激光钻井技术教学课件PPT

1、（一）激光的重要特性 （二）激光直接破岩机理 （三）激光破岩的影响因素 （四）激光钻头的设计 （五）激光钻井的优势 激光钻井技术 主要内容 激光钻井技术激光钻井技术 引言 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。 一、激光的重要特性 目前已开发的几种高能激光器目前已开发的几种高能激光器 1h（df）激光器：氟化氢（h）和氟 化氘（d）激光器分别以波长 263um和354um之

2、间运作。 2rf（激元）激光器：氟化氪激元激光 器以短脉冲方式工作在紫外波段，波长 .um。 3c02激光器：二氧化碳激光器以波长 106um运作。 目前已开发的几种高能激光器目前已开发的几种高能激光器 4co激光器：一氧化碳激光器以波长 495um运作。 5fel 激光器：游离电子激光器通过高能 量的电子运作。 .d:yag 激光器：掺钕钇铝石榴石激光 器以波长 .um运作。 .coil激光器：美国空军研究实验室的化 学氧碘激光器以波长 l3 15m运作， 很容易在大气中或光纤中传输。 化学氧碘激光器（）简图，化学和化学氧碘激光器（）简图，化学和 能量图示能量图示 实验装置 二、激光直接破岩

3、机理 激光直接破岩的基本原理是，利用高高 能光束能光束使岩石基质材料局部快速加热局部快速加热，由 固态瞬间相变到热熔热熔和汽化汽化状态，并形成 气液固多相混合物多相混合物，然后由高速辅助气流 将其携走和排除，以快速形成井眼。 图图1 1激光破岩装置图激光破岩装置图 激光直接破岩机理 激光 照射 加热 在激光热量接近而未达 到岩石的液化潜热时 击碎 岩石热裂为松散碎片 在激光热量达到或超过 岩石的液化潜热时 岩石熔融为液态 岩石由固态直接或 间接变为气态 在激光热量达到或超过 岩石的汽化潜热时 熔化 蒸发 激光直接破岩的主要物理化学现象 比能：表示移除单位体积岩石所需要的能量。它 是比较不同破岩

4、方式效率的标准量之一，可表示为： 二次作用：泛指岩石开始熔化后，所有引起激光作用于岩 石能量损失的因素，它包括岩石矿物的重复熔化，井眼内 矿物和气体的分解、裂缝的形成等。 相关概念 比能 = 输入能量强度 作用时间 穿透岩石深度 = 输入能量 移除岩石的体积 激光辅助破岩技术 比能与激光平均功率的变化关系 岩石的热裂 三、激光破岩的影响因素 带有纤维光缆的激光三牙轮钻头带有纤维光缆的激光三牙轮钻头 1 输送激光到井底的纤维光缆 2 激光头 (1)岩石性质 岩石的热导率：粘土在激光辐射 下易分解气 化，导致体积膨胀压力增 大。砂泥岩导热性能好，且含 有粘土， 而石灰岩的热导率较砂泥岩低且其中粘

5、土和 石英的含量也较低，所以导致砂 泥岩比石灰岩更容易 形成裂缝，因而 砂泥岩更容易被破坏。 (2)裂缝：砂泥岩中往往含有裂缝 或其他缺陷，地 层流体充注于其中。 在激光辐射作用下，泥岩温度升 高使 其中的流体气化，这一过程会造成能量 损失，而流 体气化后体积膨胀压力增 大，又会进一步地促进裂缝 的形成。 可见，裂缝的存在也会引发二次效应， 由此导 致的能量损失同样不容忽视。 (3)矿物组成：岩石的性质取决于其组成矿物 的性 质，矿物的物理性质及胶结方式决定了 岩石的热物理 性质，因而也影响到激光射束 与岩石的相互作用。例 如，当激光射束作用 于碳酸盐岩时，二次效应非常显 著。这是因 为方解石

6、受热后迅速脱水并消耗能量，而 之 后水的气化又会消耗一部分能量。于是，岩 石吸收 的能量就减小了比能随之增大，从而 需要消耗更多能量。 (4)胶结强度。胶结强度主要是通过影响岩石 的导 热性能来影响岩石与激光的相互作用。 组成岩石的矿 物颗粒之间胶结越强，岩石的 热导率就越大。热应力 达到岩石的极限强度 后，如果岩石胶结不好，则其较差 的导热性 能使岩石吸收能量的速度大于能量从其中逸 出的速度，因而岩石开始熔化，并消耗更多 的能量，这 不利于岩石的热破碎，且使破岩 效率降低。 四、激光钻头设计 1 激光头； 2 吸管(水眼) 3 压力补偿膜 4 储油密封机构 5 牙爪 6 止推面 7 轴承 8

7、 关闭状态 9 钻井时开启状态 10 牙爪(硬金属保护层) 11 牙轮轴 12 牙齿 13 轴颈 14 滚珠 15 牙轮 16 齿距 激光三牙轮旋转钻头剖面图激光三牙轮旋转钻头剖面图 激光钻头设计 激光固定切削刃钻头激光固定切削刃钻头 1 api 标准销钉连接 2 钻杆 3 补偿面 4 锥齿轮 5 钻头装卸器槽 6 轮轴 7 金刚石爪垫 8 保径齿排 9 切削齿 10 快门 11 焊缝 12 钢心 13 硬质合金胎体 14 抬肩 激光钻头设计 激光三牙轮旋转钻头井下结构激光三牙轮旋转钻头井下结构 1 外部钻具；2 井下马达；3 井壁 4 激光发生管；5 激光头；6 三牙轮钻头 激光钻头的优点

8、更快的机械钻速； 钻头磨损小,钻头寿命长； 起下钻次数减少； 可用于所有类型(水平井、 垂直井、定向井)的钻井； 同一个激光发生装置可 以多次重复利用。 与常规钻井相比，激光钻井具有如下潜在 优势： 1.激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场； 2.激光钻井的井场很小，也许只有普通井场 的十分之一甚至更小； 3.激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度 很快，用常规钻井方法需要100d才能钻成 的井，用激光钻 井也许只需10d时间； 五、激光钻井的优势 4.激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻 成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成 一种陶瓷样的保 护层，无需下套管固井，因 此钻井成本很低，也许只有常规旋转钻井的 十分之一甚至更低； 5.激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔 化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面， 对环境的影响微 乎其微； 激光钻井技术的未来发展 激光钻井技术由概念设计到实际应用还要 面临以下几个方面的挑战： 1.在激光钻井过程中，井筒中的气体影响机 械钻速，可能导致事故。 2.考虑到温度和压力的双重影响，岩石应力 增加了比能，高的热导率导致了温度的扩