八年來，美國天然氣技術協會(GTI)開展了利用高功率激光器來進行巖石的切割和破碎的工作。最近完成了一項為天然氣井應用而進行的概念驗證性研究，它利用了光纖激光器在大氣和地下環境中穿透硅質和碳酸鹽類型的巖石。研究結果包括了利用要求較低的能量來穿過砂巖和石灰巖，這改善了砂巖在孔道附近流體的流動特性，結果還包括對一個在地下壓力條件下挖的模擬氣井進行了鉆孔。 GTI利用高功率軍用激光器在初始的研究中取得了技術上的成功，而后，GTI轉移了重心，開始利用市場上提供的工業激光器。研究結果確定，利用工業激光器切除巖石，其能量水平可以與現有的機械手段相媲美。1光纖激光器已經成為許多現場應用中首選的商業設備，這些應用包括了采礦，開挖隧道，切割，以及巖石和混凝土的鉆孔。它們完全能夠提供足夠的功率來切割巖石，并利用光纖來對較遠目標巖石進行精確定位。它們具有以下的優勢：插座效率高，光束質量得到改善，入射能量要求較低，同時，整體體積更小，這就使得它們的靈活性和耐久性更好。此外，它們很少需要或者根本不需要維護。 利用激光來切除巖石的過程 用美國IPG Photonics公司(Oxford，麻薩諸塞州，www.ipgphotonics.com)的5.34kW摻鐿光纖激光器得到的初始實驗結果，給出了切除巖石所需的能量，并且與此前的激光器/巖石數據進行了對比。我們最感興趣的是石灰巖和砂巖，因為在完井作業中，這兩種類型是最常見的儲集層目標巖石。研究結果得到，在這兩種巖石類型的鉆孔中，光纖激光器與其他激光器已有的數據相比效率更高(圖1)。 圖1：在激光/巖石相互作用實驗中得到的最低的比能值。使用了COIL激光器、CO2,激光器、 Nd:YAG激光器和摻鐿光纖激光器對貝雷砂巖（BG）和石灰巖（Ls）進行實驗在比能（SE）最低時的結果。使用聚焦了的連續(CW)激光輸出，在采石場的石灰巖中，光束穿透了約12英寸。孔道是由于煅燒得到的，在約825℃時，CaO3發生熱分解，變為CaO和CO2。流體的流量受到CaO的限制，因為CaO的熔點為2570°，無法熔化。 使用準直的連續激光光束在貝雷砂巖中也得到了類似的穿透深度，貝雷砂巖是一種主要由石英顆粒(SiO2)構成的沉積巖。在激光切割貝雷砂巖的過程中，觀察到的能效最高的過程是熱分裂過程，它發生在約400° - 800℃的時候5。激光光束導致溫度梯度較高，相應產生的熱應力和礦石的微分熱膨脹破壞了顆粒和顆粒之間的連結。 與石灰巖不同，貝雷石英顆粒在溫度超過時，會發生礦石熔化，由于剝離作用，將導致了對光束能量的重新定位，從而降低了切割效率。為了避免這種情況，巖石里的熱積累效應可以通過改變到巖石表面的能量傳遞速率以及光束對巖屑的輻照時間來實現。能量傳遞速率可以通過平均測量功率或者輻照時間來控制。最佳的光束功率和輻照度在利用光纖激光處理貝雷時是預先給定的。 有效的去除巖屑對限制熱積累效應也是很重要的。例如，以不同的幾何圖形方式來移動光束可以提高孔和光束的直徑比，這就使得巖屑在離開孔時受到的輻照得到限制，或者根本不受到輻照。 利用光纖激光器在貝雷中鉆孔 在一立方英尺貝雷砂巖中演示了可用的鉆孔方案。鉆孔過程很好的完成，它穿透了包圍著充滿流體的儲集層巖石的鋼井，為石油、天然氣和水開出了一條通道。傳統的鉆孔方法由于對巖石結構和流體通道的不可逆破壞而存在著一定程度的流量限制。 在這個演示實驗中，光束準直儀將從300微米的光纖射出的原始光束轉變為直徑為1.0英寸的準直光束。壓力為75磅/平方英寸的壓縮空氣通過離目標巖石約1.0英寸處的0.25英寸不銹鋼噴嘴裝置來定向。光學元件和凈化噴嘴都被置于機器手上，機器手運動軌跡為一個1.0英寸的圓，轉速22.6轉/分。隨著洞的加深，凈化噴嘴往里移動。 總的激光時間6.0分鐘時，有1.0分鐘的間隔，準直光束按此方式持續提供應用。光束功率為3.2KW，這是根據先前的研究中對此類巖石和光束大小所給出的最佳值。7當光束穿透到石塊的一半長度時，光束被轉向，這樣，它可以從另一個方向來射入，從而在中間會合。得到的洞穿透了12英寸長的樣品，據報道是目前為止在貝雷中得到的最深的孔道。6孔道的兩邊入口處直徑約為2.0英寸，石塊中部的直徑為1.1英寸(如圖2)。6得到的被移除物質的體積為210cc。 圖2：激光產生的孔道的橫截面。孔道長為12英寸，每個端面直徑為2.0英寸。從不同的端面進行切割可以降低邊界效應的影響，同時很好的模擬了儲集層無限大的情況。激光僅從一個方向輻照貝雷石塊時，觀測到了邊界效應，包括了熱擴散特性上的變化和能量消耗的增加，這是由于光束完全穿透的原因。6這個現象在過去的實驗中曾被觀測到，它很可能是由于實驗設計和樣品幾何特性上的人為因素造成的。 結果說明：這里，對所有的激光/巖石輻照都確定了其比能(SE)，比能是去除單位質量的巖石所需的能量(KJ/cc)。在12英寸貝雷孔道實驗中觀測到的比能值為5.5 kJ/cc。使用的總激光能量為1155 kJ或者0.32 kWh。 從之前的實驗觀測到貝雷中的比能最小值范圍從4.3到5.2 kJ/cc，表面輻照時間為0.5秒。8后來的測試包含了多個疊加在一起的0.5秒長的輻照，從而得到了更大，更深的孔(直徑約1.0英寸，孔深約1.0英寸)，比能值從9.2到13 kJ/cc。 激光輻照前后的滲透性測量沿著與光束入射方向垂直的巖石表面進行，前后的結果比較沒有得到任何結果。熱轉變區域從孔道壁沿著徑向深入到巖石內約2.00mm處。7這說明，比能值小的時候，射入樣品的大部分能量被有效的用于剝離作用，而不是對孔道附近的巖石特性產生熱轉變。 類似的比較在孔道對分的兩邊進行。結果表明，沒有礦物熔化在孔道壁上。激光輻照后沿著井的滲透率讀數有15%到30%的提高。7雖然對巖石流體流動特性的提高有限，但是激光鉆孔的過程不會有明顯的破壞，這對傳統的打孔技術來說是一項顯著的進步。 展望：目前在進行補充性的研究，包括流體清洗技術和現場的壓力實驗(超過2000磅/平方英寸)。隨后的步驟包括了設計初始向下打井的原型工具，進行實驗室與現場測試，以及在作業井中的地面下進行現場試驗。從這項工作中預期得到的利益可能被整合到更為復雜的建井和完井應用中。土料的其他鉆孔和切割應用可能很快的跨入其他行業，比如能源工業，礦業，軍工，國家安全，航空，建筑和拆除行業。 Brian C. Gahan, P.E.,是氣體技術研究所，探索制造中心 E&P技術發展部的經理。 聯系方式：brian.gahan@gastechnology.org. 參考文獻 1. Gahan, B.C., et al. 2003. "Lasers May Offer Alternative to Conventional Wellbore Perforation Techniques" GTI Document No. GTI-03/0153, GasTIPS, 9, 25-29. 2. Gahan, B.C., Shiner, B. "New High-Power Fiber Laser Enables Cutting-Edge Research," GasTIPS, 10, 29-31. 3. Denney, P.E., et al. 2004. "Laser Processing of Concrete Structures," 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electronics, San Francisco, CA, October 4-7. 4. Batarseh, S., et al. 2004. "Evaluation of High Power Ytterbium Fiber Lasers for Rock Cutting and Removal Applications," Paper 1402, 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electronics, San Francisco, CA, October 4-7. 5. Somerton, W.H. (1968), "Thermal properties and temperature-related behavior of rock/fluid systems," Elsevier Publishing, 258pp. 6. Batarseh, S.I., et al. (2004), "Deep hole penetration of rock for oil production using ytterbium fiber laser," Proceedings of the SPIE International Symposium High-Power Laser Ablation 2004, Taos, NM. 7. Gahan, B.C., et al. 2004. "Analysis of Efficient High-Power Fiber Lasers for Well Perforation," SPE Paper 90661, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, TX, September 26-29. 8. Gahan, B., et al. 2001. "Laser Drilling: Drilling with the Power of Light, Phase 1: Feasibility Study," DOE Topical Report, Cooperative Agreement No. DE-FC26-00NT40917. 9. Xu, Z., et al. 2003. "Application of High Powered Lasers to Drilling and Completing Deep Wells," Topical Report ANL/TD/TM03-02, DOE/NGOTP Contract Number 49066.