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1、激光钻井的新发展摘要：为了适应石油工业发展的需要,改变传统的钻井方式,根据激光能量密度大等特性,说明了利用激光器把其他形式的能转换成光能形成很高的温度,熔化、融熔、震碎、蒸发要钻进的岩石进行钻井的基本原理;指出激光钻井在降低成本、减少污染方面有很大的潜力,有可能使钻井发生革命性变化;激光钻井破岩是钻探工程领域一项具有前瞻性的应用基础理论课题。它包括5大基础科学问题,即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石快速相变的热力学与传热学、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等.详细叙述了激光钻井技术的
2、历史、发展、原理等方面的问题。关键词：激光钻井发展前景钻井新技术1引言激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学、无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术.这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性.一是方向性强.几乎是一束定向发射的平行光,发散角一般为毫弧度数量级;二是亮度大(即功率密度大).激光的亮度可以达到太阳亮度的1百万万倍以上.如果用透镜将激光聚焦,可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度,在极小的范围内产生几百万度高温,几百万个大气压,每米几十亿伏的强电场;三是单色性高.激光近乎是单一频率的光,单色性远优于一般单
3、色光源.激光光谱线的线宽可达到千万分之一埃;四是相干性好.由于激光的线宽窄,位移在空间的分布不随时间变,具有良好的时间相干性和空间相干性.激光的上述特点,使它的发展促进了许多学科的发展,在许多工业部门得到了广泛的应用.应用激光技术可在卫星上测定油气田开发过程中地面的沉降,反映出采收程度,为今后制定开发计划提供原始资料;激光可以用来进行机械切割;分析不同类型的原油;激光可以用来钻井、射孔等几十个技术部门.其中以激光钻井最具吸引力.激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学及无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术。这种基于受激
4、辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性,如亮度高、单色性方向性好等。基于以上特点,为了发展快速钻井技术,人们积极推进激光钻井技术的研究。2激光破岩的2个发展阶段纵观激光破岩概念的产生、研究与发展,它经历了小功率激光器的岩石切割阶段和大功率激光器的钻井破岩阶段。2.1激光切割岩石阶段(1968-1994)激光破岩概念的产生可以追溯到1960年美国科学家MamanC.M.发明了世界上第1台红宝石晶体激光器后,麻省理工学院MoavenzadehF.,McGarryF.J.和加州大WilliamsonR.B.等人在第43届SPE/AIME秋季年会上,联
5、合提出的利用激光能量破碎岩石和钻井的设想。当时的激光器功率小,输出能量较低;激光器产生的波长相对较长,较难聚焦,能量也不能传输到远离激光光源的地方,因而该设想没有用于石油钻探的岩石破碎,但在铁路、矿山和交通业隧道挖掘中坚硬岩石的加热软化和机械辅助破岩方面得到了应用。1971年,美国联合飞机研究中心CarstensJ.P.和BrownC.O.等人利用连续CO2激光对花岗岩、石英岩和玄武岩等岩石成功地进行了室内切槽试验。随后,激光切割岩石的方法在德、日和美等国建筑行业各类石材、混凝土等的切割和加工中得到广泛的工业化应用。前苏联科学研究院Lebed
6、ev物理研究所是军用大功率激光器的研究中心,曾在1969-1978年间开展了激光与岩石相互作用的研究,当时的激光功率为0.5~1.0kW,后因资金缺乏而停止。日本是一个地震发生频率较高的国家,山体的潜在滑移危险性大。日本地球物理研究所和东海大学利用激光破岩技术,防止浅层地质钻探和建筑打桩作业中山岭滑坡和房屋倒塌事故,取得了显著的成效。2.2钻井破岩阶段(1994-)石油天然气勘探开发中的激光钻井破岩与矿山和建筑行业中的工作环境和技术要求迥然不同。例如,激光钻井破岩的目标层深;光束的光斑尺寸大;井眼轨迹必须规则;井壁必须具有强的防坍塌和抗失稳性
7、能;具有屏蔽强酸、强碱和有毒气体干扰的能力等。另外,石油井下环境恶劣,空间尺寸小,对激光元器件的功率体积比、移动性和可靠性以及高能光束的远距离传输与控制,均有特殊的要求。石油激光钻井破岩思想的提出,源于1994年美国国会通过的“星球大战”计划中军用大功率激光器向工业界转化的议案。从20世纪60年代末开始，美国国家科学基金会就启动了探寻高效破岩方法的庞大研究计划，研究了电子束，激光，水射流等25种破岩新方法。在中等强度岩石上进行破岩实验!结论表明)激光钻井破岩法是最易于实现且效率较高的方法之一20世纪70年代初，在美国、法国、荷兰曾出现了用激光
8、钻井和射孔的专利文献，那时人们对激光钻井的研究大多基于“将岩石矿物完全熔化，直接打出预想大小井眼”的假设上，预计所需能量相当大，加之当时激光技术水平有限，激光功率只
