杂谈激光钻井技术

激光钻井［5是指利用大功率聚能激光束直接作用于岩石表面，使其局部骤然升温，岩石吸收激光辐射的能量后在内部产生热应力，当热应力达到岩石的极限强度时，岩石就会被破坏。若岩石吸收的能量超过其熔化破坏的阈值，则岩石温度升高到熔点以上，使岩石以熔融或气化形式被破坏。岩石破坏后形成的残余物由高速气流携带并排出，以快速形成井眼。激光钻井的发展及激光种类激光技术是20世纪60年代在量子物理学光子光谱学及无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术。这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性，如亮度高、单色性方向性好等。基于以上特点，为了发展快速钻井技术，人们积极推进激光钻井技术的研究。激光钻井破岩思想的提出，源于1994年美国国会通过的”星球大战”计划中军用大功率激光器向工业转化的议案。上世纪70年代末和80年代初，以苏美两国为代表的东西方阵营的军事冷战进入“白热化”阶段，美国加紧了“星球大战”所用的各类激光器的研制，促进了激光技术取得迅速发展。随着1991年苏联的政治解体和东西方对抗的结束，美国政府向工业界提出了授权转化冷战军事技术的计划，于是，激光钻井破岩技术被纳入美国能源部石油天然气勘探开发中重大战略新技术的议事曰程。一、激光的重要特征激光的上述特点，使它的发展促进了许多学科的发展，在许多工业部门得到了广泛的应用.此刻只有已开发的几种高能激光器呈现出对天然气钻井和完井有吸引力：HF(DF)激光器：氟化氢(HF)和氨化氘(DF)激光器分别以波长入=2.6〜3.3旦m和5〜4.2旦m之间运作。前者输出15条以上的谱线，后者则约有25条谱线。都可实现数兆瓦的输出。美国陆军的MIRACL中红外高级化学激光器用于对储层岩石的首次系列实验，是西方世界开发的第一个兆瓦级，连续波化学激光器。最近的发展方向是将输出功率提高到数十兆瓦，改进HF激光的光束质量和亮度，并探索由HF激光器获得1.3旦m左右短波长输出的可能性。KrF(激元)激光器：氟化氟激元激光器以短脉冲方式工作在紫外波段，波长入=0.248^。术语激元是用来描述这种激光器的，因为组成原子氟和氟在这种双原子分子中是结合于激发状态，而不是基态。这种性质使这种激光器以RP方式运作。最大平均功率是10KW，脉冲宽度0.1旦m。C02激光器：二氧化碳激光器以波长入=10.6旦m运作。它能以CW或RP两种方式运作，它的脉冲宽度能在1—30旦m之间变化，平均输出功率若干兆瓦。C02激光器的重大优点是它的耐久性和可靠性。它的问题之一是因为它的大的波长，通过纤维光学装置时它大大衰减。CO激光器：一氧化碳激光器以波长入=9〜5.8旦m运作。它也能以CW或RP两种方式运作。它的可以达到的平均功率直到200KW，脉冲宽度能在1〜1000HS之间变化。第一个倍频CO激光器以波长入=2.5〜4.0^m，并以CW或RP方式运作。达到较短波长的能力是重要的，因为当激光辐射的波长变得较短时，由于激光等离子体的表面屏蔽的影响降低。FEL激光器：游离电子激光器通过高能量的电子运作。没有不连续的能级，因此允许调节到实际上的任何波长以CW方式运作。有些科学家认为它是未来的高能激光器；调节激光器辐射波长的能力将允许对于象反射、散射、吸收、黑体辐射和等离子体屏蔽这样一些作用进行优化。Nd:YAG激光器：掺钕钇铝石榴石激光器以波长入=1.064旦m运作°Nd:YAG晶体具有好的光学质量和高的热导率，这使它可以在较高的重复频率下工作。最近几年发展起来的二极管泵浦技术使Nd:YAG激光器的能量转换效率大大提高，结构更加紧凑。当前只有4KW的工业激光器是市场上可供应的。研究和开发这种激光器的趋势表明，着手从事具有10KW和更高的输出功率的该激光器的可行性。COIL激光器：美国空军研究实验室的化学氧碘激光器以波长入=l.315旦m运作，很容易在大气

中或光纤中传输。具有高达40%的能量转换效率。在1977年开始开发，这种高能激光器以连续方式运作，已经发展成军事应用和现在工业应用的高级状态。它已经由于其机载激光器（ABL）作战能力而众所周知，它被放置在波音747飞机上用于以兆瓦的功率追踪和破坏导弹。它已成功地以31英里（50公里）的距离追踪。显然，这类精度和距离能够消除在气井钻井或重新完井中经常遇到的许多井控、侧钻和定向（侧向）钻井问题。化学氧碘激光器及其主要特征由美国空军于1977年开始开发的化学氧碘激光器（COIL），又称为美国空军星球大战激光器，已经发展成军事应用和现在工业应用的高级状态。COIL己经由于其机载激光器（ABL）作战能力而众所周知，它被放置在波音747飞机上用于跟踪和摧毁导弹。它已成功地以31英里的距离跟踪。比较起来，一般的天然气深井是钻到3英里的深度。显然，这类精度和距离能够消除在天然气井钻井或完井中经常遇到的井控、侧钻和定向钻井问题。美国空军对开发COIL技术的商业用途很感兴趣。尽管是作为一种武器系统来开发的，但是COIL的高能输出以及便宜的化学材料使其非常适合于其他用途°COIL的一个独特优点是和光纤结合的可能性，因此非常适合于象石油钻井之类的远距离高能发射。图5—2表示COIL的简图和这种激光器的化学和能量图示。全面的COIL过程概念上是简单的。碱性的过氧化氢当与氯气混合时产生激发状态的氧（称为氧独态6）。这个反应的副产品是油田中平常的盐水。这种氧独态6当与液态碘化合时既引起分子碘离解为原子碘，又产生激发状态的碘。它是受激碘的激化幅射将电子转移到原子碘并依次释放光子。氧和碘的激化辐射期间释放的能量£表达为£=hV［式中h是普朗克常数（6.626E—34J—s）；v是由光速c（2.99792458E+10cm/s）除以波长入所定义的，或v=c/入；因此£=hc/入］。图73中的能量图示是通过表达£/hc=1/入来展现的，所以单位是厘米的倒数。如能量图示中表明的，将氧和碘激发到高能状态是可能的。适合于天然气钻井和完井的COIL的一些主要特征包括：•以高的功率和传输效率引导井下激光束对准岩石面的高度可调节连续波（CW）。•适合于更好聚焦和容许在岩石中有高的切割效率的短的波长。•由于激光器内腔中密度梯度很小的卓越光束质量，所以功率强度是可以达到保持岩石散裂（破碎）、熔融（熔化）或汽化。•化学燃烧剂是安全的，容易得到的和环境上有吸引力的。•轻便的（也就是可装挂车的）。CtaURjnduEh玲J.1£R)A心■是K0H.-r-H君.A口2ftHCtaURjnduEh玲J.1£R)A心■是K0H.-r-H君.A口2ftH-■任哺■由&・MA.■W■F尸5lMMl«d4rEui«rMM:«⑦-，GK%ff-M■-<(>西Ejhlaha&7fnpvr胃Bmk心*L1-.Mfti如f口由土■■Etrsri心辱ifiMtt出5dqmiiWi豆CL2C气体）；2.碱性过氧化氢KOH+H202（液体）；3.12（气体）；4.激光反射镜；.激光增益区（I英尺）；6.排至涤气器；7.02（1A）气体发生器；8.热；9.KCI（盐）；10.超声混合喷嘴；11.激束（1.315旦m）；12.化学产生激发状态的氧02（14）；13.激发状态的氧离解分子碘；14.激发状态的氧增压原子碘1；15.激发状态的碘放射激光（电子传输）；1.能量，cm—1X103；下标（1）一（液）；下标（g）一（气）COIL激光器化学：02（1E）——激发状态

的氧，独态z02C1A）——激发状态的氧，独态△气体氛围的影响；围限岩石应力的影响；光束周期性（连续波和断续波）的影响垂直的和水平的光束穿透之间的比较。SE=输入能量=(KW/cm2)-s=KJSE=输入能量=(KW/cm2)-s=KJ除去体积cm励控酬I-——激发状态的原子碘I——原子碘基态I2（3nOH）——激发状态的分子碘（第2级）I2（3n1H）——激发状态的分子碘（第1级）I2（1Z）——分子碘基态用化学氧碘激光器进行的实验研究和结果

coll实验目标用COIL进行了一个实验方阵，以1.315Hm的波长、功率水平从5〜10kw,连续波方式工作。图5—3表示实验室装置图。设计这些实验是为了确定钻穿各种岩石（砂岩，石灰岩，页岩，岩盐，花岗岩，混凝土）的可行性，并为了确定控制激光器的参数。为了这些实验，在直径1英寸〜2英寸，长2英寸的岩心栓中造出直径1/4英寸的孔眼。岩样典型地受到8S照射。X射线计算机层析成象术辐射显象是用来通过提供穿透深度、孔眼大小和完整性以及岩石孔隙度、密度和原子序数变化资料，表示激光器如何进行的。这些实验探索的目标是：砂岩、石灰岩、页岩、岩盐、花岗岩和混凝士的穿透钻速；流体浸透对穿透的影响；与蒸气干挠有关的孔眼穿透限度；结果是用以KJ/cm，为单位的比能表示。比能（SE）定义于公式：cm图5—3COLL实验装置1、罐；2、反应方向；3、地面范围；4、光子照射；5、管子；6、红外照相机；7、摄象机；8、快门；9、氛围吹洗；10、激光反射镜;

11、岩样；12、透镜控制光束尺寸；13、在目标上光束尺寸0.25英寸；14、吸入；15、控制阀；16、一次发射期间光束行进距离=1297cm。比能是功率密度（KW/面）乘以激光照靶时间再除以各个试样的穿透深度（cm）。对于讨论的用途，比能是除去1cm3岩石所需要的能量数量。这个测量法允许对进行的各种实验进行比较，而且更重要的能在整个研究所用的各激光器技术之间进行比较。激光钻井的原理及优点激光直接破岩机理岩石的破碎和运移是油气井钻井完井过程中的重要问题之一。研究激光钻井也应首先着眼于激光与岩石作用机理的研究。激光与岩石直接作用时，一部分能量被岩石吸收，其余都被反射和散射损失了。当岩石内的能量积累到一定程度、温度足够高时，就会发生如图1所示的3种破岩形式为主的一系列复杂的物理化学反应，如破碎、分解、熔化和汽化等。激光直接破岩是一种非接触式的物理化学破岩新方法，能量利用率高钻井深度在理论上可以无限延伸，这是激光钻井的最大优势。激光破岩的物理过程图2为激光破岩的实验装置图％，一般采用高压气体喷嘴清除岩石碎屑。岩石受激光辐射后，射束作用的部位温度急剧升高，局部高度集中的能量便可对岩石形成高效的热破坏。这种热破坏包含3种形式：热破碎、熔化及汽化。其中，岩石到底会以哪一种形式破坏取决于激光本身的性质、岩石的热物理特性及岩石受辐射的时间。激洗在激光热量接近耐未达到岩石的液化潜热时在激洗熟量达到或超过岩石的液化潜热时荏激比热量达到或超过岩石的汽化潜热时激洗在激光热量接近耐未达到岩石的液化潜热时在激洗熟量达到或超过岩石的液化潜热时荏激比热量达到或超过岩石的汽化潜热时给热裂为松散碎片岩在为液态图2激光破岩装置图岩石内部产生热跟应力，热应力作用于岩石并在岩石熔化前将其破坏或颗粒。实验14表明，岩石在热应力的作用.岩石由固态直接成利接变为气&激光直接破岩的基本原理是，利用高能光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态瞬间相变到热熔和汽化状态，并形成气液固多相混合物（如图1所示），然后由高速辅助气流将其携走和排除。激光直接破岩是一种非接触式的物理化学破岩新方法，能量利用率高。钻井深度在理论上可以无限延伸，这是激光钻井的最大优势。函I期并官搏精岩的主尊物理仆学即金下破碎需要的能量最低因而应尽可能以这种方式破岩来获取最高的破岩效率和钻进速度。图2为比能与激光平均功率的关系。从图2可看出：激光作用于岩石表面，当其功率较低时，大部分能量用于岩石热膨胀、产生裂缝以及分解矿物，此时比能较大;但随功率的增大，移除岩石的激光能量利用率也随之增大，此时比能逐渐减小；在矿物开始熔化前的那一刻，比能达到最小;功率继续增加后，由于热量在岩石中的扩散要比岩石从激光束中吸收能量容易得多、快得多，使岩石基质吸收的能量超过了扩散的能量，温度达到矿物熔点，岩石开始熔化，但由于二次作用的影响，比能将会产生个飞跃⑶。a有缺陷的岩石受激光辐射；（b）岩石吸热后缺陷

区域受热应力作用，缺陷沿裂缝方向伸展;（c）裂缝

扩张成空腔并挤压出碎片（d）碎片从岩石表面脱离1）热破碎区（左边区域）：激光作用于岩石表面，当其功率较低时，大部分能量用于岩石热膨国】比能与滩光平均功率的变化关系胀、产生裂缝以及分解矿物，此时比能较大;若增大激光入射的功率，则比能逐渐减小，在达到矿物熔化的临界点时，比能值达到最小，此时最有利于破岩。当高能激光作用于岩石表面时，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高，当热应力高于岩石的极限强度时，岩石就会发生热破碎。岩石表面存在的缺陷如微裂缝和孔隙等使其极限应力降低，因而会加剧这种热破碎作用。岩石的热破碎过程如图4所示m。觥陷图4岩石热破碎过程示意图（a）有缺陷的岩石受激光辐射（b）岩石吸热后缺陷区域受热应力作用，缺陷沿裂缝方向伸展;（c）裂缝扩张成空腔并挤压出碎片（d）碎片从岩石表面脱离从图2还可以看出，比能最小峰值区处于碎裂区的末段，即为最佳热裂区。由此可知，激光破岩时，将激光能量控制在热裂岩石的水平上可以充分利用激光能量达到最大破除岩石体积的目的"⑵过渡区（中间区域）：在矿物熔化的临界点附近，岩石能以热破碎方式被破坏，若其导热性能从图2还可以看出，比能最小峰值区处于碎裂区的末段，即为最佳热裂区。由此可知，激光破岩时，将激光能量控制在热裂岩石的水平上可以充分利用激光能量达到最大破除岩石体积的目的"（3）熔化区（右边区域）：如果功率继续增加，受岩石导热性的影响，若岩石从激光中吸收能量的速度高于能量从岩石中向外扩散的速度，使岩石吸收的能量超过了其释放的能量，一旦温度超过矿物的熔点，岩石就开始熔化，如图5所示［3］。由于二次效应造成了能量损失，使比能产生了突变。2激光钻头激光钻头主要是利用一个激光束作用在岩石上破碎岩石。研究已经证明，激光诱导产生的温度能够削弱岩石，这主要是由于裂缝的扩展、矿2激光头2激光头激光头是激光产生体系的最后一个阶段，它基本上就是激光束作用在岩石上的输出口，它通过聚焦或是扩散透镜组调整光束性质。透镜组能够控制能量、暴露面积（光束直径）、作用在地层上的光束焦点距钻头的距离。物质的脱水以及蒸发引起了空隙的增加。将激光照射部分与未照射部分比较发现受激光照射部分的各种模量，如杨氏模量、剪切模量、体积模量以及岩石的组合模量都降低生的激光束通过工业激光器上常使用的纤维光缆传输到井下。虽然这种方法看似简单，但实际上光束通过纤维光缆传输有个很大的问题那就是在这么长的井深距离完全使用纤维进行光束传输目前为止并没有尝试过。然而，尽管如此，井下照相光缆已经应用。因此，此系统展现了一个很好的前景。光束经光纤传输至激光头，此激光头作为一个整体部分镶嵌在当前通用的常规钻头中（图1和图2）。⑵井下组合：一些激光器，如二极管激光器，足够小巧能够将整个激光机械放入井下。对于激光操作的基本要求就是对激光电子管供电。可以使用一个井下马达供电。这类马达广泛用于地质导向以及垂直钻井，并且输出功率在1000W以上。在大多数激光器类型中，电子管就是以不同形式的能量产生光子的地方。在电子管中，激光介质射出，放射光子。这些光子传输到顶部，然后聚焦后作用在岩石上（图3）。图1带有纤维光缆的激光三牙轮钻头1一输送激光到井底的纤维光缆；2一激光头图2激光三牙轮旋转钻头剖面

图1一激光头；，2一吸管（水眼艮）；3一压力补偿膜；止I油密7^1^9一钻井时开启状态；10—牙

爪（硬金属保护层）；11一牙

轮轴；一滚珠催—蔻料戒齿距dngHouse.Allrightsreserved,

图3激光固定切削刃钻头1一API标准销钉连接；2一钻杆；3一补偿面;4一锥齿轮；5—钻头装卸器槽；6—轮轴；7—金刚石爪垫;8—保径齿排；9一切削齿；10—快门；11一焊缝；12一钢心；13—硬质合金胎体；14一抬肩通常要安装作为钻井激光头的一个完整部分—吸管，该管用来清理已钻区的颗粒这些颗粒如果不及时清除将会堵塞激光透镜组降低激光破岩效率。目前所使用的钻头必须进行改进，例如，激光头可以完美坐于钻头之中。注意，在设计过程中，激光头必须完全成一直线排列在钻头中央，以便于激光束不会遇到障碍。图4激光三牙轮旋转钻头井下结构1一外部钻具；2一井下马达；3一井壁；4一激光发生管；5—激光头；6一三牙轮钻头境和所钻地层在宽范围内进行组合。23辅助设备有必要添加一些额外的辅助设备以提高效率，包括：⑴聚焦或扩散透镜组：这是一个额外的透镜组，可以精细地调整激光束。聚焦透镜组将光束聚在一起以减少光束直径，而扩散透镜组将光束扩散以有效增大光束直径。⑵快门：这个和照相机里的快门是相似的。（2）激光头可以有效地和旋转（三牙轮钻头）或固定（PDC、金刚石孕镶钻头、天然金刚石钻头）的钻头相结合’图4。因此，激光头可根据钻井环但是，它是由非常粗糙的金属制成，材质尽可能地与钻头材质保持一致，将其放置在钻头底部，开动起来就像一个门一样。设置快门的目的是为了在不使用激光时，有效保护激光，如在起下钻过程中。它会阻止岩屑、流体进入激光头，同时，也防止回压以及井溢流破坏激光头。⑶井下电缆：井下电缆用于很多操作中，如（3）控制激光、提供能量以及信息传输。⑷微型处理器或电脑：激光操作性能，如激光频率及其密集度，可以通过预程控的微型处理器或地面上的电脑来控制。激光钻头的优点：①更快的机械钻速②钻头磨损小，钻头寿命长③起下钻次数减少④可用于所有类型（水平井、垂直井、定向井）的钻井垣同一个激光发生装置可以多次重复利用。3建议42对于输送系统技术的研究应该深入进行。43寻找更多的适合激光钻井的激光器。44应该进行钻具改进的成本评估。既然钻井周期的20%用于起下钻，50%的时间用于钻井，那么较高的机械钻速和较小的钻头磨损应该能够降低成本。45应开展纤维光缆的振动效应研究工作以及风险评估。46泥浆可能会由于激光所产生的热量导致脱水变成粉末，必须使用一种可透光钻井液。另外一种解决方法就是使用惰性气体作为钻井液，如氮气。Allrightsreservhdp：//注：psi=6895kPa强度被削弱的岩石就可以使用常规的机械钻头，这样会有一个更高的清除效率。激光的性能可以在地面上通过测井数据来调整以适应地层的性质。激光钻井技术的优势激光钻进系统较传统钻井方法有大量优点。激光钻井无须同轴套管，使用或不使用套管的情况下可以钻单一井径的井眼，钻机的功率减少，套管成本也减少。因为光子沿直线传播，所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少。激光钻井能减少钻头的使用或者不使用钻头，因此能减少起下钻时间。更重要的是，机械钻速比传统的机械钻速高得多，减少了钻井成本。激光钻进对渗透率的影响：对岩石使用激光之后岩石的孔隙度和渗透率均有增加，增加的程度取决于岩石的热导率。如果岩石的热导率大，渗透率增加就明显；岩石的热导率小，渗透率的增加就不明显。这是由于渗透率高的岩石比渗透率低的岩石压力下降导致岩石产生裂缝1（3激光射孔：激光射孔的完成不需要任何的激光器，同时能防止传统的射孔方法对地层造成的伤害。使用射孔枪产生的岩屑可能堵塞井眼，甚至需要修井。传统的射孔方式产生的裂缝会将射孔区域和其他区域连通，套管也会破裂。激光射孔可克服以上问题并提供一套更有效、更经济的方法。激光新技术能使套管开窗并使其他井场工作成为可能。打捞：由于激光钻进系统使用小部件来代替传统庞大的钻井立柱，因此打捞作业更容易。激光可以将落鱼融化或剪碎，即使在井中有工具丢失或落鱼的情况下，也可将侧钻的几率降低。传统的旋转钻进的成本很高，激光钻井技术能给目前石油工业带来革命性的变革。标准陆地井的钻井成本大约是40万美元。激光钻井的机械钻速比传统的高10~100倍。即使高10倍的情况下，激光钻井可以将钻井时间降低十分之一，从而使钻井成本显著降低。激光钻井同样可以钻水平井并且清