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摘 要：本文着重介绍当前一些主要的高效破岩钻井技术，分析结果表明：高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术等传统破岩技术在一定时间仍将是高效破岩钻井技术的主体，而激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等新型高效破岩钻井技术处于探索阶段，但会逐渐成为钻井破岩技术的发展方向。
关键词：高效破岩 破岩效率 钻井
破岩技术是油气钻井技术的核心内容，破岩效率的好坏直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益。而现有的旋转钻井方式在提高机械钻速的能力方面是有限的，因此研究高效破岩钻井技术势在必行。
随着现代科学技术的发展，高效破岩技术出现了一些新的发展趋势。本文综述了高效破岩前沿钻井技术的发展，介绍了几种广泛应用的高效破岩技术以及它们的特点，并展望了高效破岩钻井技术的未来与发展趋势。
一、旋转钻井高效破岩方法
1.欠平衡钻井破岩技术
欠平衡钻井技术是采用井筒负压的钻井技术，是降压差提高机械钻速最有效的方法。欠平衡钻井过程中由于钻头端面上液柱压力减小，正在被钻的岩石更易破碎；另外，低密度的循环液体有助于减少“压持效应”，使钻头继续切削新的岩石而不是重复碾压已破碎的岩石，减少了岩屑的重复破碎现象，能够有效地破碎岩石。欠平衡钻井的这一技术优势在钻水平井和大尺寸、长井段井眼时表现得尤为突出。
2.旋冲钻井破岩技术
旋冲钻井技术是在旋转钻井基础上发展起来的钻井新技术，其方法是在转盘钻进的基础上再加上１个冲击器；其原理是在旋转钻井的同时，接在钻头上端的冲击器在高压气体或钻井液的推动下，促使冲锤上下往复运动冲击钻头，在冲击动载和静压旋转联合作用下，岩石裂隙扩展，形成大体积的岩石破碎。应用旋冲钻井技术可以减少钻挺使用和钻柱的弯曲、磨损与疲劳破坏及井下事故，提高井身质量。冲击点密度大增加，冲击破岩产生体积破碎，两相邻点的冲击波可相互重叠，破碎区相连，从而大大提高了岩石破碎效率，消耗功率较低，产生的较大岩屑有利于地质录井。在不增加任何设备的情况下，提高了钻深能力。实现旋冲钻井的主要手段是冲击钻具，在不需要改变任何设备的前提下实现石油钻井。在石油钻井领域研究应用最多的还是气动（又称空气锤）和液动冲击器２种。
2.1液动旋冲钻井技术
液动冲击器只需串联于井下钻具组合中即可实现液动旋冲钻井。1900-1905年，俄国工程师 Ｂ·沃尔斯基-第１位液动冲击钻具理论研究者，设计了几种石油钻井液动冲击器。目前，国外许多公司在液动冲击器方面的研究都处于先进水平，其中有美国Smithtooll公司、Undergauge公司、AWDS公司、Sperry钻井服务公司和德国克劳斯塔尔工业大学、日本TONEＥ 公司、挪威国家石油公司等，其研究主要以各类阀式冲击器为主。
2.2气动旋冲钻井技术（空气锤钻井）加拿大一项使用气动旋冲钻井技术的现场记录表明，用166个纯钻时，钻深可达1738ｍ。目前，美国英格索兰公司在空气锤钻井技术领域处于领先地位，能生产多达40余种气动冲击器，钻孔范围90~1980mm；同时其研制了多种类型冲击钻头和比较成熟的配套设备，能适应各种地层的钻进[21]。国内各研究机构开始重视气动旋冲钻井技术，但目前还处于研究阶段。
二、新型钻井破岩方法
由于现有旋转钻井方式在提高机械钻速的能力方面是有限的，全新的钻井破岩方法打破了常规旋转钻井破岩方式。研究工作者提出了全新的钻井破岩方法。
1.粒子冲击破岩技术
粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，联合高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的一种新的钻井破岩方法。在钻井过程中，为实现粒子破岩过程，需在钻井液泵出后通过注入系统将粒子注入到高压钻井液中，经过钻具到达专门设计的PID钻头，粒子以较高的频率和速度从喷嘴喷出并冲击地层，实现破碎岩石的目的，并被钻井液携带返到地面，粒子被捕获分离再利用。与传统钻井相比，粒子冲击钻井系统的主要优点是：①粒子冲击产生的局部瞬时脉冲应力峰值极高，足以破碎和侵彻极坚硬的岩石，提高了能量的利用率，其钻井速度是常规钻井的2-4倍；②需要的钻压和扭矩较常规钻井要小得多，大大地减小了钻柱和钻具的疲劳破坏的概率，钻头磨损非常小；③粒子冲击破岩能产生比较精确的预期井眼直径和井眼轨迹，对防止井斜能产生显著的效果。粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段，目前正在迈入商业应用阶段。
2.激光钻井破岩技术
从20世纪60年代开始，许多国家开展了利用激光破岩的研究工作，它经历了小功率激光器的岩石切割阶段和大功率激光器的钻井破岩阶段。激光破岩的基本原理是利用高能光束直接作用岩石，使之局部快速加热到熔化和汽化状态并形成气、液2相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除，是一种非机械接触式的物理破岩方法。采用激光钻井主要具有以下优势[32]：①激光钻进更易穿透岩石，同时光子沿直线传播，所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少；②激光钻井过程中无需钻头、套管等设备，免去了下套管和起下钻柱的时间，大大节约了成本和时间；③激光冲击岩石后会形成一层坚硬井壁，可以有效地防止地层流体流入井中，预防井喷；④激光器系统包括各种图像可视系统及井下传感器，可以对整个钻进过程有更全面的把握与布局。激光钻井破岩技术是一项前沿技术，其发展前景广阔。目前，国内外在这方面的研究还处于探索阶段，主要包括理论模型和试验研究等，预计2020年投入商业化应用，并有望给钻井带来一场革命。
3.等离子体破岩技术
20世纪60年代中期，等离子体切割金属的技术被引入到岩石破碎中，并用于二次破碎大块岩石。若在等离子枪的金属阴、阳极之间加上常规的直流电压，便可通过高频电火花或碳粒短路激发，而产生电弧。等离子体破岩是在等离子弧的作用下，以岩石中产生的应力状态为基础的。在高温高速的等离子弧的作用下，产生的热应力超过岩石的强度极限从而使它破碎[33]。等离子弧破岩如同火钻一样，属于热力破岩。挪威的獾式钻探器公司开发了等离子体通道钻井技术，该技术的核心是高电压脉冲能量技术。利用高电压脉冲在“钻头”前方的岩石中形成高能等离子体，等离子体在＜1μs的时间内在岩石中极迅速地膨胀，导致局部岩石破裂和破碎。2006年，斯特拉斯克莱德大学电子电气工程系利用高压电脉冲微放电的作用，使岩石开裂破碎，产生直径25-50mm的洞。该装置能使放电长度缩小到10-20mm，且1s内连续20-30次，岩石在这样频繁的作用下破碎。由于产生小洞，需要清除钻屑要少得多，这样也就降低了钻井成本，同时减轻了对环境的影响。加拿大诺兰达技术中心研究了等离子爆破技术，即利用电容器的放电使钻孔中的电解液汽化产生高温高压等离子用以破岩，但距离应用还为时尚早[34,45]。
三、结语
旋转钻井高效破岩方法经多年理论攻关及现场实践，已逐渐趋于成熟并广泛应用于现场，其各种设备逐步完善。高压水射流破岩技术、欠平衡钻井破岩技术、旋冲钻井破岩技术等旋转钻井破岩方式在今后的一段时间内依然是钻井工程的主体，但随着科学技术的发展，新型高效破岩方法将会取代传统的破岩方法。目前，粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、等离子破岩技术、电子束破岩技术等新技术。
关键词：高效破岩 破岩效率 钻井
破岩技术是油气钻井技术的核心内容，破岩效率的好坏直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益。而现有的旋转钻井方式在提高机械钻速的能力方面是有限的，因此研究高效破岩钻井技术势在必行。
随着现代科学技术的发展，高效破岩技术出现了一些新的发展趋势。本文综述了高效破岩前沿钻井技术的发展，介绍了几种广泛应用的高效破岩技术以及它们的特点，并展望了高效破岩钻井技术的未来与发展趋势。
一、旋转钻井高效破岩方法
1.欠平衡钻井破岩技术
欠平衡钻井技术是采用井筒负压的钻井技术，是降压差提高机械钻速最有效的方法。欠平衡钻井过程中由于钻头端面上液柱压力减小，正在被钻的岩石更易破碎；另外，低密度的循环液体有助于减少“压持效应”，使钻头继续切削新的岩石而不是重复碾压已破碎的岩石，减少了岩屑的重复破碎现象，能够有效地破碎岩石。欠平衡钻井的这一技术优势在钻水平井和大尺寸、长井段井眼时表现得尤为突出。
2.旋冲钻井破岩技术
旋冲钻井技术是在旋转钻井基础上发展起来的钻井新技术，其方法是在转盘钻进的基础上再加上１个冲击器；其原理是在旋转钻井的同时，接在钻头上端的冲击器在高压气体或钻井液的推动下，促使冲锤上下往复运动冲击钻头，在冲击动载和静压旋转联合作用下，岩石裂隙扩展，形成大体积的岩石破碎。应用旋冲钻井技术可以减少钻挺使用和钻柱的弯曲、磨损与疲劳破坏及井下事故，提高井身质量。冲击点密度大增加，冲击破岩产生体积破碎，两相邻点的冲击波可相互重叠，破碎区相连，从而大大提高了岩石破碎效率，消耗功率较低，产生的较大岩屑有利于地质录井。在不增加任何设备的情况下，提高了钻深能力。实现旋冲钻井的主要手段是冲击钻具，在不需要改变任何设备的前提下实现石油钻井。在石油钻井领域研究应用最多的还是气动（又称空气锤）和液动冲击器２种。
2.1液动旋冲钻井技术
液动冲击器只需串联于井下钻具组合中即可实现液动旋冲钻井。1900-1905年，俄国工程师 Ｂ·沃尔斯基-第１位液动冲击钻具理论研究者，设计了几种石油钻井液动冲击器。目前，国外许多公司在液动冲击器方面的研究都处于先进水平，其中有美国Smithtooll公司、Undergauge公司、AWDS公司、Sperry钻井服务公司和德国克劳斯塔尔工业大学、日本TONEＥ 公司、挪威国家石油公司等，其研究主要以各类阀式冲击器为主。
2.2气动旋冲钻井技术（空气锤钻井）加拿大一项使用气动旋冲钻井技术的现场记录表明，用166个纯钻时，钻深可达1738ｍ。目前，美国英格索兰公司在空气锤钻井技术领域处于领先地位，能生产多达40余种气动冲击器，钻孔范围90~1980mm；同时其研制了多种类型冲击钻头和比较成熟的配套设备，能适应各种地层的钻进[21]。国内各研究机构开始重视气动旋冲钻井技术，但目前还处于研究阶段。
二、新型钻井破岩方法
由于现有旋转钻井方式在提高机械钻速的能力方面是有限的，全新的钻井破岩方法打破了常规旋转钻井破岩方式。研究工作者提出了全新的钻井破岩方法。
1.粒子冲击破岩技术
粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，联合高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的一种新的钻井破岩方法。在钻井过程中，为实现粒子破岩过程，需在钻井液泵出后通过注入系统将粒子注入到高压钻井液中，经过钻具到达专门设计的PID钻头，粒子以较高的频率和速度从喷嘴喷出并冲击地层，实现破碎岩石的目的，并被钻井液携带返到地面，粒子被捕获分离再利用。与传统钻井相比，粒子冲击钻井系统的主要优点是：①粒子冲击产生的局部瞬时脉冲应力峰值极高，足以破碎和侵彻极坚硬的岩石，提高了能量的利用率，其钻井速度是常规钻井的2-4倍；②需要的钻压和扭矩较常规钻井要小得多，大大地减小了钻柱和钻具的疲劳破坏的概率，钻头磨损非常小；③粒子冲击破岩能产生比较精确的预期井眼直径和井眼轨迹，对防止井斜能产生显著的效果。粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段，目前正在迈入商业应用阶段。
2.激光钻井破岩技术
从20世纪60年代开始，许多国家开展了利用激光破岩的研究工作，它经历了小功率激光器的岩石切割阶段和大功率激光器的钻井破岩阶段。激光破岩的基本原理是利用高能光束直接作用岩石，使之局部快速加热到熔化和汽化状态并形成气、液2相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除，是一种非机械接触式的物理破岩方法。采用激光钻井主要具有以下优势[32]：①激光钻进更易穿透岩石，同时光子沿直线传播，所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少；②激光钻井过程中无需钻头、套管等设备，免去了下套管和起下钻柱的时间，大大节约了成本和时间；③激光冲击岩石后会形成一层坚硬井壁，可以有效地防止地层流体流入井中，预防井喷；④激光器系统包括各种图像可视系统及井下传感器，可以对整个钻进过程有更全面的把握与布局。激光钻井破岩技术是一项前沿技术，其发展前景广阔。目前，国内外在这方面的研究还处于探索阶段，主要包括理论模型和试验研究等，预计2020年投入商业化应用，并有望给钻井带来一场革命。
3.等离子体破岩技术
20世纪60年代中期，等离子体切割金属的技术被引入到岩石破碎中，并用于二次破碎大块岩石。若在等离子枪的金属阴、阳极之间加上常规的直流电压，便可通过高频电火花或碳粒短路激发，而产生电弧。等离子体破岩是在等离子弧的作用下，以岩石中产生的应力状态为基础的。在高温高速的等离子弧的作用下，产生的热应力超过岩石的强度极限从而使它破碎[33]。等离子弧破岩如同火钻一样，属于热力破岩。挪威的獾式钻探器公司开发了等离子体通道钻井技术，该技术的核心是高电压脉冲能量技术。利用高电压脉冲在“钻头”前方的岩石中形成高能等离子体，等离子体在＜1μs的时间内在岩石中极迅速地膨胀，导致局部岩石破裂和破碎。2006年，斯特拉斯克莱德大学电子电气工程系利用高压电脉冲微放电的作用，使岩石开裂破碎，产生直径25-50mm的洞。该装置能使放电长度缩小到10-20mm，且1s内连续20-30次，岩石在这样频繁的作用下破碎。由于产生小洞，需要清除钻屑要少得多，这样也就降低了钻井成本，同时减轻了对环境的影响。加拿大诺兰达技术中心研究了等离子爆破技术，即利用电容器的放电使钻孔中的电解液汽化产生高温高压等离子用以破岩，但距离应用还为时尚早[34,45]。
三、结语
旋转钻井高效破岩方法经多年理论攻关及现场实践，已逐渐趋于成熟并广泛应用于现场，其各种设备逐步完善。高压水射流破岩技术、欠平衡钻井破岩技术、旋冲钻井破岩技术等旋转钻井破岩方式在今后的一段时间内依然是钻井工程的主体，但随着科学技术的发展，新型高效破岩方法将会取代传统的破岩方法。目前，粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、等离子破岩技术、电子束破岩技术等新技术。