激光钻井技术

【摘 要】近些年来,激光钻井技术在国外有较大的发展,国内这方面也做了一些研究,但还很不够,有必要跟踪该技术的发展,以借鉴和促进国内在这一技术领域的进步.

【关 键 词】激光；钻井；特性

中图分类号：P62文献标识码：A文章编号：1006-0278(2012)04-124-01

早在20世纪60年代和70年代,国外就开展过激光钻井研究.但是由于当时的激光技术水平有限,妨碍了激光技术在石油钻井领域的研究与应用.从1997年起,美国重新开展了激光钻井研究,已经取得了令人鼓舞的成果.国内对激光钻井的研究刚刚起步,但我国高功率激光技术已取得突破.故激光钻井的研究前景广阔.本文结合国内外文献,介绍激光钻井技术的技术优势、原理、现状和未来展望.

一、激光钻井的技术优势

就钻井方式而言,传统钻井工艺可分为人工掘井、人力冲击钻、机械顿钻与旋转钻.目前来看,旋转钻井方式是石油钻井的主要方法.旋转钻井这种机械破岩方式于20世纪初取代顿钻以来,虽然不断取得进展,但并没有根本性的变化,而且随着钻井难度越来越大,钻井成本总体呈上升趋势.要想大幅度降低钻井成本,需要开发一种更加有效的替代方法.在这种情况下激光钻井技术应运而生,那么激光钻井技术有哪些优势呢?

与传统钻井工艺相比,激光钻井主要具有以下优势：

1.由于极高的能量,使得激光钻进能够更易穿透岩石,美国Phillipse公司的现场实验表明：激光钻井10小时的钻井进尺,传统钻井工艺需要10天的时间去完成；

2.激光钻井过程中无需钻井液、钻头,套管等传统钻井必须的设备,从而免去了下套管和起下钻柱的时间,大大节约了成本和时间.据研究表明,传统钻井工艺平均仅有50％的时间用于钻进.20％的时间用于起下钻柱,剩下的30％时间耗费在下套管和注水泥等其他操作上；

3.在钻进过程中,激光冲击岩石后会形成一层陶质层井壁,这层井壁可以有效地防止地层流体流入井中,即对井喷事故具有一定程度的预防作用．从而大大增加钻进的安全系数；

4.激光器系统包括各种图像可视系统及井下传感器,可通过光纤电缆与地面进行通讯,可以对整个钻进过程有更全面的把握与布局.

二、激光钻井技术的原理

激光依靠其吸收、散射和反射功能实现钻进工作.激光照射在岩石的表面上,冲击范围为面积为Sl的区域,该区域会迅速吸收激光的能量,导致岩石的熔融.与此同时,伴随着对激光能量的进一步吸收以及激光的散射和反射,会进一步影响Sl区域周围的岩石,促使其熔融或蒸发,最终会产生面积为S2的井眼(Sl

(一)激光的特性

激光是一种电磁相干辐射光源,能够将电能、化学能、以及热能转化为光能.光能,光能然后被聚集成强烈光束,破碎并伴随着熔化和蒸发岩石.

激光主要有四大特点：⑴定向发光；⑵亮度极高；⑶颜色极纯；⑷能量密度极大.还有其他特性,如激光是相干光,激光是高度集中的等等.

(二)现有激光设备

激光设备就是将一种形式的能量转换成具有电磁辐射光子的设备.在激光、岩石和钻井液之间相互作用的实验和理论研究的进步使激光钻井技术成为石油工业的一个明智的选择.从石油工业角度来看,有实用价值的激光技术主要有七种：

1.氟化氢和氟化氘激光器：波长范围2.6～4.2m.油藏岩石测试使用中红外高级化学激光器.

2.化学氧碘激光器：波长范围1.315m,是大范围高精度的破坏投射器,能成功处理井下大量的问题.

3.二氧化碳激光器：波长范围10.6m,平均功率1MW.能够产生连续波和斩波脉冲,但由于波长大,在穿过纤维装置时易衰减.

4.一氧化碳激光器：波长范围5～6m,能够产生连续波和斩波脉冲,平均功率2MW.

5.自由电子激光器：连续波可以转变成任何波长的波,是将来能量最高的激光.它的波长可以根据反射和黑体辐射进行调整.

6.钕钇铝石榴石激光器：波长1.06m,平均功率4MW.

7.氟化克激光器：波长0.248m,平均功率10kw,产生斩波脉冲.在这种激光器中,氟化克中的氟原子和克原子处于激发状态.

(三)激光破岩技术的基础科学研究

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,它主要包括以下五大基础科学研究：

1.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)；

2.岩石快速相变的热力学与传热学；

3.强激光的传输变换与微型化原理；

4.激光破岩岩屑运移的多相流动理论；

5.激光钻井的安全与环境保护科学.

三、总结

激光钻井是一项新技术,与传统钻井工艺相比,激光钻井具有许多优势,它的发展应用必将给以后的钻井行业带来又一次惊人的革命.同时,激光钻井技术由概念设计到实际应用还要面临以下几个方面的挑战：

1.在激光钻井过程中,井筒中的气体影响机械钻速,可能导致事故；

2.考虑到温度和压力的双重影响,岩石应力增加了比能,高的热导率导致了温度的扩散,温度的扩散引起孔隙度和渗透率的变化,从而导致了岩石强度的下降；

3.在激光的作用下,所有岩石的杨氏模量、剪切模量、体积模量和联合模量减小；

4.对斩波脉冲和连续波脉冲的选择,结合岩石的破碎机理设计气体泄压系统和激光束传递系统,研究激光、钻井液之间的相互关系.

综合起来,作为一种新型的钻井技术要得到实际的应用,仍有下列问题尚需要进一步研究：

1.复杂的地层条件；

2.井眼的清洗和异常压力的控制.