激光钻井

激光钻井罗海容提纲激光简介激光钻井激光钻井前景广阔激光钻井激光简介激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学、无线电子电子技术基础上兴起的一门多学科综合的科学技术。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，发射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100万倍以上。如果用透镜将激光聚焦，可以得到每平方厘米一万亿瓦的功率密度，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；四是想干性好。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。应用激光技术可以在卫星上测定油气田开发过程中地面的沉降，反应出采收程度，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。激光钻井亮度大(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。注：激光直接破岩的基本机理，是利用高能光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态相变到热熔和汽化状态，并形成气液固多相混合物，如下图所示，然后由高速辅助气流将其携走和排除。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。激光钻井前景广阔从1997年起，美国重新开展了激光钻井研究，已经取得了令人鼓舞的成果。1.旋转钻井100年来没有根本性的变化，市场需要有一种更加有效的替代方法旋转钻井这种机械破岩方式于20世纪初取代顿钻以来，虽然不断取得进展，但并没有根本性的变化，而且随着钻井难度越来越大，钻井成本总体上呈上升趋势。要想大幅度降低钻井成本，需要开发一种更加有效的替代方法。2.激光技术发展很快，应用领域不断扩大早在20世纪60年代和70年代，国外就开展过激光钻井研究。但是由于当时的激光技术水平有限，研究认为：在技术上，用激光钻井需要的能量太大，实现不了；在经济上，激光钻井太昂贵，不合算。正是这一结论在此后25年的时间妨碍了激光技术在石油钻井领域的研究与应用，尽管这期间激光技术取得了飞速的发展，特别是冷战期间美国星球大战计划开发的激光武器，其能量足以击袭毁导弹，摧毁地面目标。美国“亚力山大油气通讯”（Alexander’sOil&GasConnec-tion）杂志追述了石油钻井中的激光钻井技术。起源。1998年2月24日，由美国气体研究院、美国空军、美国海军联合发起了一个研究计划，即“激光钻井”，这是利用美国军方的“星球大战”技术转化到民用工业应用系列项目的一个内容。这项计划预计用5年时间，耗资600万美元，研制目的包括激光钻井与完井，其直接研制产品是一台激光钻机。激光钻井有2种激光发生器：一是利用化学的氧化碘激光发生器（COIL），这种发生器最初是美国空军用于跟踪和击毁敌方导弹的激光武器。这种激光器所具有的波长与振幅的准确控制性，使得在气田中钻探定向井、侧钻井成为可能，其钻探深度可为5000米；其能量为1.6兆瓦，波长为3.4米。二是红外线激光发生器（MIRACL），这原来是海军装备在舰船上，用以将来袭的导弹或飞机上“穿洞”，以达到将其击毁的目的，其能量为7千瓦，波长为1.34米。据军方的研究人员介绍，此方法近来由美国PHILLIPSE公司进行现场试验，其穿透“像三明治一样的岩层几乎就在数秒之间”。与常规钻井相比，激光钻井10小时的钻井进尺，常规钻井需要钻井10天。PHILLIPSE公司使用化学氧化碘激光发生器，利用光纤输送能量，在岩石上钻出1英寸的孔，这或许是真正的小井眼钻井。与常规钻井过程相比，激光钻井不需要钻井液、钻头、油管和套管，也不产生钻屑，可以大幅度降低成本。美国军方人员称，将这一军事技术转为民用，最大的受益是从根本上减少石油钻井成本，并且降低石油开采的风险。3.激光钻井优势明显，前景广阔与常规钻井相比，激光钻井具有如下潜在优势：a.激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场；b.激光钻井的井场很小，也许只有普通井场的十分之一甚至更小；c.激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快，用常规钻井方法需要１００天才能钻成的井，用激光钻井也许只需１０天时间；d.激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低，也许只有常规旋转钻井的十分之一甚至更低；e.激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面，对环境的影响其微；f.过程具有导向性激光钻井经过十几年的研究，已经取得了许多研究成果，尽管现在还处于室内实验阶段，还有大量的工作要做，且有美国能源部的支持和世界一流的油气服务公司的参与。