激光鉆井［5是指利用大功率聚能激光束直接作用于巖石表面，使其局部驟然升溫，巖石吸收激光輻射的能量后在內部產生熱應力，當熱應力達到巖石的極限強度時，巖石就會被破壞。若巖石吸收的能量超過其熔化破壞的閾值，則巖石溫度升高到熔點以上，使巖石以熔融或氣化形式被破壞。巖石破壞后形成的殘余物由高速氣流攜帶并排出，以快速形成井眼。激光鉆井的發展及激光種類激光技術是20世紀60年代在量子物理學光子光譜學及無線電電子技術基礎上興起的一門多學科結合的科學技術。這種基于受激輻射而獲得的特殊光具有一些重要的特性，如亮度高、單色性方向性好等。基于以上特點，為了發展快速鉆井技術，人們積極推進激光鉆井技術的研究。激光鉆井破巖思想的提出，源于1994年美國國會通過的”星球大戰”計劃中軍用大功率激光器向工業轉化的議案。上世紀70年代末和80年代初，以蘇美兩國為代表的東西方陣營的軍事冷戰進入“白熱化”階段，美國加緊了“星球大戰”所用的各類激光器的研制，促進了激光技術取得迅速發展。隨著1991年蘇聯的政治解體和東西方對抗的結束，美國政府向工業界提出了授權轉化冷戰軍事技術的計劃，于是，激光鉆井破巖技術被納入美國能源部石油天然氣勘探開發中重大戰略新技術的議事曰程。一、激光的重要特征激光的上述特點，使它的發展促進了許多學科的發展，在許多工業部門得到了廣泛的應用.此刻只有已開發的幾種高能激光器呈現出對天然氣鉆井和完井有吸引力：HF(DF)激光器：氟化氫(HF)和氨化氘(DF)激光器分別以波長入=2.6?3.3旦m和5?4.2旦m之間運作。前者輸出15條以上的譜線，后者則約有25條譜線。都可實現數兆瓦的輸出。美國陸軍的MIRACL中紅外高級化學激光器用于對儲層巖石的首次系列實驗，是西方世界開發的第一個兆瓦級，連續波化學激光器。最近的發展方向是將輸出功率提高到數十兆瓦，改進HF激光的光束質量和亮度，并探索由HF激光器獲得1.3旦m左右短波長輸出的可能性。KrF(激元)激光器：氟化氟激元激光器以短脈沖方式工作在紫外波段，波長入=0.248^。術語激元是用來描述這種激光器的，因為組成原子氟和氟在這種雙原子分子中是結合于激發狀態，而不是基態。這種性質使這種激光器以RP方式運作。最大平均功率是10KW，脈沖寬度0.1旦m。C02激光器：二氧化碳激光器以波長入=10.6旦m運作。它能以CW或RP兩種方式運作，它的脈沖寬度能在1—30旦m之間變化，平均輸出功率若干兆瓦。C02激光器的重大優點是它的耐久性和可靠性。它的問題之一是因為它的大的波長，通過纖維光學裝置時它大大衰減。CO激光器：一氧化碳激光器以波長入=9?5.8旦m運作。它也能以CW或RP兩種方式運作。它的可以達到的平均功率直到200KW，脈沖寬度能在1?1000HS之間變化。第一個倍頻CO激光器以波長入=2.5?4.0^m，并以CW或RP方式運作。達到較短波長的能力是重要的，因為當激光輻射的波長變得較短時，由于激光等離子體的表面屏蔽的影響降低。FEL激光器：游離電子激光器通過高能量的電子運作。沒有不連續的能級，因此允許調節到實際上的任何波長以CW方式運作。有些科學家認為它是未來的高能激光器；調節激光器輻射波長的能力將允許對于象反射、散射、吸收、黑體輻射和等離子體屏蔽這樣一些作用進行優化。Nd:YAG激光器：摻釹釔鋁石榴石激光器以波長入=1.064旦m運作°Nd:YAG晶體具有好的光學質量和高的熱導率，這使它可以在較高的重復頻率下工作。最近幾年發展起來的二極管泵浦技術使Nd:YAG激光器的能量轉換效率大大提高，結構更加緊湊。當前只有4KW的工業激光器是市場上可供應的。研究和開發這種激光器的趨勢表明，著手從事具有10KW和更高的輸出功率的該激光器的可行性。COIL激光器：美國空軍研究實驗室的化學氧碘激光器以波長入=l.315旦m運作，很容易在大氣

中或光纖中傳輸。具有高達40%的能量轉換效率。在1977年開始開發，這種高能激光器以連續方式運作，已經發展成軍事應用和現在工業應用的高級狀態。它已經由于其機載激光器（ABL）作戰能力而眾所周知，它被放置在波音747飛機上用于以兆瓦的功率追蹤和破壞導彈。它已成功地以31英里（50公里）的距離追蹤。顯然，這類精度和距離能夠消除在氣井鉆井或重新完井中經常遇到的許多井控、側鉆和定向（側向）鉆井問題。化學氧碘激光器及其主要特征由美國空軍于1977年開始開發的化學氧碘激光器（COIL），又稱為美國空軍星球大戰激光器，已經發展成軍事應用和現在工業應用的高級狀態。COIL己經由于其機載激光器（ABL）作戰能力而眾所周知，它被放置在波音747飛機上用于跟蹤和摧毀導彈。它已成功地以31英里的距離跟蹤。比較起來，一般的天然氣深井是鉆到3英里的深度。顯然，這類精度和距離能夠消除在天然氣井鉆井或完井中經常遇到的井控、側鉆和定向鉆井問題。美國空軍對開發COIL技術的商業用途很感興趣。盡管是作為一種武器系統來開發的，但是COIL的高能輸出以及便宜的化學材料使其非常適合于其他用途°COIL的一個獨特優點是和光纖結合的可能性，因此非常適合于象石油鉆井之類的遠距離高能發射。圖5—2表示COIL的簡圖和這種激光器的化學和能量圖示。全面的COIL過程概念上是簡單的。堿性的過氧化氫當與氯氣混合時產生激發狀態的氧（稱為氧獨態6）。這個反應的副產品是油田中平常的鹽水。這種氧獨態6當與液態碘化合時既引起分子碘離解為原子碘，又產生激發狀態的碘。它是受激碘的激化幅射將電子轉移到原子碘并依次釋放光子。氧和碘的激化輻射期間釋放的能量￡表達為￡=hV［式中h是普朗克常數（6.626E—34J—s）；v是由光速c（2.99792458E+10cm/s）除以波長入所定義的，或v=c/入；因此￡=hc/入］。圖73中的能量圖示是通過表達￡/hc=1/入來展現的，所以單位是厘米的倒數。如能量圖示中表明的，將氧和碘激發到高能狀態是可能的。適合于天然氣鉆井和完井的COIL的一些主要特征包括：?以高的功率和傳輸效率引導井下激光束對準巖石面的高度可調節連續波（CW）。?適合于更好聚焦和容許在巖石中有高的切割效率的短的波長。?由于激光器內腔中密度梯度很小的卓越光束質量，所以功率強度是可以達到保持巖石散裂（破碎）、熔融（熔化）或汽化。?化學燃燒劑是安全的，容易得到的和環境上有吸引力的。?輕便的（也就是可裝掛車的）。CtaURjnduEh玲J.1￡R)A心■是K0H.-r-H君.A口2ftHCtaURjnduEh玲J.1￡R)A心■是K0H.-r-H君.A口2ftH-■任哺■由&?MA.■W■F尸5lMMl?d4rEui?rMM:?⑦-，GK%ff-M■-<(>西Ejhlaha&7fnpvr胃Bmk心*L1-.Mfti如f口由土■■Etrsri心辱ifiMtt出5dqmiiWi豆CL2C氣體）；2.堿性過氧化氫KOH+H202（液體）；3.12（氣體）；4.激光反射鏡；.激光增益區（I英尺）；6.排至滌氣器；7.02（1A）氣體發生器；8.熱；9.KCI（鹽）；10.超聲混合噴嘴；11.激束（1.315旦m）；12.化學產生激發狀態的氧02（14）；13.激發狀態的氧離解分子碘；14.激發狀態的氧增壓原子碘1；15.激發狀態的碘放射激光（電子傳輸）；1.能量，cm—1X103；下標（1）一（液）；下標（g）一（氣）COIL激光器化學：02（1E）——激發狀態

的氧，獨態z02C1A）——激發狀態的氧，獨態△氣體氛圍的影響；圍限巖石應力的影響；光束周期性（連續波和斷續波）的影響垂直的和水平的光束穿透之間的比較。SE=輸入能量=(KW/cm2)-s=KJSE=輸入能量=(KW/cm2)-s=KJ除去體積cm勵控酬I-——激發狀態的原子碘I——原子碘基態I2（3nOH）——激發狀態的分子碘（第2級）I2（3n1H）——激發狀態的分子碘（第1級）I2（1Z）——分子碘基態用化學氧碘激光器進行的實驗研究和結果

coll實驗目標用COIL進行了一個實驗方陣，以1.315Hm的波長、功率水平從5?10kw,連續波方式工作。圖5—3表示實驗室裝置圖。設計這些實驗是為了確定鉆穿各種巖石（砂巖，石灰巖，頁巖，巖鹽，花崗巖，混凝土）的可行性，并為了確定控制激光器的參數。為了這些實驗，在直徑1英寸?2英寸，長2英寸的巖心栓中造出直徑1/4英寸的孔眼。巖樣典型地受到8S照射。X射線計算機層析成象術輻射顯象是用來通過提供穿透深度、孔眼大小和完整性以及巖石孔隙度、密度和原子序數變化資料，表示激光器如何進行的。這些實驗探索的目標是：砂巖、石灰巖、頁巖、巖鹽、花崗巖和混凝士的穿透鉆速；流體浸透對穿透的影響；與蒸氣干撓有關的孔眼穿透限度；結果是用以KJ/cm，為單位的比能表示。比能（SE）定義于公式：cm圖5—3COLL實驗裝置1、罐；2、反應方向；3、地面范圍；4、光子照射；5、管子；6、紅外照相機；7、攝象機；8、快門；9、氛圍吹洗；10、激光反射鏡;

11、巖樣；12、透鏡控制光束尺寸；13、在目標上光束尺寸0.25英寸；14、吸入；15、控制閥；16、一次發射期間光束行進距離=1297cm。比能是功率密度（KW/面）乘以激光照靶時間再除以各個試樣的穿透深度（cm）。對于討論的用途，比能是除去1cm3巖石所需要的能量數量。這個測量法允許對進行的各種實驗進行比較，而且更重要的能在整個研究所用的各激光器技術之間進行比較。激光鉆井的原理及優點激光直接破巖機理巖石的破碎和運移是油氣井鉆井完井過程中的重要問題之一。研究激光鉆井也應首先著眼于激光與巖石作用機理的研究。激光與巖石直接作用時，一部分能量被巖石吸收，其余都被反射和散射損失了。當巖石內的能量積累到一定程度、溫度足夠高時，就會發生如圖1所示的3種破巖形式為主的一系列復雜的物理化學反應，如破碎、分解、熔化和汽化等。激光直接破巖是一種非接觸式的物理化學破巖新方法，能量利用率高鉆井深度在理論上可以無限延伸，這是激光鉆井的最大優勢。激光破巖的物理過程圖2為激光破巖的實驗裝置圖％，一般采用高壓氣體噴嘴清除巖石碎屑。巖石受激光輻射后，射束作用的部位溫度急劇升高，局部高度集中的能量便可對巖石形成高效的熱破壞。這種熱破壞包含3種形式：熱破碎、熔化及汽化。其中，巖石到底會以哪一種形式破壞取決于激光本身的性質、巖石的熱物理特性及巖石受輻射的時間。激洗在激光熱量接近耐未達到巖石的液化潛熱時在激洗熟量達到或超過巖石的液化潛熱時荏激比熱量達到或超過巖石的汽化潛熱時激洗在激光熱量接近耐未達到巖石的液化潛熱時在激洗熟量達到或超過巖石的液化潛熱時荏激比熱量達到或超過巖石的汽化潛熱時給熱裂為松散碎片巖在為液態圖2激光破巖裝置圖巖石內部產生熱跟應力，熱應力作用于巖石并在巖石熔化前將其破壞或顆粒。實驗14表明，巖石在熱應力的作用.巖石由固態直接成利接變為氣&激光直接破巖的基本原理是，利用高能光束使巖石基質材料局部快速加熱，由固態瞬間相變到熱熔和汽化狀態，并形成氣液固多相混合物（如圖1所示），然后由高速輔助氣流將其攜走和排除。激光直接破巖是一種非接觸式的物理化學破巖新方法，能量利用率高。鉆井深度在理論上可以無限延伸，這是激光鉆井的最大優勢。函I期并官搏精巖的主尊物理仆學即金下破碎需要的能量最低因而應盡可能以這種方式破巖來獲取最高的破巖效率和鉆進速度。圖2為比能與激光平均功率的關系。從圖2可看出：激光作用于巖石表面，當其功率較低時，大部分能量用于巖石熱膨脹、產生裂縫以及分解礦物，此時比能較大;但隨功率的增大，移除巖石的激光能量利用率也隨之增大，此時比能逐漸減小；在礦物開始熔化前的那一刻，比能達到最小;功率繼續增加后，由于熱量在巖石中的擴散要比巖石從激光束中吸收能量容易得多、快得多，使巖石基質吸收的能量超過了擴散的能量，溫度達到礦物熔點，巖石開始熔化，但由于二次作用的影響，比能將會產生個飛躍⑶。a有缺陷的巖石受激光輻射；（b）巖石吸熱后缺陷

區域受熱應力作用，缺陷沿裂縫方向伸展;（c）裂縫

擴張成空腔并擠壓出碎片（d）碎片從巖石表面脫離1）熱破碎區（左邊區域）：激光作用于巖石表面，當其功率較低時，大部分能量用于巖石熱膨國】比能與灘光平均功率的變化關系脹、產生裂縫以及分解礦物，此時比能較大;若增大激光入射的功率，則比能逐漸減小，在達到礦物熔化的臨界點時，比能值達到最小，此時最有利于破巖。當高能激光作用于巖石表面時，巖石局部迅速受熱膨脹，導致局部熱應力升高，當熱應力高于巖石的極限強度時，巖石就會發生熱破碎。巖石表面存在的缺陷如微裂縫和孔隙等使其極限應力降低，因而會加劇這種熱破碎作用。巖石的熱破碎過程如圖4所示m。觥陷圖4巖石熱破碎過程示意圖（a）有缺陷的巖石受激光輻射（b）巖石吸熱后缺陷區域受熱應力作用，缺陷沿裂縫方向伸展;（c）裂縫擴張成空腔并擠壓出碎片（d）碎片從巖石表面脫離從圖2還可以看出，比能最小峰值區處于碎裂區的末段，即為最佳熱裂區。由此可知，激光破巖時，將激光能量控制在熱裂巖石的水平上可以充分利用激光能量達到最大破除巖石體積的目的"⑵過渡區（中間區域）：在礦物熔化的臨界點附近，巖石能以熱破碎方式被破壞，若其導熱性能從圖2還可以看出，比能最小峰值區處于碎裂區的末段，即為最佳熱裂區。由此可知，激光破巖時，將激光能量控制在熱裂巖石的水平上可以充分利用激光能量達到最大破除巖石體積的目的"（3）熔化區（右邊區域）：如果功率繼續增加，受巖石導熱性的影響，若巖石從激光中吸收能量的速度高于能量從巖石中向外擴散的速度，使巖石吸收的能量超過了其釋放的能量，一旦溫度超過礦物的熔點，巖石就開始熔化，如圖5所示［3］。由于二次效應造成了能量損失，使比能產生了突變。2激光鉆頭激光鉆頭主要是利用一個激光束作用在巖石上破碎巖石。研究已經證明，激光誘導產生的溫度能夠削弱巖石，這主要是由于裂縫的擴展、礦2激光頭2激光頭激光頭是激光產生體系的最后一個階段，它基本上就是激光束作用在巖石上的輸出口，它通過聚焦或是擴散透鏡組調整光束性質。透鏡組能夠控制能量、暴露面積（光束直徑）、作用在地層上的光束焦點距鉆頭的距離。物質的脫水以及蒸發引起了空隙的增加。將激光照射部分與未照射部分比較發現受激光照射部分的各種模量，如楊氏模量、剪切模量、體積模量以及巖石的組合模量都降低生的激光束通過工業激光器上常使用的纖維光纜傳輸到井下。雖然這種方法看似簡單，但實際上光束通過纖維光纜傳輸有個很大的問題那就是在這么長的井深距離完全使用纖維進行光束傳輸目前為止并沒有嘗試過。然而，盡管如此，井下照相光纜已經應用。因此，此系統展現了一個很好的前景。光束經光纖傳輸至激光頭，此激光頭作為一個整體部分鑲嵌在當前通用的常規鉆頭中（圖1和圖2）。⑵井下組合：一些激光器，如二極管激光器，足夠小巧能夠將整個激光機械放入井下。對于激光操作的基本要求就是對激光電子管供電。可以使用一個井下馬達供電。這類馬達廣泛用于地質導向以及垂直鉆井，并且輸出功率在1000W以上。在大多數激光器類型中，電子管就是以不同形式的能量產生光子的地方。在電子管中，激光介質射出，放射光子。這些光子傳輸到頂部，然后聚焦后作用在巖石上（圖3）。圖1帶有纖維光纜的激光三牙輪鉆頭1一輸送激光到井底的纖維光纜；2一激光頭圖2激光三牙輪旋轉鉆頭剖面

圖1一激光頭；，2一吸管（水眼艮）；3一壓力補償膜；止I油密7^1^9一鉆井時開啟狀態；10—牙

爪（硬金屬保護層）；11一牙

輪軸；一滾珠催—蔻料戒齒距dngHouse.Allrightsreserved,

圖3激光固定切削刃鉆頭1一API標準銷釘連接；2一鉆桿；3一補償面;4一錐齒輪；5—鉆頭裝卸器槽；6—輪軸；7—金剛石爪墊;8—保徑齒排；9一切削齒；10—快門；11一焊縫；12一鋼心；13—硬質合金胎體；14一抬肩通常要安裝作為鉆井激光頭的一個完整部分—吸管，該管用來清理已鉆區的顆粒這些顆粒如果不及時清除將會堵塞激光透鏡組降低激光破巖效率。目前所使用的鉆頭必須進行改進，例如，激光頭可以完美坐于鉆頭之中。注意，在設計過程中，激光頭必須完全成一直線排列在鉆頭中央，以便于激光束不會遇到障礙。圖4激光三牙輪旋轉鉆頭井下結構1一外部鉆具；2一井下馬達；3一井壁；4一激光發生管；5—激光頭；6一三牙輪鉆頭境和所鉆地層在寬范圍內進行組合。23輔助設備有必要添加一些額外的輔助設備以提高效率，包括：⑴聚焦或擴散透鏡組：這是一個額外的透鏡組，可以精細地調整激光束。聚焦透鏡組將光束聚在一起以減少光束直徑，而擴散透鏡組將光束擴散以有效增大光束直徑。⑵快門：這個和照相機里的快門是相似的。（2）激光頭可以有效地和旋轉（三牙輪鉆頭）或固定（PDC、金剛石孕鑲鉆頭、天然金剛石鉆頭）的鉆頭相結合’圖4。因此，激光頭可根據鉆井環但是，它是由非常粗糙的金屬制成，材質盡可能地與鉆頭材質保持一致，將其放置在鉆頭底部，開動起來就像一個門一樣。設置快門的目的是為了在不使用激光時，有效保護激光，如在起下鉆過程中。它會阻止巖屑、流體進入激光頭，同時，也防止回壓以及井溢流破壞激光頭。⑶井下電纜：井下電纜用于很多操作中，如（3）控制激光、提供能量以及信息傳輸。⑷微型處理器或電腦：激光操作性能，如激光頻率及其密集度，可以通過預程控的微型處理器或地面上的電腦來控制。激光鉆頭的優點：①更快的機械鉆速②鉆頭磨損小，鉆頭壽命長③起下鉆次數減少④可用于所有類型（水平井、垂直井、定向井）的鉆井垣同一個激光發生裝置可以多次重復利用。3建議42對于輸送系統技術的研究應該深入進行。43尋找更多的適合激光鉆井的激光器。44應該進行鉆具改進的成本評估。既然鉆井周期的20%用于起下鉆，50%的時間用于鉆井，那么較高的機械鉆速和較小的鉆頭磨損應該能夠降低成本。45應開展纖維光纜的振動效應研究工作以及風險評估。46泥漿可能會由于激光所產生的熱量導致脫水變成粉末，必須使用一種可透光鉆井液。另外一種解決方法就是使用惰性氣體作為鉆井液，如氮氣。Allrightsreservhdp：//注：psi=6895kPa強度被削弱的巖石就可以使用常規的機械鉆頭，這樣會有一個更高的清除效率。激光的性能可以在地面上通過測井數據來調整以適應地層的性質。激光鉆井技術的優勢激光鉆進系統較傳統鉆井方法有大量優點。激光鉆井無須同軸套管，使用或不使用套管的情況下可以鉆單一井徑的井眼，鉆機的功率減少，套管成本也減少。因為光子沿直線傳播，所以井眼軌跡偏離預定軌道的情況減少。激光鉆井能減少鉆頭的使用或者不使用鉆頭，因此能減少起下鉆時間。更重要的是，機械鉆速比傳統的機械鉆速高得多，減少了鉆井成本。激光鉆進對滲透率的影響：對巖石使用激光之后巖石的孔隙度和滲透率均有增加，增加的程度取決于巖石的熱導率。如果巖石的熱導率大，滲透率增加就明顯；巖石的熱導率小，滲透率的增加就不明顯。這是由于滲透率高的巖石比滲透率低的巖石壓力下降導致巖石產生裂縫1（3激光射孔：激光射孔的完成不需要任何的激光器，同時能防止傳統的射孔方法對地層造成的傷害。使用射孔槍產生的巖屑可能堵塞井眼，甚至需要修井。傳統的射孔方式產生的裂縫會將射孔區域和其他區域連通，套管也會破裂。激光射孔可克服以上問題并提供一套更有效、更經濟的方法。激光新技術能使套管開窗并使其他井場工作成為可能。打撈：由于激光鉆進系統使用小部件來代替傳統龐大的鉆井立柱，因此打撈作業更容易。激光可以將落魚融化或剪碎，即使在井中有工具丟失或落魚的情況下，也可將側鉆的幾率降低。傳統的旋轉鉆進的成本很高，激光鉆井技術能給目前石油工業帶來革命性的變革。標準陸地井的鉆井成本大約是40萬美元。激光鉆井的機械鉆速比傳統的高10~100倍。即使高10倍的情況下，激光鉆井可以將鉆井時間降低十分之一，從而使鉆井成本顯著降低。激光鉆井同樣可以鉆水平井并且清