鉆機設(shè)備公司、IPG激光設(shè)備商、Kamat高壓系統(tǒng)提供商和SYNOVA S.A瑞士微水刀加工制造商6家行業(yè)翹楚合作研究的地?zé)峋_發(fā)研究項目laser jet drilling的現(xiàn)場試驗，成功證明了利用水射流包裹激光+空氣罩隔離鉆井液可實現(xiàn)激光與機械熱力耦合聯(lián)合鉆井的可行性，尤其在硬質(zhì)研磨和高溫地層具有良好的經(jīng)濟性[16-17]。

國內(nèi)方面，羅熙[18]試驗研究了激光功率、照射時間、離焦量、入射角對花崗巖、砂巖表面成孔直徑、深度和可鉆性等級影響規(guī)律，研究表明激光照射后巖石的可鉆性級數(shù)顯著降低，巖石原始抗壓強度明顯降低；張建闊[19]搭建了4 000 W光纖激光器試驗平臺，證明在同軸吹風(fēng)去屑方案優(yōu)于側(cè)面吹風(fēng)，有利于避免玻璃狀熔融層屏蔽激光照射巖石；楊玲芝等[20]研究了不同介質(zhì)、離焦量、平均功率密度及照射時長對煤巖的破碎和物理化學(xué)變化規(guī)律，總結(jié)了激光鉆進+氣體鉆井工藝的優(yōu)勢；李可心[21]利用400 W的激光器以氮氣為循環(huán)介質(zhì)，研究了激光功率、照射時長、離焦量及巖性對鉆深、孔徑和去屑率的影響，研究表明石灰?guī)r有碳酸鈣的分解；吉源強[22]研究了激光鉆井井壁穩(wěn)定性問題，詳細總結(jié)了巖石破壞準(zhǔn)則和井壁失穩(wěn)形式；胡明軒[23]研制了萬瓦級光纖激光器，并針對不同種類的巖石及套管進行了激光射孔地面試驗研究，獲得了不同的巖石尺寸、激光功率和照射時間等試驗數(shù)據(jù)。

對比國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，目前國內(nèi)的研究由于原始的工業(yè)與技術(shù)水平差距，主要停留在室內(nèi)單元試驗的基礎(chǔ)研究階段，而國外已攻克部分關(guān)鍵裝備技術(shù)并集結(jié)能源開發(fā)、激光加工、鉆機制造和智能控制等相關(guān)領(lǐng)域最先進的技術(shù)，已步入了工業(yè)試驗階段?；谏鲜鍪聦?，展開相關(guān)技術(shù)研究的任務(wù)迫在眉睫，本課題主要針對激光與機械聯(lián)合破巖原理樣機的氣路設(shè)計采用仿真方法進行必要的輔助驗證。

1 激光與機械聯(lián)合破巖鉆具

1—上接頭；2—激光頭；3—壓蓋；4—進氣短節(jié)；5—光學(xué)鏡組模塊；6—分流短節(jié)；7—激光機械鉆頭。

該鉆具主要用來驗證激光與機械聯(lián)合破巖的可行性及提速效果?；竟ぷ鬟^程：由激光頭發(fā)射高功率激光束，經(jīng)過光學(xué)鏡組模塊的整形作用，激光光斑由?40 mm圓形變?yōu)橄鄬︺@具中心軸偏移一定距離的細長條形光斑(2 mm×40 mm)，整形后的光斑作用于試驗巖石并產(chǎn)生熱效應(yīng)預(yù)破損巖石，同時試驗轉(zhuǎn)盤夾持巖石相對鉆具轉(zhuǎn)動，鉆具向巖石施加鉆壓，激光機械鉆頭切削巖石，完成聯(lián)合破巖的原理驗證[10-11]。在此過程中，配套鉆頭試驗裝置對鉆壓、扭矩及機械鉆速等參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄，以便與純激光鉆井或者傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)破巖方式進行比較。

2 激光保護氣路設(shè)計方案

國外研究人員為了隔離鉆井液的影響從而實現(xiàn)對激光傳播路徑的保護，先后試驗研究了以空氣保護、清水保護、空氣包裹激光+清水隔離鉆井液多個方案的論證，最終提出了如圖2a所示水射流包裹激光+空氣罩隔離鉆井液(實際試驗以清水替代)的方案，并成功進行了液體浸沒環(huán)境工況的室內(nèi)試驗(見圖2b)和現(xiàn)場試驗(見圖2c)[16-17]。該方式中清水主要作為激光傳播導(dǎo)向介質(zhì)并避免接觸固相顆粒，由于被光疏介質(zhì)空氣包裹，激光傳播過程中發(fā)生全反射減少能量損耗；空氣以湍流方式吹開鉆井液，進一步形成保護屏障使激光能照射到巖石。

圖2 射流與空氣罩激光機械鉆井Fig.2 Laser-mechanical drilling of water jet and air hood mode

目前階段國內(nèi)研究存在前期積累的技術(shù)差距，以驗證激光與機械聯(lián)合破巖可行性及效率為主要目的，本研究采用了可實施性和經(jīng)濟性較好的氣體保護方案[16，24]；圖3是根據(jù)圖1抽取鉆具內(nèi)部腔體后并附加了環(huán)空的流體域幾何模型，中心對稱布置了2×2的氣路。

圖3 氣路及環(huán)空流體域模型Fig.3 Gas path and annular fluid domain model

激光氣路通過激光進氣口輸入來自空氣壓縮機的高速氣體，保證激光傳播路徑的清潔與通暢，減少巖屑等固相顆粒損耗激光能量，同時輔助激光鏡組模塊散熱。激光鉆頭設(shè)計了較大的可容納不同光斑的激光氣路空腔，出口氣體速度降低，需要分析出口處的流動情況；循環(huán)氣路通過循環(huán)進氣口輸入來自空氣壓縮機的高速壓縮氣體，出口速度相對較高，可迅速攜帶破碎后的巖屑返出環(huán)空并冷卻鉆頭。

3 DEM-CFD流固耦合基本理論

為了驗證該氣路設(shè)計對破巖后的返屑效率及光學(xué)鏡組的保護作用，采用了以非連續(xù)的離散單元法(DEM)模擬巖屑顆粒運動規(guī)律、以連續(xù)場的流體動力學(xué)(CFD)模擬壓縮空氣流動規(guī)律，且考慮兩者質(zhì)量、動量及能量等相互作用的CFD-DEM流固兩相耦合方法。耦合計算流程如圖4所示[25]。

圖4 CFD-DEM耦合計算流程圖Fig.4 CFD-DEM coupling calculating process

3.1 巖屑顆粒運動控制方程

常用的流固耦合方法中描述固相顆粒通?？刹捎眠B續(xù)的歐拉場進行模擬，這對于顆粒形狀直徑相對較小，顆粒間作用不強，顆粒對壁面接觸影響小的情形非常適用，可減小計算量和提高計算效率。但考慮到巖屑顆粒相對井筒及鉆具尺寸較大、對鉆具和套管壁面碰撞、顆粒間作用力行為已經(jīng)相當(dāng)明顯，已經(jīng)不適合用連續(xù)介質(zhì)的方式去描述。DEM方法可追蹤每一個不同形貌巖屑顆粒的運動軌跡和受力行為。在流體中的巖屑顆粒的平移運動描述為重力、浮力、固體-固體、固體-流體相互作用力等的綜合作用[26]：

(1)

巖屑顆粒的轉(zhuǎn)動描述為：

(2)

3.2 空氣相流體控制方程

耦合分析中流體相使用連續(xù)場描述的歐拉模型，考慮固相的影響，在湍流模型的連續(xù)性方程和動量方程的基礎(chǔ)上引入額外的體積分數(shù)項ε后，分別表示為[25-26]：

(3)

(4)

式中：εf為流體相體積分數(shù)；ρf為流體相密度，kg/m3；uf為流體相速度，m/s；p為流體壓力，Pa；τf為應(yīng)力張量，MPa；g為重力加速度，m/s2；S為描述流固兩相間相對運動產(chǎn)生阻力的動量匯，N/m3。

(5)

式中：ΔV為流體網(wǎng)格控制體體積，m3；FD，i為顆粒受到的流體黏性阻力，N。

4 氣路設(shè)計合理性分析

4.1 工況分析及計算域確定

假設(shè)不同粒徑巖屑顆粒在破碎后向巖石上方以一定速度逸出，一部分進入鉆頭孔腔，一部分進入環(huán)空。為了對比有、無空氣壓縮機高速氣流作用的環(huán)空出口顆粒質(zhì)量及抵達光學(xué)鏡組模塊附近的顆粒質(zhì)量，從而驗證該氣路設(shè)計的合理性，建立了如圖5所示的CFD與DEM網(wǎng)格模型計算域。為了減小計算量，環(huán)空長度只保留部分，CFD網(wǎng)格進行了多面體轉(zhuǎn)化，鉆具、井壁和巖石等不參與固體計算僅保留壁面邊界，DEM顆粒形狀采用單球模型。

圖5 CFD-DEM計算域Fig.5 CFD-DEM calculation domain

4.2 CFD設(shè)置

分析類型為非穩(wěn)態(tài)分析，操作壓力設(shè)置為0，添加重力加速度。啟用k-ε模型、離散耦合模塊及能量方程，流體相為空氣，密度為理想氣體密度，固相為巖屑顆粒，密度2 200 kg/m3。4個壓縮氣體入口邊界條件為壓力0.6 MPa，湍流強度5%，水力直徑0.016 mm；出口總壓101 325 Pa，回流湍流強度5%，水力直徑0.025 8 mm。仿真瞬態(tài)設(shè)置時間步為0.01 s，時間步數(shù)500，單個時間步最大迭代次數(shù)50。

4.3 DEM設(shè)置

設(shè)置巖屑材料密度2 200 kg/m3，泊松比0.25，剪切模量16 GPa；鉆具及環(huán)空壁面密度為7 850 kg/m3，泊松比0.29，剪切模量70 GPa；巖屑顆粒之間相互作用恢復(fù)系數(shù)0.2，靜摩擦因數(shù)0.5，滾動摩擦因數(shù)0.01；巖屑與壁面相互作用恢復(fù)系數(shù)0.3，靜摩擦因數(shù)0.5，滾動摩擦因數(shù)0.01。顆粒與顆粒、顆粒與壁面間均采用Hertz-Mindlin (no slip)接觸算法[27]。單球顆粒模型基礎(chǔ)粒子半徑為2 mm，粒徑分布選用隨機分布，基于半徑的分布因子為0.5～1.5，即涵蓋了細、中、粗2～6 mm的3種直徑等級[28]粒子。顆粒發(fā)射器置于鉆具與巖屑表面，發(fā)射正態(tài)分布，均值20 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差0.05 m/s。添加重力加速度。假設(shè)激光與機械聯(lián)合破巖平均機械鉆速v為10 m/h，則顆粒產(chǎn)生的質(zhì)量速率為：

(6)

式中：ρ為巖屑密度，kg/m3；d為鉆頭外徑，m。

網(wǎng)格設(shè)置大小為3 mm。時間步比例為50%，數(shù)據(jù)保存間隔為0.005 s。

4.4 分析結(jié)果及后處理

如圖6所示為流固耦合計算結(jié)束后，CFD輸出流體域速度場及DEM輸出顆粒的粒徑、質(zhì)量、數(shù)量在5 s時刻顯示的整體結(jié)果。

圖6 CFD-DEM整體結(jié)果Fig.6 Overall results of CFD-DEM

進一步細化，CFD結(jié)果如圖7所示。選取典型截面顯示速度與壓力趨勢分布，最大壓力為氣流入口處，最大速度為486 m/s,發(fā)生在激光氣路交匯處。

圖7 CFD典型結(jié)果顯示Fig.7 Typical result display of CFD

提取鉆頭激光氣路出口和循環(huán)氣路出口處監(jiān)測值，得到激光氣路出口速度平均值為96.58 m/s,循環(huán)氣路出口速度為339.05和248.42 m/s，按照GB/T 28591—2012風(fēng)力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為17級，理論上對巖屑具有良好的吹動作用。

DEM結(jié)果選取5 s結(jié)束時刻，并在如圖8所示位置創(chuàng)建了環(huán)空出口監(jiān)測體1、光學(xué)鏡組模塊的窗口鏡附近監(jiān)測體2。對比圖8a和圖8b，在有無空氣作用下均有巖屑顆粒抵達了窗口鏡位置，且部分已經(jīng)滯留激光氣路內(nèi)部，但圖8b較圖8a底部滯留顆粒明顯減少。

進一步量化DEM結(jié)果后處理，結(jié)果如圖9所示。圖9a為無壓縮空氣作用時環(huán)空出口監(jiān)測體1的時間歷程曲線。由圖9a可以看出，出口質(zhì)量先增加后減小直至穩(wěn)定在0.002 kg左右，與圖8a同時印證了底部顆粒不斷地積累滯留現(xiàn)象，導(dǎo)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計后總質(zhì)量為0.233 kg。圖9b為無壓縮空氣作用時窗口鏡附近監(jiān)測體2的時間歷程曲線。由圖9b可知，抵達窗口附近的顆粒質(zhì)量在0.060 kg左右，導(dǎo)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計總質(zhì)量為2.376 kg。圖9c為有壓縮空氣作用時得到環(huán)空出口監(jiān)測體1的時間歷程曲線。由圖9c可以看出，由于底部無明顯顆粒滯留，出口質(zhì)量為0.006 kg左右，與圖8b同時印證了底部顆粒無明顯積累滯留現(xiàn)象，導(dǎo)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計后總質(zhì)量為0.376 kg。圖9d為有壓縮空氣作用時得到窗口鏡附近監(jiān)測體2的時間歷程曲線。由圖9d可知，抵達窗口附近的顆粒質(zhì)量在0.040 kg左右，導(dǎo)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計總質(zhì)量為2.012 kg。

圖8 有無、氣體作用的DEM模型對比結(jié)果Fig.8 Comparison results of DEM model with and without gas action

圖9 環(huán)空出口及窗口鏡附近顆粒質(zhì)量曲線Fig.9 Particle mass curve near annular outlet and window mirror

對顆粒質(zhì)量仿真結(jié)果對比評價如表1所示。

表1 對比評價表 kg

5 結(jié) 論

(1)激光與機械聯(lián)合破巖鉆具所設(shè)計氣路在有通入高速壓縮氣體的條件下，環(huán)空出口的返屑質(zhì)量大幅提高至2倍，驗證了該氣路設(shè)計的必要性。

(2)激光與機械聯(lián)合破巖鉆具所設(shè)計氣路在有通入高速壓縮氣體的條件下，能抵達窗口鏡附近的巖屑顆粒質(zhì)量減少約，相對于無氣體起到了一定的保護作用，驗證了該氣路設(shè)計的合理性。

(3)所設(shè)計氣路在有、無通入高速壓縮氣體的條件下均有顆粒抵達窗口鏡附近，并沒有完全消除巖屑顆粒對光學(xué)器件的影響。在驗證了破巖原理試驗后有必要對輸入氣體參數(shù)或者氣路結(jié)構(gòu)等方面進一步優(yōu)化。