岩石破碎力学作业

激光钻井破岩技术

摘要：随着钻井深度的增加和钻井成本的提高, 仅是通过利用新材料和改进设计来提高钻头的性能，以提高钻遇坚硬岩石地层时的钻速，加之旋转钻进方式依然是依靠高钻压、高扭矩、高转速来增大机械钻速，传统钻井工艺已经越来越不能满足石油工业的需要。随着新技术的发展，新型破岩方式不断出现，其中包括水射流装置、电子束、空化射流、电气弧、等离子体和激光器等。近年来激光破岩技术取得较大的发展，从钻井的速度、成本、安全系数等方面讲，激光钻井的优势都是传统钻井工艺所无法比拟的。激光破岩技术将是钻井工艺突破现有钻深能力的途径之一，可能为传统的石油钻井、完井工艺带来一个全新的发展空间。关键词：激光岩石破碎激光钻井

Abstract: With the increasing depth of drilling and drilling costs increase, only through the use of new materials and improved design to improve the performance of drills to improve drilling hard rock formations when drilling rate, coupled with rotary drilling methods still rely on high WOB high torque, high speed to increase the ROP, the traditional drilling technology has become increasingly unable to meet the needs of the petroleum industry. With the development of new technologies, new ways emerging rock breaking, including water jet device, electron beam,cavitation jet, electric arc, plasma and lasers. In recent years, laser technology has made great rock breaking development, from drilling speed, cost, safety factor, etc. speaking, are the traditional advantages of laser drilling drilling technology can not match. Laser technology will be broken rock drilling technology beyond the current drilling depth capacity of one of the ways,which may be conventional oil drilling, well completion technology brings a whole new space for development.

Keywords: laser laser drilling rock crusher

1 激光破岩原理

高能激光破岩是一种非接触式的物理化学破岩方法。激光破岩的基本原理是，利用高能光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态瞬间相变到热熔和气化状态，并形成气液固多相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除[1]。

激光束照射在岩石的表面上，部分能量被反射，其余部分进入岩石内部并被吸收。若激光束的能量密度足够大，岩石表面受激分子将会做无规则的剧烈热运动，从而形成局部的瞬时温升，使岩石基体材质的物性状态迅速变化，由高温、热熔变为液化，直至气化和蒸发。在岩石受激辐射后发生固相、液相和气相的三相骤变过程中，以液相下的玻璃化温度状态的物性变化最具代表性。受激辐射的岩石呈现玻璃化形态的时间，远长于气态的持续时间。岩石表面材料的分子吸收激光光子的能量并将迅速变成热量，使基体材料高热、热熔和液化；由于有巨大的相变潜热存在，玻璃化温度形态的材料相当于一个高热的热核源。该热核体内的部分材料进一步吸收热能后气化，随着辅助气流从上表面逸出；热核内的另一部分材料仍保持为玻璃化状态，储存着大量的热能，该热能要以一

定的速率通过其侧表面向周围介质中扩散。诱发岩石的进一步崩裂[2, 3]。

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Maman C. 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Moavenzadeh F. ,McGarr y F. J，和加州大学Williamson R. 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[4]。

1971 年，美国联合飞机研究中心Carstens J.P. 和Brow n C. 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. 0 kW, 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[3, 5]。

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。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( Gas Research Institute，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( GRI98/ 0163) 为期2年，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4 500 m 井深钻井破岩提供足够的能量。2000 年，美国能源部和国