激光钻井技术及其应用前景分析

2015-03-23周鹏华东石油工程公司六普钻井分公司江苏镇江212003

化工管理 2015年22期

周鹏(华东石油工程公司六普钻井分公司，江苏镇江 212003)

早在二十世纪六十年代，美国已经开始寻求高效破岩方法，接连研究了水射流、激光、电子束等多种方法，得出激光钻井方法效率高且易于实现，到二十世纪七十年代之间出现了相关的专利和文献，后来美国多个部门联合实验得出了激光钻井是可行的且激光钻井的理论速度是常规钻井的近百倍，速度达到137.2m/h。此后，很多专家学者都对激光钻井的基本概况进行了研究，提出了一系列的研究成果[1-2]。本文重点对激光钻井的机理以及发展前景进行了分析，这为国内正确认识激光钻井新技术以及尽早应用激光钻井新技术提供了重要的参考。

1 激光钻井技术概况分析

(1)激光破岩机理分析从本质上讲，激光钻井就是利用强激光作用在岩石上，使得岩石在高压、高温下发生复杂的物理化学变化从而产生破坏。岩石表面在激光照射下会产生吸收、散射、反射等现象，强大的热冲击使得岩石蒸发、熔融形成气体，进而在高压的作用下压出地面。与此同时，性质不同的岩石在激光作用下会产生不同的物理化学变化，导致周围岩石的物性参数也会产生一定的变化。为了使得激光钻井取得更加良好的效果，可以向钻探部位喷射可膨胀的高强度液体射流,使钻材料易于粉碎和融化，使得井壁光滑以便于碎屑返回地面。

(2)激光钻井技术的优势分析和传统的钻井方式相比，激光钻井具有一些独特的优势，主要表现为以下几个方面。

①成本低。激光钻井技术是钻井领域的一场革命，激光钻井成本在陆地大约为40万美元，而钻进速度是常规旋转钻进方式的几十倍，由此可见，激光钻井技术大大节约了钻井时间和钻井成本。它还能够很好地清除井眼里的碎屑。②提高钻井效率。激光钻井不用像传统钻井那样频繁的起下钻更换钻头，节约时间。③改善岩石孔渗特性。经过激光作用的岩石渗透率和孔隙度都会变大，当热导率较大时，这种增加更加明显。④打捞作业更加方便。激光钻进系统的使用工具体积很小，不需要采用庞大的钻井立柱，更加方便打捞作业的开展，有些时候激光能够直接融化落鱼，避免意外事故的发生。⑤对地层伤害小。激光钻井方法避免了常规射孔枪可能造成的井眼堵塞、套管破裂等伤害，能够很好地保护钻进施工。⑥钻速高。激光钻井方法钻进速度是传统钻井方法的几十倍，极大地提高了钻井效率。⑦激光钻井技术对周围环境的破坏和污染都比较小。

2 激光钻井应用亟需解决的问题

①复杂的地层条件。由于目前在实验室条件下，对于地层水、原油、天然气、盐水的具体组合情况无法精确模拟，因此得出的结论只具有参考价值，无法依据实验数据进行实际施工，如何解决复杂地层条件对激光钻井技术的影响是当前激光技术应用的难点。②异常压力的控制状况。是否钻达油气层可以利用比能值的变化情况进行确定，但是当钻遇高压层时，很容易形成井喷，因此，激光钻井技术要求必须具有完好的井控系统，避免各种事故的发生。③现场应用和实验室条件的差异性。目前在实验室内对激光钻井技术进行了大量的研究，也取得了一系列成果，但是由于岩石的体积规模和地层条件相差甚远，能否利用放大比例的方法进行类比还有待考证，因此必须研制出激光钻井机并在实际中不断校正和改进才能更好地研制出指导实际的激光钻井工艺。

3 激光钻井技术的发展趋势

激光钻井技术不断取得研究进展，主要来说今后激光钻井技术将朝着以下几个方向发展。

①激光深井破岩中高温岩屑运移的多相流动理论。当前对于激光破岩后，岩屑以及气化岩石在返出地面过程中的流动理论问题的研究还基本没有，特别是对于辅助排屑气流、岩屑混合气流、飞溅物的体积分数、蒸汽压力大小、气体的生成量等具体量的研究还严重缺乏。

②岩石相变的传热学与热力学。在激光钻井技术方面还有一些问题有待解决，比如钻井成本的经济性、激光束在井下的传输性能、激光钻进的储层保护、井漏防治和井喷控制、大功率激光器微型化研制等，这些问题要求对岩石相变的传热学和热力学等基础理论有比较深入的研究，因此，这也是发展的趋势。

③流体、岩石、激光交互作用机理。美国针对流体、岩石、激光交互作用机理进行了一些研究，通过实验对不同激光器与不同岩石和流体介质之间的作用情况进行了分析，指出激光采用脉冲波形的破岩方式, 其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。但是在脉冲波形能量密度对晶格相变过程和破岩速度的影响情况、岩石能量转换规律和吸收效率、岩石热破坏模型和准则等方面还有待研究。