八年來(lái)，美國(guó)天然氣技術(shù)協(xié)會(huì)(GTI)開展了利用高功率激光器來(lái)進(jìn)行巖石的切割和破碎的工作。最近完成了一項(xiàng)為天然氣井應(yīng)用而進(jìn)行的概念驗(yàn)證性研究，它利用了光纖激光器在大氣和地下環(huán)境中穿透硅質(zhì)和碳酸鹽類型的巖石。研究結(jié)果包括了利用要求較低的能量來(lái)穿過(guò)砂巖和石灰?guī)r，這改善了砂巖在孔道附近流體的流動(dòng)特性，結(jié)果還包括對(duì)一個(gè)在地下壓力條件下挖的模擬氣井進(jìn)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(shù)上的成功，而后，GTI轉(zhuǎn)移了重心，開始利用市場(chǎng)上提供的工業(yè)激光器。研究結(jié)果確定，利用工業(yè)激光器切除巖石，其能量水平可以與現(xiàn)有的機(jī)械手段相媲美。1光纖激光器已經(jīng)成為許多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中首選的商業(yè)設(shè)備，這些應(yīng)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(lái)切割巖石，并利用光纖來(lái)對(duì)較遠(yuǎn)目標(biāo)巖石進(jìn)行精確定位。它們具有以下的優(yōu)勢(shì)：插座效率高，光束質(zhì)量得到改善，入射能量要求較低，同時(shí)，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(hù)。 利用激光來(lái)切除巖石的過(guò)程 用美國(guó)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。我們最感興趣的是石灰?guī)r和砂巖，因?yàn)樵谕昃鳂I(yè)中，這兩種類型是最常見的儲(chǔ)集層目標(biāo)巖石。研究結(jié)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(shù)據(jù)相比效率更高(圖1)。 圖1：在激光/巖石相互作用實(shí)驗(yàn)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(duì)貝雷砂巖（BG）和石灰?guī)r（Ls）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)在比能（SE）最低時(shí)的結(jié)果。使用聚焦了的連續(xù)(CW)激光輸出，在采石場(chǎng)的石灰?guī)r中，光束穿透了約12英寸。孔道是由于煅燒得到的，在約825℃時(shí)，CaO3發(fā)生熱分解，變?yōu)镃aO和CO2。流體的流量受到CaO的限制，因?yàn)镃aO的熔點(diǎn)為2570°，無(wú)法熔化。 使用準(zhǔn)直的連續(xù)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(gòu)成的沉積巖。在激光切割貝雷砂巖的過(guò)程中，觀察到的能效最高的過(guò)程是熱分裂過(guò)程，它發(fā)生在約400° - 800℃的時(shí)候5。激光光束導(dǎo)致溫度梯度較高，相應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和礦石的微分熱膨脹破壞了顆粒和顆粒之間的連結(jié)。 與石灰?guī)r不同，貝雷石英顆粒在溫度超過(guò)時(shí)，會(huì)發(fā)生礦石熔化，由于剝離作用，將導(dǎo)致了對(duì)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(yīng)可以通過(guò)改變到巖石表面的能量傳遞速率以及光束對(duì)巖屑的輻照時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。能量傳遞速率可以通過(guò)平均測(cè)量功率或者輻照時(shí)間來(lái)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(shí)是預(yù)先給定的。 有效的去除巖屑對(duì)限制熱積累效應(yīng)也是很重要的。例如，以不同的幾何圖形方式來(lái)移動(dòng)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(shí)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(guò)程很好的完成，它穿透了包圍著充滿流體的儲(chǔ)集層巖石的鋼井，為石油、天然氣和水開出了一條通道。傳統(tǒng)的鉆孔方法由于對(duì)巖石結(jié)構(gòu)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(gè)演示實(shí)驗(yàn)中，光束準(zhǔn)直儀將從300微米的光纖射出的原始光束轉(zhuǎn)變?yōu)橹睆綖?.0英寸的準(zhǔn)直光束。壓力為75磅/平方英寸的壓縮空氣通過(guò)離目標(biāo)巖石約1.0英寸處的0.25英寸不銹鋼噴嘴裝置來(lái)定向。光學(xué)元件和凈化噴嘴都被置于機(jī)器手上，機(jī)器手運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)1.0英寸的圓，轉(zhuǎn)速22.6轉(zhuǎn)/分。隨著洞的加深，凈化噴嘴往里移動(dòng)。 總的激光時(shí)間6.0分鐘時(shí)，有1.0分鐘的間隔，準(zhǔn)直光束按此方式持續(xù)提供應(yīng)用。光束功率為3.2KW，這是根據(jù)先前的研究中對(duì)此類巖石和光束大小所給出的最佳值。7當(dāng)光束穿透到石塊的一半長(zhǎng)度時(shí)，光束被轉(zhuǎn)向，這樣，它可以從另一個(gè)方向來(lái)射入，從而在中間會(huì)合。得到的洞穿透了12英寸長(zhǎng)的樣品，據(jù)報(bào)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(zhì)的體積為210cc。 圖2：激光產(chǎn)生的孔道的橫截面。孔道長(zhǎng)為12英寸，每個(gè)端面直徑為2.0英寸。從不同的端面進(jìn)行切割可以降低邊界效應(yīng)的影響，同時(shí)很好的模擬了儲(chǔ)集層無(wú)限大的情況。激光僅從一個(gè)方向輻照貝雷石塊時(shí)，觀測(cè)到了邊界效應(yīng)，包括了熱擴(kuò)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(gè)現(xiàn)象在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)中曾被觀測(cè)到，它很可能是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品幾何特性上的人為因素造成的。 結(jié)果說(shuō)明：這里，對(duì)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(zhì)量的巖石所需的能量(KJ/cc)。在12英寸貝雷孔道實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(shí)間為0.5秒。8后來(lái)的測(cè)試包含了多個(gè)疊加在一起的0.5秒長(zhǎng)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(cè)量沿著與光束入射方向垂直的巖石表面進(jìn)行，前后的結(jié)果比較沒(méi)有得到任何結(jié)果。熱轉(zhuǎn)變區(qū)域從孔道壁沿著徑向深入到巖石內(nèi)約2.00mm處。7這說(shuō)明，比能值小的時(shí)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(duì)孔道附近的巖石特性產(chǎn)生熱轉(zhuǎn)變。 類似的比較在孔道對(duì)分的兩邊進(jìn)行。結(jié)果表明，沒(méi)有礦物熔化在孔道壁上。激光輻照后沿著井的滲透率讀數(shù)有15%到30%的提高。7雖然對(duì)巖石流體流動(dòng)特性的提高有限，但是激光鉆孔的過(guò)程不會(huì)有明顯的破壞，這對(duì)傳統(tǒng)的打孔技術(shù)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)顯著的進(jìn)步。 展望：目前在進(jìn)行補(bǔ)充性的研究，包括流體清洗技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)的壓力實(shí)驗(yàn)(超過(guò)2000磅/平方英寸)。隨后的步驟包括了設(shè)計(jì)初始向下打井的原型工具，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以及在作業(yè)井中的地面下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。從這項(xiàng)工作中預(yù)期得到的利益可能被整合到更為復(fù)雜的建井和完井應(yīng)用中。土料的其他鉆孔和切割應(yīng)用可能很快的跨入其他行業(yè)，比如能源工業(yè)，礦業(yè)，軍工，國(guó)家安全，航空，建筑和拆除行業(yè)。 Brian C. Gahan, P.E.,是氣體技術(shù)研究所，探索制造中心 E&P技術(shù)發(fā)展部的經(jīng)理。 聯(lián)系方式：brian.gahan@gastechnology.org. 參考文獻(xiàn) 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. 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