一種新的鉆井方式

1、一種新的鉆井方式-激光鉆井激光鉆井的基本原理亮度大(即功率密度大)是激光的一大特點(diǎn)，是激光用來(lái)鉆井的最主要的特性.從本質(zhì)上講，鉆井用激光器件就是把能量轉(zhuǎn)換成光子，光子經(jīng)過(guò)聚焦成為強(qiáng)光束，把巖石熔融、粉碎、蒸發(fā).具體說(shuō)來(lái)，就是把激光束聚焦在一個(gè)要鉆入地層的環(huán)形區(qū)域上，這個(gè)環(huán)形區(qū)域是要鉆的井眼直徑范圍內(nèi)很小的一部分.激光束聚焦后形成很高的溫度，使要鉆入的地層材料熔化蒸發(fā)，強(qiáng)大的熱沖擊也可以使要鉆入的巖石材料被擊成細(xì)粒，由于環(huán)形區(qū)域內(nèi)熔化材料的蒸發(fā)而產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力足以使擊碎的材料被騰升到地面。    為了增強(qiáng)熱沖擊的作用，易于使要鉆的材料成為細(xì)粒并噴出井口，還可以向要鉆

2、的部位噴射可膨脹的很強(qiáng)的液體流。液體射流和激光交替作用在要鉆部位，使激光束和液體射流都成為脈沖式的。液體射流所用液體的特性要易于使要鉆材料熔化與震碎，有助于井壁的光滑.例如，若要鉆的材料是純凈的干硅砂，則流體應(yīng)含有鈉或鈣的化合物以便于巖石熔化，優(yōu)化井壁特性.為了使從己鉆成的井眼中排出的材料離開(kāi)地面設(shè)備，在井頭可裝上轉(zhuǎn)向器，噴出強(qiáng)液體射流，當(dāng)從井中噴出震碎的巖石材料時(shí)使其改變方向吹離井口.    激光發(fā)生器的工作、激光脈沖的長(zhǎng)短、注入的強(qiáng)射流體、噴出材料的吹除等整個(gè)系統(tǒng)的工作特性，如脈沖持續(xù)時(shí)間、頻率、聚焦區(qū)面積和環(huán)形的大小，相干光源的工作波長(zhǎng)和輸出功率等都由控制器

3、根據(jù)被鉆地層的物理特性控制.激光的光能可以通過(guò)反射、散射、吸收過(guò)程傳遞到巖石中。巖石吸收的光能可以使巖石加熱毀壞。在利用激光破壞巖石過(guò)程中，光的反射、散射是導(dǎo)致光能損失的一個(gè)主要原因。其它影響激光光能傳遞到巖石的現(xiàn)象還有黑體輻射和等離子體的屏蔽效應(yīng)。在巖石溫度較高時(shí)，一小部分入射光由于黑體的輻射作用從巖石表面發(fā)射出去。高能激光輻射會(huì)在照射的巖石表面上形成激光離子(氣體離子)，激光離子對(duì)入射激光輻射能的反射、散射和吸收作用阻礙了光到達(dá)巖石表面，導(dǎo)致能量損。    激光鉆井技術(shù)的研究?jī)?nèi)容    盡管激光鉆井技術(shù)的提出己有近30年的歷史，但

4、卻一直沒(méi)有付諸實(shí)現(xiàn).因此，激光鉆井仍然是一個(gè)探索性課題，要研究的問(wèn)題很多，當(dāng)前要研究的主要有以下四條:    首先是要深入探索激光鉆井的原理.鉆井是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，傳統(tǒng)的鉆井是通過(guò)沖擊、切削將巖石剝離并通過(guò)鉆井液將鉆屑帶出井眼.那么，用激光鉆時(shí)，究竟如何將巖石一層一層剝離，又如何將巖屑帶出井眼，實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程會(huì)遇到什么困難，怎樣克服這些困難等.    第二是探討激光與周?chē)橘|(zhì)的相互作用及作用結(jié)果對(duì)采收的影響.在鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到油、氣、水和各種不同類(lèi)型的巖石及其他物質(zhì)，激光與這些物質(zhì)會(huì)發(fā)生那些作用，這些作用對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程有什么影響，

5、對(duì)今后的油氣開(kāi)采有什么影響，其中的不利影響如何解決.2 B3 F: C' j.     第三是激光鉆井的經(jīng)濟(jì)性.采用激光鉆，所用的一套設(shè)備當(dāng)然與傳統(tǒng)的設(shè)備不同.在各種復(fù)雜環(huán)境下，激光鉆與傳統(tǒng)的鉆井方式相比，究竟在什么情況下是合算的，什么情況下不合算.特別是在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)與技術(shù)條件下，激光鉆井的可行性.    第四是對(duì)鉆井用激光器的特殊要求.鉆井用激光器功率要達(dá)到10“w級(jí)，這么大功率的激光器為實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)在結(jié)構(gòu)上有什么特殊要求，不同地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)激光鉆井的激光器功率門(mén)檻值究竟要多大等。    激光鉆井的意義&#

6、160;   根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)研究，用功率為600一1200kw，波長(zhǎng)為3.spm的MIRAcL激光器發(fā)出的激光，在4.55鉆穿了0.0635m的砂巖試樣，移走了2.495kg的巖石，由此折算等效鉆進(jìn)速度為50.60m/h;而用500kw激光束，在兩個(gè)兩秒的激光沖擊后，沿水平方向鉆透了0.1524m，折算的等效鉆速為137.16m/h7，8.因此，采用激光鉆井，可以顯著提高鉆進(jìn)速度，減少鉆機(jī)平均天數(shù)，減少起下鉆時(shí)間，提高井控、射孔、側(cè)鉆能力;激光與周?chē)鷰r石相互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，減少套管;還可以促進(jìn)井下鉆井機(jī)械，激光鉆頭，激光射孔技術(shù)的發(fā)展;而所有這一切都可在有利于

7、環(huán)保、安全，提高有效成本的情況下進(jìn)行.因此，激光鉆可降低成本，減少污染，可能會(huì)使鉆井技術(shù)發(fā)生革命性變化.    激光鉆井技術(shù)的發(fā)展    由于激光具有亮度大的特點(diǎn)，就使得激光技術(shù)問(wèn)世后不久就有人想把激光技術(shù)用于石油工業(yè)的鉆井.20世紀(jì)70年代初，美國(guó)、法國(guó)、荷蘭就出現(xiàn)了用激光鉆井和射孔的專(zhuān)利文獻(xiàn)3一5.但由于當(dāng)時(shí)激光器的功率大約只有數(shù)千瓦，激光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)難于聚焦，更主要可能還是成本較高，激光鉆井未曾實(shí)現(xiàn).鑒于此，許多人懷疑激光鉆井的可能性.但自那以后，對(duì)激光器、激光器功率、效率、發(fā)射能力等作了大量研究取得了顯著的進(jìn)步.中國(guó)石油鉆井行業(yè)

8、第一門(mén)戶(hù)! z- i3 z. n3 J3 w/ ?; p   55范圍變化.氟化氫（HF)和氟化氛(DF)激光器、化學(xué)氧化碘激光器(coIL)、cq激光器、co激光器、自由電子激光器(FEL)，錢(qián)/憶鋁石榴石(Nd/ YDG)激光器和氟化氫(KrF)激光器，其工作波長(zhǎng)、脈沖長(zhǎng)度、功率等參數(shù)都可作為鉆井用激光器.這些激光器通過(guò)反射、散射、黑體輻射、等離子屏蔽等形式把能量傳遞到巖石上.    1998年和1999年，許多文獻(xiàn)披露了美國(guó)重新提出激光鉆井的問(wèn)題，美國(guó)GRI(GasRe-search Institute)提出了一項(xiàng)兩年計(jì)劃，準(zhǔn)備投資60萬(wàn)

9、美元，聯(lián)合美國(guó)空軍、美國(guó)陸軍和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院、麻省理工學(xué)院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美國(guó)在20世紀(jì)80年代和90年代用于星球大戰(zhàn)的激光技術(shù)用于石油工業(yè)的氣井鉆井、完井的可行性、成本、益處以及對(duì)環(huán)境的影響，提高美國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力.     美國(guó)這次研究計(jì)劃投入的力量很大.投入的設(shè)備包括美軍白沙導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備(簡(jiǎn)稱(chēng)HELsTF)及美國(guó)空軍的研究實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)中擬使用的激光器是能量為10“w的中紅外高級(jí)化學(xué)激光器(簡(jiǎn)稱(chēng)MIRAcL)和化學(xué)氧化碘激光器(簡(jiǎn)稱(chēng)coIL).這些激光器原為用于艦載防御和空對(duì)空防御的激光器，以其能夠擊穿數(shù)

10、英里外飛行的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略目標(biāo)，跟蹤和摧毀導(dǎo)彈的能力說(shuō)明能夠用于鉆4572m深的氣井.coIL激光器能夠與光纖禍合的特點(diǎn)以及輸出功率高、化學(xué)物質(zhì)價(jià)格低，使它能夠用于氣井鉆這類(lèi)能量傳輸距離長(zhǎng)的工程項(xiàng)目.R4 z+ / + e) T$ |2 N$ G    美國(guó)還另外投入兩臺(tái)高功率激光器用于研究激光束與周?chē)牧系南嗷プ饔靡皇欠烹姽草S激光器，用來(lái)研究在各種環(huán)境下激光束對(duì)不同材料的影響.15a來(lái)的研究成果組成的內(nèi)容廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)可使人們更透徹了解材料與激光之間的相互作用.另一臺(tái)是激光器示范設(shè)備(Laser塊Vice塊m。nstrati。n，簡(jiǎn)稱(chēng)LDD)，主要用于確定強(qiáng)激光束與不

11、同軟巖石礦物之間的相互作用.這種試驗(yàn)己作了450005，試驗(yàn)費(fèi)用相當(dāng)?shù)土?，這表明可大量探索巖石與激光的相互作用，以及在井下條件激光與巖石的相互作用.    前述美國(guó)菲利蒲石油公司用美軍Ml RAcL激光器所作的評(píng)價(jià)激光器鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)表明，激光束等效鉆速可達(dá)50.60m/h，而經(jīng)凹面鏡改變MIRAcL激光器光的方向沿水平方向鉆進(jìn)，等效鉆速達(dá)137.16m/h;用激光射孔，射孔深度可達(dá)6lm5.www.china-8 t+ * t  q( f) U; Q0 H    我國(guó)早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了激光技術(shù)的研究，并曾花費(fèi)數(shù)千萬(wàn)元研

12、制大功率激光器，盡管當(dāng)時(shí)未獲得成功，但積累了豐富的經(jīng)驗(yàn).1 998年，中國(guó)科學(xué)院超短脈沖高功率激光技術(shù)研究取得了巨大進(jìn)展，獲得了中國(guó)科學(xué)院院級(jí)發(fā)明一等獎(jiǎng)“.這為激光技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ).    激光光能的傳遞    激光的光能可以通過(guò)反射、散射、吸收過(guò)程傳遞到巖石中。巖石吸收的光能可以使巖石加熱毀壞。在利用激光破壞巖石過(guò)程中，光的反射、散射是導(dǎo)致光能損失的一個(gè)主要原因。其它影響激光光能傳遞到巖石的現(xiàn)象還有黑體輻射和等離子體的屏蔽效應(yīng)。在巖石溫度較高時(shí)，一小部分入射光由于黑體的輻射作用從巖石表面發(fā)射出去。高能激光輻射會(huì)在照射

13、的巖石表面上形成激光離子(氣體離子)，激光離子對(duì)入射激光輻射能的反射、散射和吸收作用阻礙了光到達(dá)巖石表面.導(dǎo)致能量損。    用于天然氣鉆井的激光   m。美國(guó)軍方研制出的這種中紅外高級(jí)化學(xué)激光尚是首次用于儲(chǔ)層巖石的初始測(cè)試。中國(guó)鉆井網(wǎng)-論壇+ a" Z' 2 B) y1 Q5 I   m。最早開(kāi)發(fā)可追溯到19”年，現(xiàn)今這種高能連續(xù)波激光己逐漸發(fā)展進(jìn)化成為一個(gè)復(fù)雜體系，用于軍事和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。這種中波型激光的精確性以及它的波長(zhǎng)范圍避免了鉆井和天然氣井重新完井過(guò)程中經(jīng)常遇到的井控、側(cè)鉆和定向鉆井問(wèn)

14、題的出現(xiàn)。www.china-# D& E" y+ q' p" b   m，可以以連續(xù)型和重復(fù)脈沖波形模式傳遞，平均功率約為IMw。在以重復(fù)脈沖模式傳遞時(shí)，它的脈沖周期為1一30s。中國(guó)鉆井網(wǎng)-論壇, 7 E$ O+ W" ' H) I' 7 s    4.一氧化碳激光一氧化碳激光的工作波長(zhǎng)為5一6m，可以以連續(xù)型和重復(fù)脈沖波形模式傳遞，它的平均功率為200kw，脈沖周期為1一1 00005s。第一諧波一氧化碳激光在以連續(xù)波和重復(fù)脈沖模式傳遞時(shí)，它的脈沖波長(zhǎng)為2.5一 4.m。- 石油鉆井人技

15、術(shù)與情感交流, L" z' i$ J* O* Z    5.自由電子激光由于自由電子激光所采用的高能電子不會(huì)離散能級(jí)，從而使得自由電子激光可以以連續(xù)波的波形被調(diào)制到任意波長(zhǎng)。一些科學(xué)家認(rèn)為自由電子激光是未來(lái)高能激光的發(fā)展方向。激光輻射波長(zhǎng)可以調(diào)整的特性?xún)?yōu)化了激光由于反射、散射、黑體輻射和等離子體的屏蔽效應(yīng)而出現(xiàn)的能量損失。    6.鋁錢(qián)、鏡、金剛砂化合物鋁錢(qián)、鏡、金剛砂化合物的工作波長(zhǎng)為1.06m。目前，僅有輸出功率為4kw的工業(yè)用激光用于了商用。對(duì)這種激光的研究趨勢(shì)表明，采用輸出功率為10kw或更大功率的激光是可行的。    7.氟氫化合物氟氫化合物是一種激發(fā)二聚體激光