激光钻井技术研究进展与展望-

?钻井技术与装备?

激光钻井技术研究进展与展望?

张世一１韩彬１，２李美艳１王勇１孙嘉楠１

（１.国家采油装备工程技术研究中心２.中国石油大学（华东）机电工程学院）

摘要：采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重，需经常更换钻头，钻井周期长，成本高三而激光钻井技术可大大提高钻井速度，缩短钻井周期三综述了国内外激光钻井技术在激光／岩石／流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学２大基础学科中的研究成果三指出了激光钻井技术面临的诸多问题，深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素三提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术，并阐述了激光辅助破岩技术的原理，为激光钻井技术的发展指明了研究方向三

关键词：激光钻井；激光破岩；破岩效率；激光辅助破岩

中图分类号：ＴＥ２１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０.１６０８２／ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ.１００１－４５７８.２０１６.０７.００２

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｎＬａｓｅｒＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＺｈａｎｇＳｈｉｙｉ１ＨａｎＢｉｎ１，２ＬｉＭｅｉｙａｎ１ＷａｎｇＹｏｎｇ１ＳｕｎＪｉａｎａｎ１（１.ＮａｔｉｏｎａｌＯｉｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ；２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎ-ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｈｕａｄｏｎｇ））

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｉｎｇｕｓｕａｌｌｙｌｅａｄｓｔｏｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｗｅａｒ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｆｒｅｑｕｅｎｔｄｒｉｌｌｂｉｔｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｃａｕｓｉｎｇｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄａｎｄｈｉｇｈｃｏｓｔ.Ｔｈｅｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｕｌｄｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｃｙｃｌｅ.Ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｌａｓｅｒ／ｒｏｃｋ／ｆｌｕｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｒｏｃｋｒａｐｉｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｖｉｅｗｅｄ.Ｔｈｅｉｓｓｕｅｓｆａｃｅｄｂｙｔｈｅｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｂｅｅｎｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ.Ｉｎ-ｄｅｐｔｈａｎａｌｙｓｉｓｈａｓｂｅｅｎｐｕｔｏｎｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｌａｓｅｒａｓｓｉｓｔｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｍ-ｂｉｎｅｄｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｔａｔｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｕｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｌａｓｅｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ；ｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｌａｓｅｒａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ

０ 引言

传统旋转钻井方式依靠高钻压二高扭矩和高转速来提高机械钻速［１］，钻具磨损严重，需经常更换，这会导致钻井效率低，钻井周期长，钻井成本高三近年来，激光技术从小功率激光器的岩石切割逐步发展到大功率激光器的钻井破岩阶段［１－３］三将激光技术和钻井工程相结合的新型钻井方式已成为各国研究的热门课题，未来新型激光钻井技术可能取代旋转钻井方式三笔者介绍了激光钻井技术的发展历程，综述了激光钻井技术在基础学科研究中取得的成果，深入分析了影响激光直接破岩效率的因素，并对将激光技术和机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术进行了展望，为激光钻井技术的发展指明了方向三

７

２０１６年第４４卷第７期石油机械

ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ

?基金项目：山东省自然科学基金项目 深层油气藏激光辅助机械破岩机理及可钻性评价 （ＺＲ２０１４ＥＥＱ０３７）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 深层复杂地质条件激光辅助钻井破岩机理研究 （１５ＣＸ０５０２０Ａ）三

激光钻井技术

2000年3月 第15卷第2期 西安石油学院学报(自然科学版) Journal of Xi ′an Petroleum Institute (Natural Science Edition ) Mar.2000 Vol.15No.2 收稿日期:1999203208 作者简介:韩常省(19422),男,副研究馆员,主要从事石油科技情报研究与教学等方面工作. 文章编号:100125361(2000)022******* 激光钻井技术展望 Prospect of Laser Drilling T echnology 韩常省 (西安石油学院图书馆,陕西西安　710065) 摘要:为了适应石油工业发展的需要,改变传统的钻井方式,根据激光能量密度大等特性,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、减少污染方面有很大的潜力,有可能使钻井发生革命性变化;提出当前应深入探讨激光钻井的原理、激光对地层及今后采收率的影响,在我国现有技术及经济条件下激光钻井的可行性及对钻井用激光器的特殊要求;回顾了激光钻井技术的发展历程和现状;建议我国应积极开展激光钻井技术的研究与开发.关键词:激光器;热钻;激光钻中图分类号:TE242 文献标识码:A 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;二是亮度大(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几百万度高温,几百万个大气压,每米几十亿伏的强电场;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干性[1,2]. 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田开发过程中地面的沉降,反映出采收程度,为今后制定开发计划提供原始资料;激光可以用来进行机械切割;分析不同类型的原油;激光可以用来钻井、射孔等几十个技术部门.其中以激光钻井最具吸引力. 1　激光技术在钻井中的应用 111　激光钻井的基本原理 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

激光钻井,“没有什么可以阻挡”

激光钻井，“没有什么可以阻挡” 石油天然气勘探开发的钻井，最直白的解释就是从地表向下挖掘一个筒形的通道。最早的钻井是用乘汲取地下水的。 在人类的发展史上，钻井大致经历了挖掘井技术、顿钻井技术和旋转井技术3三个发展阶段。 在前两个技术阶段中，我国均处在发展的最前列，我国已经发现的公元前1500年前后的甲骨文中就已经有了“井”字，春秋战国时期的井的深度已经达到50多米。 到北宋的庆历年间（公元1041～1048年），我国古代钻井技术取得了划时代的突破，出现了顿钻技术，井深达到了130米左右，钻井井筒直径仅有碗口大小。利用这项技术，到明清时期，我国四川钻凿油气井的技术应用就相当普遍了，井深大约都在1000米左右。 公元11世纪，我国顿钻技术传入西方，西方对设备和工艺进行了改进和更新。近代油气勘探开发传统的钻井已经有100多年的历史，主要采用的是旋转钻井技术，通过金属钻头、钻具冲击、切割岩石，促使岩屑剥离，并通过钻井液将岩屑带出井口。遇到坚硬的砂岩层，甚至采用化学手段（如爆破），对周围生态环境、地质结构产生一定影响。 1990年，根据美国气体研究所（GRI）的数据统计，一口井的钻井周期中，48%时间钻进，27%时间换钻具、下套管，25%时间用来测井，且行成数据。从钻井周期各阶段钻井耗时分布情况来分析，缩减钻井成本的主要途径是加大钻井速度，减少排渣、搬装钻具、安装护套等。 激光钻井正符合上述需求，是传统钻井方式最有潜力的替代者。 激光钻井技术的优势 1990年始，美国开始把部分冷战技术民用化，科学家们努力把激光应用到钻井实践中。从理论上讲，激光钻井是一个能量传递过程，岩石吸收能量后，使其局部发生物理和化学变化。 激光器是一种电磁相干辐射的能源，将不同种类的能量（电能、化学能、热能等）转换为光能。 激光辐射称为单色辐射，激光辐射的波长决定于激光器的放射性介质，范围从0.1微米到10微米，跨越光谱的紫外光、可见光、红外光和亚毫米的波段。 激光器把能量转换成光子，光子经过聚焦成为强光束，传递给岩石，岩石导热性差，局部形成高温，使其层层剥离、熔融、气化。促使岩石局部高温和破坏源于吸收激光传递的能量，岩石导热性差，局部高温，发生了物理和化学变化。 对于激光钻岩石，红外辐射比可见辐射更有吸引力，不仅因为红外高能激光先进性，而且与岩石的特性有关。 激光钻井相对于传统机械钻井优点如下： (1)占地小，井场作业面小，方便移动；

激光钻井技术研究进展与展望-

?钻井技术与装备? 激光钻井技术研究进展与展望? 张世一１韩彬１，２李美艳１王勇１孙嘉楠１ （１.国家采油装备工程技术研究中心２.中国石油大学（华东）机电工程学院） 摘要：采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重，需经常更换钻头，钻井周期长，成本高三而激光钻井技术可大大提高钻井速度，缩短钻井周期三综述了国内外激光钻井技术在激光／岩石／流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学２大基础学科中的研究成果三指出了激光钻井技术面临的诸多问题，深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素三提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术，并阐述了激光辅助破岩技术的原理，为激光钻井技术的发展指明了研究方向三 关键词：激光钻井；激光破岩；破岩效率；激光辅助破岩 中图分类号：ＴＥ２１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０.１６０８２／ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ.１００１－４５７８.２０１６.０７.００２ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｎＬａｓｅｒＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺｈａｎｇＳｈｉｙｉ１ＨａｎＢｉｎ１，２ＬｉＭｅｉｙａｎ１ＷａｎｇＹｏｎｇ１ＳｕｎＪｉａｎａｎ１（１.ＮａｔｉｏｎａｌＯｉｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ；２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎ-ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｈｕａｄｏｎｇ）） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｉｎｇｕｓｕａｌｌｙｌｅａｄｓｔｏｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｗｅａｒ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｆｒｅｑｕｅｎｔｄｒｉｌｌｂｉｔｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｃａｕｓｉｎｇｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄａｎｄｈｉｇｈｃｏｓｔ.Ｔｈｅｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｕｌｄｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｃｙｃｌｅ.Ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｌａｓｅｒ／ｒｏｃｋ／ｆｌｕｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｒｏｃｋｒａｐｉｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｖｉｅｗｅｄ.Ｔｈｅｉｓｓｕｅｓｆａｃｅｄｂｙｔｈｅｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｂｅｅｎｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ.Ｉｎ-ｄｅｐｔｈａｎａｌｙｓｉｓｈａｓｂｅｅｎｐｕｔｏｎｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｌａｓｅｒａｓｓｉｓｔｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｍ-ｂｉｎｅｄｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｔａｔｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｕｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｌａｓｅｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ；ｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｌａｓｅｒａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ ０ 引言 传统旋转钻井方式依靠高钻压二高扭矩和高转速来提高机械钻速［１］，钻具磨损严重，需经常更换，这会导致钻井效率低，钻井周期长，钻井成本高三近年来，激光技术从小功率激光器的岩石切割逐步发展到大功率激光器的钻井破岩阶段［１－３］三将激光技术和钻井工程相结合的新型钻井方式已成为各国研究的热门课题，未来新型激光钻井技术可能取代旋转钻井方式三笔者介绍了激光钻井技术的发展历程，综述了激光钻井技术在基础学科研究中取得的成果，深入分析了影响激光直接破岩效率的因素，并对将激光技术和机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术进行了展望，为激光钻井技术的发展指明了方向三 ７ ２０１６年第４４卷第７期石油机械 ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ?基金项目：山东省自然科学基金项目 深层油气藏激光辅助机械破岩机理及可钻性评价 （ＺＲ２０１４ＥＥＱ０３７）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 深层复杂地质条件激光辅助钻井破岩机理研究 （１５ＣＸ０５０２０Ａ）三

激光钻井技术发展研究

激光钻井技术发展研究 【摘要】近些年来，激光钻井技术在国外有较大的发展，国内这方面也做了一些研究，但还很不够，有必要跟踪该技术的发展，以借鉴和促进国内在这一技术领域的进步。 【关键词】激光；钻井；特性 中图分类号：p62文献标识码：a文章编号： 1006-0278(2012)04-124-01 早在2 0世纪6 0年代和7 0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，妨碍了激光技术在石油钻井领域的研究与应用。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。国内对激光钻井的研究刚刚起步，但我国高功率激光技术已取得突破。故激光钻井的研究前景广阔。本文结合国内外文献，介绍激光钻井技术的技术优势、原理、现状和未来展望。 一、激光钻井的技术优势 就钻井方式而言，传统钻井工艺可分为人工掘井、人力冲击钻、机械顿钻与旋转钻。目前来看，旋转钻井方式是石油钻井的主要方法。旋转钻井这种机械破岩方式于2 0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。在这种情况下激光钻井技术应运而生，那么激光钻井技术有哪些优势呢？

与传统钻井工艺相比，激光钻井主要具有以下优势： 1.由于极高的能量，使得激光钻进能够更易穿透岩石，美国phillipse公司的现场实验表明：激光钻井10小时的钻井进尺，传统钻井工艺需要10天的时间去完成； 2.激光钻井过程中无需钻井液、钻头，套管等传统钻井必须的设备，从而免去了下套管和起下钻柱的时间，大大节约了成本和时间。据研究表明，传统钻井工艺平均仅有50％的时间用于钻进。20％的时间用于起下钻柱，剩下的30％时间耗费在下套管和注水泥等其他操作上； 3.在钻进过程中，激光冲击岩石后会形成一层陶质层井壁，这层井壁可以有效地防止地层流体流入井中，即对井喷事故具有一定程度的预防作用．从而大大增加钻进的安全系数； 4.激光器系统包括各种图像可视系统及井下传感器，可通过光纤电缆与地面进行通讯，可以对整个钻进过程有更全面的把握与布局。 二、激光钻井技术的原理 激光依靠其吸收、散射和反射功能实现钻进工作。激光照射在岩石的表面上，冲击范围为面积为sl的区域，该区域会迅速吸收激光的能量，导致岩石的熔融。与此同时，伴随着对激光能量的进一步吸收以及激光的散射和反射，会进一步影响sl区域周围的岩石，促使其熔融或蒸发，最终会产生面积为s2的井眼(sl