油气装备与新技术论文

1、油气装备与新技术论文.激光钻井的新发展摘要：为了适应石油丁业发展的需耍，改变传统的钻井方式，根据激光能量密度人等特 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、减少污染方而有很人 的潜力，冇可能使钻井发生革命性变化；激光钻井破岩是钻探工程领域一项具冇前瞻性的 应用基础理论课题。它包插5大基础科学问题，即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石 快速相变的热力学与传热学、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相 流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等.详细叙述了激光钻井技术的历史、发展、 原理

2、等方而的问题。关键词：激光钻井发展前景钻井新技术1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.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;二是亮度人 (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儿百万度高温，儿百 力个大气压，每米儿十亿伏的强电场；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

3、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十性.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出开发过程中地而的沉降，反映出采收程度，为今后制定开 发计划提供原始资料；激光可以用來进行机械切割；分析不同类型的原汕；激光对以用來 钻井、射孔等几十个技术部门其屮以激光钻井最具吸引力激光技术是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巫要的特性，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

4、，人们积极推进激光钻井技术的研究。2激光破岩的2个发展阶段纵观激光破岩概念的产生、研究与发展，它经历了小功率激光器的岩石切割阶段和大功 率激光器的钻井破岩阶段。2. 1激光切割岩石阶段(1968 - 1994)激光破岩概念的产生可以追溯到1960年美国科学家maman c. m.发明了世界上第1台 红宝石晶体激光器后，麻省理工学院moavenzadeh f. , mcgarr y f. j.和加州大 williamson r. b.等人在第43届spe/ atme秋季年会上,联合提出的利用激光能量破 碎岩石和钻井的设想。当时的激光器功率小，输出能量较低；激光器产生的波长相对较长, 较难聚焦，能

5、量也不能传输到远离激光光源的地方，因而该设想没有用于石汕钻探的岩石破碎，但在铁路、矿山和交通业隧道挖掘中坚硬岩石的加热软化和机械辅助破岩方而得到 了应用。1971年,美国联合飞机研究中心carstens j. p.和brow n c. 0.等人利用连续c02 激光对花岗岩、石英岩和玄武岩等岩石成功地进行了室内切槽试验。随后，激光切割岩石 的方法在德、h和美等国建筑行业各类石材、混凝上等的切割和加工中得到广泛的工业化 应用。前苏联科学研究院lebedev物理研究所是军用大功率激光器的研究中心，曾在 1969 -1978年间开展了激光与岩石相互作用的研究，当时的激光功率为0. 5 1.0 kw,

6、后因资金缺乏而停止。日木是一个地震发生频率较高的国家，山体的潜在滑移危险性人。 口本地球物理研究所和东海人学利用激光破岩技术，防止浅层地质钻探和建筑打桩作业中 山岭滑坡和房屋倒塌事故，取得了显箸的成效。2. 2钻井破岩阶段(1994 -)石汕天然气勘探开发中的激光钻井破岩与矿山和建筑行业中的工作坏境和技术要求迥然 不同。例如，激光钻井破岩的u标层深；光束的光斑尺寸大；井眼轨迹必须规则；井壁必 须具有强的防坍塌和抗失稳性能；具有屏蔽强酸、强碱和有毒气体干扰的能力等。另外， 石油井下环境恶劣，空间尺寸小，对激光元器件的功率体积比、移动性和可靠性以及高能 光束的远距离传输与控制，均有特殊的要求。石汕

7、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界转化的议案。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人研究计划，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人多基于“将岩石矿物完全熔化，直接打出预想人小井眼”的假设 上，预计所需能量和当大，加之当时激光技术水平有限，激光功率只冇数千瓦，波长较长 难以聚焦、成本校高、所以许多人

8、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总速发展，直至1997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人学，提出了一项两年计划，一起 探索如何把美国在20世纪8090年代用于“星球大战”的激光技术用到石油工业钻井、 完井上，此吋激光钻井的可行性才得以证实。该阶段试验使用的是美军口沙导弹实验场的 中红外高级化学激光器，试验结杲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，并口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。1997年，美国能源部(d

9、oe)批准了芝加哥天然气研究院(gas research institute, gri)和科罗拉多矿业学院(csm)联合提出的激光钻井计划。该项目(gri-98/ 0163)为 期2°,旨在进行激光钻井破岩可行性方面的初步室内试验和基础理论研究。美国grt和 csm的室内试验研究结果表明：激光破岩与传统的转盘钻井技术相比，在提高机械钻速方 而具有无可比拟的优越性；军用兆瓦级激光器能为4500 m井深钻井破岩提供足够的能量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,

10、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。2000年，美国能源部和国家能源技术实验室正式把激光钻井技术的研究列入美国石油 犬然气勘探开发中重大战略支撑技术的长期发展计划，并继续支持天然气工艺研究院 （gas technology institute, gti）的新一轮激光钻井计划（如图1）a激光钻机的地而模型b井下激光破岩模型c室内激光破岩试验图1美国激光钻井的基本概念与研究gti系由原芝加哥天然气研究院（gri）和芝加引天然气工艺技术研究院（igt ）于 2001年联合组成。第2轮激光钻井

11、计划（de- fc26-00nt40917）项目分为3个阶段进行 实施由天然气工艺研究院（gtt）和科罗拉多矿业学院（csm）等6家联合承担，旨在深 入研究激光钻井破岩的基础科学理论、淹没环境下激光破岩的模拟试验、激光深井（人于 6 000 ni）破岩能力的评价、井下激光钻井样机的研制，计划在2009年完成第1台工业 性试验用车载激光钻机的制造。3激光技术在钻井中的应川3. 1激光钻井的基木原理激光钻井，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

12、小一部分，岩石表而对激光具有反射、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而，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变化，激光钻井过程存 在复杂的化学变化。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耍的特性.从木质 上讲，钻井川激光器件就是把能量转换成光了，光了经过聚焦成为强光束，把岩石熔融、 粉碎、蒸发.具体说

13、來，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 域是要钻的井眼巴径范围内很小的-部分.激光朿聚焦后形成很高的温度，使要钻入的地层材料熔化蒸发，强人的热冲击也对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。为了增强热冲击的作用，易于使要钻的材料成为细粒并喷出井口，还可以向要钻的部位 喷射可膨胀的很强的液体流。液体射流和激光交替作用在要钻部位，使激光朿和液体射流 都成为脉冲式的。液体射流所用液体的特性要易于使耍钻材料熔化与震碎，冇助于井壁的 光滑例如，若要钻的材料是纯净的干硅砂，则流体应含有钠或钙的化合物以便于岩石熔 化，

14、优化井壁特性。为了使从已钻成的井眼中排出的材料离开地而设备，在井头可装匕转 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井口。激光发 生器的工作、激光脉冲的长短、注入的强射流体、喷出材料的吹除等整个系统的工作特性, 如脉冲持续时间、频率、聚焦区而积和环形的人小，相干光源的工作波长和输出功率等都 由控制器根据被钻地层的物理特性控制。3.2、用于天然气钻井的激光1. 氢氟酸和氟氟化合物激光具丁作波长范围为2. 64. 2nmo美国军方研制岀的这 种屮红外高级化学激光尚是首次用于储层岩石的初始测试。2. 碘氧激光美国空军研究实验室研制出的这种碘氧激光的工作波长为1. 315un

15、io最 早开发可追溯到1977年，现今这种高能连续波激光已逐渐发展进化成为一个复杂体系， 用于军事和工业等各个领域。这种中波型激光的精确性以及它的波长范围避免了钻井和天 然气井重新完井过程中经常遇到的井控、侧钻和定向钻井问题的岀现。3. 二氧化碳激光二氧化碳激光的工作波长是10. 6nm,叮以以连续型和垂复脉冲波形 模式传递，平均功率约为1mw。在以重复脉冲模式传递时，它的脉冲周期为130uso4. 一氧化碳激光-氧化碳激光的工作波长为56um,可以以连续型和重复脉冲波形 模式传递，它的平均功率为200kw，脉冲周期为11000 u so第一谐波一氧化碳激光在 以连续波和重复脉冲模式传递时，它

16、的脉冲波长为2. 54. 0pmo5. 自由电了激光由于自由电了激光所采用的高能电了不会离散能级，从而使得自由电 子激光可以以连续波的波形被调制到任意波长。一些科学家认为口由电子激光是耒来高能 激光的发展方向。激光辐射波长町以调整的特性优化了激光由于反射、散射、黑体辐射和 等离子体的屏蔽效应而出现的能量损失。6. 铝钱、镶、金刚砂化合物铝敛、链、金刚砂化合物的工作波长为1. 06lmo fl前， 仅有输出功率为4kw的工业用激光用于了商用。对这种激光的研究趋势表明，采用输出功 率为10kw或更大功率的激光是可行的。7. 氟氮化合物氟氮化介物是一种激发二聚体激光，工作波长为0. 248 umo

17、z所以用 激发二聚体这个术语描述这种激光主耍是因为在这个双原子分子中氟氟原子是在受激状态 而不是在基态结合的。这一特征使得激发二聚体激光只能以重复脉冲波形模式工作。它的 最大平均功率是10kw ,脉冲周期为0. luso3. 3两种冇希望的高能激光3. 3. 1中红外高级化学激光(m iracl)美国最高平均功率激光(兆瓦级)最初是为船舰防御开发的，并在二十世纪八十与九十 年代期间，在高能激光系统实验场广泛用于军事上概念的实验。现在的小红外高级化学激 光，已经能够将巨大的能量在空气中传播数英里，该能量可在飞行中的战略性或战术性军 事h标上穿洞，业已证实，可将多种固体材料诸如软岩石材料击穿。3.

18、3.2化学氧-碘激光(co il)美国空军1977年发明的空对空防御高功率激光具有应用于天然气钻井的潜在对能性。 化学氧碘激光作为一种能够跟踪并摧毁导弹的机载激光战术武器而声名人噪。该技术在深 度超过15 000 f t的天然气井钻井与完井中同样精确的应用，将消除井控、侧钻与处向 钻井的问题。“空军对开发化学氧碘激光技术的商业用途很感兴趣”，空军研究实验室气 体6化学激光技术分部的激光系统工程师b rian gq u illen上尉说，“尽管是作为一 种武器系统来开发的，但co il的高功率输岀以及便宜的化学材料使其非常适合于其它用 途。”使其具有商业丿1途的co il的一个独特优点是它具有与

19、光纤结合的可能性。这就使 其非常适合于诸如石油钻井之类的远距离高功率发射。图1说明了化学反应如何产牛:激光朿。3.4当前激光钻井技术的研究内容尽管激光钻井技术的提出已有近30年的历史，但却一直没有付诸实现.因此，激光钻井 仍然是一个探索性课题，要研究的问题很多，当前要硏究的主要有以下四条:首先是要深 入探索激光钻井的原理钻井是一个复杂的物理、化学过程，传统的钻井是通过冲击、切 削将岩石剥离并通过钻井液将钻屑带出井眼.那么，用激光钻吋，究竟如何将岩石一层一 层剥离，又如何将岩屑带出井眼，实现这一过程会遇到什么困难，怎样克服这些因难等. 第二是探讨激光与周围介质的相互作用及作用结果对采收的影响.在

20、钻进过程中会遇到 油、气、水和各种不同类型的岩石及其他物质，激光与这些物质会发生那些作用，这些作 用对钻进过程有什么影响，对今后的汕气开采有什么影响，其中的不利影响如何解决.第 三是激光钻井的经济性.采用激光钻，所川的一套设备当然与传统的设备不同.在各种复 杂环境下，激光钻与传统的钻井方式和比，究竟在什么情况下是合算的，什么情况下不合 算.特别是在我国现有经济与技术条件下，激光钻井的可行性.第四是对钻井用激光器的 特殊要求.钻井用激光器功率要达到106w级，这么人功率的激光器为实现钻进在结构上 有什么特殊要求，不同地质条件下实现激光钻井的激光器功率门槛值究竟耍多人等等.3. 5激光钻井技术的意

21、义井眼是从地下采收油气的唯一通道.因此，钻井是石汕工业中极为垂要的一环.随着开 采难度的加大，钻井在整个石油工业中所占比重也在加大，钻井费用已占石油工业总费用 的55% 80%.据美国天然气体研究协会1990年对世界范围内陆上和海上3000 口井的分 析表明，钻深人于4572m的深气井，钻机在现场时间的50%用于钻进，20%用于起下钻 柱更换井卜总成，30%用于其他作业.降低钻井成木主要通过加快钻进速度，减少钻柱移 动來获得.传统的钻井方法总是要使用钻井液，钻井液不仅对周围地层造成伤害，川过的 钻井液也是环境的污染源.根据模拟实验研究，用功率为600 1200rw,波长为3.8um的mirac

22、l激光器发出的激光,在4. 5s钻穿t 0. 0635m的砂岩试样，移走了 2. 495kg的岩 石，由此折算等效钻进速度为50-60ni/ h;而用500kw激光朿，在两个两秒的激光冲击后, 沿水平方向钻透了 0. 1524m,折算的等效钻速为137. 16m/ho因此，采用激光钻井，可以显著提高钻进速度，减少钻机平均天数，减少起下钻时间， 提高井控、射孔、侧钻能力；激光与周围岩石和互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，减 少套管；还可以促进井下钻井机械，激光钻头，激光射孔技术的发展；而所有这一切都可 在有利于环保、安全，提高有效成本的情况下进行。因此，激光钻町降低成本，减少污染, 可能会使钻井

23、技术发生革命性变化。4激光钻井技术的研究成果4.1用于激光钻井的激光美国军方研制的屮红外高级化学激光(mtracl)是用于储层岩石初期试验的第-种兆瓦级 激光，其工作波长为3. 4um功率为1. 6mw.在接下來的研究中还用到了氧碘激光、二氧化碳 激光和铠铝石榴石激光。o' brien等人利川美国空军研制的化学氧硕激光对不同岩心在不同条件下进行了人量实 验研究。氧碘激光工作波长为l4um功率为7kw。它的能量衰竭慢，是一种高质量的激 光，能成功地穿越近50万米，-与之和比油气井的40005000米就微乎其微了。该种中波 型激光的精确性及波长范围有效地解决了钻井和完井过程屮井控、侧钻和定

24、向钻井等问 题。二氧化碳激光工作波长为10. 6um,平均功率可达1mw,可以用连续型和脉冲型两种模式传 递能量!其最人的优点在于有较好的稳定性和可靠性。化铝石榴石激光t作波长为 1. 06um、平均功率约为1. 6kw,是大多数实验室研究所用激光。用于激光钻井的激光种类有限！叮供选择的还有一氧化碳激光、自由电子激光和氟氟化 物激光等。4.2激光钻井的有关概念4. 2. 1比能表示移除单位体积岩石所需要的能量(单位：kj/cm)它是比较不同破岩方式效率的标 准量之一。可表示为：34. 2. 2岩石流动效率用以表示近井地带受伤害的程度。若：cf二1,近井地带未受伤害；cf<1,近井地带受到不同程度的伤害;cf>1,近井地带得到 改善。4. 2. 3二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。4. 3激光钻井破岩机理岩石的破碎和运移是油气井钻井、完井过程屮的重要问题之一。因此研究激光钻井也 应首先着眼于激光与岩石作用机理的研究。曲于激光具冇较强的单色性!其被地面发工器 产生后，经光纤束传输至井下，通过井下透镜组聚焦放人后，对形成功率密度极高的光 束。当其作川于岩石表面时，一部分能量被岩石吸收，其余都