激光钻井,“没有什么可以阻挡”

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1、激光钻井，“没有什么可以阻挡” 石油天然气勘探开发的钻井，最直白的解释就是从地表向下挖掘一个筒形的通道。最早的钻井是用乘汲取地下水的。在人类的发展史上，钻井大致经历了挖掘井技术、顿钻井技术和旋转井技术3三个发展阶段。在前两个技术阶段中，我国均处在发展的最前列，我国已经发现的公元前1500年前后的甲骨文中就已经有了“井”字，春秋战国时期的井的深度已经达到50多米。到北宋的庆历年间（公元1041～1048年），我国古代钻井技术取得了划时代的突破，出现了顿钻技术，井深达到了130米左右，钻井井筒直径仅有碗口大小。利用这项技术，到明清

2、时期，我国四川钻凿油气井的技术应用就相当普遍了，井深大约都在1000米左右。公元11世纪，我国顿钻技术传入西方，西方对设备和工艺进行了改进和更新。近代油气勘探开发传统的钻井已经有100多年的历史，主要采用的是旋转钻井技术，通过金属钻头、钻具冲击、切割岩石，促使岩屑剥离，并通过钻井液将岩屑带出井口。遇到坚硬的砂岩层，甚至采用化学手段（如爆破），对周围生态环境、地质结构产生一定影响。1990年，根据美国气体研究所（GRI）的数据统计，一口井的钻井周期中，48%时间钻进，27%时间换钻具、下套管，25%时间用来测井，且行成数据。从钻

3、井周期各阶段钻井耗时分布情况来分析，缩减钻井成本的主要途径是加大钻井速度，减少排渣、搬装钻具、安装护套等。激光钻井正符合上述需求，是传统钻井方式最有潜力的替代者。激光钻井技术的优势1990年始，美国开始把部分冷战技术民用化，科学家们努力把激光应用到钻井实践中。从理论上讲，激光钻井是一个能量传递过程，岩石吸收能量后，使其局部发生物理和化学变化。激光器是一种电磁相干辐射的能源，将不同种类的能量（电能、化学能、热能等）转换为光能。激光辐射称为单色辐射，激光辐射的波长决定于激光器的放射性介质，范围从0.1微米到10微米，跨越光谱的紫外

4、光、可见光、红外光和亚毫米的波段。激光器把能量转换成光子，光子经过聚焦成为强光束，传递给岩石，岩石导热性差，局部形成高温，使其层层剥离、熔融、气化。促使岩石局部高温和破坏源于吸收激光传递的能量，岩石导热性差，局部高温，发生了物理和化学变化。对于激光钻岩石，红外辐射比可见辐射更有吸引力，不仅因为红外高能激光先进性，而且与岩石的特性有关。激光钻井相对于传统机械钻井优点如下：(1)占地小，井场作业面小，方便移动；(2)可以钻坚硬岩石如砂岩，复合金属材料如钢筋混凝土，可以在复杂环境中作业，如海上钻井，湖泊内等水域的钻井等；(3)钻井效

5、率高，显著提高钻进速度。用美军MIRACL激光器所作的评价激光器钻进实验表明，激光束等效钻速可这50.60m/h，而经凹画镜改变MIRACL激光器光的方向沿水平方向钻进，等效钻速达137.16m/h。(4)远程控制效果好，导向性强，提高了井控、射孔、侧钻、水平钻井能力；(5)激光与周围岩石相互作用，可以产生热量，在井壁形成陶瓷状固体，节省套管，降低成本，提高效率；振动小，有利于保护井壁地质结构，井壁表面颗粒间隙变小，改善渗透性，提高井性能；(6)排渣少，不采用化学方法（如爆破）有利于生态环境保护，减少对周围居民生产生活影响；(

6、7)可以促进井下钻井机械，激光钻头，激光射孔技术的发展。总之，激光钻井技术可降低油气探井的成本，减少污染，使钻井技术发生革命性变化，实验证明激光用于油气钻井无可替代，可以减少对地下储层污染和破坏。很明显，用激光钻井在井口和井筒内无残余物和爆炸物污染；而且不用清理井口和井筒周围。激光钻井技术，包括激光射孔技术，有利于井筒构造，在油气勘探开发领域研发激光钻井势在必行。激光钻井发展史话20世纪70年代初，美国、法国、荷兰就出现了用激光钻井和射孔的专利。但由于当时激光器的功率低，激光难于聚焦，加之成本较高，限制了激光钻井技术的发展。随

7、着激光技术的成熟，成本逐渐降低，特别是1994年美国开始将所谓的“星球大战”计划中的军事技术向工业转移，打开了激光技术研究应用大门，使得激光技术在钻油气井和后期作业中开始发展。GRI联合Halliburton，在芝加哥Argonne国家实验察、IL和科罗拉多州的石油工程部门等等，作了大量研究，取得了显著的进步，成功设计样机、模拟复杂环境下使用强激光钻油气井。基于此，美国能源部（DOE）下一步将资助全面研究可以用激光钻井和后期作业的基础科学原理，可行性、成本、优点研究以及对环境的影响，最终完成工业使用的激光钻井样机的研制、开发，

8、提高美国工业的竞争能力。在由俄罗斯开发的激光技术文献及实验数据中，PNLebedev物理研究所使用的一氧化碳激光和二氧化碳激光取得长足进步。位于俄亥俄州Dayton的美国空军Hardening材料实验室最初也使用二氯化碳激光测试。美国人研究了多种激光类型：氧碘（COIL）和中