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，美國已經(jīng)開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)，后來美國多個部門聯(lián)合實驗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]。本文重點對激光鉆井的機理以及發(fā)展前景進(jìn)行了分析，這為國內(nèi)正確認(rèn)識激光鉆井新技術(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)激光破巖機理分析 從本質(zhì)上講，激光鉆井就是利用強激光作用在巖石上，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產(chǎn)生吸收、散射、反射等現(xiàn)象，強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，性質(zhì)不同的巖石在激光作用下會產(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)勢分析 和傳統(tǒng)的鉆井方式相比，激光鉆井具有一些獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

①成本低。激光鉆井技術(shù)是鉆井領(lǐng)域的一場革命，激光鉆井成本在陸地大約為40萬美元，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，激光鉆井技術(shù)大大節(jié)約了鉆井時間和鉆井成本。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)約時間。③改善巖石孔滲特性。經(jīng)過激光作用的巖石滲透率和孔隙度都會變大，當(dāng)熱導(dǎo)率較大時，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)的開展，有些時候激光能夠直接融化落魚，避免意外事故的發(fā)生。⑤對地層傷害小。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)用亟需解決的問題

①復(fù)雜的地層條件。由于目前在實驗室條件下，對于地層水、原油、天然氣、鹽水的具體組合情況無法精確模擬，因此得出的結(jié)論只具有參考價值，無法依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實際施工，如何解決復(fù)雜地層條件對激光鉆井技術(shù)的影響是當(dāng)前激光技術(shù)應(yīng)用的難點。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，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)場應(yīng)用和實驗室條件的差異性。目前在實驗室內(nèi)對激光鉆井技術(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并在實際中不斷校正和改進(jìn)才能更好地研制出指導(dǎo)實際的激光鉆井工藝。

3 激光鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢

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

①激光深井破巖中高溫巖屑運移的多相流動理論。當(dāng)前對于激光破巖后，巖屑以及氣化巖石在返出地面過程中的流動理論問題的研究還基本沒有，特別是對于輔助排屑?xì)饬鳌r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，這些問題要求對巖石相變的傳熱學(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。

③流體、巖石、激光交互作用機理。美國針對流體、巖石、激光交互作用機理進(jìn)行了一些研究，通過實驗對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晶格相變過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

石油鉆探領(lǐng)域應(yīng)用激光是一項新技術(shù)，本文主要分析了激光鉆井技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，包括：成本低、效率高、對地層傷害小、打撈作業(yè)方便等。還對急需解決的復(fù)雜地層條件、異常高壓情況等問題進(jìn)行了說明，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,2005,23(3)：36-39.