激光鉆井技術研究進展與展望

傳統旋轉鉆井方式依靠高鉆壓、高扭矩和高轉速來提高機械鉆速，鉆具磨損嚴重，需經常更換，這會導致鉆井效率低，鉆井周期長，鉆井成本高。近年來，激光技術從小功率激光器的巖石切割逐步發展到大功率激光器的鉆井破巖階段。將激光技術和鉆井工程相結合的新型鉆井方式已成為各國研究的熱門課題，未來新型激光鉆井技術可能取代旋轉鉆井方式。

石油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界轉化的議案。芝加哥天然氣研究院和科羅拉多礦業大學在激光鉆井方面的共同研究為激光鉆井技術的發展奠定了堅實的理論和試驗基礎。近年來世界各國對激光鉆井技術的研究更加深入和具體。

激光鉆井技術基礎學科問題研究成果

雖然各國在激光鉆井技術研究方面各有側重點，但對基礎學科問題的認識趨于一致，主要包括5個方面：①激光/巖石/流體相互作用原理(即微觀物理過程和巖石熱破壞理論)；②巖石快速相變的熱力學與傳熱學；③強激光的傳輸變換與微型化原理；④激光破巖巖屑運移的多相流動理論；⑤激光鉆井的安全與環境保護科學。

目前各國學者已在激光/巖石/流體相互作用原理(即微觀物理過程和巖石熱破壞理論)和巖石快速相變的熱力學與傳熱學研究方面展開深入研究，強激光的傳輸變換與微型化原理處于研究初期，而激光破巖巖屑運移的多相流動理論和激光鉆井的安全與環境保護方面的研究尚未展開。

激光/巖石/流體相互作用原理研究

在實際鉆井過程中，巖石處于地層流體和鉆井液等介質的浸泡之下，為了使激光鉆井技術更好地適應實際工況，研究介質環境對激光破巖的影響極其重要。近年各國學者對激光破巖進行了大量的試驗研究，對激光與巖石作用原理認識日趨成熟，普遍認為激光直接破巖的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，然后由高速輔助氣流將其攜走和排除。

M.AHMADI等選取砂巖、頁巖和花崗巖等3種典型的巖石，對比研究了3種巖石孔隙中含水、重油和未浸泡處理3種情況下的破巖效率。研究結果表明，與未浸泡處理的巖石相比，對孔隙中含水和重油的巖石進行破巖試驗時需要消耗更多的能量，并且孔隙中含水的巖石破巖時消耗的能量要多于含重油的巖石。

在實際工況下，巖石所處的介質環境比實驗室內模擬環境更復雜，激光破巖所消耗的能量要高于試驗所得出的能量。

巖石快速相變的熱力學與傳熱學研究

N.BJORNDALEN等采用移動界面模型，并假設巖石所有的熱物理參數與溫度無關，模擬了激光破巖溫度場，而易先中等根據相變過程中焓連續原理，假設巖石材料在每相中的熱物理參數僅與溫度變化有關，與壓力及周圍其他環境參數的變化無關，建立等焓模型。激光破巖過程中，相變的熱能傳遞與交換是一個復雜的三維非穩定傳熱學問題，涉及到熱傳導、對流傳熱與傳質以及輻射傳熱等多個專業分支和交叉學科內容，移動界面模型和等焓模型在模擬計算時都進行了簡化，使得計算值與實際值有所差異，但整體趨勢相符。這2種模型是對激光破巖巖石溫度場模擬的主流方式。

李密等根據非定常傳熱學原理分析了均勻激光束和高斯激光束照射砂巖時的溫度場分布，得出結論：在作用時間和總功率相同的情況下，高斯光束照射在巖石表面獲得的最大環向拉應力明顯小于均勻光束在巖石中產生的拉應力，采用均勻光束破碎砂巖所需的激光強度閾值較小。

現階段對激光破巖溫度場的模擬簡化條件過多，缺乏復雜地層環境、巖石導熱和激光能量損失等因素對激光破巖溫度場影響的研究，更加精確的模擬計算工作有待開展。

影響激光直接破巖效率的因素

破巖形式

激光破巖時，巖石的破壞形式主要有3種：熱應力破壞、熔化和汽化。已有資料表明巖石在熱應力破碎的形式下比能（必能為 移除單位體積的巖石所需要的能量 ）最低。當較小功率的激光作用巖石時，能量多數被熱擴散、裂紋萌生和基體分解所消耗，只有小部分用于巖石破碎。因此，隨著激光功率增大，破巖效率也增大。一旦熔化現象發生，二次作用將消耗大量額外的能量，比能也隨之增大。因此理想的破巖形式是在保證巖石處于熱應力破碎的形式下盡量接近熔化區。

巖石性質

不同巖性的巖石比能亦不相同，在相同的激光參數下頁巖的比能要明顯低于砂巖和石灰巖，這個結果極有利，這是因為在石油天然氣鉆井中70%的巖石成分是頁巖。頁巖比能值的大小與礦物晶粒大小無關。砂巖比能的變化范圍較廣，卻高于頁巖。砂巖比能與其巖石成分中粘土含量有關，粘土含量越多，比能越小。石灰巖的比能比頁巖和砂巖都要高，而且沒有明顯的熔化區出現。研究結果表明，比能受巖石中石英含量、表面粗糙度、顏色、顆粒膠結程度和巖性等多種因素影響。石英含量越高、顆粒膠結越致密，巖石比能就越大。

激光參數

激光發射類型(連續波或者脈沖波)、波長、峰值、平均功率、強度、重復率和脈沖寬度都決定了激光巖石相互作用的模式，從而影響傳遞到巖石的能量。早期的試驗結果表明，由于巖石對電磁波的反射率較低，當激光照射巖石時激光能量能夠較多地被巖石吸收，同時巖石樣品較低的熱傳導率也使得巖石溫度迅速升高。

激光能量損失

引起激光能量損失的因素：①黑體輻射。當巖石溫度逐漸升高時，其自身將成為一個強輻射源；當巖石溫度超過熱量擴散范圍時，由于黑體輻射，很大一部分入射能將由巖石表面輻射而損失。②等離子屏蔽。高功率激光輻射能夠在巖石表面形成等離子體。等離子體能夠反射、散射和吸收激光輻射，并能夠阻礙能量傳遞到巖石表面。激光鉆井過程中輔助氣體能夠將已形成的等離子體吹散，使激光能量能夠直接作用到巖石表面，還會攜走一部分能量，此外氣體介質的引入增加了等離子體激發源。

激光輔助破巖技術展望

目前激光直接鉆井破巖技術面臨如下問題：①大功率激光能量遠距離傳輸能力有限；②包括巖石基體材料重熔、井下礦物分解和裂縫形成等在內的激光二次作用嚴重，能量損失較大；③井下復雜條件下，超大功率激光器能量輸出穩定性較差；④激光直接鉆井安全性與環保性研究尚未開展。針對上述問題，將激光技術與機械旋轉鉆井技術相結合，發展激光輔助破巖技術將是未來激光鉆井技術的發展方向。

激光輔助破巖技術原理

激光輔助破巖技術是將激光技術和機械旋轉鉆井技術相結合的新型鉆井破巖技術，其原理是利用激光照射巖石表面引起巖石溫度梯度的產生，使巖石產生熱應力甚至萌生微裂紋，從而削弱巖石強度，隨后進行機械旋轉鉆進。激光輔助破巖技術中激光對巖石照射的目的并非是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，而是利用激光誘導產生的溫度梯度，使巖石裂縫擴展、礦物質脫水以及蒸發引起空隙的增加，削弱巖石基體強度，提高巖石可鉆性，為后續的機械旋轉鉆進提供有利條件。

激光輔助破巖技術應用探討

巖石可鉆性作為衡量破碎巖石難易程度的一個綜合性指標，是工程鉆探中選擇鉆井方法、鉆頭結構類型、鉆進工藝參數和衡量鉆井速度的主要依據?？摄@性級數越大，表明巖石越難鉆進，反之則越易鉆進?；◢弾r屬于不易鉆進巖種，韓彬等對激光輔助破巖技術的研究結果表明，硬質花崗巖在經激光照射處理后其可鉆性級數由9.7驟降至3.5，大大削弱了巖石強度。李美艷等對激光輔助破巖技術進行了研究，研究內容包括：激光作用巖石規律性、復雜地層條件下激光對巖石特性的影響及鉆井破巖機理、激光對巖石力學性能影響及輔助破巖可鉆性評價等。

研究結果表明，激光與砂巖和花崗巖作用后，砂巖中石英含量有所增加，花崗巖表面形成不同程度的起裂區；2種巖性的巖石強度均被削弱，且隨著激光分布密度的增加，巖石可鉆性級數下降明顯，為后續的機械旋轉鉆進提供了有利條件，提高了鉆進速率。

激光輔助破巖所需能量遠小于激光直接破巖，這對激光能量的傳輸和井下安全性都提供了極大的保障。不僅如此，激光輔助破巖技術對用于傳統旋轉鉆井的鉆頭改造不大，有利于微型化激光鉆頭的研制。激光三牙輪鉆頭，光束經光纖傳輸至激光頭，激光頭作為一個整體鑲嵌在當前通用的常規鉆頭中。這種激光三牙輪鉆頭完全適用于氣體鉆井。激光輔助鉆井技術激光能量輸出較小，不建議將其應用于液體攜巖機制的井下作業，氣體鉆井將是激光輔助破巖技術的主要應用領域。

結束語

雖然激光鉆井技術仍有大量問題亟待進一步的研究探索，但其蘊涵的巨大潛力已引起了各國學者關注，隨著激光和材料科學技術的迅猛發展，激光鉆井技術必然會從實驗室研究階段過渡到石油鉆井階段。本文作者認為將激光技術和機械旋轉鉆井技術相結合的激光輔助鉆井技術將是未來激光鉆井技術的發展方向。而激光輔助鉆井技術由于激光輸出能量較小，激光與鉆井液等地層流體作用將損失較多能量，因此應用在氣體鉆井領域中優勢更加明顯，未來對激光輔助破巖技術的研究重點應是氣體鉆井。

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