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激光钻井新技术课程论文

激光钻井新技术

摘要：

为了适应石油工业发展的需要,改变传统的钻井方式,根据激光能量密度大等特性,说明了利用激光器把其他形式的能转换成光能形成很高的温度,熔化、融熔、震碎、蒸发要钻进的岩石进行钻井的基本原理;指出激光钻井在降低成本、减少污染方面有很大的潜力,有可能使钻井发生革命性变化;激光钻井破岩是钻探工程领域一项具有前瞻性的应用基础理论课题。

它包括5大基础科学问题,即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石快速相变的热力学与传热学、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等.详细叙述了激光钻井技术的历史、发展、原理等方面的问题。

关键词：

激光钻井发展前景钻井新技术

1引言

激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学、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.一是方向性强.几乎是一束定向发射的平行光,发散角一般为毫弧度数量级;二是亮度大（即功率密度大）.激光的亮度可以达到太阳亮度的1百万万倍以上.如果用透镜将激光聚焦,可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度,在极小的范围内产生几百万度高温,几百万个大气压,每米几十亿伏的强电场;三是单色性高.激光近乎是单一频率的光,单色性远优于一般单色光源.激光光谱线的线宽可达到千万分之一埃;四是相干性好.由于激光的线宽窄,位移在空间的分布不随时间变,具有良好的时间相干性和空间相干性.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.应用激光技术可在卫星上测定油气田开发过程中地面的沉降,反映出采收程度,为今后制定开发计划提供原始资料;激光可以用来进行机械切割;分析不同类型的原油;激光可以用来钻井、射孔等几十个技术部门.其中以激光钻井最具吸引力.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。

2激光破岩的2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。

2.1激光切割岩石阶段（1968-1994）

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WilliamsonR.B.等人在第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。

2.2钻井破岩阶段（1994-）

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。

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。

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

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。

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）

a激光钻机的地面模型

b井下激光破岩模型

c室内激光破岩试验

图1美国激光钻井的基本概念与研究

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。

3激光技术在钻井中的应用

3.1激光钻井的基本原理

激光钻井,从本质上讲,就是利用强激光与岩石的相互作用。

激光钻井是个复杂的高温、高压的物理与化学过程,大功率激光器发出的激光经过透镜会聚到一个要钻入地层的圆形区域上,这个圆形区域只是要钻井眼直径的很小一部分,岩石表面对激光具有反射、散射与吸收等作用,强大的热冲击可以使要钻入的岩石材料被击成碎片,岩石由于吸收激光能量所形成的高温可使岩石熔融、岩石反射、散射的激光能量使得岩石的环境温度升高导致熔融的岩石蒸发而形成岩石气体,这样岩石气体可在高压的作用下压出地面,这一过程中存在复杂的质量、能量与动量的传递,此外,由于不同岩石的物理性质不同,且在高温、高压下岩石的物性参数也会发生变化,激光钻井过程存在复杂的化学变化。

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。

为了使从已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。

3.2、用于天然气钻井的激光

1.氢氟酸和氟氚化合物激光　其工作波长范围为2.6～4.2μm。

美国军方研制出的这种中红外高级化学激光尚是首次用于储层岩石的初始测试。

2.碘氧激光　美国空军研究实验室研制出的这种碘氧激光的工作波长为1.315μm。

最早开发可追溯到1977年,现今这种高能连续波激光已逐渐发展进化成为一个复杂体系,用于军事和工业等各个领域。

这种中波型激光的精确性以及它的波长范围避免了钻井和天然气井重新完井过程中经常遇到的井控、侧钻和定向钻井问题的出现。

3.二氧化碳激光　二氧化碳激光的工作波长是10.6μm,可以以连续型和重复脉冲波形模式传递,平均功率约为1MW。

在以重复脉冲模式传递时,它的脉冲周期为1～30μs。

4.一氧化碳激光　一氧化碳激光的工作波长为5～6μm,可以以连续型和重复脉冲波形模式传递,它的平均功率为200kW,脉冲周期为1～1000μs。

第一谐波一氧化碳激光在以连续波和重复脉冲模式传递时,它的脉冲波长为2.5～4.0μm。

5.自由电子激光　由于自由电子激光所采用的高能电子不会离散能级,从而使得自由电子激光可以以连续波的波形被调制到任意波长。

一些科学家认为自由电子激光是未来高能激光的发展方向。

激光辐射波长可以调整的特性优化了激光由于反射、散射、黑体辐射和等离子体的屏蔽效应而出现的能量损失。

6.铝钕、镱、金刚砂化合物　铝钕、镱、金刚砂化合物的工作波长为1.06Lm。

目前,仅有输出功率为4kW的工业用激光用于了商用。

对这种激光的研究趋势表明,采用输出功率为10kW或更大功率的激光是可行的。

7.氟氪化合物　氟氪化合物是一种激发二聚体激光,工作波长为0.248μm。

之所以用激发二聚体这个术语