激光鉆井基本原理

亮度大(即功率密度大)是激光的一大特點(diǎn)，是激光用來鉆井的最主要的特性.從本質(zhì)上講，鉆井用激光器件就是把能量轉(zhuǎn)換成光子，光子經(jīng)過聚焦成為強(qiáng)光束，把巖石熔融、粉碎、蒸發(fā).具體說來，就是把激光束聚焦在一個(gè)要鉆入地層的環(huán)形區(qū)域上，這個(gè)環(huán)形區(qū)域是要鉆的井眼直徑范圍內(nèi)很小的一部分.激光束聚焦后形成很高的溫度，使要鉆入的地層材料熔化蒸發(fā)，強(qiáng)大的熱沖擊也可以使要鉆入的巖石材料被擊成細(xì)粒，由于環(huán)形區(qū)域內(nèi)熔化材料的蒸發(fā)而產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力足以使擊碎的材料被騰升到地面。

為了增強(qiáng)熱沖擊的作用，易于使要鉆的材料成為細(xì)粒并噴出井口，還可以向要鉆的部位噴射可膨脹的很強(qiáng)的液體流。液體射流和激光交替作用在要鉆部位，使激光束和液體射流都成為脈沖式的。液體射流所用液體的特性要易于使要鉆材料熔化與震碎，有助于井壁的光滑.例如，若要鉆的材料是純凈的干硅砂，則流體應(yīng)含有鈉或鈣的化合物以便于巖石熔化，優(yōu)化井壁特性.為了使從己鉆成的井眼中排出的材料離開地面設(shè)備，在井頭可裝上轉(zhuǎn)向器，噴出強(qiáng)液體射流，當(dāng)從井中噴出震碎的巖石材料時(shí)使其改變方向吹離井口。

激光發(fā)生器的工作、激光脈沖的長短、注入的強(qiáng)射流體、噴出材料的吹除等整個(gè)系統(tǒng)的工作特性，如脈沖持續(xù)時(shí)間、頻率、聚焦區(qū)面積和環(huán)形的大小，相干光源的工作波長和輸出功率等都由控制器根據(jù)被鉆地層的物理特性控制。

激光鉆井技術(shù)應(yīng)用在石油開采行業(yè)中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光能量極高，更易穿透巖石，美國Phillipse公司用MIRACL激光器進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，激光束在1s內(nèi)可穿透60mm厚的砂巖一頁巖一砂巖夾層，其穿透速度比常規(guī)鉆井速度高上百倍。

（2）激光鉆井不需要鉆頭，套管等設(shè)備，不需要下套管和起下鉆柱，這樣不僅節(jié)約了鉆井成本，時(shí)間也縮短了3成。

（3）傳統(tǒng)機(jī)械鉆井過程中，地層中的石油、水等流體會(huì)流人井中，易發(fā)生井噴事故，而用激光鉆井，在巖石上會(huì)形成一層陶質(zhì)層井壁，可以有效的預(yù)防此類事故發(fā)生，提高鉆進(jìn)的安全性。

（4）激光器系統(tǒng)中包含各種井下傳感器和圖像顯示系統(tǒng)，可通過光纖電纜或無線網(wǎng)絡(luò)與地面進(jìn)行通訊，使工作人員對(duì)鉆進(jìn)過程有更全面的把握與控制。

盡管激光鉆井技術(shù)的提出己有近30年的歷史，但卻一直沒有付諸實(shí)現(xiàn).因此，激光鉆井仍然是一個(gè)探索性課題，要研究的問題很多，當(dāng)前要研究的主要有以下四條:

首先是要深入探索激光鉆井的原理.鉆井是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，傳統(tǒng)的鉆井是通過沖擊、切削將巖石剝離并通過鉆井液將鉆屑帶出井眼.那么，用激光鉆時(shí)，究竟如何將巖石一層一層剝離，又如何將巖屑帶出井眼，實(shí)現(xiàn)這一過程會(huì)遇到什么困難，怎樣克服這些困難等。

第二是探討激光與周圍介質(zhì)的相互作用及作用結(jié)果對(duì)采收的影響.在鉆進(jìn)過程中會(huì)遇到油、氣、水和各種不同類型的巖石及其他物質(zhì)，激光與這些物質(zhì)會(huì)發(fā)生那些作用，這些作用對(duì)鉆進(jìn)過程有什么影響，對(duì)今后的油氣開采有什么影響，其中的不利影響如何解決。

第三是激光鉆井的經(jīng)濟(jì)性.采用激光鉆，所用的一套設(shè)備當(dāng)然與傳統(tǒng)的設(shè)備不同.在各種復(fù)雜環(huán)境下，激光鉆與傳統(tǒng)的鉆井方式相比，究竟在什么情況下是合算的，什么情況下不合算.特別是在我國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)與技術(shù)條件下，激光鉆井的可行性。

第四是對(duì)鉆井用激光器的特殊要求.鉆井用激光器功率要達(dá)到10“w級(jí)，這么大功率的激光器為實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)在結(jié)構(gòu)上有什么特殊要求，不同地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)激光鉆井的激光器功率門檻值究竟要多大等 。

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)研究，用功率為600～1200kw，波長為3.spm的MIRAcL激光器發(fā)出的激光，在4.55鉆穿了0.0635m的砂巖試樣，移走了2.495kg的巖石，由此折算等效鉆進(jìn)速度為50.60m/h;而用500kw激光束，在兩個(gè)兩秒的激光沖擊后，沿水平方向鉆透了0.1524m，折算的等效鉆速為137.16m/h。因此，采用激光鉆井，可以顯著提高鉆進(jìn)速度，減少鉆機(jī)平均天數(shù)，減少起下鉆時(shí)間，提高井控、射孔、側(cè)鉆能力；激光與周圍巖石相互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，減少套管；還可以促進(jìn)井下鉆井機(jī)械，激光鉆頭，激光射孔技術(shù)的發(fā)展；而所有這一切都可在有利于環(huán)保、安全，提高有效成本的情況下進(jìn)行。因此，激光鉆可降低成本，減少污染，可能會(huì)使鉆井技術(shù)發(fā)生革命性變化 。

由于激光具有亮度大的特點(diǎn)，就使得激光技術(shù)問世后不久就有人想把激光技術(shù)用于石油工業(yè)的鉆井。20世紀(jì)70年代初，美國、法國、荷蘭就出現(xiàn)了用激光鉆井和射孔的專利文獻(xiàn)。但由于當(dāng)時(shí)激光器的功率大約只有數(shù)千瓦，激光的波長較長難于聚焦，更主要可能還是成本較高，激光鉆井未曾實(shí)現(xiàn).鑒于此，許多人懷疑激光鉆井的可能性.但自那以后，對(duì)激光器、激光器功率、效率、發(fā)射能力等作了大量研究取得了顯著的進(jìn)步。

現(xiàn)代的高功率激光器，可把電能光學(xué)能或熱能轉(zhuǎn)換成光能，光能經(jīng)聚焦后形成很強(qiáng)激光束可粉碎、熔化、蒸發(fā)巖石.激光的波長可為0.1～103pm，氟化氫（HF)和氟化氛(DF)激光器、化學(xué)氧化碘激光器(coIL)、cq激光器、co激光器、自由電子激光器(FEL)，錢/憶鋁石榴石(Nd/ YDG)激光器和氟化氫(KrF)激光器，其工作波長、脈沖長度、功率等參數(shù)都可作為鉆井用激光器.這些激光器通過反射、散射、黑體輻射、等離子屏蔽等形式把能量傳遞到巖石上。

1998年和1999年，許多文獻(xiàn)披露了美國重新提出激光鉆井的問題，美國GRI(GasRe-search Institute)提出了一項(xiàng)兩年計(jì)劃，準(zhǔn)備投資60萬美元，聯(lián)合美國空軍、美國陸軍和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院、麻省理工學(xué)院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美國在20世紀(jì)80年代和90年代用于星球大戰(zhàn)的激光技術(shù)用于石油工業(yè)的氣井鉆井、完井的可行性、成本、益處以及對(duì)環(huán)境的影響，提高美國工業(yè)的競爭能力。

美國這次研究計(jì)劃投入的力量很大.投入的設(shè)備包括美軍白沙導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)場的高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備(簡稱HELsTF)及美國空軍的研究實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)中擬使用的激光器是能量為10“w的中紅外高級(jí)化學(xué)激光器(簡稱MIRAcL)和化學(xué)氧化碘激光器(簡稱coIL).這些激光器原為用于艦載防御和空對(duì)空防御的激光器，以其能夠擊穿數(shù)英里外飛行的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略目標(biāo)，跟蹤和摧毀導(dǎo)彈的能力說明能夠用于鉆4572m深的氣井.coIL激光器能夠與光纖禍合的特點(diǎn)以及輸出功率高、化學(xué)物質(zhì)價(jià)格低，使它能夠用于氣井鉆這類能量傳輸距離長的工程項(xiàng)目。

美國還另外投入兩臺(tái)高功率激光器用于研究激光束與周圍材料的相互作用一是放電共軸激光器，用來研究在各種環(huán)境下激光束對(duì)不同材料的影響。15年來的研究成果組成的內(nèi)容廣泛的數(shù)據(jù)庫可使人們更透徹了解材料與激光之間的相互作用。另一臺(tái)是激光器示范設(shè)備，主要用于確定強(qiáng)激光束與不同軟巖石礦物之間的相互作用，試驗(yàn)費(fèi)用相當(dāng)?shù)土?，表明可大量探索巖石與激光的相互作用，以及在井下條件激光與巖石的相互作用。

前述美國菲利蒲石油公司用美軍Ml RAcL激光器所作的評(píng)價(jià)激光器鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)表明，激光束等效鉆速可達(dá)50.60m/h，而經(jīng)凹面鏡改變MIRAcL激光器光的方向沿水平方向鉆進(jìn)，等效鉆速達(dá)137.16m/h；用激光射孔，射孔深度可達(dá)6lm。

我國早在20世紀(jì)60年代就開始了激光技術(shù)的研究，并曾花費(fèi)數(shù)千萬元研制大功率激光器，盡管當(dāng)時(shí)未獲得成功，但積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。1998年，中國科學(xué)院超短脈沖高功率激光技術(shù)研究取得了巨大進(jìn)展，獲得了中國科學(xué)院院級(jí)發(fā)明一等獎(jiǎng)，這為激光技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ) 。

激光鉆井優(yōu)點(diǎn)

激光光能的傳遞

激光的光能可以通過反射、散射、吸收過程傳遞到巖石中。巖石吸收的光能可以使巖石加熱毀壞。在利用激光破壞巖石過程中，光的反射、散射是導(dǎo)致光能損失的一個(gè)主要原因。其它影響激光光能傳遞到巖石的現(xiàn)象還有黑體輻射和等離子體的屏蔽效應(yīng)。在巖石溫度較高時(shí)，一小部分入射光由于黑體的輻射作用從巖石表面發(fā)射出去。高能激光輻射會(huì)在照射的巖石表面上形成激光離子(氣體離子)，激光離子對(duì)入射激光輻射能的反射、散射和吸收作用阻礙了光到達(dá)巖石表面.導(dǎo)致能量損。

用于天然氣鉆井的激光

1.氫氟酸和氟氖化合物激光其工作波長范圍為2.6～4.2μm。美國軍方研制出的這種中紅外高級(jí)化學(xué)激光尚是首次用于儲(chǔ)層巖石的初始測試。

2.碘氧激光美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室研制出的這種碘氧激光的工作波長為1.315μm。現(xiàn)今這種高能連續(xù)波激光己逐漸發(fā)展進(jìn)化成為一個(gè)復(fù)雜體系，用于軍事和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。這種中波型激光的精確性以及它的波長范圍避免了鉆井和天然氣井重新完井過程中經(jīng)常遇到的井控、側(cè)鉆和定向鉆井問題的出現(xiàn)。

3.二氧化碳激光的工作波長是10.6μm，可以以連續(xù)型和重復(fù)脈沖波形模式傳遞，平均功率約為IMw。在以重復(fù)脈沖模式傳遞時(shí)，它的脈沖周期為1～30μs。

4.一氧化碳激光的工作波長為5～6μm，可以以連續(xù)型和重復(fù)脈沖波形模式傳遞，它的平均功率為200kw，脈沖周期為1～100005μs。第一諧波一氧化碳激光在以連續(xù)波和重復(fù)脈沖模式傳遞時(shí)，它的脈沖波長為2.5～4.0μm。

5.自由電子激光由于自由電子激光所采用的高能電子不會(huì)離散能級(jí)，從而使得自由電子激光可以以連續(xù)波的波形被調(diào)制到任意波長。一些科學(xué)家認(rèn)為自由電子激光是未來高能激光的發(fā)展方向。激光輻射波長可以調(diào)整的特性優(yōu)化了激光由于反射、散射、黑體輻射和等離子體的屏蔽效應(yīng)而出現(xiàn)的能量損失。

6.鋁錢、鏡、金剛砂化合物鋁錢、鏡、金剛砂化合物的工作波長為1.06μm。如今，僅有輸出功率為4kw的工業(yè)用激光用于了商用。對(duì)這種激光的研究趨勢表明，采用輸出功率為10kw或更大功率的激光是可行的。

7.氟氫化合物氟氫化合物是一種激發(fā)二聚體激光，工作波長為0.248μm。之所以用激發(fā)二聚體這個(gè)術(shù)語描述這種激光主要是因?yàn)樵谶@個(gè)雙原子分子中氟氫原子是在受激狀態(tài)而不是在基態(tài)結(jié)合的。這一特征使得激發(fā)二聚體激光只能以重復(fù)脈沖波形模式工作。它的最大平均功率是10kw，脈沖周期為0.1μs。

激光鉆井是一項(xiàng)新技術(shù)，它可能會(huì)改變整個(gè)鉆井概念.對(duì)我國來說，這既是挑戰(zhàn)，又是機(jī)遇.盡管我國尚未見這方面的研究，但國外也只是在探索，我們應(yīng)積極地迎接這一變化，盡早開展研究，在新的鉆井技術(shù)發(fā)展中走在世界的前列 。