激光钻井

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。
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,使激光束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要钻材料熔化与震碎,有助于井壁的光滑.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,优化井壁特性.为了使从己钻成的井眼中排出的材料离开地面设备,在井头可装上转向器,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、聚焦区面积和环形的大小,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。
激光的光能可以通过反射、散射、吸收过程传递到岩石中。岩石吸收的光能可以使岩石加热毁坏。在利用激光破坏岩石过程中,光的反射、散射是导致光能损失的一个主要原因。其它影响激光光能传递到岩石的现象还有黑体辐射和等离子体的屏蔽效应。在岩石温度较高时,一小部分入射光由于黑体的辐射作用从岩石表面发射出去。高能激光辐射会在照射的岩石表面上形成激光离子(气体离子),激光离子对入射激光辐射能的反射、散射和吸收作用阻碍了光到达岩石表面,导致能量损。
激光钻井前景广阔从1997年起,美国重新开展了激光钻井研究,已经取得了令人鼓舞的成果。
1.旋转钻井100年来没有根本性的变化,市场需要有一种更加有效的替代方法
旋转钻井这种机械破岩方式于20世纪初取代顿钻以来,虽然不断取得进展,但并没有根本性的变化,而且随着钻井难度越来越大,钻井成本总体上呈上升趋势。要想大幅度降低钻井成本,需要开发一种更加有效的替代方法。
2.激光技术发展很快,应用领域不断扩大
早在20世纪60年代和70年代,国外就开展过激光钻井研究。但是由于当时的激光技术水平有限,研究认为:在技术上,用激光钻井需要的能量太大,实现不了;在经济上,激光钻井太昂贵,不合算。正是这一结论在此后25年的时间妨碍了激光技术在石油钻井领域的研究与应用,尽管这期间激光技术取得了飞速的发展,特别是冷战期间美国星球大战计划开发的激光武器,其能量足以击袭毁导弹,摧毁地面目标。
3.激光钻井优势明显,前景广阔
与常规钻井相比,激光钻井具有如下潜在优势:
a.激光钻机重量轻,一辆拖车可运到井场;
b.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;
c.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100天才能钻成的井,用激光钻井也许只需10天时间;
d.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;
e.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,对环境的影响其微;
f.过程具有导向性。
激光钻井经过七年的研究,已经取得了许多研究成果,尽管现在还处于室内实验阶段,还有大量的工作要做,且有美国能源部的支持和世界一流的油气服务公司的参与。