激光鉆井技術(shù)-油工

1、（一）激光的重要特性（二）激光直接破巖機(jī)理（三）激光破巖的影響因素 （四）激光鉆頭的設(shè)計(jì)（五）激光鉆井的優(yōu)勢(shì)激光鉆井技術(shù)主要內(nèi)容激光鉆井技術(shù)激光鉆井技術(shù)引言 激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代在量子物理學(xué)、光子光譜學(xué)及無(wú)線電電子技術(shù)基礎(chǔ)上興起的一門多學(xué)科結(jié)合的科學(xué)技術(shù)。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?；谝陨咸攸c(diǎn)，為了發(fā)展快速鉆井技術(shù)，人們積極推進(jìn)激光鉆井技術(shù)的研究。一、激光的重要特性目前已開發(fā)的幾種高能激光器目前已開發(fā)的幾種高能激光器 1H（DF）激光器：氟化氫（H）和氟化氘（D）激光器分別以波長(zhǎng) 263um和354um之間運(yùn)作。 2rF（激元）激光器：

2、氟化氪激元激光器以短脈沖方式工作在紫外波段，波長(zhǎng) .um。 3C02激光器：二氧化碳激光器以波長(zhǎng) 106um運(yùn)作。目前已開發(fā)的幾種高能激光器目前已開發(fā)的幾種高能激光器 4CO激光器：一氧化碳激光器以波長(zhǎng) 495um運(yùn)作。 5FEL 激光器：游離電子激光器通過(guò)高能量的電子運(yùn)作。 .d:YAG 激光器：摻釹釔鋁石榴石激光器以波長(zhǎng) .um運(yùn)作。 .COIL激光器：美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)氧碘激光器以波長(zhǎng) l3 15m運(yùn)作，很容易在大氣中或光纖中傳輸?；瘜W(xué)氧碘激光器（）簡(jiǎn)圖，化學(xué)和能量圖示實(shí)驗(yàn)裝置 二、激光直接破巖機(jī)理激光直接破巖的基本原理是，利用高高能光束能光束使巖石基質(zhì)材料局部快速加熱局部快速加熱

3、，由固態(tài)瞬間相變到熱熔熱熔和汽化汽化狀態(tài)，并形成氣液固多相混合物多相混合物，然后由高速輔助氣流將其攜走和排除，以快速形成井眼。圖圖1 1激光破巖裝置圖激光破巖裝置圖激光直接破巖機(jī)理激光照射加熱在激光熱量接近而未達(dá)到巖石的液化潛熱時(shí)擊碎巖石熱裂為松散碎片在激光熱量達(dá)到或超過(guò)巖石的液化潛熱時(shí)巖石熔融為液態(tài)巖石由固態(tài)直接或間接變?yōu)闅鈶B(tài)在激光熱量達(dá)到或超過(guò)巖石的汽化潛熱時(shí)熔化蒸發(fā)激光直接破巖的主要物理化學(xué)現(xiàn)象 比能：表示移除單位體積巖石所需要的能量。它是比較不同破巖方式效率的標(biāo)準(zhǔn)量之一，可表示為： 二次作用：泛指巖石開始熔化后，所有引起激光作用于巖石能量損失的因素，它包括巖石礦物的重復(fù)熔化，井眼內(nèi)礦物

4、和氣體的分解、裂縫的形成等。相關(guān)概念比能 =輸入能量強(qiáng)度 作用時(shí)間穿透巖石深度=輸入能量移除巖石的體積 激光輔助破巖技術(shù)比能與激光平均功率的變化關(guān)系巖石的熱裂三、激光破巖的影響因素 帶有纖維光纜的激光三牙輪鉆頭帶有纖維光纜的激光三牙輪鉆頭1 輸送激光到井底的纖維光纜2 激光頭(1)巖石性質(zhì)巖石的熱導(dǎo)率：粘土在激光輻射下易分解氣 化，導(dǎo)致體積膨脹壓力增大。砂泥巖導(dǎo)熱性能好，且含 有粘土，而石灰?guī)r的熱導(dǎo)率較砂泥巖低且其中粘土和 石英的含量也較低，所以導(dǎo)致砂泥巖比石灰?guī)r更容易 形成裂縫，因而砂泥巖更容易被破壞。(2)裂縫：砂泥巖中往往含有裂縫或其他缺陷，地 層流體充注于其中。在激光輻射作用下，泥巖溫

5、度升 高使其中的流體氣化，這一過(guò)程會(huì)造成能量損失，而流 體氣化后體積膨脹壓力增大，又會(huì)進(jìn)一步地促進(jìn)裂縫 的形成?？梢?jiàn)，裂縫的存在也會(huì)引發(fā)二次效應(yīng)，由此導(dǎo) 致的能量損失同樣不容忽視。(3)礦物組成：巖石的性質(zhì)取決于其組成礦物的性 質(zhì)，礦物的物理性質(zhì)及膠結(jié)方式?jīng)Q定了巖石的熱物理 性質(zhì)，因而也影響到激光射束與巖石的相互作用。例 如，當(dāng)激光射束作用于碳酸鹽巖時(shí)，二次效應(yīng)非常顯 著。這是因?yàn)榉浇馐軣岷笱杆倜撍⑾哪芰浚?之后水的氣化又會(huì)消耗一部分能量。于是，巖石吸收 的能量就減小了比能隨之增大，從而需要消耗更多能量。 (4)膠結(jié)強(qiáng)度。膠結(jié)強(qiáng)度主要是通過(guò)影響巖石的導(dǎo) 熱性能來(lái)影響巖石與激光的相互作用

6、。組成巖石的礦 物顆粒之間膠結(jié)越強(qiáng)，巖石的熱導(dǎo)率就越大。熱應(yīng)力 達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度后，如果巖石膠結(jié)不好，則其較差 的導(dǎo)熱性能使巖石吸收能量的速度大于能量從其中逸 出的速度，因而巖石開始熔化，并消耗更多的能量，這 不利于巖石的熱破碎，且使破巖效率降低。四、激光鉆頭設(shè)計(jì)1 激光頭；2 吸管(水眼) 3 壓力補(bǔ)償膜4 儲(chǔ)油密封機(jī)構(gòu) 5 牙爪6 止推面7 軸承8 關(guān)閉狀態(tài)9 鉆井時(shí)開啟狀態(tài)10 牙爪(硬金屬保護(hù)層)11 牙輪軸12 牙齒13 軸頸14 滾珠15 牙輪 16 齒距激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭剖面圖激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭剖面圖激光鉆頭設(shè)計(jì)激光固定切削刃鉆頭激光固定切削刃鉆頭1 API 標(biāo)準(zhǔn)銷釘連接2 鉆

7、桿3 補(bǔ)償面4 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 切削齒10 快門11 焊縫12 鋼心13 硬質(zhì)合金胎體14 抬肩激光鉆頭設(shè)計(jì)激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭井下結(jié)構(gòu)激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭井下結(jié)構(gòu)1 外部鉆具；2 井下馬達(dá)；3 井壁4 激光發(fā)生管；5 激光頭；6 三牙輪鉆頭激光鉆頭的優(yōu)點(diǎn)更快的機(jī)械鉆速；鉆頭磨損小,鉆頭壽命長(zhǎng)；起下鉆次數(shù)減少；可用于所有類型(水平井、垂直井、定向井)的鉆井；同一個(gè)激光發(fā)生裝置可以多次重復(fù)利用。與常規(guī)鉆井相比，激光鉆井具有如下潛在優(yōu)勢(shì)：1.激光鉆機(jī)重量輕，一輛拖車可運(yùn)到井場(chǎng)；2.激光鉆井的井場(chǎng)很小，也許只有普通井場(chǎng)的十分之一甚至更??；3.激光能夠穿透各種類

8、型的巖石，而且速度很快，用常規(guī)鉆井方法需要100d才能鉆成的井，用激光鉆 井也許只需10d時(shí)間；五、激光鉆井的優(yōu)勢(shì)4.激光鉆井不需要常規(guī)鉆頭和常規(guī)鉆柱，鉆成的井眼小，激光將巖石熔化，在井壁形成一種陶瓷樣的保 護(hù)層，無(wú)需下套管固井，因此鉆井成本很低，也許只有常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的十分之一甚至更低；5.激光鉆井是一種清潔鉆井，激光擊碎、熔化和蒸發(fā)巖石，鉆井中無(wú)鉆屑上返到地面，對(duì)環(huán)境的影響微 乎其微；激光鉆井技術(shù)的未來(lái)發(fā)展激光鉆井技術(shù)由概念設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用還要面臨以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：1.在激光鉆井過(guò)程中，井筒中的氣體影響機(jī)械鉆速，可能導(dǎo)致事故。2.考慮到溫度和壓力的雙重影響，巖石應(yīng)力增加了比能，高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致了溫度的擴(kuò)散，溫度