激光及其在石油钻井和完井中的首先应用领域.doc

激光及其在石油钻井和完井中的首先应用领域（一）激光和激光钻井 激光（ Laser）是“通过辐射的受激发射而放大的光（ Light Amlification by Stimulated Emission of Radiation）”的缩略语。早在 1917年近代物理学界泰斗阿伯特爱因斯坦就首次提出受激发射（经由原子或分子能级之间的传输产生光子或能量的不连续的光束），但是没有实现，直到1960年的早期美国科学家梅曼博士发明了第一台激光器。激光器基本上是把某种形式的能量转变为光子（电磁辐射）的装置。例如，化学激光器把化学能转变为光能，而光能能聚焦成强激光束。 普通光源的发光是一种自发辐射过程，经受激吸收跃迁到高能态的原子，在没有外界作用的条件下自发地由高能态回到低能态，并将多余的能量以光的形式向周围辐射。由于原子彼此独立地进行辐射，不同原子辐射的光一般在频率、位相和方向上可以完全不同，或者说这些光是不相关的。而受激辐射则不同，由于它是在入射光的控制下发生的，受激辐射光与人射光具有相同的频率、位相和偏振态，并沿相同的方向传播，因而是相互关联的，或称具有很好的相干性。受激辐射的这一特性正是激光赖以产生井具有下列独特性能的基础： 一是方向性强，几乎是一束定向发射的平行光，散射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10“倍以上。如果用透镜将激光聚焦可得到104MWicmZ的功率密度，在极小的范围内产生几百万摄氏度高温，几十万兆帕压力，几十亿伏每米的强电场； 三是单色性高。激光近乎是单一频率的光，单色性远胜于一般单色光源。激光谱线的线宽可以窄到10“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化，具有良好的时间相干性和空间相干性。 亮度大是激光用来钻井的最主要特性。钻井用激光器就是把能量转换为光子，经聚焦成为强光束，瞄准要钻人的地层照射后，根据激光器的输出功率大小，在极短的时间内可将岩石碎裂、熔融或汽化。 有的设想激光钻井的具体做法是将激光束聚焦对准一个要钻入地层的环形区域，这个环形区域可能只是要钻掉的井底面积的一小部分。由聚焦产生的高温可使各种岩石熔融、汽化，强大的热冲击波还可将岩石击碎成细粒，并被汽化产生的强大压力腾升到地面。为了增强这些作用，可以向要钻的岩石喷射高速的可膨胀液体射流。使激光束和液体射流都以脉冲方式交替作用在所钻的岩石上。所用的可膨胀液体应该有助于岩石的熔融、汽化和碎裂。如岩石是硅质砂岩，所用流体最好含有销或钙的化合物。井口装置中应有转向器，使井中喷出的岩石细粒改变方向吹离井口地面设备。激光束和液体射流的工作参数都可以根据所钻岩石特性用控制器进行控制。 （二）激光钻井胜过常规钻井技术的可能优点 应用激光器于天然气井钻井和完井的一些看得出的优点能够止住用常规方法存在的问题。事实上，在下入套管和注水泥到应有位置以前许多钻井问题之发生，是因为井眼是未密封的和无防护的。缺少密封使得地层流体能流入（这能引起溢流），而钻井液能漏人周围的岩石，导致丧失循环，地层损害，差压卡钻，井眼缩小、压裂和坍塌。长期以来就希望有一种即使暂时地，在钻头经过之后立刻保护井壁的方法，一直到能安置一层永久性的尾管。利用一种激光器钻具的可能优点之一是在井眼周围造成一种成玻璃状的套子。这样一种套子能把对共轴套管柱的需要减至最少或消除。而且，如果一个深的井眼能够从地面以一个直径钻井，那么对钻井装置的大小，所用套管的总数（若有的话），以及钻井成本将是一项实质性的降低。 常规旋转钻井中钻这是由钻压、钻井液循环（清除岩屑）流量、转速、水力功率、钻头类型、以及井眼大小决定的。而和常规旋转钻井不同，用激光器达到的机械钻这也许只决定于井眼大小和供给的功率。此外，因为光子以直线路径行进，预期用激光器钻的井眼不会发生离开平衡或离开轴线的运行。 常规技术和激光器技术的协同结合可能是最有利的。困难在于确定，在与旋转牙轮或冲击切削具结合中如何最好应用激光器的能量以切割切口（四口）。这种协同结合能显著地增加钻头寿命和减少进入和离开井眼的起下钻时间。 对于是否激光器钻的射孔孔眼比聚能射孔对水力压裂提供更好的控制这样一类问题的回答是另一个看得到的好处。用激光器延伸射孔有效距离的能力能革新射孔完成井的方法。 （三）激光在石油钻井和完井中的首先应用领域 根据与石油产业部门的技术讨论，确定激光器在石油钻井和完井中的优先的最初应用领域是： 1射孔 2暂时套管 3提高机械钻速尤其是在硬岩地层中 要提出的根本问题是这些最初应用领域所要求的激光器的类型，作业方式、功率、轻便性、可靠性、耐久性、安全、作业费用和环境影响。 这项研究的第一阶段包括一次文献回顾，确定7种激光器有用于天然气钻井和完井的可能性。这些激光器是： 1氟化氘（DF）/