* * 概       述         一、探矿工程在国民经济中的战略地位         我国是一个幅员辽阔的大国，地下和海洋资源十分丰富。在21世纪的今天，随着国民经济高速发展，资源、能源开发，环境保护与治理，以及交通、土木、水利、国防等各种大规模工程建设的工作量与日俱增，这些都对探矿工程、钻井工程提出了更高的需求及新的高技术挑战。在探矿工程领域中，钻探（井）是关键核心技术之一。地下蕴藏的金属、非金属矿产，石油、天然气、原煤、地热、水等资源主要依靠钻探（井）技术去勘探开发，尤其占世界能源结构60％的石油、天然气勘探开发更是如此。油气勘探与开发具有资金和技术密集型，高投入、高产出、高风险的特点，其目标必须通过钻井工程才能实现。        据统计，世界油气钻井费用占油气工业上游（由勘探至采出原油）总投资的40％左右；我国1998年的陆上钻井费用占勘探费用的80％~85％，占上游费用的42％，达220亿元左右。因此，发展钻井新技术，降低钻井费用，提高钻井效率和效益，对提升资源、能源开发，环境保护与治理，以及交通、土木、水利、国防等各种大规模工程建设的总体效益具有至关重大的战略意义。         在旋转钻井领域一直处于领导地位的美国，为了保持其技术优势，1995年启动了一项称为“国家先进的钻井与掘进技术”(The National Advanced Drilling & Excavation Technologies，简称NADET) 的重大长期研究开发计划，NADET计划指出 ：钻探和采掘是石油、矿业、现代交通、地下公用设施等关键部门所急需的…，其未来的状况取决于我们钻采技术的领先程度。在高新技术流行的今天，这些并不诱人的部门的生命力对我们的持续繁荣和昌盛是必不可少的。该计划前期的基础研究主要由政府率先资助作为催化剂，后期大规模的技术和产品研究与开发则主要靠工矿企业投入巨额资金。预期通过该计划在岩石破碎(高效破岩)、井眼净化(洗井)及井眼稳定等方面有所革新，在钻头、岩石和井眼的测量与评价，以及定向控制等方面有所革命。该项计划的核心任务，是要长期致力于研发一种智能钻井系统。 美国的“NADET”计划，从另一个角度说明了探矿工程、岩土钻掘工程是与国计民生息息相关、保证国民经济可持续发展不可替代的重要技术手段。           二、钻探（井）工程系统的组成及技术进步         钻探（井）工程是一个动态的复杂系统，主要由四个子系统组成，即地层（钻遇的各种地层）、钻具（钻头、钻柱及其它井下工具）、流体（钻井液、完井液、水泥浆等）及地面装备（动力机和工作机等）。地层是钻井的工作对象，钻具和流体是钻井的工作手段，装备是驱动钻具和流体工作的动力源。在上述四个子系统中，除所钻地层外，其余三个子系统都涌现了许多新技术。例如，在钻井过程中如何使钻头沿预置轨道钻进并保持井眼稳定性（减少或避免漏、涌、塌、卡等井下复杂情况和事故），如何优选钻头和钻井参数以提高钻进速度，如何实现钻井智能化与自动化以减少钻进间断及提高钻井质量和效率，如何有效地保护储层以提高钻探或生产效果，以及如何提高固井质量及测试成功率等等，都是钻井工程中的关键技术。         1.钻进破岩：主要研究地层的抗钻特性、破岩方法、破岩工具（钻头、射流、井下动力钻具等）及钻进参数优选等内容。       2.钻具：主要研究钻柱和套管柱的管材制造、服役环境、失效机理、优化设计及合理使用等内容。       3.钻井液、井壁稳定：主要研究钻井液、完井液及固井水泥浆的体系优化设计、性能处理工艺，研究所钻地层的理化特性及井壁岩石的力学不稳定性、井身结构和流体压力控制等内容。       4.钻孔（井眼）轨迹控制：主要研究钻孔（井眼）轨迹偏斜机理、各向异性钻井特性、底部钻具组合、井眼轨迹优化控制模型及井下测控系统等内容。        5.实物地质资料的获取：主要研究钻进过程中准确获取岩心、岩样，进行地质和工程录井的技术与工艺。       6.地下信息随钻探测：主要研究随钻测量(包括几何、地质、力学等测量内容)、储层测试、地球物理测井等探测方法。       7.储层损害与保护：主要研究储层损害机理及快速诊断方法、不同储层的保护方法及保护储层钻井与完井工艺等内容。       8.钻井安全评价与工程风险分析：主要研究复杂条件下钻井行为的安全可靠性及工程风险预测等内容。         英国学者李约瑟博士在《中国古代科学技术文明史》一书中指出：中国古代钻井技术，对世界油气勘探开发技术产生了巨大的启蒙、奠基与推动作用，在国际上领先数百年甚至上千年。他说：“今天在勘探油田时所使用的这种钻深井或凿井的技术，肯定是中国人的发明，比西方要早1100年”，“中国的卓筒井工艺革新，在11世纪就传入西方，直到公元1900年以前，世界上所有的深井，基本上都是采用中国人创造的方法打成的”。中国在1835年就建成了四川的世界最深井——深达1 001.42m的粲海井。而欧洲人1834年才开始应用中国钻井技术打盐井，1841年用于钻油井。1848年俄罗斯钻成他们的第一口油井。1859年，美国人德拉克在宾夕法尼亚州石油湾使用中国的冲击钻方法钻出了第一口油井，井深只有21.64m，直到1871年才钻达338.33 m。美国人很可能在19世纪从修筑铁路的中国劳工手里获得钻井的技术知识。         尽管人类的钻井活动已有3 000多年的历史，然而人类在钻井方式上的创新却是屈指可数，一般可归结为四种方式的历史变革，即，1)人工掘井；2)人工冲击钻；3)机械顿钻(钢丝绳冲击钻)；4)旋转钻井。当今，全世界广泛采用的钻井方式是旋转钻井（已有100多年历史）。近20多年来，世界旋转钻井的技术和装备有了显著进步， 70年代末期出现了PDC钻头，是一个明显的进步标志，随后便出现了快速发展的生动局面。进入80年代，相继出现了随钻测量仪器，可控井下马达，以及水平钻井技术等；进入九十年代，随钻测井和随钻地震等先进的测量技术不断投入商用，大位移井和复杂结构井钻井技术，以及连续柔管钻井、可膨胀套管、欠平衡钻井以及智能化、自动化钻井技术等，得到迅速发展并进入工业应用。可以说，进入21世纪后油气钻井技术发展日新月异。展望未来，由于石油等地下资源勘探开发工程成本差的驱动（亦即效益目标的驱动），以及人类对“健康、安全、环境”更高目标的追求，旋转钻井技术的发展势头仍将有增无减。然而，在旋转钻井领域，以美国和俄罗斯为代表的发达国家一直处于领先地位，而中国显然是落后于人。  激光破岩新方法                    早在20世纪60年代和70年代，国外就开展过激光钻井研究。但是由于当时的激光技术水平有限，认为用激光钻井需要的能量太大，实现不了；在经济上激光钻井太昂贵，不合算。正是这一结论在此后25年的时间里妨碍了激光技术在钻井领域的研究与应用，尽管这期间激光技术取得了飞速的发展，特别冷战期间美国星球大战计划开发的激光武器，其能量足以击毁来袭导弹，摧毁地面目标。       一、 激光钻井的研究现状          1997~1999年，美国气体技术研究所与科罗拉多州矿业学院、美国能源部、美国陆军、美国空军和其他三家公司一起开展了激光钻井的基础研究。研究小组在200多块页岩、灰岩和砂岩上测试了三种军用激光系统，发现激光能穿透各种类型

岩石破碎新方法.ppt