激光钻井.docx

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激光钻井

激光钻井

激光钻井的基本原理

　　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.为了使从己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。

　　激光的光能可以通过反射、散射、吸收过程传递到岩石中。

岩石吸收的光能可以使岩石加热毁坏。

在利用激光破坏岩石过程中，光的反射、散射是导致光能损失的一个主要原因。

其它影响激光光能传递到岩石的现象还有黑体辐射和等离子体的屏蔽效应。

在岩石温度较高时，一小部分入射光由于黑体的辐射作用从岩石表面发射出去。

高能激光辐射会在照射的岩石表面上形成激光离子（气体离子），激光离子对入射激光辐射能的反射、散射和吸收作用阻碍了光到达岩石表面，导致能量损。

现代高能激光器的特征

　　一台激光器是一种电磁相干辐射的能源，把不同种类的能量（电的、化学的、热的、等等）转换为光能。

相干性意味着电磁波传播过程在时间（时间相干性）和空间（空间相干性）上的相位相关。

　　时间相关性的后果之一是激光辐射的非常狭窄的光谱线，称为单色辐射。

激光辐射的波长 λ 决定于激光器的放射性介质，范围从 0．lµm 到 10³µm ，跨越光谱的紫外线的、可见的。

红外线的和亚毫米的波段。

　　激光器能够以连续波（CW）的、单脉冲的和重复脉冲（RP）的方式运作。

主要的能量参数对于 CW 激光器是输出功率 P ，对于单脉冲激光器是输出能量 E ，而对于以 RP 方式运作的激光器是平均功率 Ｐav 和脉冲能量 E 。

　　一种脉冲激光的发射是如图5－l表示的，由一个固定时段内发生的有着相似特性的一串脉冲表示特性的。

在这个图中，Pp 是指单脉冲的最大功率，也就是峰值功率；Wp 是单位时间内每个脉冲的宽度，Ｔ 是脉冲之间的时间，而Ｐav是在时段内的平均输出功率。

图5－l　表示不同参数的脉冲式激光器输出图 

①功率；②时间；③激光脉冲 

　　对于脉冲式激光器，激光脉冲宽度（持续时间）Wp 能从 10－２秒变化下降至几个飞秒（ 10－１５秒）。

激光器脉冲能量也用由脉冲能量与脉冲宽度的比值定义的峰值功率 Pp 来表征的：

                      Pp=E/Wp                      　    　　  

（1） 

　　对于 RP 方式，平均功率是决定于激光器脉冲能量和脉冲重复率 R ：

                      R ＝1/T                          　　　　  

（2） 

　　它是脉冲式发射的一个重要参数，也就是单位时间内的脉冲数。

                　　 Pav ＝ E/T＝ Pp· Wp/T                  （3） 

　　激光束也用散射角 θ（弧度）来表征，它能粗略地定义为未聚焦激光辐射光束直径（在远距离处）与高激光器距离的比值。

最好的激光束散射角是由衍射极限 θdif 限制的:

              　　　 θdif＝ λ / D                        　　　 （4） 

　　式中 D 是激光器（或与激光器连接的光学系统）出口处的激光直径。

 θ=0.1-0.01 mrad 被认为是高能激光器的特征。

对于天然气井钻井和完井有实际意义的是低的光束散射角，因为首先，激光器系统能够安置在远高岩石破坏区的地方，而其次，激光束能够聚焦成具有衍射极限直径的非常小的光束。

　　激光辐射能够通过包括透镜和球面镜或抛物面镜的光学系统聚焦在岩石表面上咸一束其大小为：

　　　　　　　　ｌ=θＦ　　　　　　　　　　　　　（5） 

式中 Ｆ 是用光学是用光学系统的焦距。

l 的最小尺寸是由ｌmin=λ限制的。

　　聚焦在岩石表面的激光辐射是用能量密度来表征的：

　　　　　　　　　q=E/S　　　　　　　　　　　　　（6） 

 式中 Ｓ≈l²。

　　认为重复脉冲发射比连续发射更好控制激光对岩石的作用，因为各个参数对岩石的影响是不同的。

例如，长的脉冲（Wp 在 ms 数量级）和高的重复率有利于熔化，而短的脉冲（小 Wp ）和低的重复率有利于微裂缝的产生。

　　对于那些激光光束直径（照射点大小）是变化的实验，为了能获得有效的结论，最好是定义激光亮度 I（也叫功率密度），为峰值功率除以光束照射点大小：

　　　　　　　　　I＝Pp／S　　　　　　　　　　　　（7） 

　　由于激光光的单色性质和聚焦成一小束大小的能力给出独特的优点，决定于能量或功率的密度可用来便岩石碎裂、熔融或汽化。

　　为了通过机械方法或热方法导致的应力破碎岩石，必须对岩石施加足够的功率，以至于导致的应力超过岩石的强度。

类似地，当熔融岩石时，必须主产足够的热以产生超过岩石融化围内局部温度。

一旦超过功率和能量的这些门限值，破碎或除去单位体积岩石所需要的能量数量几乎保持不变。

这个能量参数，它是岩石破坏技术效率的一个量度，定义为比能（SE）。

换言之，SE 定义为除去单位体积岩石所需的能量数量。

　　　　　　　　　SE（J／cc）=输人能量／除去体积 

激光能量传输

　　激光能量传输入岩石中有三种过程：

　　１.　反射

　　２.　散射

　　３.　表面吸收

　　一个人射电磁波的能量流（Ｅinc）是分为3部分：

　　　　Einc=Erefl+Esc+Eabs　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）

式中Erefl，Esc和Eabs相应地是该人射波能量流的反射、散射和吸收的各成分。

　　如果一个表面是二维的。

象一个反射镜，那么大量的能量是反射了，粗糙面主要是散射该入射幅射。

反射率是由固体的成分确定的，而辐射的散射是由波长 λ 确定的。

　　使岩石发生加热和破坏的是吸收的能量。

反射和散射代表激光破坏岩石过程中能量的损失，能量损失于反射和散射的程度支配着激光碎裂、熔融和汽化岩石的能力的效率。

除了能量损失于反射和散射以外，两种其他现象影响激光能量传输入岩石中：

　　1．黑体辐射——当岩石温度升得高时，岩石本身转变为一个强烈的辐射源。

当高的岩石温度遍及加热所达到的面积时，入射能量的相当大的部分能够由于黑体辐射通过岩石表面发射回来。

　　2．等离子屏蔽——高能激光辐射也能引起在照射的表面上激光等离子体（电离气体）的形成。

激光等离子体反射、散射和吸收入射的激光辐射，妨碍能量到达岩石表面。

　　从下列已由实验证明的岩石性质得出激光破坏岩石的可行性：

　　1．岩石的低反射性导致激光辐射与岩石的有效耦合。

　　2．激光能量在岩石中的深穿透导致激光能量的体积吸收。

　　3．岩石的低导热性导致有效加热。

用于钻井和完井的备选激光设备

　　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：

　　1．HＦ（DF）激光器：

氟化氢（HＦ）和氨化氘（DＦ）激光器分别以波长 λ＝2．6～3．３µm和3．5～4．２µm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1．3µm左右短波长输出的可能性。

　　2．COIL激光器：

美国空军研究实验室的化学氧碘激光器以波长 λ＝l．3 15µm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。

　　3．C02激光器：

二氧化碳激光器以波长 λ＝10．6µm运作。

它能以 CW 或 ＲＰ 两种方式运作，它的脉冲宽度能在 1－30 µm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。

　　4． CO激光器：

一氧化碳激光器以波长 λ＝4．9～5．８µm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1～１０００µS之间变化。

第一个倍频 CO 激光器以波长 λ＝2．５～4．０µm，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。

　　5．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。

　　６.Ｎd:

YAG 激光器：

掺钕钇铝石榴石激光器以波长 λ＝１.０６４µm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。

　　７.ＫrF（激元）激光器：

氟化氪激元激光器以短脉冲方式工作在紫外波段，波长 λ＝０.２４８µm。

术语激元是用来描述这种激光器的，因为组成原子氪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０.１µm。

　　应用于工业性岩石破坏的激光器的选择机会是有限的。

只有这样７种激光器被认为是用于天然气井岩石钻井和切割的备选者。

用中红外高级激光仪（MIRACL）进行的实验研究和结果

（一）初始实验和结果

　　美国兆瓦级 MIRACL 最初是为船舰防御开发的，20 世纪 80 至 90 年代期间，在高能激光器系统试验研究所广泛用于军事上的试验。

现在的 MIRACL 已经能够将巨大的能量在空气中传播数英里，并可在飞行中的战略性或战术性军事目标上穿洞。

　　为了确定是否高能激光器能用于钻常规井筒尺寸井眼（6 英寸直径）和较小的射孔尺寸孔眼（2 英寸直径），准备了两块 9 达西的干砂岩岩样。

长方形岩样是 12 英寸见方，3 英寸见厚。

实验是美国陆军在新墨西哥州白沙导弹发射场的高能激光器系统试验研究所进行的。

　　在第一项实验中，由有着 3．８µm 波长和由６００kw 均匀变化到 1200kW 的输出功率（平均功率 900kw ）的美国陆军 MIRACL 产生一个 6 英寸直径的 CW 光束，正面瞄准3英寸厚的砂岩石板。

目的是观察通过常规井筒直径尺寸的全光束除去的岩石数量。

已公布的用于计算穿透深度的资料（大约 1970年）提到以这种功率密度激光束是不能穿透岩石的。

而实验中光束突然发生4．５S 后，穿入砂岩岩样冲出一个 2．5 英寸的孔眼，以一个 166英尺／h 的当量机械钻速除去 5．5 磅物质。

　　在第二项实验中，目的是用光束模拟水平钻孔或射孔，并仔细观察它的穿透入岩石。

用了另一块3英寸厚的干砂岩石板，但这时用一面凹面镜使 MIRACL 光束改变方向，聚焦使其减至 l．2 英寸直径的一束大小并将其传送到砂岩石板边。

 MIRACL 光束输出功率是 500kw 。

进行两次２s 激光发射后，得到一个6英寸的穿入，当量机械钻这是450英尺／h。

在实验之前和之后都进行了渗透率测量，没有看到孔眼中或孔眼四周渗透率降低。

这个有希望的结果暗示，用这种水平（钻孔）技术实际上对岩层没有损害，它将为天然气以充分的流量进入井筒作好准备。

　　这两项实验的结果说明，高能激光器对钻进是非常有效的，而己公布的用于计算穿透深度的资料是无效的。

（二）下阶段研究焦点

　　因为初始实验达到的成绩，研究的第二阶段将评估：

　　1．岩石——流体体系

　　（l）供应系统——如何使激光器到达井场和井下；

（2）在流体——油、水、烃气、钻井液中的激光行为；

　　（3）岩石类型——砂岩、页岩、石灰岩、岩盐；

　　（4）岩石性质——孔隙度、渗透率、矿物学；

　　（5）应力。

　　2．激光器系统

　　（l）激光器类型；

（2）波长；

　　（3）运作方式一连续波或重复脉冲；

　　（4）功率密度；

　　（5）光束剖面。

　　（三）结论

　　正在进行高能激光——岩石——流体相互作用的基础研究，以确定哪一种（些）激光器具有经济地钻井和完成天然气井所要求的功率、轻便性、可靠性、耐久性、安全和环境影响。

　　从这个研究的初始阶段得出的一些主要观察结果和结论是：

　　1．激光能量传输入岩石——对于激光破坏岩石来说红外辐射比可见辐射是更有吸引力的，不仅因为红外高能激光器的可利用性，而且也由于岩石性质的结果。

　　2．由激光辐射加热的岩石中的物理和化学过程特性——激光岩石相互作用的物理学和化学非常复杂的。

应该进行用不同激光器以不同方式运作对不同岩石进行的激光岩石相互作用的系统实验，以更好了解与在激光辐射影响下岩石有关的物理和化学现象。

　　3．在激光和非相干辐射影响下的岩石破坏——实验结果能用于粗略估计用激光器时可能的能量消耗和钻速（表明机械钻速能够比现今转盘钻井速度提高100 倍以上）。

　　以前关于激光——岩石相互作用的信息都是根据用相对低功率的激光器得到的结果。

高能——激光——岩石——流体相互作用的影响未曾研究。

这个基本的研究将提供根据，以研究将星球对激光技术应用于天然气井、钻井和完井的好处。

用化学氧碘激光器进行的实验研究和结果

－－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 δ ）。

这个反应的副产品是油田中平常的盐水。

这种氧独态 δ 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ε表达为 ε＝ hV［式中 h 是普朗克常数（6．626E－34　Ｊ－s）；v 是由光速c（2．99792458E＋10cm/s）除以波长λ所定义的，或 v=c/λ；因此ε=hc/λ ］。

图73中的能量图示是通过表达 ε/hc=1/λ 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）。

图５－２　化学氧碘激光器（ＣＯＩＬ）简图，化学和能量图示

　　１.CL２（气体）；２.碱性过氧化氢KOH＋H２O２（液体）；３.I２（气体）；４.激光反射镜；５.激光增益区（I英尺）；６.排至涤气器；７.0２（１Δ）气体发生器；８.热；９.KCI（盐）；１０.超声混合喷嘴；１１.激束（1.315 µm ）；12.化学产生激发状态的氧O２（１Δ）；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）； １６.能量， cm－１ X 10３；下标 （１）一（液）；下标（g）一（气）  

　　COIL激光器化学：

0２（１Σ）——激发状态的氧，独态 Σ  

　　　　　　　　　　 0２（１Δ）——激发状态的氧，独态 Δ  

　　　　　　　　　　 0２（3Δ）——氧基态  

　　　　　　　　　　 I˙——激发状态的原子碘  

　　　　　　　　　　 I——原子碘基态  

　　　　　　　　　　 I2（3Π0µ）——激发状态的分子碘（第2级）  

 　　　　　　　　　　I2（3Π1µ）——激发状态的分子碘（第1级）  

　　　　　　　　　　 I2（1Σ）——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1．3 15 µ m的波长、功率水平从5～10 kw，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 8 S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：

　　1．砂岩、石灰岩、页岩、岩盐、花岗岩和混凝士的穿透钻速；

　　2．流体浸透对穿透的影响；

　　3．与蒸气干挠有关的孔眼穿透限度；

　　4．气体氛围的影响；

　　5．围限岩石应力的影响；

　　6．光束周期性（连续波和断续波）的影响；

　　7．垂直的和水平的光束穿透之间的比较。

　　结果是用以 ＫＪ／cm³为单位的比能表示。

比能（ SE）定义于公式:

      SE=  输入能量  ＝ （ＫＷ／cm²）·s  =   KJ    

           除去体积　　　　　cm            cm³                                （9）

　　　　　　　　　　　　　　　　　图５－３　ＣＯＬＬ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＝１297 cm。

　　比能是功率密度（ＫＷ／cm²）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。