激光钻井破岩的基础理论问题

激光钻井破岩的基础理论问题

激光破岩的基本原理是直接使用高能耗光，使其在局部快速加热至融化和省会，并形成气液两相混合，然后通过高速辅助气流将其运输和排除。这是一种非机械接触的物理破岩方法。激光技术与地球钻探科学相结合,所形成的激光钻井破岩新思想,是近10a来国际钻探领域的重大前沿性研究课题,国内外的学者对其理论做了探讨,并对岩石相变的热力学与传热学做了试验研究,本文指出了还需进一步研究的方向。1激光破岩的两个发展阶段纵观激光破岩概念的产生、研究与发展,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。1.1光能量破碎岩石激光破岩概念的产生可以追溯到1960年美国科学家MamanC.M.发明了世界上第1台红宝石晶体激光器后,麻省理工学院MoavenzadehF.,McGarryF.J.和加州大学WilliamsonR.B.等人(1968年)在第43届SPE/AIME秋季年会上,联合提出的利用激光能量破碎岩石和钻井的设想。当时的激光器功率小,输出能量较低;激光器产生的波长相对较长,较难聚焦,能量也不能传输到远离激光光源的地方,因而该设想没有用于石油钻探的岩石破碎,但在铁路、矿山和交通业隧道挖掘中坚硬岩石的加热软化和机械辅助破岩方面得到了应用。1971年,美国联合飞机研究中心CarstensJ.P.和BrownC.O.等人利用连续CO2激光对花岗岩、石英岩和玄武岩等岩石成功地进行了室内切槽试验。随后,激光切割岩石的方法在德、日和美等国建筑行业各类石材、混凝土等的切割和加工中得到广泛的工业化应用。前苏联科学研究院Lebedev物理研究所是军用大功率激光器的研究中心,曾在1969—1978年间开展了激光与岩石相互作用的研究,当时的激光功率为0.5～1.0kW,后因资金缺乏而停止。日本是一个地震发生频率较高的国家,山体的潜在滑移危险性大。日本地球物理研究所和东海大学利用激光破岩技术,防止浅层地质钻探和建筑打桩作业中山岭滑坡和房屋倒塌事故,取得了显著的成效。1.2美国石油天然气勘探中重大战略支撑技术研究计划石油天然气勘探开发中的激光钻井破岩与矿山和建筑行业中的工作环境和技术要求迥然不同。例如,激光钻井破岩的目标层深;光束的光斑尺寸大;井眼轨迹必须规则;井壁必须具有强的防坍塌和抗失稳性能;具有屏蔽强酸、强碱和有毒气体干扰的能力等。另外,石油井下环境恶劣,空间尺寸小,对激光元器件的功率体积比、移动性和可靠性以及高能光束的远距离传输与控制,均有特殊的要求。石油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界转化的议案。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人“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了迅速发展。随着1991年前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日程。1997年,美国能源部(DOE)批准了芝加哥天然气研究院(GasResearchInstitute,GRI)和科罗拉多矿业学院(CSM)联合提出的激光钻井计划。该项目(GRI-98/0163)为期2a,旨在进行激光钻井破岩可行性方面的初步室内试验和基础理论研究。美国GRI和CSM的室内试验研究结果表明:激光破岩与传统的转盘钻井技术相比,在提高机械钻速方面具有无可比拟的优越性;军用兆瓦级激光器能为4500m井深钻井破岩提供足够的能量。2000年,美国能源部和国家能源技术实验室正式把激光钻井技术的研究列入美国石油天然气勘探开发中重大战略支撑技术的长期发展计划,并继续支持天然气工艺研究院(GasTechnologyInstitute,GTI)的新一轮激光钻井计划(如图1)。GTI系由原芝加哥天然气研究院(GRI)和芝加哥天然气工艺技术研究院(IGT)于2001年联合组成。第2轮激光钻井计划(DE-FC26-00NT40917)项目分为3个阶段进行实施,由天然气工艺研究院(GTI)和科罗拉多矿业学院(CSM)等6家联合承担,旨在深入研究激光钻井破岩的基础科学理论、淹没环境下激光破岩的模拟试验、激光深井(大于6000m)破岩能力的评价、井下激光钻井样机的研制,计划在2009年完成第1台工业性试验用车载激光钻机的制造。2激光破岩与储层物性的关系俄罗斯、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[1,2,3,4,5,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]。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,随后独立开展激光破岩的岩石临界能量和岩石激光可钻性等方面的基础研究。日本加大了对高功率等级激光元器件的研发力度,正拟建造50kW可移动氧碘激光器。2000年以来,加拿大自然科学及工程研究委员会和能源部联合支持Dalhousie大学开展激光破岩的岩石传热学和热力学方面的研究。美国和俄罗斯于2000年完成了高能激光钻井破岩的室内可行性试验工作,其研究成果和结论是:a)国防工业中的兆瓦级激光器能满足4500m井破岩的能量要求。b)激光破岩的速度与传统的转盘/牙轮钻头或者转盘/金刚石钻头相比,根据地层岩性的不同,平均提高10～100倍。c)激光光束可在透明的洗井介质中工作,空气和隋性气体(如氮气和二氧化碳等)是携带岩石碎屑和冷却井下激光元件的良好循环介质,激光钻井的排屑方法将类似于现行的高压气体钻井工艺。d)激光可在井眼岩石表面形成陶瓷釉面,能减少技术套管的层数,节省钻井费用。e)激光钻井不需频繁起下钻柱更换钻头,可提高钻井效率。f)激光钻井对井场环境的污染小。中国石油勘探开发科学研究院窦宏恩和中国石油大学甘云雁等人对国外激光破岩的研究进展方面进行了大量的前期调研工作。1998—2000年,易先中在原江汉石油学院科研发展基金的支持下,开展了“激光破岩机理与射孔技术的研究”工作(项目编号:1999H0074)。试验研究结果表明,激光射孔破岩并形成一定深度的井眼,在室内环境条件下是完全可行的。如高能激光束穿透泥质砂岩和页岩试样的室内试验速度可高达105～115m/h等,与传统的转盘/牙轮钻头或者转盘/金刚石钻头相比,破岩速度提高10倍以上。该试验数据说明,若激光钻井能在井下狭隘空间进行成功的工业化应用,与传统的转盘/牙轮钻头或者转盘/金刚石钻头相比,则具有明显的技术竞争力和良好的发展前景。2002—2004年,易先中在中国石油天然气集团公司(CNPC)石油科技中青年创新基金资助下开展了“激光射孔破岩的储层物性研究”(项目编号:2002Z0601)。试验发现:岩石基本上是以受热碎裂、气化和熔融等形式破坏,随着激光工作参数和辅助气流参数的不同,其破坏形式呈现多样性。另外,岩石受激光作用后,热影响区附近的岩石存在着宏观裂纹发育现象,其孔隙度增加,渗透率提高4倍左右。同时,岩石有变脆的趋势,其强度极限降低,弹性模量减小。在激光钻井破岩中,温度场的剧烈变化是引起岩石微观物性、宏观性质发生改变的根本因素。2005—2007年,易先中在湖北省自然科学基金资助下开展了“激光破岩的排屑机理与温度场特性研究”(项目编号:2005ABA310)。试验发现:岩石受激光作用后,热影响区附近的岩石表面出现致密的釉化层,同时也会有微裂纹产生。另外,对激光破岩的温度场分析发现,岩石在聚能激光束作用下,其相变过程的时间短,由固态变到液态、由液态变到气态的温差范围极大;光斑内轴中心上的温度最高,光斑边缘的温度稍低,与聚能光束的空间分布形状基本一致。特别是当激光能量以矩形脉冲的形式注入时,光斑作用区的平均温度增加,其汽化核加大,被蒸发的岩石量增加,岩石的残屑会排屑不畅,岩心表面有严重高热灼伤的斑痕和焦迹,在井眼周壁出现沉积和重凝现象。激光光斑区的岩石及周边的岩体基质在经历固、液、气三相骤变时,其相变间的热能传递与交换是一个复杂的三维非稳定传热学问题。易先中等人建立的激光破岩温度场等焓模型,与BjorndalenN.等人建立的移动界面模型具有一致的结果。试验分析与数值模拟的研究表明,激光破岩的温度场是建立岩石相变过程中,热应力场、应变场、渗透率、孔隙度、导电性等物性参数变化规律的重要参量。3激光破岩岩屑运移的教学理论美国、俄罗斯、日本和加拿大等国在激光钻井破岩基础理论的研究方面各有侧重点,但对基本科学问题的认识却趋于一致。概括起来,它主要包括以下5大基础科学问题:a)激光/岩石/流体相互作用原理(即微观物理过程和岩石热破坏理论)。b)岩石快速相变的热力学与传热学。c)强激光的传输变换与微型化原理。d)激光破岩岩屑运移的多相流动理论。e)激光钻井的安全与环境保护科学。3.1激光破岩破坏机理在激光/岩石/流体相互作用原理方面,美国科罗拉多矿业学院以GravesR.M.教授为代表的研究组已完成了6种典型的激光器(MIRAL、COIL、CO、CO2、Nd:YAG和直二极管激光器)对13种岩石样品,分别在空气、水和普通钻井液等3种环境条件,以及岩石孔隙中含油、甲烷、水和盐水等多种情况,进行了对比破岩试验和分析,发现岩石主要是以熔融、气化和碎裂等形式破坏,但随着激光工作参数的不同,其破坏形式呈现多样性;岩石表面出现致密的釉化层,亦会有微裂纹产生;岩石对CO2、CO和MIRAL三种波长较长的光束吸收率大。另外,该研究组对单位体积岩石发生破坏的激光能量(称为比能量)进行了测量,发现随着岩石硬度的增加,比能量降低。同时还发现,激光采用脉冲波形的破岩方式,其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。有待深入研究的是:a)岩石的能量吸收效率和能量转换规律。b)岩石热破坏模型和准则。c)岩石在熔融、气化和碎裂等过程中的晶粒微观组织变化和特征。d)辅助冷却气流的速度、方向和环绕形式对岩石破坏过程和微观晶格的影响。e)脉冲波形的能量密度、前峰后沿特征对岩石破岩速度、晶格相变过程、微观力学性能和物理特性等的影响等问题。3.2地层温度与透率在岩石快速相变的热力学与传热学方面,美国科罗拉多矿业学院BatarsehS.等和美国天然气工艺研究院GahanB.C.等人的试验研究发现,受激光辐射后,岩石的孔隙度增加,渗透率普遍提高4～5倍,但岩石的强度极限有降低,弹性模量约减少15%～50%。在激光钻井破岩中,温度是引起岩石微观物性、宏观性质发生变化的最重要的因素。Dalhousie大学的BjorndalenN.等人是采用移动界面模型分析激光破岩的温度场,长江大学易先中等人是应用等焓模型。这2个模型都近似认为岩石的导热系数、比热等物性参数与工作温度无关,不考虑岩屑在井眼周壁的沉积和重凝现象,其模型的精度有待试验修正(如图2)。另外,激光钻井破岩的热应力场、热应变场、井眼变形和残余应力场等有待深入研究,这些物理场与岩石物性参数的基本关系有待建立。3.3聚合物激光井眼化学氧碘激光器(COIL)的功率体积比大,可移动性好。波音航空公司曾将COIL装在Boeing747上作为机载激光防御系统,现已将6项激光器专利转让给科罗拉多矿业学院,用于车载激光钻井样机的研制。直二极管激光器(DirectDiodeLaser)体积比COIL更小,能满足在石油工业ϕ311mm或ϕ216mm(12¼英寸或8½英寸)井眼尺寸中工作的要求,是一种发展前景良好的井下激光器,目前正在改进其可靠性和对环境的适应性。日本和美国正在研究新的高能中空光纤和大功率光纤激光器。复杂恶劣环境下强激光的传输变换与微型化,可望近期取得突破性进展。3.4岩屑对岩屑气流场的作用目前尚未见到有关研究文献。关于岩石在气化、熔化状态中,气体的生成量、蒸汽压力大小、高温岩屑飞溅物的体积分数、岩屑混合气流与辅助排屑气流的相互作用等有待研究。3.5激光钻井破岩的现存问题尚未见到有关研究文献。岩石的骨架、矿物颗粒和胶结物质在气化和熔化状态下的化学性质,对环境和人类具有危害性;当激光钻井遭遇硫化氢、高压水层或强碱地层等复杂环境因素时的安全性问题,不容忽视,亟待研究。纵观国外对激光钻井破岩的基础理论研究,可知现阶段主要是集中在上述的前3个基本科学问题上。即使是前3个问题,也仍存在着大量的基础工作有待深入探索。4激光破岩预防地质勘探的关键问题激光破岩是钻探领域具有先导性和前瞻性的应用基础理论项目,涉及到多学科的交叉渗透与协同配合,存在着一系列的难题亟待解决。如大功率激光器的小型化、井喷控制和井漏防治、井壁岩石釉化层强度与井眼坍塌、油气藏的发现与储层保护、激光束在井下环境传输性能、每米钻井成本的经济性等,这些问题是制约激光钻井工业化应用的瓶颈,应分阶段、分步骤地进行基础理论研究。可以相信,随着激光破岩基