钻井新技术.docx

激光钻井技术 班级：油工61103班学生姓名： 曾固 指导老师：卢林祝学号：201160211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。为了增强热的冲击作用,易于使要钻的材料成为细粒而压出井口,还可以向要钻的部位喷射可膨胀的高强度液体射流,液体射流所用液体的特性要易于使要钻材料融化与粉碎,有助于井壁的光滑,例如,如果要钻的材料是纯净的干硅砂,射流应含有钠或钙的化合物以便于岩石融化、优化井壁特性。【6】二 激光钻井技术的优越性激光钻进系统较传统钻井方法有大量优点：激光破岩的速度与传统的转盘/ 牙轮钻头或者转盘/ 金刚石钻头相比，根据地层岩性的不同，平均提高10-100 倍。激光光束可在透明的洗井介质中工作。空气和隋性气体( 如氮气和二氧化碳等) 是携带岩石碎屑和冷却井下激光元件的良好循环介质, 激光钻井的排屑方法将类似于现行的高压气体钻井工艺。激光可在井眼岩石表面形成陶瓷釉面, 能减少技术套管的层数, 节省钻井费用。激光钻井不需频繁起下钻柱更换钻头, 可提高钻井效率。激光钻井对井场环境的污染小。【2】激光钻井无须同轴套管, 使用或不使用套管的情况下可以钻单一井径的井眼, 钻机的功率减少, 套管成本也减少。因为光子沿直线传播, 所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少。激光钻井能减少钻头的使用或者不使用钻头, 因此能减少起下钻时间。更重要的是, 机械钻速比传统的机械钻速高得多, 减少了钻井成本。激光钻进对渗透率的影响: 对岩石使用激光之后岩石的孔隙度和渗透率均有增加, 增加的程度取决于岩石的热导率。如果岩石的热导率大, 渗透率增加就明显; 岩石的热导率小, 渗透率的增加就不明显。这是由于渗透率高的岩石比渗透率低的岩石传热快, 导致泥土中的矿物质遇水膨胀, 水蒸发后压力下降导致岩石产生裂缝。激光射孔: 激光射孔的完成不需要任何的激光器, 同时能防止传统的射孔方法对地层造成的伤害。使用射孔枪产生的岩屑可能堵塞井眼, 甚至需要修井。传统的射孔方式产生的裂缝会将射孔区域和其他区域连通, 套管也会破裂。激光射孔可克服以上问题并提供一套更有效、更经济的方法。激光新技术能使套管开窗并使其他井场工作成为可能。打捞: 由于激光钻进系统使用小部件来代替传统庞大的钻井立柱, 因此打捞作业更容易。激光可以将落鱼融化或剪碎, 即使在井中有工具丢失或落鱼的情况下, 也可将侧钻的几率降低。传统的旋转钻进的成本很高, 激光钻井技术能给目前石油工业带来革命性的变革。标准陆地井的钻井成本大约是40 万美元。激光钻井的机械钻速比传统的高10 100 倍。即使高10 倍的情况下,激光钻井可以将钻井时间降低十分之一, 从而使钻井成本显著降低。激光钻井同样可以钻水平井并且清除井眼里的碎屑。【2】三 亟待解决的问题1.复杂的地层条件在实验室研究过程中，为了更好地模拟地层情况，研究人员将岩心浸泡在水、盐水、原油和天然气中，并对岩心施加水平、垂直方向的应力进行试验研究。 结果表明：激光作用于浸泡在流体中的岩心时， 比能值均大于作用于干燥岩心，即流体在激光作用岩石的过程中起到了阻碍作用，使得激光移除单位体积的岩石需要耗费更多的能量。激光作用于浸泡在流体中的岩石时会产生气体。该气体的量及组成也有待研究。 虽然地层应力对比能值的大小几乎没有影响，但在地层条件下的应力、热量、流体浸泡三者共同作用下，比能值如何变化，还需进一步研究。由此可见，复杂的地层环境将对激光钻井技术的应用提出严峻的挑战。2.井眼的清洗由于二次作用的存在，为了提高激光能量的利用率!应及时清理堆积在井底的岩屑。如何在不影响钻进速度的条件下清洗岩屑，仍是目前较难解决的技术问题。 3.异常压力的控制虽然激光钻井是否钻达油气层可由比能值的变化分辨出，但当钻达油气层或异常高压地层时，地层流体的大量涌入井内很有可能造成井喷。 因此，激光钻井必须建立完善的井控系统。4. 实验室研究与现场应用的差距 激光钻井技术的实验室研究已经取得了不少成果。但目前试验用岩石大小都在厘米级， 激光作用时间也只是秒级，要将研究成果运用于钻井现场，并非只是简单的按比例放大问题。 因此激光钻井样机的研制势在必行，然后在实际工程中做进一步的研究和改进，实现试验室成果在实际的工程中应用。【3】四激光钻井技术发展方向美国、俄罗斯、日本和加拿大等国在激光钻井破岩基础理论的研究方面各有侧重点, 但对基本科学问题的认识却趋于一致 。概括起来, 它主要包括以下5 大基础科学问题:a) 激光/ 岩石/ 流体相互作用原理( 即微观物理过程和岩石热破坏理论) 。b) 岩石快速相变的热力学与传热学。c) 强激光的传输变换与微型化原理。d)激光破岩岩屑运移的多相流动理论。e) 激光钻井的安全与环境保护科学。1. 激光/ 岩石/ 流体相互作用原理在激光/ 岩石/ 流体相互作用原理方面, 美国科罗拉多矿业学院以Graves R. M. 教授为代表的研究组已完成了6 种典型的激光器( MIRAL、COIL、CO、CO2、N d: YA G 和直二极管激光器) 对13 种岩石样品, 分别在空气、水和普通钻井液等3 种环境条件, 以及岩石孔隙中含油、甲烷、水和盐水等多种情况, 进行了对比破岩试验和分析 , 发现岩石主要是以熔融、气化和碎裂等形式破坏, 但随着激光工作参数的不同, 其破坏形式呈现多样性; 岩石表面出现致密的釉化层, 亦会有微裂纹产生; 岩石对CO2、CO和MIRA L 三种波长较长的光束吸收率大。另外,该研究组对单位体积岩石发生破坏的激光能量( 称为比能量) 进行了测量, 发现随着岩石硬度的增加,比能量降低。同时还发现, 激光采用脉冲波形的破岩方式, 其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。有待深入研究的是:a) 岩石的能量吸收效率和能量转换规律。b) 岩石热破坏模型和准则。c) 岩石在熔融、气化和碎裂等过程中的晶粒微观组织变化和特征。d) 辅助冷却气流的速度、方向和环绕形式对岩石破坏过程和微观晶格的影响。e) 脉冲波形的能量密度、前峰后沿特征对岩石破岩速度、晶格相变过程、微观力学性和物理特性等的影响等问题。2 岩石相变的热力学与传热学在岩石快速相变的热力学与传热学方面, 美国科罗拉多矿业学院Batarseh S. 等和美国天然气工艺研究院Gahan B. C. 等人的试验研究发现, 用基础理论项目, 涉及到多学科的交叉渗透与协同配合, 存在着一系列的难题亟待解决。如大功率激光器的小型化、井喷控制和井漏防治、井壁岩石釉化层强度与井眼坍塌、油气藏的发现与储层保护、激光束在井下环境传输性能、每米钻井成本的经济性等,这些问题是制约激光钻井工业化应用的瓶颈, 应分阶段、分步骤地进行基础理论研究。可以相信, 随着激光破岩基础科学理论研究的深入开展和科学技术的不断进步, 这些问题将会迎刃而解。中国拥有比西方国家领先1 000 余年从事油气钻探的历史。我国发明的卓筒井钻井工艺被誉为中国古代的第五大发明 , 在世界钻探史上写下了光辉灿烂的一页。在近代, 我国的钻井技术却落后于以美国为代表的西方国家。激光钻井是一种全新的钻井概念, 为我国钻探技术战略上的跨跃式发展提供了新的契机。它的成功突破将为我国的石油天然气钻井、地质钻探、矿山工程以及海洋油气资源开发带来一个崭新的发展空间。因此, 重视激光破岩基础科学理论的超前研究, 引领世界钻探领域的科技前沿, 对促进我国钻探工程学科的发展具有十分重要的意义。3. 强激光的传输变换与微型化化学氧碘激光器( COIL) 的功率体积比大, 可移动性好 4 。波音航空公司曾将COIL 装在Bo eing747 上作为机载激光防御系统, 现已将6 项激光器专利转让给科罗拉多矿业学院, 用于车载激光钻井样机的研制。直二极管激光器( Direct Dio de Laser) 体积比COIL 更小, 能满足在石油工业311 mm或216 mm( 12 英寸或8英寸) 井眼尺寸中工作的要求, 是一种发展前景良好的井下激光器, 目前正在改进其可靠性和对环境的适应性。日本和美国正在研究新的高能中空光纤和大功率光纤激光器。复杂恶劣环境下强激光的传输变换与微型化,可望近期取得突破性进展。4激光深井破岩中高温岩屑运移的多相流动理论目前尚未见到有关研究文献。关于岩石在气化、熔化状态中, 气体的生成量、蒸汽压力大小、高温岩屑飞溅物的体积分数、岩屑混合气流与辅助排屑气流的相互作用等有待研究。5激光钻井破岩中的安全性与环境保护科学尚未见到有关研究文献。岩石的骨架、矿物颗粒和胶结物质在气化和熔化状态下的化学性质, 对环境和人类具有危害性; 当激光钻井遭遇硫化氢、高压水层或强碱地层等复杂环境因素时的安全性问题, 不容忽视, 亟待研究。纵观国外对激光钻井破岩的基础理论研究, 可知现阶段主要是集中在上述的前3 个基本科学问题上。即使是前3 个问题, 也仍存在着大量的基础工作有待深入探索。【1】1.气化区2.熔化区3.过渡区4.岩石本体 激光破岩的试验岩样与聚能光束特性总结 鉴于激光钻井技术属于石油钻探领域的高新技术，本文将综合所查到的科技文献做出一定的总结和思考，包括激光钻井技术的提出和历史发展，破岩机理，区别于传统钻井方式-旋转法的优越性，亟待深入研究的方面和发展方向。对于激光的传递输送方式，光纤虽是可行的方式，可是传输过程中由于激光的反射和散射而损失掉一部分能量，尤其当输送深度很大时，损失的能量会更多。个人认为，随着AI（Artificial Intelligence）技术的迅猛发展，完全可以将其和激光钻井技术相结合，通过地面发出的指令引导智能机器人携带激光发生装置钻进达到预定靶点,同时可使此种机器人具备随钻造壁功能。参考文献国内外