激光钻井技术..

长江大学工程技术学院课程名称：钻井新技术题目名称：钻井新方法—激光钻井技术发展学院（系）：石油资源系专业班级：油工61102学生姓名：陈亮前言从20世纪60年代末开始，美国国家科学基金会就启动了探寻高效破岩方法的庞大研究计划，研究了电子束、激光、水射流等25种破岩新方法。

在中等强度岩石上进行破岩实验，结论表明：激光钻井破岩法是最易于实现且效率较高的方法之一。

20世纪70年代初，在美国、法国、荷兰曾出现了用激光钻井和射孔的专利文献。

那时人们对激光钻井的研究大多基于“将岩石矿物完全熔化，直接打出预想大小井眼”的假设上，预计所需能量相当大，加之当时激光技术水平有限，激光功只有数千瓦，波长较长难以聚焦，成本较高，所以许多人怀疑激光钻井的可行性，甚至直到1990年，美国天然气协会仍认为激光钻井不可行。

随着激光技术的飞速发展，直至1977年，美国国会重新关注激光钻井技术并委托美国天然气工业协会，联合美国空军、陆军和科罗拉多矿业大学，提出了一项两年计划，一起探索如何把美国在20世纪80-90年代用于“星球大战”的激光技术用到石油工业钻井、完井上，此时激光钻井的可行性才得以证实。

该阶段试验使用的是美军白沙导弹实验场的中红外高级化学激光器!，试验结果表明激光钻井的理论速度可达137.2m/h,是目前旋转钻井钻速的100 倍以上,并且证实了早期对激光钻井所需激光功率的计算值远远大于实验值.1998年,美国天然气工业协会,联合美国空军、陆军又启动了一项研究“激光钻井”的计划，研究激光钻井与完井，其直接研制产品是一台激光钻机，该计划预计用时5年，耗资600万美元。

近年来，美国菲利普斯公司使用化学氧碘激光发生器进行了现场试验。

实验结果表明：激光钻井10小时的钻井进尺，需要常规钻井钻10天时间。

【3】一．激光破岩机理激光钻井,从本质上讲,就是利用强激光与岩石的相互作用。

激光钻井是个复杂的高温、高压的物理与化学过程,大功率激光器发出的激光经过透镜会聚到一个要钻入地层的圆形区域上,这个圆形区域只是要钻井眼直径的很小一部分,岩石表面对激光具有反射、散射与吸收等作用,强大的热冲击可以使要钻入的岩石材料被击成碎片,岩石由于吸收激光能量所形成的高温可使岩石熔融、岩石反射、散射的激光能量使得岩石的环境温度升高导致熔融的岩石蒸发而形成岩石气体,这样岩石气体可在高压的作用下压出地面,这一过程中存在复杂的质量、能量与动量的传递,此外,由于不同岩石的物理性质不同,且在高温、高压下岩石的物性参数也会发生变化,激光钻井过程存在复杂的化学变化。

激光技术在钻井中的应用摘要随着钻井深度的增加和钻井成本的提高，必须改变传统的钻井方式，来适应石油工业的发展需要。

本文在对传统钻井工艺进行回顾的同时，展望新一代的激光钻井技术，分析各自的特点和激光钻井的优势；根据激光能量密度大等特性，利用激光器把其他形式的能转换成光能形成很高的温度，从而熔化、融熔、震碎、蒸发要钻进的岩石进行钻井；指出激光钻井在降低成本、减少污染方面有很大的潜力，有可能使钻井发生革命性变化；提出在我国现有技术及经济条件下，应当深入探讨激光钻井原理，激光钻井的可行性及对可用于钻井的激光器的特殊要求。

关键字：激光技术；传统钻井；激光钻井AbstractAlong with the increase of drilling depth and drilling cost, the traditional drilling way must be changed to adapt to the development of the petroleum industry needs. This paper reviews the traditional drilling technology, as well, it forecast the future application of the new generation of laser drilling technique. It also analyzes their characteristics and laser drilling advantages; According to the large properties of laser energy density, using laser can convert other forms energy to light as well as form a high temperature to melt ,fusing, shatter and evaporate the drilling rock; It points out that laser drilling has great potential at reducing the cost and pollution.It may bring a revolution to drilling; It put forwards that we shall discuss the principle of laser drilling and the feasibility of laser drilling further. As well as the special requirements of the lasers that can be used for drilling, in Chinese current technical and economic conditions.Key word:laser technology;conventional drilling;laser drilling引言激光技术是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科结合的科学技术[1]。

钻井工艺新领域——激光钻井石油天然气勘探开发的钻井，最直白的解释就是从地表向下挖掘一个筒形的通道。

最早的钻井是用来汲取地下水的。

在人类的发展史上，钻井大致经历了挖掘井技术、顿钻井技术和旋转井技术3三个发展阶段。

在前两个技术阶段中，我国均处在发展的最前列，我国已经发现的公元前1500年前后的甲骨文中就已经有了“井”字，春秋战国时期的井的深度已经达到5 0多米。

到北宋的庆历年间（公元1041～1048年），我国古代钻井技术取得了划时代的突破，出现了顿钻技术，井深达到了130米左右，钻井井筒直径仅有碗口大小。

利用这项技术，到明清时期，我国四川钻凿油气井的技术应用就相当普遍了，井深大约都在1000米左右。

公元11世纪，我国顿钻技术传入西方，西方对设备和工艺进行了改进和更新。

近代油气勘探开发传统的钻井已经有100多年的历史，主要采用的是旋转钻井技术，通过金属钻头、钻具冲击、切割岩石，促使岩屑剥离，并通过钻井液将岩屑带出井口。

遇到坚硬的砂岩层，甚至采用化学手段（如爆破），对周围生态环境、地质结构产生一定影响。

1 9 9 0年，根据美国气体研究所（GRI）的数据统计，一口井的钻井周期中，48%时间钻进，27%时间换钻具、下套管，25%时间用来测井，且形成数据。

从钻井周期各阶段钻井耗时分布情况来分析，缩减钻井成本的主要途径是加大钻井速度，减少排渣、搬装钻具、安装护套等。

激光钻井正符合上述需求，是传统钻井方式最有潜力的替代者。

激光钻井技术的优势1990年始，美国开始把部分冷战技术民用化，科学家们努力把激光应用到钻井实践中。

从理论上讲，激光钻井是一个能量传递过程，岩石吸收能量后，使其局部发生物理和化学变化。

激光器是一种电磁相干辐射的能源，将不同种类的能量（电能、化学能、热能等）转换为光能。

激光辐射称为单色辐射，激光辐射的波长决定于激光器的放射性介质，范围从0.lμm到10μm，跨越光谱的紫外光、可见光、红外光和亚毫米的波段。

激光钻井[5]是指利用大功率聚能激光束直接作用于岩石表面，使其局部骤然升温，岩石吸收激光辐射的能量后在内部产生热应力，当热应力达到岩石的极限强度时，岩石就会被破坏。

若岩石吸收的能量超过其熔化破坏的阈值，则岩石温度升高到熔点以上，使岩石以熔融或气化形式被破坏。

岩石破坏后形成的残余物由高速气流携带并排出，以快速形成井眼。

激光钻井的发展及激光种类激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学及无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术。

这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性，如亮度高、单色性方向性好等。

基于以上特点，为了发展快速钻井技术，人们积极推进激光钻井技术的研究。

激光钻井破岩思想的提出，源于1994年美国国会通过的”星球大战”计划中军用大功率激光器向工业转化的议案。

上世纪70年代末和80年代初，以苏美两国为代表的东西方阵营的军事冷战进入“白热化”阶段，美国加紧了“星球大战”所用的各类激光器的研制，促进了激光技术取得迅速发展。

随着1991年苏联的政治解体和东西方对抗的结束，美国政府向工业界提出了授权转化冷战军事技术的计划，于是，激光钻井破岩技术被纳入美国能源部石油天然气勘探开发中重大战略新技术的议事曰程。

一、激光的重要特征激光的上述特点，使它的发展促进了许多学科的发展，在许多工业部门得到了广泛的应用.此刻只有已开发的几种高能激光器呈现出对天然气钻井和完井有吸引力：1．HＦ（DF）激光器：氟化氢（HＦ）和氨化氘（DＦ）激光器分别以波长λ＝2．6～3．３µm和3．5～4．２µm之间运作。

前者输出15条以上的谱线，后者则约有 25 条谱线。

都可实现数兆瓦的输出。

美国陆军的MIRACL中红外高级化学激光器用于对储层岩石的首次系列实验，是西方世界开发的第一个兆瓦级，连续波化学激光器。

最近的发展方向是将输出功率提高到数十兆瓦，改进HF激光的光束质量和亮度，并探索由ＨF激光器获得1．3µm左右短波长输出的可能性。

2000年3月第15卷第2期 西安石油学院学报(自然科学版)Journal of Xi ′an Petroleum Institute (Natural Science Edition ) Mar.2000Vol.15No.2 收稿日期:1999203208 作者简介:韩常省(19422),男,副研究馆员,主要从事石油科技情报研究与教学等方面工作. 文章编号:100125361(2000)022*******激光钻井技术展望Prospect of Laser Drilling T echnology韩常省(西安石油学院图书馆,陕西西安　710065)摘要:为了适应石油工业发展的需要,改变传统的钻井方式,根据激光能量密度大等特性,说明了利用激光器把其他形式的能转换成光能形成很高的温度,熔化、融熔、震碎、蒸发要钻进的岩石进行钻井的基本原理;指出激光钻井在降低成本、减少污染方面有很大的潜力,有可能使钻井发生革命性变化;提出当前应深入探讨激光钻井的原理、激光对地层及今后采收率的影响,在我国现有技术及经济条件下激光钻井的可行性及对钻井用激光器的特殊要求;回顾了激光钻井技术的发展历程和现状;建议我国应积极开展激光钻井技术的研究与开发.关键词:激光器;热钻;激光钻中图分类号:TE242 文献标识码:A 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科结合的科学技术.这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性.一是方向性强.几乎是一束定向发射的平行光,发散角一般为毫弧度数量级;二是亮度大(即功率密度大).激光的亮度可以达到太阳亮度的1百万万倍以上.如果用透镜将激光聚焦,可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度,在极小的范围内产生几百万度高温,几百万个大气压,每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.激光光谱线的线宽可达到千万分之一埃;四是相干性好.由于激光的线宽窄,位移在空间的分布不随时间变,具有良好的时间相干性和空间相干性[1,2].激光的上述特点,使它的发展促进了许多学科的发展,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;分析不同类型的原油;激光可以用来钻井、射孔等几十个技术部门.其中以激光钻井最具吸引力.1　激光技术在钻井中的应用111　激光钻井的基本原理亮度大(即功率密度大)是激光的一大特点,是激光用来钻井的最主要的特性.从本质上讲,钻井用激光器件就是把能量转换成光子,光子经过聚焦成为强光束,把岩石熔融、粉碎、蒸发.具体说来,就是把激光束聚焦在一个要钻入地层的环形区域上,这个环形区域是要钻的井眼直径范围内很小的一部分.激光束聚焦后形成很高的温度,使要钻入的地层材料熔化蒸发,强大的热冲击也可以使要钻入的岩石材料被击成细粒,由于环形区域内熔化材料的蒸发而产生强大的压力足以使击碎的材料被腾升到地面。