激光钻井技术

2000年3月

第15卷第2期

西安石油学院学报(自然科学版)

Journal of Xi ′an Petroleum Institute (Natural Science Edition )

Mar.2000

Vol.15No.2

收稿日期:1999203208

作者简介:韩常省(19422),男,副研究馆员,主要从事石油科技情报研究与教学等方面工作.

文章编号:100125361(2000)022*******

激光钻井技术展望

Prospect of Laser Drilling T echnology

韩常省

(西安石油学院图书馆,陕西西安　710065)

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;提出当前应深入探讨激光钻井的原理、激光对地层及今后采收率的影响,在我国现有技术及经济条件下激光钻井的可行性及对钻井用激光器的特殊要求;回顾了激光钻井技术的发展历程和现状;建议我国应积极开展激光钻井技术的研究与开发.关键词:激光器;热钻;激光钻中图分类号:TE242 文献标识码:A 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[1,2].

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.

1　激光技术在钻井中的应用

111　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.

112　当前激光钻井技术的研究内容

尽管激光钻井技术的提出已有近30年的历史,但却一直没有付诸实现.因此,激光钻井仍然是一个探索性课题,要研究的问题很多,当前要研究的主要有以下四条:

首先是要深入探索激光钻井的原理.钻井是一个复杂的物理、化学过程,传统的钻井是通过冲击、切削将岩石剥离并通过钻井液将钻屑带出井眼.那么,用激光钻时,究竟如何将岩石一层一层剥离,又如何将岩屑带出井眼,实现这一过程会遇到什么困难,怎样克服这些困难等.

第二是探讨激光与周围介质的相互作用及作用结果对采收的影响.在钻进过程中会遇到油、气、水和各种不同类型的岩石及其他物质,激光与这些物质会发生那些作用,这些作用对钻进过程有什么影响,对今后的油气开采有什么影响,其中的不利影响如何解决.

第三是激光钻井的经济性.采用激光钻,所用的一套设备当然与传统的设备不同.在各种复杂环境下,激光钻与传统的钻井方式相比,究竟在什么情况下是合算的,什么情况下不合算.特别是在我国现有经济与技术条件下,激光钻井的可行性.

第四是对钻井用激光器的特殊要求.钻井用激光器功率要达到106W级,这么大功率的激光器为实现钻进在结构上有什么特殊要求,不同地质条件下实现激光钻井的激光器功率门槛值究竟要多大等等.

113　激光钻井技术的意义

井眼是从地下采收油气的唯一通道.因此,钻井是石油工业中极为重要的一环.随着开采难度的加大,钻井在整个石油工业中所占比重也在加大,钻井费用已占石油工业总费用的55%～80%[6].据美国天然气体研究协会1990年对世界范围内陆上和海上3000口井的分析表明,钻深大于4572m的深气井,钻机在现场时间的50%用于钻进,20%用于起下钻柱更换井下总成,30%用于其他作业.降低钻井成本主要通过加快钻进速度,减少钻柱移动来获得[7].传统的钻井方法总是要使用钻井液,钻井液不仅对周围地层造成伤害,用过的钻井液也是环境的污染源.

根据模拟实验研究,用功率为600～1200kW,波长为318μm的M IRACL激光器发出的激光,在415s钻穿了010635m的砂岩试样,移走了21495kg 的岩石,由此折算等效钻进速度为50160m/h;而用500kW激光束,在两个两秒的激光冲击后,沿水平方向钻透了011524m,折算的等效钻速为137116m/ h[7,8].因此,采用激光钻井,可以显著提高钻进速度,减少钻机平均天数,减少起下钻时间,提高井控、射孔、侧钻能力;激光与周围岩石相互作用,可以形成光滑的玻璃化井壁,减少套管;还可以促进井下钻井机械,激光钻头,激光射孔技术的发展;而所有这一切都可在有利于环保、安全,提高有效成本的情况下进行.因此,激光钻可降低成本,减少污染,可能会使钻井技术发生革命性变化.

2　激光钻井技术的发展

由于激光具有亮度大的特点,就使得激光技术问世后不久就有人想把激光技术用于石油工业的钻井.20世纪70年代初,美国、法国、荷兰就出现了用激光钻井和射孔的专利文献[3～5].但由于当时激光器的功率大约只有数千瓦,激光的波长较长难于聚焦,更主要可能还是成本较高,激光钻井未曾实现.鉴于此,许多人怀疑激光钻井的可能性.但自那以后,对激光器、激光器功率、效率、发射能力等作了大量研究取得了显著的进步.

现代的高功率激光器,可把电能、化学能或热能转换成光能,光能经聚焦后形成很强激光束可粉碎、熔化、蒸发岩石.激光的波长可为011～103μm,激光脉冲长度可在10-2～10-15s范围变化.氟化氢(HF)和氟化氘(DF)激光器、化学氧化碘激光器(CO IL)、CO2激光器、CO激光器、自由电子激光器(FEL),钕/钇铝石榴石(Nd/YD G)激光器和氟化氪(K r F)激光器,其工作波长、脉冲长度、功率等参数都可作为钻井用激光器.这些激光器通过反射、散射、黑体辐射、等离子屏蔽等形式把能量传递到岩石上.

1998年和1999年,许多文献披露了美国重新提出激光钻井的问题[7～10,11].美国GRI(G as Re2 search Institute)提出了一项两年计划,准备投资60万美元,联合美国空军、美国陆军和科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美国在20世纪80年代和90年代用于

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