激光钻井技术进展及其关键技术

闫静，王德贵，左永强，惠坤亮，游娜，易畅

（1.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002）

0 引言

近年来随着油气钻探技术的发展，油气勘探开发的主战场逐步转向复杂难钻地层和非常规地层，钻井难度急剧增加。在超深层、高研磨地层等复杂难钻地层，仅通过钻头新材料和结构改进来提速是远远不够的，钻井效率低，很难突破破岩技术瓶颈，需研发高效破岩新技术。自激光器问世后，就有学者提出激光破岩和激光钻井的思想。激光钻井技术在20世纪90年代就已经提出，美国还进行了纯激光钻井试验，研究成果表明：纯激光破岩的机械钻速是传统方式的10～100倍，军用兆瓦级激光器能为4500 m井深钻井破岩提供足够的能量[1]。但由于纯激光钻井破岩能耗高，兆瓦级激光器成本高、安全性低，无法民用化，未能在石油开发中应用。近年来，国内外研究机构转变思路，提出了激光与机械联合破岩技术。激光机械联合破岩由固定切削结构和激光系统组合的激光机械钻头实现，这种破岩方式以PDC刮切为主、激光热裂为辅[2]，既不需要太大的激光能量，又能明显提高破岩效率，降低钻井成本。

1 国外激光钻井技术进展

近年来，民用激光技术突飞猛进。以占全球激光器份额50%的光纤激光器为例，其最大功率在2002年是0.5 kW，2013年为100 kW，2016年则达到了500 kW。光纤激光器的最大功率在15 a内增大了1000倍[3-4]。我国民用大功率激光器近年来也取得了显著进步，至2019年已研制成功了35 kW功率激光器[5]。民用大功率激光器的出现，为激光应用于油气与地热钻井领域奠定了物质基础。美国、德国和日本等国都在致力于激光与机械联合破岩钻井技术研究，已取得一定进展，为激光应用在油气与地热钻井领域研究创造了条件。

1.1 美国

美国ForoEnergy公司从2009年开始致力于激光钻井技术研究，先后与美国能源部、科罗拉多矿业学院和巴西国家石油公司等多家研究机构合作，在激光钻井系统及装置、高效远距离高功率激光传输系统与方法等方面取得突破性成果，申请专利50多件。成功研制了低损耗高功率光纤（传输效率可达80%，传输距离可达1500 m）、动-静转换光纤滑环、激光连接器、井下光学镜组、激光机械钻头、过光纤气体反置螺杆等核心部件，如图1所示。2012年，该公司利用改制的连续管作业机，使用2-7/8 in连续油管配套20 kW光纤激光器及3-1/2 in激光机械钻头进行了以氮气为循环介质的钻井实验，钻进30 m，如图2所示。实验表明：激光机械联合破岩钻压可降低95%，转矩可降低90%，机械钻速可提高2倍以上，特制的光学组件和机械部件承受住了高温、高压和高振动等恶劣环境[6-7]。

图1 适用于钻井的激光核心部件

1.2 德国

2017年，德国海瑞克钻机设备有限公司、IPG激光有限公司等多家研究机构合作，开发了激光（万瓦级功率）喷射复合钻井技术。该技术通过新的“多管中管”钻柱实现激光的保护及与泥浆隔离，使激光破岩可用于泥浆环境。多管中管钻柱有激光通道、气体通道、高压清水通道、返回泥浆通道4个通道，如图3所示。该团队建立了等比例的实验样机，如图4所示。该样机以6 in机械钻头配套功率30 kW 的激光器作为破岩工具，进行了净钻进深度为2 m的钻进实验。实验结果表明，利用激光喷射复合破岩技术可将硬岩的钻进速度提高到10 m/h，与具有低于1.5 m/h 钻进速度的最先进钻井工艺相比，到达目标深度的净钻井时间减少约85%[8-9]。

图2 基于连续管作业机的激光机械钻井系统

图3 激光喷射原理样机系统

图4 激光喷射复合破岩钻具实验样机

2 国内激光钻井技术进展

国内激光破岩以理论研究和单元实验研究为主，主要集中在采用实验方法和仿真的方法研究激光作用岩石的破坏形式和激光破岩的影响因素方面，缺乏实验研究平台及研究持续性，尚未掌握激光机械钻头破岩机理及关键技术，对激光机械钻井整体系统研究较少。

2012年，中石化集团公司项目“气体激光钻井前瞻性研究”（JP13014），设计并搭建了激光辅助破岩系统，完成了万瓦级激光射孔室内模拟试验装置的研制，并进行了系统的激光射孔室内模拟试验。该试验能够针对岩性进行激光参数优化，有助于提升激光破岩效果，对激光技术在石油工程领域应用具有重要的指导意义[10-11]。

2018年，西南石油大学和激光聚变研究中心共同成立了激光-机械破岩联合实验室，开展了千瓦激光穿过空气、清水、膨润土溶液的衰减试验，搭建了千瓦级激光与机械联合破岩实验装置，进行了激光与机械联合破岩机理的初步研究。

2019年，中石油集团公司项目“激光与机械联合破岩方法研究”，研制万瓦级激光机械钻头并进行台架实验，探索破岩机理，进行了国内首个井下激光器的设计。

3 激光机械钻井关键技术

激光机械钻井是一项前瞻性系统工程，影响因素较多，应用难度非常高，应分阶段、分步骤开展研究，通过解决制约激光机械钻井工程化应用的技术瓶颈问题，加快激光机械钻井的工程化进程。

3.1 激光与机械联合作用下破岩机理

在激光作用下，岩石的弹性模量、渗透率、孔隙度等物性参数变化规律，是研究激光与机械联合破岩机理的核心。需要构建激光与机械联合破岩动力学模型，采用仿真和实验相结合的方法，描述岩石的损伤与破碎规律，揭示激光与机械联合作用高效破岩成孔机理，建立岩石损伤评价方法和激光与机械联合作用钻速方程[12-13]。

3.2 激光与机械联合破岩参数配置技术

激光参数（如激光功率、离焦量、照射时间等）和机械结构（如冠部轮廓和布齿结构等）及两者的匹配关系（激光束数量、形态、布局等）对破岩效率的综合影响是研制激光机械钻头的理论依据。只有通过合理调控、优化激光参数等技术手段，解决参数配置技术难题，才可能实现高效破岩目标[14-15]，如图5所示。

3.3 适应井下环境的光学组件

光学组件在高温高压恶劣井下工况中的稳定性和可靠性是关键重要的研究，必须解决光学组件防尘、冷却、抗震和保护等适应性关键问题，为光学组件在联合破岩成孔中的应用提供基本保障[16]。需开展光源输出耦合系统的高效耦合、洁净控制、高效热管理，以及与钻具匹配性等的设计、研究，解决光学组件防尘、冷却、抗震和保护等适应性关键问题，为光学组件在联合破岩成孔中的应用提供基本保障。

图5 激光参数与机械结构影响因素

3.4 激光机械钻头研制技术

激光机械钻头上涉及到的光学器件需要与切削结构进行耦合设计。首先进行切削结构布齿、保径优化设计，再进行激光、气体通道结构设计和流场分析，开展激光机械钻头研制，然后增设光学器件冷却、清洁、保护等装置。光学器件与切削结构在钻头上的组合技术是实现激光机械破岩方式的高效协同破岩的重要工具[17-18],如图6所示。

图6 激光机械钻头结构示意图

3.5 井下激光器技术

激光器具有独特外形，受井下空间和环境条件的限制，对井下激光器可行性研究尤为重要。结合目前高功率激光器应用的成熟技术，对井下高功率激光器进行轻型、小型化可行性设计创新的研究，形成数万瓦光源的设计模型，为激光钻井工程化应用提供理论基础及可行性论证[19-20]。功率更大、尺寸更小、电光转换效率更高、适应井下环境的井下激光器是未来的发展方向，如图7所示。

图7 井下激光器原理图

3.6 高功率激光的远距离传输技术

把高功率激光传输到井下几千米的激光头，会在传输过程中不可避免地发生能量衰减。损耗太大，会导致系统的效率降低，甚至不能顺利实施破岩功能。高能激光在传能光纤中传输时，主要经历吸收损耗、瑞利散射损耗及受激拉曼散射损耗。美国目前已经可实现1500 m以内井深的激光气体钻井，激光传输效率可达80%，传输距离可达1500 m，但对于埋深6000～8000 m的深层超深层难钻地层目前不具有可行性，主要原因是万瓦级激光仍然无法传输6～8 km而保持低衰减率[4,21]。

4 结语

激光与机械联合钻井是一项很有发展前景的技术。目前对激光与机械联合破岩技术的研究开发还仅停留在实验室试验阶段，国外对激光与机械联合破岩技术的研究高度重视，已经在基础理论、基本方法和关键技术探索研究方面走在前列。激光与机械联合破岩是钻探领域具有先导性和前瞻性的应用基础理论研究项目，涉及到多学科的交叉渗透与协同配合，尚存在着一系列的难题亟待解决，如激光与机械联合作用下破岩机理、高功率激光发生器的小型化、激光束在井下环境传输、适应井下环境的光学组件研制等技术难题，这些难题是制约激光与机械联合破岩工业化应用的瓶颈，而激光与机械联合作用下破岩机理及参数配置、光学组件在联合破岩成孔中的适应性技术、激光辅助破岩钻头研制和试验技术作为核心，应当是现阶段需要解决的关键技术问题。

鉴于目前激光科技发展潮流和应用技术日益成熟，可预想这将大大提高现有的激光钻井技术研制的水平，也将加快激光与机械联合钻井应用的能力。未来激光钻井技术的发展将是石油钻探开发降本增效的强大助推器。