激光钻井技术

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1、激光钻井技术1激光钻井技术简介（1）激光钻井技术的发展历程从20世纪60年代末开始，美国国家科学基金会就启动了探寻高效破岩方法的庞大研究计划，研究了电子束、激光、水射流等25种破岩新方法。在中等强度岩石上进行破岩实验，结论表明：激光钻井破岩法是最易于实现且效率较高的方法之一。20世纪70年代初，在美国、法国、荷兰曾出现了用激光钻井和射孔的专利文献。那时人们对激光钻井的研究大多基于“将岩石矿物完全熔化”直接打出预想大小井眼的假设上，预计所需能量相当大，加之当时激光技术水平有限，激光功率只有数千瓦，波长较长难以聚焦，成本

2、较高，所以许多人怀疑激光钻井的可行性，甚至直到1990年，美国天然气协会仍认为激光钻井不可行。随着激光技术的飞速发展，直至1997年，美国国会重新关注激光钻井技术并委托美国天然气工业协会，联合美国空军、陆军和科罗拉多矿业大学，提出了一项两年计划，一起探索如何把美国在20世纪80~90年代用于“星球大战”的激光技术用到石油工业钻井、完井上，此时激光钻井的可行性才得以证实。该阶段试验使用的是美军白沙导弹实验场的中红外高级化学激光器，试验结果表明激光钻井的理论速度可达137.2m/h，是目前旋转钻井钻速的100倍以上，并且

3、证实了早期对激光钻井所需激光功率的计算值远远大于实验值。1998年，美国天然气工业协会，联合美国空军、陆军又启动了一项研究“激光钻井”的计划，研究激光钻井与完井，其直接研制产品是一台激光钻机，该计划预计用时5年，耗资600万美元。近年来，美国菲利普斯公司使用化学氧碘激光发生器进行了现场试验。实验结果表明：激光钻井10小时的钻井进尺，需要常规钻井钻10天时间[14]。（2）激光钻井的基本原理：亮度大(即功率密度大)是激光的一大特点，是激光用来钻井的最主要的特性.从本质上讲，钻井用激光器件就是把能量转换成光子，光子经过聚

4、焦成为强光束，把岩石熔融、粉碎、蒸发。具体说来，就是把激光束聚焦在一个要钻入地层的环形区域上这个环形区域是要钻的井眼直径范围内很小的一部分。激光束聚焦后形成很高的温度，使要钻入的地层材料熔化蒸发，强大的热冲击也可以使要钻入的岩石材料被击成细粒，由于环形区域内熔化材料的蒸发而产生强大的压力足以使击碎的材料被腾升到地面。为了增强热冲击的作用，易于使要钻的材料成为细粒并喷出井口，还可以向要钻的部位喷射可膨胀的很强的液体流。液体射流和激光交替作用在要钻部位，使激光束和液体射流都成为脉冲式的。液体射流所用液体的特性要易于使要钻

5、材料熔化与震碎，有助于井壁的光滑。例如，若要钻的材料是纯净的干硅砂，则流体应含有钠或钙的化合物以便于岩石熔化，优化井壁特性。为了使从己钻成的井眼中排出的材料离开地面设备，在井头可装上转向器，喷出强液体射流，当从井中喷出震碎的岩石材料时使其改变方向吹离井口。激光发生器的工作、激光脉冲的长短、注入的强射流体、喷出材料的吹除等整个系统的工作特性，如脉冲持续时间、频率、聚焦区面积和环形的大小，相干光源的工作波长和输出功率等都由控制器根据被钻地层的物理特性控制[14]。（3）激光钻井的意义：根据模拟实验研究，用功率为600—1

6、200kw，波长为3.8μm的MIRACL激光器发出的激光，在4.5s钻穿了0.0635m的砂岩试样，移走了2.495kg的岩石，由此折算等效钻进速度为50.60m/h；而用500kw激光束，在两个两秒的激光冲击后，沿水平方向钻透了0.1524m，折算的等效钻速为137.16m/h。因此，采用激光钻井，可以显著提高钻进速度，减少钻机平均天数，减少起下钻时间，提高井控、射孔、侧钻能力；激光与周围岩石相互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，减少套管；还可以促进井下钻井机械，激光钻头，激光射孔技术的发展；而所有这一切都可在有利

7、于环保、安全，提高有效成本的情况下进行。因此，激光钻可降低成本，减少污染，可能会使钻井技术发生革命性变化[14]。（4）激光钻井的优势[14]①激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场；②激光钻井的井场很小，也许只有普通井场的十分之一甚至更小；③激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快，用常规钻井方法需要100天才能钻成的井，用激光钻井也许只需10天时间；④激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低，也许只有常规旋转钻井的十分之一甚至更低；

8、⑤激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面，对环境的影响其微；⑥激光钻井过程具有导向性。2激光钻井技术国内外现状俄罗斯、日本、加拿大和印度等国十分关注美国激光钻井破岩的研究成果和最新动向。1998—1999年，俄罗斯Lebedev物理研究所参与了美国GRI负责的第1轮激光钻井破岩可行性方面的合作研究，随后独立开展