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新技术论文 激光钻井技术发展研究与展望 摘要: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。随着科学技术的不断进步，新技术新工艺的发展应用，石油钻井技术也得到了长足的发展。随着石油勘探开发难度的增加，給钻井技术提出了更高的要求，钻井提速提效技术需要进一步的研究发展，进而满足复杂的勘探地质条件，提高石油钻井的效率，增加原油的可采储量。近年来新型钻井技术不断的发展应用，提高了石油钻井的质量和效率，文章 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了激光破岩钻井技术的原理及发展现状，对于进一步的提高石油钻井的质量和效率具有重要的意义。 关键词:激光钻井 激光破岩 原理 现状 研究意义 0 前言 1 激光钻井技术的应用 从20世纪60年代开始，许多国家开展了利用激1.1 激光钻井技术的基本原理 光破岩的研究工作，它经历了小功率激光器的岩石激光破岩的原理就是通过将高能激光照射到岩切割阶段和大功率激光器的钻井破岩阶段。激光破石 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，在岩石的表面产生较高的温度，当温度升岩的基本原理是利用高能光束直接作用岩石，使之高的一定值，岩石在瞬间就从固态变成液态或者气局部快速加热到熔化和汽化状态并形成气、液,相态，然后在高速气体的携带下，将融化后的岩石带混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除，是走。激光的破岩没有接触到岩石，能量的损耗小，一种非机械接触式的物理破岩方法。 破岩的效率较高。在激光破岩的过程中，激光发射 器的功率越大，其破碎岩石的速度越快，而且更易激光技术是20 世纪60 年代在量子物理学、光 子光谱学、无线电电子技术基础上兴起的一门多学 于破碎坚硬的岩石。 亮度大( 即功率密度大) 是激光的一大特点, 是科结合的科学技术. 这种基于受激辐射而获得的特 激光用来钻井的最主要的特性。从本质上讲, 钻井殊光具有一些重要的特性. 一是方向性强. 几乎是 用激光器件就是把能量转换成光子, 光子经过聚焦一束定向发射的平行光, 发散角一般为毫弧度数量 成为强光束, 把岩石熔融、粉碎、蒸发。为了增强级;二是亮度大( 即功率密度大) . 激光的亮度可以达 热冲击的作用,易于使要钻的材料成为细粒并喷出到太阳亮度的1 百万万倍以上. 如果用透镜将激光 , 还可以向要钻的部位喷射可膨胀的很强的液井口聚焦, 可得到每平方厘米1 万亿瓦的功率密度, 在极 体流。液体射流和激光交替作用在要钻部位, 使激小的范围内产生几百万度高温, 几百万个大气压, 每 光束和液体射流都成为脉冲式。液体射流所用液体米几十亿伏的强电场; 三是单色性高. 激光近乎是 单一频率的光, 单色性远优于一般单色光源. 激光的特性要易于使要钻材料熔化与震碎, 有助于井壁光谱线的线宽可达到千万分之一埃; 四是相干性好. 的光滑。 例如, 若要钻的材料是纯净的干硅砂, 则流由于激光的线宽窄, 位移在空间的分布不随时间变, 体应含有钠或钙的化合物以便于岩石熔化, 优化井具有良好的时间相干性和空间相干性。 壁特性。为了使从已钻成的井眼中排出的材料离开 激光的上述特点, 使它的发展促进了许多学科地面设备, 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 光技术可在卫星上测定油气田开发过程中地面的沉井口。 1.2 激光钻井技术的能量形式 降, 反映出采收程度, 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 激光设备就是将一种形式的能量转换成具有电原油; 激光可以用来钻井、射孔等几十个技术部门, 磁辐射的光子。在激光、岩石和钻井液之间相互作 其中以激光钻井最具吸引力。 用的实验和理论研究的进步使激光钻井技术成为石 油工业的一个明智的选择。从石油工业角度来看,有 67 实用价值的激光技术主要有七种: 有以下四条: (1)、氟化氢和氟化氘激光器:波长范围首先是要深入探索激光钻井的原理. 钻井是一 2.6~4.2um。油藏岩石测试使用中红外高级化学激光个复杂的物理、化学过程, 传统的钻井是通过冲击、 器。 切削将岩石剥离并通过钻井液将钻屑带出井眼. 那 2)、化学氧碘激光器:波长范围1.315um,是大(么, 用激光钻时, 究竟如何将岩石一层一层剥离, 又 范围高精度的破坏投射器,能成功处理井下大量的如何将岩屑带出井眼, 实现这一过程会遇到什么困 问题。 难, 怎样克服这些困难等。 (3)、二氧化碳激光器:波长范围10.6um,平均第二是探讨激光与周围介质的相互作用及作用 功率1MW。能够产生连续波和斩波脉冲,但由于波长结果对采收的影响。 在钻进过程中会遇到油、气、大,在穿过纤维装置时易衰减。 水和各种不同类型的岩石及其他物质, 激光与这些 (4)、一氧化碳激光器:波长范围5~6um,能够产物质会发生那些作用, 这些作用对钻进过程有什么生连续波和斩波脉冲,平均功率2MW。 影响, 对今后的油气开采有什么影响, 其中的不利影 (5)、自由电子激光器:连续波可以转变成任何响如何解决。 波长的波,是将来能量最高的激光。它的波长可以根第三是激光钻井的经济性. 采用激光钻, 所用据反射和黑体辐射进行调整。 的一套设备当然与传统的设备不同.。在各种复杂环 (6)、钕钇铝石榴石激光器:波长1.06um,平均境下, 激光钻与传统的钻井方式相比, 究竟在什么情功率4MW。 况下是合算的, 什么情况下不合算。 特别是在我国 7)、氟化克激光器:波长0.248um,平均功率(现有经济与技术条件下, 激光钻井的可行性。 10kW,产生斩波脉冲。在这种激光器中,氟化克中的第四是对钻井用激光器的特殊要求.。钻井用激 氟原子和克原子处于激发状态。 6W 级, 这么大功率的激光器为 光器功率要达到10 激光器按激光参数如波的类型、波长、工作方实现钻进在结构上有什么特殊要求, 不同地质条件 式、功率密度和光速剖面等进行分类。因此,为了保下实现激光钻井的激光器功率门槛值究竟要多大等 等。 证最高效的钻井,应对激光器的类型进行选择。 1.5 研究激光钻井的意义 1.3 激光钻井的优势 井眼是从地下采收油气的唯一通道. 因此, 钻与常规钻井相比, 激光钻井具有如下潜在优势: 井是石油工业中极为重要的一环. 随着开采难度的(1) 激光钻机重量轻, 一辆拖车可运到井场; 加大, 钻井在整个石油工业中所占比重也在加大, 钻(2) 激光钻井的井场很小, 也许只有普通井场 井费用已占石油工业总费用的55% ~ 80% [ 6] . 据美的十分之一甚至更小; 国天然气体研究协会1990 年对世界范围内陆上和海 (3) 激光能够穿透各种类型的岩石, 而且速度 上3000 口井的分析表明, 钻深大于4572m 的深气 很快, 用常规钻井方法需要100d 才能钻成的井, 用 井, 钻机在现场时间的50% 用于钻进, 20% 用于起 激光钻井也许只需10d 时间; 下钻柱更换井下总成, 30% 用于其他作业. 降低钻(4) 激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱, 钻 井成本主要通过加快钻进速度, 减少钻柱移动来获 成的井眼小, 激光将岩石熔化, 在井壁形成一种陶 得。传统的钻井方法总是要使用钻井液, 钻井液不仅瓷样的保护层, 无需下套管固井, 因此钻井成本很 对周围地层造成伤害, 用过的钻井液也是环境的污低, 也许只有常规旋转钻井的十分之一甚至更低; 染源.根据模拟实验研究, 用功率为600~ 1200kW,波(5) 激光钻井是一种清洁钻井, 激光击碎、熔 长为3.8um 的MIRACL 激光器发出的激光, 在4.5s z化和蒸发岩石, 钻井中无钻屑上返到地面, 对环境 钻穿了0.0635m砂岩试样，移走了2.495kg的岩石，的影响微乎其微; 由此折算等效钻进速度为50.60m/h;而用500kW 激(6) 过程具有导向性。 光束, 在两个两秒的激光冲击后, 沿水平方向钻透 (7) 激光器系统包括各种图像可视系统及井下 了0.1524m，折算的钻井速度为137.16m/h。因此, 采传感器，可以对整个钻进过程有更全面的把握与布 用激光钻井, 可以显著提高钻进速度, 减少钻机平局。 均天数, 减少起下钻时间, 提高井控、射孔、侧钻1.4 激光钻井的研究内容 能力; 激光与周围岩石相互作用, 可以形成光滑的 尽管激光钻井技术的提出已有近30 年的历史, 玻璃化井壁, 减少套管; 还可以促进井下钻井机械, 但却一直没有付诸实现。因此, 激光钻井仍然是一个 激光钻头, 激光射孔技术的发展; 而所有这一切都探索性课题, 要研究的问题很多, 当前要研究的主要 可在有利于环保、安全, 提高有效成本的情况下进 68 行。因此, 激光钻可降低成本, 减少污染, 可能会,,,，是转盘钻井的,,,,,,倍，并且激光使钻井技术发生革命性变化。 钻井形成坚固、光滑的井壁可以避免井眼坍塌等情 况。,,,,—,,,,年，俄罗斯,,,,,, ,物理研究所开展了激光破岩的岩石临界能量和岩2 激光钻井技术的发展历史及现状 石激光可钻性等方面的基础研究。,,,,年，加 由于激光钻井的诸多优势，因此应用前景十分拿大,,,,,,,,,大学开展了激光破岩的岩广阔。20 世纪70 年代初, 美国、法国、荷兰就出石传热学和热力学方面的研究。 现了用激光钻井和射孔的专利文献。但由于当时激我国早在20 世纪60 年代就开始了激光技术的 光器的功率大约只有数千瓦, 激光的波长较长难于研究, 并曾花费数千万元研制大功率激光器, 尽管当 聚焦, 更主要可能还是成本较高, 激光钻井未曾实时未获得成功, 但积累了丰富的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 。,,,,,,现.鉴于此, 许多人怀疑激光钻井的可能性。 但自,,,年，我国学者易先中开展了激光破岩机理研那以后, 对激光器、激光器功率、效率、发射能力究并进行了大量室内试验，其研究结果表明:激光等作了大量研究取得了显著的进步。 破岩速度可高达,,,,,,,,,,，岩石基本 现代的高功率激光器, 可把电能、化学能或热上是以受热碎裂、汽化和熔融等形式破坏。岩石受能转换成光能, 光能经聚焦后形成很强激光束可粉激光作用后，热影响区附近的岩石存在着宏观裂纹碎、熔化、蒸发岩石。激光的波长可为0.1~10^3um，发育现象，其孔隙度、渗透率均有提高。另外，开激光脉冲长度可在10^(-2)~ 10^(-15)s 范围变化。 展了激光破岩的排屑机理与温度场特性研究，得出 度场的剧烈变化是引起岩石微观物性、宏观性质氟化氢( HF) 和氟化氘( DF) 激光器、化学氧化碘温 激光器( COIL) 、CO2 激光器、CO 激光器、自由电发生改变的根本因素。,,,,年，中国石油大学 华东)徐依吉等分析了激光破岩试验中出现的岩子激光器( FEL) , 钕/ 钇铝石榴石( Nd/ YDG) 激( 光器和氟化氪( KrF) 激光器, 其工作波长、脉冲长石热裂、液体汽化效应，得出了影响激光热裂岩石、度、功率等参数都可作为钻井用激光器. 这些激光激光汽化钻井液的因素，从理论上探讨了激光,气器通过反射、散射、黑体辐射、等离子屏蔽等形式体机械联合钻井与激光激励汽化射流辅助钻井方法把能量传递到岩石上。 的可行性。 ,,,,年，美国前芝加哥天然气研究院进行 了激光钻井可行性试验，结果肯定了其可行性，在 钻进砂页岩夹层时，激光束钻进速度可达,,,(, 参 考 文 献 3 结论 [1] Winfield W Salisbur y and Walter J St iles. Ear th bor ing Apparatus employ ing high powered laser [ P ] , PS4066138, 激光钻井破岩技术是一项前沿技术，其发展前 1978. 景广阔。目前，国内外在这方面的研究还处于探索 [2] 刘延平，杨希军，徐学军，张全立，等.国内外钻井、采阶段，主要包括理论模型和试验研究等，预计到了 油工程新技术[M]. ,,,,年投入商业化应用，并有望给钻井带来一 [3] 甘云雁，陈利. 新型钻井技术:激光钻井的研究进展[J]. 场革命。 科技导报，2005. 尽管我国在这方面的技术研究较少，但国外在这 [4] 徐依吉，周长李，钱红彬，等.激光破岩方法研究及在石方面也处于探索状态。因此我们应积极地迎接这一 油钻井中的应用展望,,,(石油钻探技术，2010，38机遇, 尽早开展研究,争取自主创新,在新的钻井技 (4):129—135. 术发展中走在世界的前列。 [5] 施斌全，薛启龙，唐文全，等.激光钻井技术研究展望 ,,,(国外油田工程，2010，26(9):42—44. [6] 张绍槐.90 年代石油工业的展望与石油工业技术经济的 挑战和机遇[ J] . 石油图书与情报, 1992, 6( 1) .