激光技術在射孔和裸眼井多級壓裂中的應用

采用聚能射孔彈射孔會造成地層損害，降低地層滲透率。新型光纖激光射孔不會產生細碎屑堵塞孔隙喉道，能有效增加巖石的孔隙度和滲透率；在水平井壓裂中激光器不受地層原地層應力的影響，在水平段目的層開槽生成縱向洞眼，輔助裂縫的形成。激光射孔通過提高激光器功率，使巖石溫度不斷增加直至超過巖石熔點，巖石熔化或產生蒸發形成孔道。激光射開洞眼時在洞眼周圍熔化狀態下的巖石能夠生成一種類似于陶瓷的熔化層，使形成的洞眼具有光滑的洞壁。激光器能控制射開洞眼的形態、直徑、深度及方位；洞眼的形態受不同類型透鏡的控制；聚焦光束可產生圓錐形的孔，平行射束可產生扁平頂的圓柱形孔。洞眼大小和直徑受透鏡長度的控制，洞眼的深度直接與激光功率和保持不變直徑的持續時間有關。射開洞眼時形成的巖屑和粉塵必須得到及時清除，以免阻擋光束方向減少轉換到巖石中的能量并降低穿透巖石的能力。激光器提供的熱能可降低地層的破裂壓力，有助于裂縫的形成及傳播。孔隙空間具有較低的熱傳導能力，裂縫的存在會降低熱能傳遞到地層的效率。在實驗室采用激光技術在砂巖內射開的洞眼直徑可達2.5cm，長度可達30.48cm。

初步測試表明，在激光的作用下巖石發生體積膨脹產生相的轉換，高的溫度梯度導致黏土脫水和微裂縫的產生，與未受到激光作用的巖石相比，激光器射孔能提高巖石滲透率高達566%。巖石中的礦物受激光作用在高溫下溶解、分解、脫水導致巖石彈性模量降低；激光還能繞過近井眼地層的應力區降低巖石強度和巖石抗壓裂的阻力。激光射孔有效參數包括激光功率、波長、系統工作機制（連續波或脈沖波）、激光類型和輻射射線剖面。選擇激光器類型需要考慮其可移動性、運輸、效率和經濟適用性。激光射孔的速度受巖石的孔隙度、滲透率、密度、彈性模量、黏土礦物成分和電導率、熱轉換系數及熔點溫度等巖石物理屬性的影響。穩定的高能激光程序可加速實現激光器在非常規儲層中完井、增產改造、鉆井和建井作業等井下應用。沙特阿美公司已對EXPEC研究中心與哈里伯頓聯合研制的激光射孔技術完成現場測試，研究結果表明高能光纖激光器的能量轉換效率極高，可明顯降低對輸入能量的需求。光纖激光射孔有利于保護油氣層，其技術和經濟可行度都很高。