自高功率激光器問(wèn)世以來(lái)，人們就開(kāi)始考慮在石油天然氣行業(yè)中用激光器應(yīng)對(duì)棘手的超硬結(jié)晶巖。Mauer在一本關(guān)于高級(jí)鉆探技術(shù)的書(shū)中，總結(jié)了上世紀(jì)60年代人們利用CO2激光器進(jìn)行的各種初期嘗試，但是由于尺寸和復(fù)雜性的限制，當(dāng)時(shí)的研究結(jié)論是，該工藝尚不成熟1。2002年，來(lái)自科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的Ramona Graves利用中紅外化學(xué)激光器成功破壞了堅(jiān)硬的巖石，重又燃起了人們對(duì)激光鉆探技術(shù)的希望，隨后，Ramona又證明了高功率二極管也具有發(fā)展?jié)摿?。但是在那時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)仍有欠缺，所以不宜商業(yè)化推廣。直至2008年，IPG推出10 kW光纖激光器，才最終迎來(lái)了激光鉆井商業(yè)化應(yīng)用的繁榮發(fā)展。一年后，在CSM的協(xié)助下，我們啟動(dòng)了商業(yè)化激光鉆探工藝的研究，以填補(bǔ)這項(xiàng)技術(shù)空白。

 

當(dāng)激光器遇上PDC鉆頭

 

在漫長(zhǎng)的鉆探行業(yè)發(fā)展史上，首個(gè)重大進(jìn)展應(yīng)歸屬Howard Hughes在1908年發(fā)明的兩牙輪鉆頭3。兩牙輪鉆頭不僅引爆了鉆探行業(yè)的變革，也使休斯公司成為行業(yè)巨擘。雙牙輪鉆頭最初的想法來(lái)自休斯公司一位研究人員，在歷經(jīng)24年的不斷研究改良之后，最終發(fā)展成為三牙輪鉆頭。在隨后的80年里，三牙輪鉆頭一直在鉆探行業(yè)占據(jù)著主導(dǎo)地位。鉆探發(fā)展史上的第二個(gè)“里程碑”是通用公司在1971年推出的聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭。30年的應(yīng)用實(shí)踐證明，在加工某些巖石時(shí)，PDC鉆頭較雙牙輪鉆頭更可靠4。于是，在近幾年里，PDC鉆頭成功取代了雙牙輪鉆頭，發(fā)展成為鉆探行業(yè)的首選。然而，這兩種鉆頭在面對(duì)白云石、玄武巖、花崗巖之類(lèi)的超硬結(jié)晶巖時(shí)，仍束手無(wú)策。對(duì)此，我們研發(fā)了一種將精密熱源與PDC鉆頭相結(jié)合的新型鉆探系統(tǒng)。實(shí)踐證明，巖石抗壓強(qiáng)度超過(guò)30ksi時(shí)，該組合鉆探系統(tǒng)與傳統(tǒng)的三牙輪鉆頭或PDC鉆頭相比，具有顯著的效率優(yōu)勢(shì)（如圖1所示）。

 

 

圖1：結(jié)合了高功率激光器及PDC鉆頭的新型鉆探系統(tǒng)

 

組合式鉆頭的主要工作原理是先利用旋轉(zhuǎn)的激光光束消弱堅(jiān)固的巖石，然后再用一組PDC切削齒，清除那些已經(jīng)被激光光束弱化的巖體5,6。存在于鉆頭系統(tǒng)中的激光能量。能夠在巖石上以一種類(lèi)似于雷達(dá)掃描的方式，對(duì)鑿洞的底面進(jìn)行加熱（如圖1所示）。激光能有效弱化巖石表面，并使巖體產(chǎn)生裂痕，這樣用PDC鉆頭就能輕易地去除碎裂的巖石。激光工藝的介入，使巖石的抗壓強(qiáng)度從>30ksi降至幾百psi，所以只需要很少的機(jī)械能就能清除。例如，原來(lái)用三牙輪鉆頭時(shí)，需要在鉆頭上施加25,000 lbs的重量，才能穿透抗壓強(qiáng)度>30ksi的巖石，現(xiàn)在主需要少量扭力（<100ft-lbs），1,500 lbs重量，10 hp功率就夠了。我們用4、6、8.5”鉆頭，對(duì)石油、天然氣及地?zé)嵝袠I(yè)遇到的所有巖石類(lèi)型進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果令人振奮。此外，我們還將激光鉆孔機(jī)整合入鉆機(jī)，并在抗壓強(qiáng)度>30ksi的白云石上成功完成了尺寸為12'的鉆孔測(cè)試。

 

圖2：在抗壓強(qiáng)度>30ksi的白云石上進(jìn)行的12'鉆孔測(cè)試。巖石上的斑點(diǎn)是鉆井馬達(dá)留下的油污。

 

總結(jié)

這項(xiàng)研究工作的主要目標(biāo)是提高超硬結(jié)晶巖的鉆孔速度，降低地?zé)徙@井的成本。通過(guò)與能源部高級(jí)研究計(jì)劃署——能源辦公室（ARPA-E）及CSM的通力合作，我們已經(jīng)成功地利用激光鉆井工藝，將鉆井速度提高2-3倍，同時(shí)顯著降低了需要施加在鉆頭上的重量（>25×），從而極大地延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。接下來(lái)我們將引入更高的功率，對(duì)該工藝進(jìn)行進(jìn)一步的完善和延伸。

 

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作者：

MarkZediker, Foro Energy Littleton,CO