激光射孔技術(shù)及其應(yīng)用前景分析

劉 濤，呂 園，2

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西安石油大學(xué)CNPC 高能氣體壓裂研究室，陜西西安 710065）

早在 年，美國天然氣研究院就開始探索一種利用高能激光在地球深部開采油氣的新方法-激光鉆井方法，這項研究的目的在于探索使用高能激光進行油氣井鉆井、完井的可行性、成本、效益以及對環(huán)境的影響。國內(nèi)學(xué)者[1]運用激光射孔技術(shù)在射孔完井研究方面也做了一些研究，并提出了一系列初步研究成果。本文重點對激光射孔技術(shù)的機理以及發(fā)展前景進行分析，這為國內(nèi)正確認識激光射孔新技術(shù)以及盡早應(yīng)用推廣該項技術(shù)提拱了一定的指導(dǎo)參考意義。

1 激光射孔技術(shù)概況

1.1 激光射孔技術(shù)作用機理

激光具有高方向性、高單色性、高亮度、高相干性的特點。激光射孔是一種新的射孔完井方式，是將激光發(fā)生器產(chǎn)生的高功率相干光束通過光纜導(dǎo)向沿著井軸到達預(yù)定的射孔深度，然后通過設(shè)在此處的激光接收器將光束橫向折射到射孔位置，光束連續(xù)聚焦在折射光束軸的焦點上，形成射孔孔眼，孔徑為9.5 mm～25 mm。當激光射孔器能量足夠大時，可以使孔道更遠地向地層延伸。

1.2 激光射孔技術(shù)優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)的射孔方法雖然幾經(jīng)改善和發(fā)展，但其基本原理都是通過對巖石的擠壓實現(xiàn)射孔，形成油氣通道。與傳統(tǒng)的射孔方法相比，激光射孔主要有以下優(yōu)勢：（1）利用傳統(tǒng)射孔方法進行射孔，由于壓實效應(yīng)的存在，孔壁滲透率降低，而激光對孔壁的熱作用導(dǎo)致孔壁的滲透率得到提高，有利于油氣的滲出；（2）傳統(tǒng)的射孔方法，建立在對巖石的強制性機械破壞的基礎(chǔ)上，孔壁易產(chǎn)生裂紋，巖石容易塌陷，而激光沖擊巖石后會形成一層陶制層孔壁，表面光潔，不易塌陷；（3）隨著激光器功率的不斷提高，以及其良好的方向性，射孔深度可以得到保障；（4）光纖激光器的誕生使得光纖的遠距離傳輸成為可能；（5）激光射孔不會留下射孔材料或者爆炸殘留物污染井和孔道[2]，因此不需要對孔道和射孔區(qū)域進行清洗，比較清潔，也減少了經(jīng)濟投入。

2 激光射孔技術(shù)應(yīng)用需解決的問題

（1）激光/巖石/流體相互作用原理方面還有待深入研究，激光破巖的熱應(yīng)力場熱應(yīng)變場井眼變形和殘余應(yīng)力場等有待深入研究。

（2）激光射孔作業(yè)最佳參數(shù)的確定[1]。巖石沉積取向、巖石尺寸、激光輸出功率、激光作用時間、離焦量等因素對激光射孔效率均有影響，甚至不同類型的巖石在激光作用下表現(xiàn)也有區(qū)別，如何準確確定激光射孔作業(yè)最佳參數(shù)還有待解決。

（3）現(xiàn)場試驗與實驗室條件的差異性。雖然目前實驗室對激光射孔技術(shù)進行了大量研究并取得一定成果，但巖石體積規(guī)模和地層條件相差甚遠，因此能否投入生產(chǎn)推廣應(yīng)用還有待進一步研究考證。

3 激光射孔技術(shù)的應(yīng)用前景趨勢分析

近幾年激光射孔技術(shù)在實驗室不斷取得研究進展，主要來講從今往后的激光射孔技術(shù)將朝著以下幾個方向發(fā)展：

（1）激光的產(chǎn)生與傳輸?？梢匝芯渴褂妹}沖激光器進行激光射孔實驗，通過控制頻率、脈寬等參數(shù)來研究何種激光輸出方式更有利于射孔效率的提高。激光束在井下的傳輸性能、大功率激光器微型化研制等問題也是目前研究發(fā)展的趨勢。

（2）激光射孔后的宏觀形貌呈“火山口”狀，這主要是由激光熱源的特性和巖石性能決定的。在激光熱作用影響下，殘存在巖石內(nèi)部的氣孔分部極其不均勻，射孔后的殘余應(yīng)力分布不均勻，因此裂縫的擴展方向以及裂縫擴張模型還需進一步深入研究[3]。

（3）模擬井下環(huán)境進行實驗研究。在實際生產(chǎn)作業(yè)中，油井下是高溫高壓并且具有腐蝕性的復(fù)雜環(huán)境，因此，有必要在實驗室模擬井下環(huán)境進行全面研究，進而確定各種環(huán)境對射孔效率帶來的影響，并且思考如何解決復(fù)雜環(huán)境下帶來的不利影響。

4 結(jié)語

在油氣田開發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用激光是一項新技術(shù)，目前還處于實驗室研究階段并未在油田進行推廣應(yīng)用。本文分析了激光射孔技術(shù)的優(yōu)勢：提高滲透率、加深射孔深度、清潔環(huán)保等，又說明了現(xiàn)階段研究中急需解決的問題并指出了部分未來發(fā)展趨勢。相信會對激光射孔技術(shù)的發(fā)展及進一步在生產(chǎn)中應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

［1］ 張云博.高功率激光器石油井下射孔相關(guān)技術(shù)研究［D］.西安：西北大學(xué)，2013.

［2］ 彭漢修，谷亞飛，王春明，等.巖石的激光射孔工藝研究［J］.應(yīng)用激光，2013，33（5）：525.

［3］ 李美艷，韓彬，張世一，等.巖石表面激光射孔實驗研究［J］.激光雜志，2015，36（7）：46-47.