閆靜，王德貴，左永強(qiáng)，惠坤亮，游娜，易暢

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002）

0 引言

近年來隨著油氣鉆探技術(shù)的發(fā)展，油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場逐步轉(zhuǎn)向復(fù)雜難鉆地層和非常規(guī)地層，鉆井難度急劇增加。在超深層、高研磨地層等復(fù)雜難鉆地層，僅通過鉆頭新材料和結(jié)構(gòu)改進(jìn)來提速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，鉆井效率低，很難突破破巖技術(shù)瓶頸，需研發(fā)高效破巖新技術(shù)。自激光器問世后，就有學(xué)者提出激光破巖和激光鉆井的思想。激光鉆井技術(shù)在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)提出，美國還進(jìn)行了純激光鉆井試驗，研究成果表明：純激光破巖的機(jī)械鉆速是傳統(tǒng)方式的10～100倍，軍用兆瓦級激光器能為4500 m井深鉆井破巖提供足夠的能量[1]。但由于純激光鉆井破巖能耗高，兆瓦級激光器成本高、安全性低，無法民用化，未能在石油開發(fā)中應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變思路，提出了激光與機(jī)械聯(lián)合破巖技術(shù)。激光機(jī)械聯(lián)合破巖由固定切削結(jié)構(gòu)和激光系統(tǒng)組合的激光機(jī)械鉆頭實現(xiàn)，這種破巖方式以PDC刮切為主、激光熱裂為輔[2]，既不需要太大的激光能量，又能明顯提高破巖效率，降低鉆井成本。

1 國外激光鉆井技術(shù)進(jìn)展

近年來，民用激光技術(shù)突飛猛進(jìn)。以占全球激光器份額50%的光纖激光器為例，其最大功率在2002年是0.5 kW，2013年為100 kW，2016年則達(dá)到了500 kW。光纖激光器的最大功率在15 a內(nèi)增大了1000倍[3-4]。我國民用大功率激光器近年來也取得了顯著進(jìn)步，至2019年已研制成功了35 kW功率激光器[5]。民用大功率激光器的出現(xiàn)，為激光應(yīng)用于油氣與地?zé)徙@井領(lǐng)域奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。美國、德國和日本等國都在致力于激光與機(jī)械聯(lián)合破巖鉆井技術(shù)研究，已取得一定進(jìn)展，為激光應(yīng)用在油氣與地?zé)徙@井領(lǐng)域研究創(chuàng)造了條件。

1.1 美國

美國ForoEnergy公司從2009年開始致力于激光鉆井技術(shù)研究，先后與美國能源部、科羅拉多礦業(yè)學(xué)院和巴西國家石油公司等多家研究機(jī)構(gòu)合作，在激光鉆井系統(tǒng)及裝置、高效遠(yuǎn)距離高功率激光傳輸系統(tǒng)與方法等方面取得突破性成果，申請專利50多件。成功研制了低損耗高功率光纖（傳輸效率可達(dá)80%，傳輸距離可達(dá)1500 m）、動-靜轉(zhuǎn)換光纖滑環(huán)、激光連接器、井下光學(xué)鏡組、激光機(jī)械鉆頭、過光纖氣體反置螺桿等核心部件，如圖1所示。2012年，該公司利用改制的連續(xù)管作業(yè)機(jī)，使用2-7/8 in連續(xù)油管配套20 kW光纖激光器及3-1/2 in激光機(jī)械鉆頭進(jìn)行了以氮?dú)鉃檠h(huán)介質(zhì)的鉆井實驗，鉆進(jìn)30 m，如圖2所示。實驗表明：激光機(jī)械聯(lián)合破巖鉆壓可降低95%，轉(zhuǎn)矩可降低90%，機(jī)械鉆速可提高2倍以上，特制的光學(xué)組件和機(jī)械部件承受住了高溫、高壓和高振動等惡劣環(huán)境[6-7]。

圖1 適用于鉆井的激光核心部件

1.2 德國

2017年，德國海瑞克鉆機(jī)設(shè)備有限公司、IPG激光有限公司等多家研究機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)了激光（萬瓦級功率）噴射復(fù)合鉆井技術(shù)。該技術(shù)通過新的“多管中管”鉆柱實現(xiàn)激光的保護(hù)及與泥漿隔離，使激光破巖可用于泥漿環(huán)境。多管中管鉆柱有激光通道、氣體通道、高壓清水通道、返回泥漿通道4個通道，如圖3所示。該團(tuán)隊建立了等比例的實驗樣機(jī)，如圖4所示。該樣機(jī)以6 in機(jī)械鉆頭配套功率30 kW 的激光器作為破巖工具，進(jìn)行了凈鉆進(jìn)深度為2 m的鉆進(jìn)實驗。實驗結(jié)果表明，利用激光噴射復(fù)合破巖技術(shù)可將硬巖的鉆進(jìn)速度提高到10 m/h，與具有低于1.5 m/h 鉆進(jìn)速度的最先進(jìn)鉆井工藝相比，到達(dá)目標(biāo)深度的凈鉆井時間減少約85%[8-9]。

圖2 基于連續(xù)管作業(yè)機(jī)的激光機(jī)械鉆井系統(tǒng)

圖3 激光噴射原理樣機(jī)系統(tǒng)

圖4 激光噴射復(fù)合破巖鉆具實驗樣機(jī)

2 國內(nèi)激光鉆井技術(shù)進(jìn)展

國內(nèi)激光破巖以理論研究和單元實驗研究為主，主要集中在采用實驗方法和仿真的方法研究激光作用巖石的破壞形式和激光破巖的影響因素方面，缺乏實驗研究平臺及研究持續(xù)性，尚未掌握激光機(jī)械鉆頭破巖機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)，對激光機(jī)械鉆井整體系統(tǒng)研究較少。

2012年，中石化集團(tuán)公司項目“氣體激光鉆井前瞻性研究”（JP13014），設(shè)計并搭建了激光輔助破巖系統(tǒng)，完成了萬瓦級激光射孔室內(nèi)模擬試驗裝置的研制，并進(jìn)行了系統(tǒng)的激光射孔室內(nèi)模擬試驗。該試驗?zāi)軌蜥槍r性進(jìn)行激光參數(shù)優(yōu)化，有助于提升激光破巖效果，對激光技術(shù)在石油工程領(lǐng)域應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義[10-11]。

2018年，西南石油大學(xué)和激光聚變研究中心共同成立了激光-機(jī)械破巖聯(lián)合實驗室，開展了千瓦激光穿過空氣、清水、膨潤土溶液的衰減試驗，搭建了千瓦級激光與機(jī)械聯(lián)合破巖實驗裝置，進(jìn)行了激光與機(jī)械聯(lián)合破巖機(jī)理的初步研究。

2019年，中石油集團(tuán)公司項目“激光與機(jī)械聯(lián)合破巖方法研究”，研制萬瓦級激光機(jī)械鉆頭并進(jìn)行臺架實驗，探索破巖機(jī)理，進(jìn)行了國內(nèi)首個井下激光器的設(shè)計。

3 激光機(jī)械鉆井關(guān)鍵技術(shù)

激光機(jī)械鉆井是一項前瞻性系統(tǒng)工程，影響因素較多，應(yīng)用難度非常高，應(yīng)分階段、分步驟開展研究，通過解決制約激光機(jī)械鉆井工程化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸問題，加快激光機(jī)械鉆井的工程化進(jìn)程。

3.1 激光與機(jī)械聯(lián)合作用下破巖機(jī)理

在激光作用下，巖石的彈性模量、滲透率、孔隙度等物性參數(shù)變化規(guī)律，是研究激光與機(jī)械聯(lián)合破巖機(jī)理的核心。需要構(gòu)建激光與機(jī)械聯(lián)合破巖動力學(xué)模型，采用仿真和實驗相結(jié)合的方法，描述巖石的損傷與破碎規(guī)律，揭示激光與機(jī)械聯(lián)合作用高效破巖成孔機(jī)理，建立巖石損傷評價方法和激光與機(jī)械聯(lián)合作用鉆速方程[12-13]。

3.2 激光與機(jī)械聯(lián)合破巖參數(shù)配置技術(shù)

激光參數(shù)（如激光功率、離焦量、照射時間等）和機(jī)械結(jié)構(gòu)（如冠部輪廓和布齒結(jié)構(gòu)等）及兩者的匹配關(guān)系（激光束數(shù)量、形態(tài)、布局等）對破巖效率的綜合影響是研制激光機(jī)械鉆頭的理論依據(jù)。只有通過合理調(diào)控、優(yōu)化激光參數(shù)等技術(shù)手段，解決參數(shù)配置技術(shù)難題，才可能實現(xiàn)高效破巖目標(biāo)[14-15]，如圖5所示。

3.3 適應(yīng)井下環(huán)境的光學(xué)組件

光學(xué)組件在高溫高壓惡劣井下工況中的穩(wěn)定性和可靠性是關(guān)鍵重要的研究，必須解決光學(xué)組件防塵、冷卻、抗震和保護(hù)等適應(yīng)性關(guān)鍵問題，為光學(xué)組件在聯(lián)合破巖成孔中的應(yīng)用提供基本保障[16]。需開展光源輸出耦合系統(tǒng)的高效耦合、潔凈控制、高效熱管理，以及與鉆具匹配性等的設(shè)計、研究，解決光學(xué)組件防塵、冷卻、抗震和保護(hù)等適應(yīng)性關(guān)鍵問題，為光學(xué)組件在聯(lián)合破巖成孔中的應(yīng)用提供基本保障。

圖5 激光參數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)影響因素

3.4 激光機(jī)械鉆頭研制技術(shù)

激光機(jī)械鉆頭上涉及到的光學(xué)器件需要與切削結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合設(shè)計。首先進(jìn)行切削結(jié)構(gòu)布齒、保徑優(yōu)化設(shè)計，再進(jìn)行激光、氣體通道結(jié)構(gòu)設(shè)計和流場分析，開展激光機(jī)械鉆頭研制，然后增設(shè)光學(xué)器件冷卻、清潔、保護(hù)等裝置。光學(xué)器件與切削結(jié)構(gòu)在鉆頭上的組合技術(shù)是實現(xiàn)激光機(jī)械破巖方式的高效協(xié)同破巖的重要工具[17-18],如圖6所示。

圖6 激光機(jī)械鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 井下激光器技術(shù)

激光器具有獨(dú)特外形，受井下空間和環(huán)境條件的限制，對井下激光器可行性研究尤為重要。結(jié)合目前高功率激光器應(yīng)用的成熟技術(shù)，對井下高功率激光器進(jìn)行輕型、小型化可行性設(shè)計創(chuàng)新的研究，形成數(shù)萬瓦光源的設(shè)計模型，為激光鉆井工程化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及可行性論證[19-20]。功率更大、尺寸更小、電光轉(zhuǎn)換效率更高、適應(yīng)井下環(huán)境的井下激光器是未來的發(fā)展方向，如圖7所示。

圖7 井下激光器原理圖

3.6 高功率激光的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

把高功率激光傳輸?shù)骄聨浊椎募す忸^，會在傳輸過程中不可避免地發(fā)生能量衰減。損耗太大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的效率降低，甚至不能順利實施破巖功能。高能激光在傳能光纖中傳輸時，主要經(jīng)歷吸收損耗、瑞利散射損耗及受激拉曼散射損耗。美國目前已經(jīng)可實現(xiàn)1500 m以內(nèi)井深的激光氣體鉆井，激光傳輸效率可達(dá)80%，傳輸距離可達(dá)1500 m，但對于埋深6000～8000 m的深層超深層難鉆地層目前不具有可行性，主要原因是萬瓦級激光仍然無法傳輸6～8 km而保持低衰減率[4,21]。

4 結(jié)語

激光與機(jī)械聯(lián)合鉆井是一項很有發(fā)展前景的技術(shù)。目前對激光與機(jī)械聯(lián)合破巖技術(shù)的研究開發(fā)還僅停留在實驗室試驗階段，國外對激光與機(jī)械聯(lián)合破巖技術(shù)的研究高度重視，已經(jīng)在基礎(chǔ)理論、基本方法和關(guān)鍵技術(shù)探索研究方面走在前列。激光與機(jī)械聯(lián)合破巖是鉆探領(lǐng)域具有先導(dǎo)性和前瞻性的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究項目，涉及到多學(xué)科的交叉滲透與協(xié)同配合，尚存在著一系列的難題亟待解決，如激光與機(jī)械聯(lián)合作用下破巖機(jī)理、高功率激光發(fā)生器的小型化、激光束在井下環(huán)境傳輸、適應(yīng)井下環(huán)境的光學(xué)組件研制等技術(shù)難題，這些難題是制約激光與機(jī)械聯(lián)合破巖工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸，而激光與機(jī)械聯(lián)合作用下破巖機(jī)理及參數(shù)配置、光學(xué)組件在聯(lián)合破巖成孔中的適應(yīng)性技術(shù)、激光輔助破巖鉆頭研制和試驗技術(shù)作為核心，應(yīng)當(dāng)是現(xiàn)階段需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

鑒于目前激光科技發(fā)展潮流和應(yīng)用技術(shù)日益成熟，可預(yù)想這將大大提高現(xiàn)有的激光鉆井技術(shù)研制的水平，也將加快激光與機(jī)械聯(lián)合鉆井應(yīng)用的能力。未來激光鉆井技術(shù)的發(fā)展將是石油鉆探開發(fā)降本增效的強(qiáng)大助推器。