激光鉆井技術(shù)及其應(yīng)用前景分析

周鵬(華東石油工程公司六普鉆井分公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

早在二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始尋求高效破巖方法，接連研究了水射流、激光、電子束等多種方法，得出激光鉆井方法效率高且易于實(shí)現(xiàn)，到二十世紀(jì)七十年代之間出現(xiàn)了相關(guān)的專利和文獻(xiàn)，后來(lái)美國(guó)多個(gè)部門(mén)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)得出了激光鉆井是可行的且激光鉆井的理論速度是常規(guī)鉆井的近百倍，速度達(dá)到137.2m/h。此后，很多專家學(xué)者都對(duì)激光鉆井的基本概況進(jìn)行了研究，提出了一系列的研究成果[1-2]。本文重點(diǎn)對(duì)激光鉆井的機(jī)理以及發(fā)展前景進(jìn)行了分析，這為國(guó)內(nèi)正確認(rèn)識(shí)激光鉆井新技術(shù)以及盡早應(yīng)用激光鉆井新技術(shù)提供了重要的參考。

1 激光鉆井技術(shù)概況分析

(1)激光破巖機(jī)理分析 從本質(zhì)上講，激光鉆井就是利用強(qiáng)激光作用在巖石上，使得巖石在高壓、高溫下發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化從而產(chǎn)生破壞。巖石表面在激光照射下會(huì)產(chǎn)生吸收、散射、反射等現(xiàn)象，強(qiáng)大的熱沖擊使得巖石蒸發(fā)、熔融形成氣體，進(jìn)而在高壓的作用下壓出地面。與此同時(shí)，性質(zhì)不同的巖石在激光作用下會(huì)產(chǎn)生不同的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致周圍巖石的物性參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生一定的變化。為了使得激光鉆井取得更加良好的效果，可以向鉆探部位噴射可膨脹的高強(qiáng)度液體射流,使鉆材料易于粉碎和融化，使得井壁光滑以便于碎屑返回地面。

(2)激光鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析 和傳統(tǒng)的鉆井方式相比，激光鉆井具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

①成本低。激光鉆井技術(shù)是鉆井領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，激光鉆井成本在陸地大約為40萬(wàn)美元，而鉆進(jìn)速度是常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式的幾十倍，由此可見(jiàn)，激光鉆井技術(shù)大大節(jié)約了鉆井時(shí)間和鉆井成本。它還能夠很好地清除井眼里的碎屑。②提高鉆井效率。激光鉆井不用像傳統(tǒng)鉆井那樣頻繁的起下鉆更換鉆頭，節(jié)約時(shí)間。③改善巖石孔滲特性。經(jīng)過(guò)激光作用的巖石滲透率和孔隙度都會(huì)變大，當(dāng)熱導(dǎo)率較大時(shí)，這種增加更加明顯。④打撈作業(yè)更加方便。激光鉆進(jìn)系統(tǒng)的使用工具體積很小，不需要采用龐大的鉆井立柱，更加方便打撈作業(yè)的開(kāi)展，有些時(shí)候激光能夠直接融化落魚(yú)，避免意外事故的發(fā)生。⑤對(duì)地層傷害小。激光鉆井方法避免了常規(guī)射孔槍可能造成的井眼堵塞、套管破裂等傷害，能夠很好地保護(hù)鉆進(jìn)施工。⑥鉆速高。激光鉆井方法鉆進(jìn)速度是傳統(tǒng)鉆井方法的幾十倍，極大地提高了鉆井效率。⑦激光鉆井技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境的破壞和污染都比較小。

2 激光鉆井應(yīng)用亟需解決的問(wèn)題

①?gòu)?fù)雜的地層條件。由于目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)于地層水、原油、天然氣、鹽水的具體組合情況無(wú)法精確模擬，因此得出的結(jié)論只具有參考價(jià)值，無(wú)法依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際施工，如何解決復(fù)雜地層條件對(duì)激光鉆井技術(shù)的影響是當(dāng)前激光技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)。②異常壓力的控制狀況。是否鉆達(dá)油氣層可以利用比能值的變化情況進(jìn)行確定，但是當(dāng)鉆遇高壓層時(shí)，很容易形成井噴，因此，激光鉆井技術(shù)要求必須具有完好的井控系統(tǒng)，避免各種事故的發(fā)生。③現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室條件的差異性。目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)激光鉆井技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，也取得了一系列成果，但是由于巖石的體積規(guī)模和地層條件相差甚遠(yuǎn)，能否利用放大比例的方法進(jìn)行類比還有待考證，因此必須研制出激光鉆井機(jī)并在實(shí)際中不斷校正和改進(jìn)才能更好地研制出指導(dǎo)實(shí)際的激光鉆井工藝。

3 激光鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

激光鉆井技術(shù)不斷取得研究進(jìn)展，主要來(lái)說(shuō)今后激光鉆井技術(shù)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

①激光深井破巖中高溫巖屑運(yùn)移的多相流動(dòng)理論。當(dāng)前對(duì)于激光破巖后，巖屑以及氣化巖石在返出地面過(guò)程中的流動(dòng)理論問(wèn)題的研究還基本沒(méi)有，特別是對(duì)于輔助排屑?xì)饬?、巖屑混合氣流、飛濺物的體積分?jǐn)?shù)、蒸汽壓力大小、氣體的生成量等具體量的研究還嚴(yán)重缺乏。

②巖石相變的傳熱學(xué)與熱力學(xué)。在激光鉆井技術(shù)方面還有一些問(wèn)題有待解決，比如鉆井成本的經(jīng)濟(jì)性、激光束在井下的傳輸性能、激光鉆進(jìn)的儲(chǔ)層保護(hù)、井漏防治和井噴控制、大功率激光器微型化研制等，這些問(wèn)題要求對(duì)巖石相變的傳熱學(xué)和熱力學(xué)等基礎(chǔ)理論有比較深入的研究，因此，這也是發(fā)展的趨勢(shì)。

③流體、巖石、激光交互作用機(jī)理。美國(guó)針對(duì)流體、巖石、激光交互作用機(jī)理進(jìn)行了一些研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同激光器與不同巖石和流體介質(zhì)之間的作用情況進(jìn)行了分析，指出激光采用脈沖波形的破巖方式, 其破巖速度明顯高于連續(xù)波形激光的破巖速度。但是在脈沖波形能量密度對(duì)晶格相變過(guò)程和破巖速度的影響情況、巖石能量轉(zhuǎn)換規(guī)律和吸收效率、巖石熱破壞模型和準(zhǔn)則等方面還有待研究。

4 結(jié)語(yǔ)

石油鉆探領(lǐng)域應(yīng)用激光是一項(xiàng)新技術(shù)，本文主要分析了激光鉆井技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括：成本低、效率高、對(duì)地層傷害小、打撈作業(yè)方便等。還對(duì)急需解決的復(fù)雜地層條件、異常高壓情況等問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，最后指出了激光鉆井技術(shù)發(fā)展的方向。

[1]施斌全，薛啟龍，唐文全,等.激光鉆井技術(shù)研究展望[J].國(guó)外油田工程,2010,26(9)：42-44.

[2]甘云雁,陳利.新型鉆井技術(shù)-激光鉆井的研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2005,23(3)：36-39.