激光鉆井,“沒(méi)有什么可以阻擋”

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1、激光鉆井，“沒(méi)有什么可以阻擋”?石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的鉆井，最直白的解釋就是從地表向下挖掘一個(gè)筒形的通道。最早的鉆井是用乘汲取地下水的。在人類的發(fā)展史上，鉆井大致經(jīng)歷了挖掘井技術(shù)、頓鉆井技術(shù)和旋轉(zhuǎn)井技術(shù)3三個(gè)發(fā)展階段。在前兩個(gè)技術(shù)階段中，我國(guó)均處在發(fā)展的最前列，我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的公元前1500年前后的甲骨文中就已經(jīng)有了“井”字，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的井的深度已經(jīng)達(dá)到50多米。到北宋的慶歷年間（公元1041～1048年），我國(guó)古代鉆井技術(shù)取得了劃時(shí)代的突破，出現(xiàn)了頓鉆技術(shù)，井深達(dá)到了130米左右，鉆井井筒直徑僅有碗口大小。利用這項(xiàng)技術(shù)，到明清

2、時(shí)期，我國(guó)四川鉆鑿油氣井的技術(shù)應(yīng)用就相當(dāng)普遍了，井深大約都在1000米左右。公元11世紀(jì)，我國(guó)頓鉆技術(shù)傳入西方，西方對(duì)設(shè)備和工藝進(jìn)行了改進(jìn)和更新。近代油氣勘探開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)的鉆井已經(jīng)有100多年的歷史，主要采用的是旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)，通過(guò)金屬鉆頭、鉆具沖擊、切割巖石，促使巖屑剝離，并通過(guò)鉆井液將巖屑帶出井口。遇到堅(jiān)硬的砂巖層，甚至采用化學(xué)手段（如爆破），對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。1990年，根據(jù)美國(guó)氣體研究所（GRI）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一口井的鉆井周期中，48%時(shí)間鉆進(jìn)，27%時(shí)間換鉆具、下套管，25%時(shí)間用來(lái)測(cè)井，且行成數(shù)據(jù)。從鉆

3、井周期各階段鉆井耗時(shí)分布情況來(lái)分析，縮減鉆井成本的主要途徑是加大鉆井速度，減少排渣、搬裝鉆具、安裝護(hù)套等。激光鉆井正符合上述需求，是傳統(tǒng)鉆井方式最有潛力的替代者。激光鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1990年始，美國(guó)開(kāi)始把部分冷戰(zhàn)技術(shù)民用化，科學(xué)家們努力把激光應(yīng)用到鉆井實(shí)踐中。從理論上講，激光鉆井是一個(gè)能量傳遞過(guò)程，巖石吸收能量后，使其局部發(fā)生物理和化學(xué)變化。激光器是一種電磁相干輻射的能源，將不同種類的能量（電能、化學(xué)能、熱能等）轉(zhuǎn)換為光能。激光輻射稱為單色輻射，激光輻射的波長(zhǎng)決定于激光器的放射性介質(zhì)，范圍從0.1微米到10微米，跨越光譜的紫外

4、光、可見(jiàn)光、紅外光和亞毫米的波段。激光器把能量轉(zhuǎn)換成光子，光子經(jīng)過(guò)聚焦成為強(qiáng)光束，傳遞給巖石，巖石導(dǎo)熱性差，局部形成高溫，使其層層剝離、熔融、氣化。促使巖石局部高溫和破壞源于吸收激光傳遞的能量，巖石導(dǎo)熱性差，局部高溫，發(fā)生了物理和化學(xué)變化。對(duì)于激光鉆巖石，紅外輻射比可見(jiàn)輻射更有吸引力，不僅因?yàn)榧t外高能激光先進(jìn)性，而且與巖石的特性有關(guān)。激光鉆井相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械鉆井優(yōu)點(diǎn)如下：(1)占地小，井場(chǎng)作業(yè)面小，方便移動(dòng)；(2)可以鉆堅(jiān)硬巖石如砂巖，復(fù)合金屬材料如鋼筋混凝土，可以在復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)，如海上鉆井，湖泊內(nèi)等水域的鉆井等；(3)鉆井效

5、率高，顯著提高鉆進(jìn)速度。用美軍MIRACL激光器所作的評(píng)價(jià)激光器鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)表明，激光束等效鉆速可這50.60m/h，而經(jīng)凹畫鏡改變MIRACL激光器光的方向沿水平方向鉆進(jìn)，等效鉆速達(dá)137.16m/h。(4)遠(yuǎn)程控制效果好，導(dǎo)向性強(qiáng)，提高了井控、射孔、側(cè)鉆、水平鉆井能力；(5)激光與周圍巖石相互作用，可以產(chǎn)生熱量，在井壁形成陶瓷狀固體，節(jié)省套管，降低成本，提高效率；振動(dòng)小，有利于保護(hù)井壁地質(zhì)結(jié)構(gòu)，井壁表面顆粒間隙變小，改善滲透性，提高井性能；(6)排渣少，不采用化學(xué)方法（如爆破）有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，減少對(duì)周圍居民生產(chǎn)生活影響；(

6、7)可以促進(jìn)井下鉆井機(jī)械，激光鉆頭，激光射孔技術(shù)的發(fā)展?？傊?，激光鉆井技術(shù)可降低油氣探井的成本，減少污染，使鉆井技術(shù)發(fā)生革命性變化，實(shí)驗(yàn)證明激光用于油氣鉆井無(wú)可替代，可以減少對(duì)地下儲(chǔ)層污染和破壞。很明顯，用激光鉆井在井口和井筒內(nèi)無(wú)殘余物和爆炸物污染；而且不用清理井口和井筒周圍。激光鉆井技術(shù)，包括激光射孔技術(shù)，有利于井筒構(gòu)造，在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域研發(fā)激光鉆井勢(shì)在必行。激光鉆井發(fā)展史話20世紀(jì)70年代初，美國(guó)、法國(guó)、荷蘭就出現(xiàn)了用激光鉆井和射孔的專利。但由于當(dāng)時(shí)激光器的功率低，激光難于聚焦，加之成本較高，限制了激光鉆井技術(shù)的發(fā)展。隨

7、著激光技術(shù)的成熟，成本逐漸降低，特別是1994年美國(guó)開(kāi)始將所謂的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃中的軍事技術(shù)向工業(yè)轉(zhuǎn)移，打開(kāi)了激光技術(shù)研究應(yīng)用大門，使得激光技術(shù)在鉆油氣井和后期作業(yè)中開(kāi)始發(fā)展。GRI聯(lián)合Halliburton，在芝加哥Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)察、IL和科羅拉多州的石油工程部門等等，作了大量研究，取得了顯著的進(jìn)步，成功設(shè)計(jì)樣機(jī)、模擬復(fù)雜環(huán)境下使用強(qiáng)激光鉆油氣井?；诖?，美國(guó)能源部（DOE）下一步將資助全面研究可以用激光鉆井和后期作業(yè)的基礎(chǔ)科學(xué)原理，可行性、成本、優(yōu)點(diǎn)研究以及對(duì)環(huán)境的影響，最終完成工業(yè)使用的激光鉆井樣機(jī)的研制、開(kāi)發(fā)，

8、提高美國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。在由俄羅斯開(kāi)發(fā)的激光技術(shù)文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，PNLebedev物理研究所使用的一氧化碳激光和二氧化碳激光取得長(zhǎng)足進(jìn)步。位于俄亥俄州Dayton的美國(guó)空軍Hardening材料實(shí)驗(yàn)室最初也使用二氯化碳激光測(cè)試。美國(guó)人研究了多種激光類型：氧碘（COIL）和中