激光钻井基本原理

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。

激光钻井技术应用在石油开采行业中具有独特的优点：

（1）激光能量极高，更易穿透岩石，美国Phillipse公司用MIRACL激光器进行钻孔试验，激光束在1s内可穿透60mm厚的砂岩一页岩一砂岩夹层，其穿透速度比常规钻井速度高上百倍。

（2）激光钻井不需要钻头，套管等设备，不需要下套管和起下钻柱，这样不仅节约了钻井成本，时间也缩短了3成。

（3）传统机械钻井过程中，地层中的石油、水等流体会流人井中，易发生井喷事故，而用激光钻井，在岩石上会形成一层陶质层井壁，可以有效的预防此类事故发生，提高钻进的安全性。

（4）激光器系统中包含各种井下传感器和图像显示系统，可通过光纤电缆或无线网络与地面进行通讯，使工作人员对钻进过程有更全面的把握与控制。

尽管激光钻井技术的提出己有近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，当前要研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，用激光钻时，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，怎样克服这些困难等。

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，对今后的油气开采有什么影响，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，所用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相比，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10“w级，这么大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要多大等 。

根据模拟实验研究，用功率为600～1200kw，波长为3.spm的MIRAcL激光器发出的激光，在4.55钻穿了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50.60m/h;而用500kw激光束，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/h。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；激光与周围岩石相互作用，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，激光钻可降低成本，减少污染，可能会使钻井技术发生革命性变化 。

由于激光具有亮度大的特点，就使得激光技术问世后不久就有人想把激光技术用于石油工业的钻井。20世纪70年代初，美国、法国、荷兰就出现了用激光钻井和射孔的专利文献。但由于当时激光器的功率大约只有数千瓦，激光的波长较长难于聚焦，更主要可能还是成本较高，激光钻井未曾实现.鉴于此，许多人怀疑激光钻井的可能性.但自那以后，对激光器、激光器功率、效率、发射能力等作了大量研究取得了显著的进步。

现代的高功率激光器，可把电能光学能或热能转换成光能，光能经聚焦后形成很强激光束可粉碎、熔化、蒸发岩石.激光的波长可为0.1～103pm，氟化氢（HF)和氟化氛(DF)激光器、化学氧化碘激光器(coIL)、cq激光器、co激光器、自由电子激光器(FEL)，钱/忆铝石榴石(Nd/ YDG)激光器和氟化氢(KrF)激光器，其工作波长、脉冲长度、功率等参数都可作为钻井用激光器.这些激光器通过反射、散射、黑体辐射、等离子屏蔽等形式把能量传递到岩石上。

1998年和1999年，许多文献披露了美国重新提出激光钻井的问题，美国GRI(GasRe-search Institute)提出了一项两年计划，准备投资60万美元，联合美国空军、美国陆军和科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美国在20世纪80年代和90年代用于星球大战的激光技术用于石油工业的气井钻井、完井的可行性、成本、益处以及对环境的影响，提高美国工业的竞争能力。

美国这次研究计划投入的力量很大.投入的设备包括美军白沙导弹实验场的高能激光系统试验设备(简称HELsTF)及美国空军的研究实验室，试验中拟使用的激光器是能量为10“w的中红外高级化学激光器(简称MIRAcL)和化学氧化碘激光器(简称coIL).这些激光器原为用于舰载防御和空对空防御的激光器，以其能够击穿数英里外飞行的战术和战略目标，跟踪和摧毁导弹的能力说明能够用于钻4572m深的气井.coIL激光器能够与光纤祸合的特点以及输出功率高、化学物质价格低，使它能够用于气井钻这类能量传输距离长的工程项目。

美国还另外投入两台高功率激光器用于研究激光束与周围材料的相互作用一是放电共轴激光器，用来研究在各种环境下激光束对不同材料的影响。15年来的研究成果组成的内容广泛的数据库可使人们更透彻了解材料与激光之间的相互作用。另一台是激光器示范设备，主要用于确定强激光束与不同软岩石矿物之间的相互作用，试验费用相当低廉，表明可大量探索岩石与激光的相互作用，以及在井下条件激光与岩石的相互作用。

前述美国菲利蒲石油公司用美军Ml RAcL激光器所作的评价激光器钻进实验表明，激光束等效钻速可达50.60m/h，而经凹面镜改变MIRAcL激光器光的方向沿水平方向钻进，等效钻速达137.16m/h；用激光射孔，射孔深度可达6lm。

我国早在20世纪60年代就开始了激光技术的研究，并曾花费数千万元研制大功率激光器，尽管当时未获得成功，但积累了丰富的经验。1998年，中国科学院超短脉冲高功率激光技术研究取得了巨大进展，获得了中国科学院院级发明一等奖，这为激光技术在石油钻井中的应用打下了基础 。

激光钻井优点

激光光能的传递

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。

用于天然气钻井的激光

1.氢氟酸和氟氖化合物激光其工作波长范围为2.6～4.2μm。美国军方研制出的这种中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1.315μm。现今这种高能连续波激光己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出现。

3.二氧化碳激光的工作波长是10.6μm，可以以连续型和重复脉冲波形模式传递，平均功率约为IMw。在以重复脉冲模式传递时，它的脉冲周期为1～30μs。

4.一氧化碳激光的工作波长为5～6μm，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1～100005μs。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，它的脉冲波长为2.5～4.0μm。

5.自由电子激光由于自由电子激光所采用的高能电子不会离散能级，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。一些科学家认为自由电子激光是未来高能激光的发展方向。激光辐射波长可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、镜、金刚砂化合物铝钱、镜、金刚砂化合物的工作波长为1.06μm。如今，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.氟氢化合物氟氢化合物是一种激发二聚体激光，工作波长为0.248μm。之所以用激发二聚体这个术语描述这种激光主要是因为在这个双原子分子中氟氢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0.1μs。

激光钻井是一项新技术，它可能会改变整个钻井概念.对我国来说，这既是挑战，又是机遇.尽管我国尚未见这方面的研究，但国外也只是在探索，我们应积极地迎接这一变化，尽早开展研究，在新的钻井技术发展中走在世界的前列 。