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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。最早的钻井是用来汲取地下水的。 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5 0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。 1 9 9 0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，且形成数据。 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.lμm到10μm，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；（2）可以钻坚硬岩石如砂岩，复合金属材料如钢筋混凝土，可以在复杂环境中作业，如海上钻井，湖泊内等水域的钻井等；（3）钻井效率高，显著提高钻进速度。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；（4）远程控制效果好，导向性强，提高了井控、射孔、侧钻、水平钻井能力；（5）激光与周围岩石相互作用，可以产生热量，在井壁形成陶瓷状固体，节省套管，降低成本，提高效率； 振动小， 有利于保护井壁地质结构，井壁表面颗粒间隙变小，改善渗透性，提高井性能；（6）排渣少，不采用化学方法（如爆破）有利于生态环境保护，减少对周围居民生产生活影响；（7）可以促进井下钻井机械，激光钻头，激光射孔技术的发展。 总之，激光钻井技术可降低油气探井的成本，减少污染，使钻井技术发生革命性变化，实验证明激光用于油气钻井无可替代，可以减少对地下储层污染和破坏。很明显，用激光钻井在井口和井筒内无残余物和爆炸物污染；而且不用清理井口和井筒周围。激光钻井技术，包括激光射孔技术，有利于井筒构造，在油气勘探开发领域研发激光钻井势在必行。 激光钻井发展史话 2 0 世纪7 0 年代初， 美国、法国、荷兰就出现了用激光钻井和射孔的专利。但由于当时激光器的功率低，激光难于聚焦，加之成本较高，限制了激光钻井技术的发展。随着激光技术的成熟，成本逐渐降低，特别是1994年美国开始将所谓的“星球大战”计划中的军事技术向工业转移，打开了激光技术研究应用大门，使得激光技术在钻油气井和后期作业中开始发展。 GRI联合Halliburton，在芝加哥Argonne国家实验室，IL和科罗拉多州的石油工程部门等等，作了大量研究，取得了显著的进步，成功设计样机、模拟复杂环境下使用强激光钻油气井。基于此，美国能源部（DOE）下一步将资助全面研究可以用激光钻井和后期作业的基础科学原理，可行性、成本、优点研究以及对环境的影响，最终完成工业使用的激光钻井样机的研制、开发，提高美国工业的竞争能力。 在由俄罗斯开发的激光技术文献及实验数据中，P.N. Lebedev物理研究所使用的一氧化碳激光和二氧化碳激光取得长足进步。位于俄亥俄州Dayton的美国空军Hardening材料实验室最初也使用二氧化碳激光测试。美国人研究了多种激光类型：氧碘（COIL）和中红外化学激光（MIRACL）等。氧碘由位于美国新墨西哥中部Kirtland空军基地的美国空军研究实验室开发。原来装配在大型飞机波音747中，实验中用其跟踪摧毁导弹。测试中发现这种激光的输出功率超过1200kw。随后将此类激光器用于舰载防御和空对空防御的武器。经试验，这种激光已经能够将巨大的能量在空气中传播数英里，并可在飞行中的战略性或战术性军事目标上穿洞，跟踪和摧毁导弹，因此其威力足以用于钻最深的油气井。 位于美国新墨西哥白沙的美国军方强激光系统测试中心进行了中红外MIRACL的研发，随后进行了MIRACL中红外高级化学激光器用于对储层岩石的首次系列实验，是西方世界开发的第一个兆瓦级、连续波化学激光器。最近的发展方向是将输出功率提高到数十兆瓦，改进HF激光的光束质量和亮度，并探索由HF激光器获得1.3μm左右短波长输出的可能性，有利于光纤传输。 COIL氧碘激光器能够与光纤耦合的特点以及输出功率高、化学物质价格低，使它能够用于钻油气井这类能量传输距离长的工程项目。美国空军研究实验室的化学氧碘激光器在1977年开始开发，波长λ＝l.315μm，很容易在大气中或光纤中传输,具有高达40％的能量转换效率。这种高能激光器以连续方式运作，已经在军事和现在工业中应用。显然，精度和能量足够解决在激光钻油气井钻井或完井作业中经常遇到问题，如控井、侧钻和水平钻井问题。 美国等发达国家的激光实验也采用了一氧化碳、二氧化碳和自由电子等激光，但是横向测试效果不佳。自由电子激光能够以连续波、任意波长形式出光。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。激光辐射波长可调整的特点，针对不同的环境，可以优化激光，减少反射、散射、黑体辐射和等离子体的屏蔽效应而出现的能量损失。 近年，世界上已经将高能光纤激光用于商业用途，主要用于工业材料处理，是固体和二氧化碳激光的有效竞争者。经过两年的研发，光纤激光从几瓦到千瓦级，足可以通过光纤开凿岩石。大量实验工作的结论显示，与前期军事工业激光数据进行对比，强光纤激光（HPFL）在切削钻石灰岩和砂岩上表现出很好的能力，将是下一阶段远程遥控钻井的最佳候选者。 地下或者水下钻孔，尤其多光束钻井，每一个光束都需要支持井下激光能量传递理念，通过光纤或者其他波传导材料传递。功率需求在目前测试光纤能力范围内，另外，一些技术在研究阶段，如中空光纤，未来可以附属功能光传递，更能提高光纤激光的应用前景。总之，这些改良迅速提高光纤激光优越性，主要定向应用于包括坚硬岩石采矿，打通隧道，切割公路，岩石钻孔。 岩石钻孔中，激光选型至关重要，关系到切削的质量和效率。功率已经不是主要问题，关键是如何降低成本，提高效率，还应当考虑在野外条件下激光系统应用需要达到一定条件，包括达标的供电，整个系统可靠、便携、高效，在水下或流体中传输等。同时还要根据不同的岩石类型调整激光参数，包括放电类型（连续或脉冲）、波长、峰值功率、平均功率、密度、占空比等等。岩石物理特性如：多孔性、渗透性、矿物结构、粘度、耐压强度、抗张强度等都将影响激光钻井，根据岩性不同调整激光参数，使其剥离，而不发生熔融、气化，以降低成本。 目前，美国经过大量实验，支持采用强激光非爆炸替代油气钻井。但是现阶段采用与传统钻井结合方式为宜，通过特殊套管到达井下岩石层，应用激光钻井技术，射孔和定向钻井，采用诱导方法不致使储层破坏。 激光钻井技术存在的问题 激光钻井技术完全投入工业应用尚存在一些问题，需要进一步解决：激光钻井涉及到多学科配合，技术协调平衡非常关键；激光钻井技术在投入工业化使用之前须模拟更复杂的环境，如在水下、流体中钻井实验；还需进一步提高激光器的效率和能量转换效率、缩减能量损失，降低成本的需求；简化操作程序，低成本维护和维修等。 相信随着技术不断创新，这些问题都会迎刃而解，激光即将成为钻井、切割路面、隧道开凿的强有力工具。 美国阿尔贡国立实验室激光应用项目负责人 C l a u d e B . R e e d 博士， 在2 0 0 5 年曾经预测： “ 十年或者更长时间激光钻井将取代传统钻探，没有任何原因能阻止激光贯穿任何材料； 激光能操控任何材料。” 激光钻井代表低成本、高效，应用前景广阔。对全世界的石油工程人员来说，这既是挑战，又是机遇。 |
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