激光破岩方法研究及在石油钻井中的应用展望.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 O l 0年 7月 石 油 钻 探 技 术 P ETR I EUM I RI l J I J I N TECH NI QU E S VO1 ．3 8 NO． 4 J u 1 ． ， 2 0 71 0 ●管理 与发 展 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 3 1 激 光破岩 方法研 究及在石 油钻 井 中的应用展 望 徐依 吉 周长 李 钱红彬 宋 鹏 中 国石油大学 华东石油工程学院 ， 山东 东营2 5 7 0 6 1 摘要 激光 钻井破岩研 究是钻探 工程领 域一项具有前 瞻性的应用基础理论课 题 ， 它 包括 5大基础科 学 问题 ， 即 激 光 ／ 岩 石 ／ 流 体 相 互 作 用 原理 、 岩 石 相 变 的 热 力 学 与 传 热 学理 论 、 强 激 光 的传 输 变换 与微 型 化 原 理 、 激 光 破 岩 岩 屑 运移的 多相流动理论 、 激光钻 井的安全与环境保护科 学等。阐述 了激光直接破 岩的机理 ， 即击碎 、 熔化 和蒸发 的 作用 ， 并 综述 了国 内外激光破岩试验研 究成果 ， 解释 了比能、 二 次作 用等 专业概 念 ； 主 要对 激光破 岩试验 中出现 的 岩石热裂 、 液体汽化效应进行 了分析 ， 得 出了影 响激光热裂岩石 、 激光汽化钻 井液的 因素， 从理 论上探讨 了激光一 气 体机械联合钻 井与激 光激励 汽化射流辅助钻 井方法的 可行性 ， 同时指 出 了发展 激光钻 井技 术的优 势及难 点 ， 为激 光 技 术 在 钻 井 中 的 应 用 指 出 了研 究方 向 。 关 键 词 激 光 应 用 ；破 岩 机 理 ；汽 化 ；气体 钻 井 ；空化 ；射 流 中图 分 类 号 TE2 1 ； TE2 4 9 文 献 标 识 码 B文 章 编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 0 0 4 0 1 2 9 0 6 Th e S t u d y o f La s e r Ro c k Br e a k i n g M e t h o d a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n W e l l Dr i l l i n g Xu Yi j i Z h o u Ch a n g l i Qi a n Ho n g b i n S o n g P e n g Co l l e ge o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Ea s t Ch i n a ， Do n g y i n g， S h a n do ng， 25 7 0 61， Ch i n a Ab s t r a c t Roc k br e a k i ng t hr ou gh l a s e r i s a pr os pe c t i ve t e c hni q ue b o t h i n f i e l d a pp l i c a t i on a nd t he or e t i c a l s t u d y ． I t i n v o l v e s f i v e ma j o r f u n d a me n t a l s c i e n t i f i c i s s u e s ， i n c l u d i n g l a s e r ／ r O c k ／ f l u i d i n t e r a c t i o n， r o c k t he r mod y na mi c a nd he a t t r a ns f e r， 1 a s e r t r a ns f o r m a t i o n a nd m i ni a t u r i z a t i o n， r o c k c u t t i n gs t r a ns po r t a t i on i n m ul t i pha s e f l o w ， l a s e r d r i l l i n g s a f e t y a n d e nv i r on m e n t a l p r ot e c t i on ．Th e p a pe r d e s c r i b e d t he m e c ha ni s m o f r o c k br e a ki n g t hr o ug h l a s e r ， i n c l ud i n g s m a s hi n g， me l t i n g， e v a po r a t i on． I n a dd i t i o n， t hi s pa pe r r e v i e we d t he t e c h ni c a l a d va n c e s i n e xp e r i me nt a l r e s e a r c h o f br e a ki n g r o c k t hr o ug h l a s e r， e x pl a i ne d t he c o nc e p t o f s pe c i f i c e n e r g y， s e c o nd a r y a f f e c t ， a n d a na l y z e d r o c k he a t c r a c ki n g a nd l i q u i d v a p o r i z a t i on ．The f a c t or s i mpa c t i ng t h e r m a l c r a c ki n g a n d f l u i d v a p or i z a t i o n w e r e ob t a i ne d． Th e f e a s i b i l i t y of c o m b i ni n g g a s m a c hi n e r y a nd l a s e r s ma s h i n g a n d v a p o r i z a t i o n j e t i n we l l d r i l l i n g wa s i n v e s t i g a t e d a n d b o t h a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t hi s t e c hni que we r e p o i nt e d ou t ． Ke y wo r d s l a s e r a p pl i c a t i on； r o c k br e a ki ng me c ha ni s m ； v a p or i z a t i o n； ga s d r i l l i ng； c a v i t a t i o n； f t ui di c s 自 2 0 世 纪 初旋 转钻 井取 代 传统 的顿 钻钻 井 ， 实 现 石油 钻井 第一 次 革 新 以来 ， 钻 井 方 式 一 直 并 无 较 大 变革 ， 仅 是通 过利 用 新 材 料 和改 进 设 计 来 提 高 钻 头 的性 能 ， 以提 高 钻 遇 坚 硬 岩 石 地 层 时 的 钻 速 。但 旋 转 钻进方 式 依然 是依 靠 高钻压 、 高扭矩 、 高转速 来 增 大 机械钻 速 。随着 新 技 术 的发 展 ， 新 型破 岩 方 式 不断 出现 ， 其 中包括 水 射流 装置 、 电子束 、 空 化射 流 、 电气 弧 、 等 离子 体 和激 光 器 等 。美 国联 邦 航 空 研究 收 稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 7 ； 改 回 日期 2 0 1 0 0 5 ～ 3 2 作者简介 徐依 吉 1 9 5 男， 山 东淄博人 ， 1 9 7 5年毕 业于华 东 石 油 学 院钻 井 工 程 专业 2 0 0 0年 获 石 油 大学 华 东 油 气 井 工程 专 业 硕 士学位， 2 0 0 4年获石油大学 华 东 油气井工程专业博士学位 ． 教授 ， 硕 士生导师． 主要从事高压水射流技术在石油2 C- 程 中的应用研究工作 。 联 系方 式 0 5 1 6 8 3 9 l 7 8 7 。 x u y j u p c ． e d u ． c “ 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 0年 7月 所 激光 切割岩 石试 验 的 结果 表 明 ， 利 用激 光 发 出 的 高能聚焦辐射 ， 可在各种坚硬岩石上切割 出深而细 的切缝 。在掘进 硬 岩 隧道 时 ， 用 激 光切 割 比用 机械 法更 经济 ， 当然 ， 这种 经济性 取决 于激光 技术 的发展 水平 、 岩石的种类和隧道 的断面等 因素_ 1 ] 。如将激 光技 术应用 于石 油钻 井 中 ， 将会 给石 油 钻井 技 术 带 来 重大 突破 。 l 激光直接破岩机理 岩石 的破 碎 和运 移 是 油气井 钻井 、 完井 过 程 中 的重要 问题 之一 。研 究激光 钻井 也应 首先着 眼 于激 光与岩 石作用 机理 的研究 。 激光 直 接破 岩 的基 本 原理 是 ， 利 用 高能 光束 使 岩石 基质材 料局部 快 速 加 热 ， 由固态 瞬 间 相变 到 热 熔和 汽化状态 ， 并形 成气 液 固多 相混合 物 如 图 1 所 示 ， 然后 由高速辅 助气流 将其携 走 和排除 。 照射 r__ j ＼ 激 光j 加热 在激光热量接近而未达到 岩石的液化潜热 时 在激光热量达到或超过 岩石的液化潜热时 在激光热量达到或超过 岩石的汽化潜热时 为 熬⋯ 图1 激 光直接破岩 的主要物理化学现象 激 光与 岩石 直 接 作用 时 ， 一 部分 能 量被 岩 石 吸 收 ， 其 余都被 反 射 和散 射 损 失 了 。当岩 石 内的能 量 积 累到一定程 度 、 温度 足够高 时 ， 就会 发生 如 图 1所 示 的 3种破岩 形式 为主 的一系列 复杂 的物理 化学反 应 ， 如破碎 、 分解 、 熔化 和汽 化等 j 。 激光 直接破 岩是 一种非 接触 式 的物 理化 学破岩 新方 法 ， 能量 利用 率 高 。钻 井 深度 在 理 论 上可 以无 限延伸， 这是激光钻井的最大优势。 2 激光破岩试验研究与成果 2 ． 1 相关 概念 2 ． 1 ． 1 比 能 比能表示 移除 单位体 积岩石 所需 要 的能量 。它 是 比较不 同破岩 方式 效率 的标准量 之一 ， 可表 示为 皂 一 篆 一 输 入能量 移除岩 石 的体 积 2 ． 1 ． 2 二 次作 用 泛 指 岩石 开始 熔 化后 ， 所 有 引起 激 光作 用 于岩 石 能量 损失 的因素 ， 它包 括岩石 矿物 的重复熔 化 ， 井 眼内矿物 和气 体 的分解 、 裂缝 的形 成等 。 2 ． 2激 光破岩 试验及 结 果 美 国 Ar g o n n e国 家研 究 所 激 光应 用 实 验 室 在 1 9 9 7 2 O 0 4年 间进 行 了一 系 列试 验E 1 , 3 - 6 ] ， 包括 早 期 的化学 氧化碘 激光器 c o i l 激光试 验 、 钇 铝石榴 石 晶 体脉 冲式 激光 器试验 、 多束 激光试 验 、 大 功率激光 完 井研 究 。 2 0 0 0年 ， 日本钻 井公 司为 发展 实 用激 光钻 井 技 术， 用二氧化碳脉冲激光器 最大输出功率 5 k w 分 别 在净水 和膨 润土质 量分 数 为 4 的膨 润 土溶 液 淹 没条 件下 对花 岗岩进 行 了破 岩试 验_ 7 ] 。试 验结 果表 明 比能受 岩石 中石英 含量 、 表 面粗 糙程 度 、 颜色 、 颗 粒胶 结程度 、 岩 性 和激 光 参 数等 多 种 因 素影 响 。石 英 含量 越高 、 颗粒胶 结越 致密 ， 岩石 比能就越 大 。不 同种类的岩石有不 同的一 系列激光参数 激光柬功 率 、 能量 、 频率 、 脉 冲宽 度 和 作用 时 间等 ， 使 比能亦 有所 不 同 ， 直接 影响 表现如 下 1 激光器 的功 率越大 ， 各类 岩 样 的穿透 速 度越 快 ， 且 比能越 小 ； 2 浸透过的岩石 比没浸透过的岩石需要更高 的能量 ； 3 照射 时间越 长 ， 各 类岩 石单 位体 积 消耗 能量 越大 ； 4 垂 直照射 比水 平照射 需要 的能量 更大 ； 5 当脉 冲重复率增 加 时 ， 比能减小 ； 6 岩石处 于碎裂 区时 ， 能量利用率高 于熔融 区 ； 7 多束激光破岩孔洞无明显熔化现象 ； 8 间隔时间越长 ， 随着激光重复次数的增加， 比能增 幅越 小 ； 9 多束激光破 岩时 ， 光 束间隔对突脊影 响不 大 ； l O 激光束强度过高造成熔化 ， 形成玻璃体阻 碍进 一 步的钻进 ； 1 1 多光束 及气 体吹 扫的组 合 可 以克服 孔深 限 制 ， 实 现更 深 的钻 进 ； 1 2 多光束试验比能明显高于以前 的单光束优 第 3 8卷 第 4期 徐依 吉等 激光破 岩方法研 究及在石 油钻 井中的应用展望 化试 验 ， 并 随着重 复率 的增加 而增 大 ； 1 3 岩样 在激光束高频率作用下 ， 有助于避免 熔化 ； 1 4 液体 条件 下 ， 激 光 激 发 的气 泡有 助 于携 带 碎裂 熔融 的岩 石颗 粒 。 综上 所述 ， 对 于 干 燥／ 润 湿 的 岩 样 ， 在 良好 吹 扫 条件 下 ， 利 用 多光 束 高 频 高 能 脉 冲激 光 使 干燥 岩 石 破裂 ， 能 达到激 光 直接 破 岩 的最佳 效果 比能小 ， 孔洞深 ； 对于液体淹没的岩样 ， 在类似钻井液 的条件 下 ， 大功 率激 光器 的破 岩及 气 泡携 岩效 果 明显 。 3 激光辅助破岩技术探索 目前利 用 激 光 直 接 破 岩 钻 井 存 在 以 下 3个 问 题 1 高 能激光 器 未 能 实 现 工业 化 、 民用 化 ； 2 破 岩 时二 次作 用 的限 制 ； 3 长 距 离 钻 井 激 光传 输 能力 受 限 。因此 ， 利用 激 光 破 岩 的 特 定 效应 发 展 激 光 辅 助 机 械破 岩是 目前激 光钻 井 技术 的发 展 方 向 。 3 ． 1 气体 钻 井 中激光 的应 用 3 ． 1 ． 1 岩石 的 热裂 图 2为 比能 与激光 平 均功 率 的关 系 。从 图 2可 看 出 激 光作 用 于岩 石 表 面 ， 当其 功 率 较 低 时 ， 大部 分能 量用 于岩 石热 膨胀 、 产 生裂 缝 以及 分解 矿 物 ， 此 时 比能 较大 ； 但 随功率 的增 大 ， 移 除岩 石 的激光 能量 利用 率 也随之 增 大 ， 此 时 比 能 逐 渐 减 小 ； 在 矿 物 开 始熔 化 前 的那 一 刻 ， 比 能 达 到 最 小 ； 功 率 继 续 增 加 后 ， 由于 热 量 在 岩 石 中 的 扩 散 要 比 岩 石 从 激 光 束 中吸收 能 量 容 易得 多 、 快 得 多 ， 使 岩 石 基 质 吸 收 的 能量 超 过 了扩 散 的 能 量 ， 温 度 达 到 矿 物 熔 点 ， 岩 石 开始 熔 化 ， 但 由 于二 次 作 用 的 影 响 ， 比能 将 会 产 生 一 个 飞跃 。 6 0 5． 0 4 ．0 g 3． 0 2 O l O O 激光照射时间 o 5 s _一 ◆S H1 l I 一 。 I s H1◆ ＼ 一 i k ＼ S H 1 n 8 2 l 5 2 - l 3 碎 裂 区 ＼ 。 l s H 8 、 0 0 2 04 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 平均功率／ k w 图2 比能与激光平均功率的变化关 系 从 图 2还 可 以看 出 ， 比能 最 小 峰值 区处 于 碎裂 区 的末 段 ， 即为 最 佳 热 裂 区 。 由此 可 知 ， 激 光 破 岩 时 ， 将激 光 能量 控制 在热 裂 岩石 的水 平上 ， 可 以充分 利 用激 光 能量达 到最 大破 除 岩石体 积 的 目的口 ] 。 图 3为 岩石 的热 裂 过 程 。从 图 3可 以看 出 ， 从 以下方 面 出发有 助 于破 岩 1 在 岩 石 不 汽 化 前 提 下 ， 激 光 功 率 越 高 效 果 越 好 ； 2 将 岩石 靶 区控制 在最 优 靶 距 的范 围 内 ， 保 证 有 限能 量 的集 中 ； 3 激 光束 环境 介质 的 比热 越 小 越好 ， 可 降 低导 热 、 对 流 的消极耗 能 ； 4 热 裂破 岩 时 ， 若有 辅 助破 岩 、 清 岩 系统 ， 可消 弱 二次 作用 。 缺陷 平面岩石 外加热量 ／ I a 未加热的含缺陷岩石 b 对缺陷区域加热产生应力作用 量 翱 c 裂缝开 始在 应力 一 方向上扩展 d 裂缝区域进入变形 阶段并开始分离 e 形成热裂最终脱 图3 热裂过程 有 试 验 资 料 显 示 _ 8 ] ， 激 光 功 率 密 度 为 1 2 0 0 W／ c m。 、 激 光脉 宽为 0 ． 4 s 时 ， 采用 高速 辅助 气 流迅 速 吹走 岩石 碎 屑 以 防止 其 熔 化 ， 钻 进 速 度 最 高 可达 0 ． 5 O c m／ s ， 远 高 于 传 统 钻 井 技 术 在 深 井 井 深 4 5 7 2 m 中的平 均 钻进 速 度 约 0 ． 0 4 c m／ s 。因此 利 用激 光 钻井技 术 在深 井 和坚硬 地质 条件 下开 采油 气 资 源具 有 明显 的优势 。 激 光 光 束 可 在 透 明 的洗 井 介 质 中 工 作 ， 空 气 和 隋性 气 体 如 氮 气 和 二 氧 化 碳 等 是 携 带 岩 石 碎 屑和 冷 却 井 下激 光 元 件 的 良好 循 环 介 质 。激 光 钻 井 的排 屑 方 法 类 似 于 现 行 的 高 压 气 体 钻 井 l_ 9 ] ， 因 此 ， 气 体钻 井 具 有 发 展 应 用 热 裂 辅 助 破 岩 的 优 势 。 再 者 ， 地层 岩 石 坚 硬 、 井 壁 稳 定 性 强 、 较 少 地 层 流 体侵入等气体钻井条 件下激光能 以较小 比能破 除 岩 石 。 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 0年 7月 3 ． 1 ． 2激光一 气体机械 钻 井探 讨 气体 钻井 中 ， 岩 石径 向膨胀 变 形 量决 定岩 石 内 部积 聚能量 的大小 和 井 底 岩石 的裸 露 面积 ， 表 达 式 为 △p 。一 一 式 中 ￡ 为岩石 变 形 量 ， I T I 1T I ； 为 单 位 面 积 下岩 石所 受 的压 应力 ， MP a ； A p为井 底 岩石 内、 外 的压 力 差 ， MP a ； A 为井 底岩石 裸露 面积 ， I T l IT }． ； E 为 地层 岩 石 的弹性模量 ， MP a 。 若井底 面积一定 、 不 考虑 岩石特性 变化 ， 井底 压 差越 大 ， “ 拉应 力” 变形 量 越 大 ， 凸 起越 大 ， 裂 缝 扩 展 能力越强 。 激光破岩时， 激光束照射加热岩石 ， 受热岩石各 部 分温度 不一致 ， 温度 高 的部 分要膨 胀伸 长 ， 温 度低 的部分则 限制它 的膨 胀 ， 结 果 在 高 温部 位 产 生压 应 力 ， 低温部位 产生 拉 应 力 。 由于 热应 力 是 因 温度 变 化产生 的 ， 所 以也 称 温度 应 力 或 温差 应 力 。热 应力 是 由于温度变 化时 变 形受 阻 而 产 生 的 ， 可 根 据 应力 与应变成 正 比的关 系列 出计 算式 l 】 a △TH 。一 2 式 中 a为 岩 石 线 膨 胀 系 数 ， K～ ； △丁 为 温 度 场 温 差 ， K； H 为应力 松弛 系数 ； 为岩石 泊松 比。 若 不 考虑 岩石 特 性 变化 ， 井 底 温差 越 大 ， “ 拉应 力” 变形 量越 大 ， 局 部 凸起 越大 ， 裂缝扩 展能 力越强 。 内能 释放 破碎 机 理 、 热裂 机 理均 为 裂缝 扩 展理 论 ， 不 同点是前 者通 过岩 石 内外 压差 的“ 拉 应 力 ” 及 钻 头高速 冲击力 产 生局 部应 力使 表 层 岩石 碎 裂 ， 后 者通过高能激光照射岩石产生较高局部热应力使表 层岩石 碎裂 。激光 在气体 钻井 中 的应 用是 将井底 岩 石压力 、 温 度效 应 叠 加 ， 可 以使 局 部 应 力 集 中更 明 显 ， 裂纹 扩展加 速 ， 最终能 将气体 钻井 速度提 到一个 新 得高度 。事实 证 明_ 6 ] ， 激 光 照射 所 产 生 的温 度 场 可 以削弱 岩石强 度 ， 使裂 缝得 到扩 展 、 矿物 质得 到干 燥及 汽化 ， 空隙体 积得 以增大 。 激 光一 气 体 机 械 钻 头 见 图 4 E 6 3 可 以 实 现 激 光 照 射 热 裂 新 岩 石 面 、 再 机 械 破 岩 的 目的 ， 还 可 根据 测 井 资 料 在 地 面 调 整 激 光 参 数 以 适 应 相 应 地 层 。 激光一 气体机械联合钻井 的优点 机械钻速快 ； 钻 头磨损 小 ， 钻 头 寿命 长 ， 起 下钻 的时 间减 少 ； 完 全 适 用于气体 钻井 水平 井 、 垂直 井 和定 向井 ； 同样 的 激光头 图4 激光一 气体机械钻头 激光 发生装 置可 在多 口井 中反复使 用 。 激 光一 气体 机械 钻井 的研究 方 向主要有 高压 差 及 局部 高温下 井底 岩 石 特性 的变 化 ； 高 能激 光 的产 生或传输 ； 多激光头一 牙轮钻头 的研制 ； 激光头的保 护 ； 多束激光开闭组合方式研究 ， 等等。 3 ． 2常 规钻 井中激 光的应 用 3 ． 2 ． 1液 体 的 汽 化 由于液体具有汽化特性 ， 当液体在恒压下加热 ， 或在恒 温下用 静力 或动力 方法 降低其周 围环 境压力 时 ， 都 能使液体 达 到 汽化 状 态 。对 于 由这 两个 不 同 条件 形成 的液 体汽化 现象 在概念 上是不 同 的。任何 一 种 液体 在衡定 压 力 下加 热 ， 当液 体 温度 高 于某 一 温度 时 ， 液 体开 始 汽化 ， 形 成 汽 泡 ， 这称 为 沸腾 。 当 液体 温度一定 时 ， 降低 压力 到某 一 临界压 力时 ， 液体 也会 汽化或溶 解 于液 体 中的空 气 发 育形 成 空 穴 ， 这 种 现象 称为空 化 。 液体 条件 下激 光 破 岩试 验 发 现[ 7 ] ， 激 光束 能 引 发光 束路 径上 液体 的沸 腾 见 图 5 。在 激 光 一 水 力 破岩 时气 泡有利 于 帮助 清除 岩 屑 ， 但液 体 的汽 化 要 图5 激光激励沸腾 第 3 8卷 第 4期 徐依 吉等 激光破岩 方法研 究及在石油钻 井中的应用展 望 1 3 3 消耗相 当的能 量 ， 若 要 实 现 液体 条 件 下 激 光 钻 井 破 岩 ， 就 必须 有井 下 大 功 率 激 光发 生 器 或高 效 的激 光 远距 离传 输 系统来 支 持 ， 以保 证 有 足 够 的 能量 直 接 作用 到岩 石上 实现 破 岩 。 3 ． 2 ． 2 空 化 射 流 一 般 水射 流破 岩 可 以认为 是 由 2种方 式共 同作 用 的结果 一 是 由于水 射流 对 岩石 的 冲击 ， 在能 量 的 急剧 转变 、 传 播过 程 中破坏 岩 石 ； 二 是在 水 射流 的 准 静态 压力 作用 下 ， 微孔 隙 、 微裂 纹逐 渐 扩展 、 汇 聚 ， 形 成宏 观破 坏 。 。 。空 化 射 流具 有 空 蚀 效 应 ， 空蚀 是 指 由于 空泡 的溃 灭 ， 引起 过 流表 面 的岩 石 损 坏 。在 空 泡溃灭 过 程 中伴 随着 机 械 、 化 学 等 作 用 。空蚀 是 空化的直接后果 ， 空蚀只发生在固体边界上。 空 蚀对 岩 石 的 破坏 作用 有 2种 一是 由从 小 空 泡 溃灭 中心 辐射 出来 的 冲 击 波 而产 生 的 ， 称 为 冲 击 波 模式 ， 该 冲击 波使 边壁 形成 一个 球 面 的 凹坑 ； 二 是 由较 大的空 泡溃 灭 时 形 成 微 射 流所 造 成 的 ， 气 泡 变 形 、 分解 、 使 之形 成 了流 速 很 大 的微 型 液体 射 流 ， 如 果 溃灭 区离 边界 很 近 ， 则 射 流 会 射 向 固体 边 界 造 成 空 蚀 。 实 际空 化 射 流 内部 两 种 作 用都 有 ， 大气 泡 溃 灭 产 生射 流 ， 小气 泡 溃 灭 产 生 冲 击 式 压 力 波 。大 气 泡 溃 灭 产生 的射 流 速度 很 高 ， 达 1 0 0 ～ 3 0 0 m／ s ， 因流 速很 大 ， 故 产 生 的冲击 压 力 可用 水 锤 压 力 公 式 来 计 算 。水锤 压力 计算 公 式为 P pC C 3 式 中 为液体 中的声速 ， m／ s ； C为射 流速度 ， m／ s 。 若 C一1 0 0 m／ s ， 则 会 产 生 2 0 0 MP a的压 力 作 用 于岩石 表 面 ， 造 成岩 石 表面 上 的蚀坑 ， 引 起岩 石表 面 的疲劳 破坏 。 空 化射 流 的发 生 装置 即空 化 喷 嘴 ， 通 过 其 内部 流 道 见 图 6 的 设 计 达 到 空 化 条 件 局 部 低 压[ 1 7 l 。 图6 收缩扩张管内的空化现象 当流速 不变 而压 力 降低 或压 力不 变流 速增加 时 ， 流场 极小 区域 内偶 然 初 次 出现 微 小 空穴 的 临界 状 态称 为空 化发 生 。 影 响液 体 空化产 生 与发 展 的主要 因素 有流 动边 界 形 状 、 绝 对压 力 和流 速 等 。此 外 ， 液 体 黏性 、 表 面 张 力 、 气核 、 汽 化特性 、 杂质 、 边壁 表 面条件 和所 受 的 压 力梯 度等 对 空化 都有 一定 影 响 。 3 ． 2 ． 3激 光 汽化射 流探 讨 常规 循 环 钻井 液 的钻 井 条件 下 ， 钻 头 处 的 环境 静 压力 [ 1 3 3 为 P 一 p gh 4 温度 分布 为 t 。 。一 2 0 5 饱 和蒸 汽 压与 液体 温度 的关 系 为 P 一 2 ． 4 7 5 1 0 。 6 式 中 g为重 力 加速 度 ， m／ s ； h为 钻 头 垂 深 ， m／ s ； t 。 。 为液 体温 度 ， ℃ ； 为地 温梯 度 ， ℃／ m。 一 般 喷嘴 内 的绝对 压 力 与 井 底静 压 力 相 等 ， 远 大于 水 的汽化 压 力 ， 故 不 能实 现空 化 。 若 想 实现 井 下 汽 化 ， 则 必 须采 取 措 施 产生 一 个 附加 压 强 P 使 P P 。 。≤ P 7 将式 4 ～ 6 代 入式 7 得 P d≤ 2 ． 4 7 5 1 0 2 O 一 p g h 8 女 口 果 一0 ． 0 3℃／ m， h 4 0 0 0 m， l0 1 2 0 0 k g ／ m3 ， 则 P ≤ 一4 7 MP a ， 即需产 生 至少 4 7 MP a的负 压才 能 产 生空化 。 一 直 以来 ， 唯 一 具有 希 望 的是 自振 作 用 。 自振 波 动压 力是 叠 加在 环 境 压 力 之 上 的 ， 某 一 时 刻压 力 可 能 降至 汽化 压力 以下 ， 空 化产 生 ； 另一 时刻压 力 又 很 高 ， 促使 空化 泡湮 灭 。如 果振 动频 率太 高 ， 即使 空 化 发 生 ， 气 泡也 太 小 ， 液 体 处 于类 似 溶 解 气 的状 态 ， 破 碎 岩石 的作 用不 大 。 液体 条件 下 激光破 岩 试验 发现 激光 具有 良好 的 汽化 能力 ， 分 析式 7 知 ， 激 光 汽 化 可 以提 高 局 部 温 度来 改变 附加 压 力 ， 使 P 一P 增 大 ， 以超 过 井 底 压 力P 。 。 ≤ 一P ， 即在 固定 压力 下 ， 温 度 升 高 ， 饱 和蒸 汽压 也相 应 提 高 。激 光 所 具 有 的高 能 特 性 ， 决 定 了它 能够作 为 高 效 局部 热 源 ， 如 能 与 白振 空 化 喷 嘴结 合 见 图 7 ， 就 有 望 极 大 地 提 高 自振 空 化 射 流 的汽化 率 ， 增 强 射流 破岩 能力 。 图7 激光激励汽化喷嘴效果示意 激 光 激励 汽 化射 流 辅助 钻 井 的优 点 机械 钻 速 加快 ； 钻 头磨损 减小 ， 钻头 寿 命 长 ； 适用 于 所 有 钻井 液钻井 水平井 、 垂直 井和定 向井 ； 同样 的激 光联合 装 置可在 多 口井 中反复使 用 。 激光 激励 汽化 射 流 辅 助 钻 井 的研 究 方 向主 要 有 激光 的产 生与 传输 ； 井 下 激 光设 备 的保 护 ； 汽 化 能量 的确定 激光 功率 ； 激 光头 焦 点 在 喷 嘴 中位 置 的确定 ； 汽化段 有效长 度 的确定 ； 汽化射 流对 喷嘴 的 影 响 ， 等 等 。 调研表明 ， 当前 可 以在井 下狭 窄空 间 j 5 2 5 0 mm 应用 1 O O ～ 5 O 0 W 中小 型 激 光 器 ， 1 0 0 ～ 5 。 0 W 的 功率恰 好 可 以 与 井 下 马 达 的供 电能 力 相 匹 配 ， 该 功率 下 的激 光激 励 汽 化 射 流 辅 助 破 岩 是 有 实 际 潜 力的 。 4 结束语 激 光钻 井 破岩 是 钻 探 工 程 领 域 一 项 具 有 前 瞻 性 的 技术 ， 它 涉 及 到 多 学 科 的 交 叉 渗 透 与 协 同 配 合 ， 存 在一 系 列 的难 题 亟 待 解 决 。笔 者 就 当前 钻 井工况结合激光热裂 、 高能量特性提 出激光一 气 体 机 械 联合 钻 井 和 激 光 激 励 汽 化 射 流 辅 助 钻 井 ， 它 们 分 别将 激光 直 接 应 用 于 气 体 钻 井 、 常规 钻 井 ， 均 以传统方式实 现携岩 至地面和穿 过油气 层 ， 以井 下 马 达为 井 下 小 型 激 光 器 提 供 能 量 ， 可 根 据 地 层 条 件与 破 岩 体 积 调 控 激 光 能 量 达 到 联 合 破 岩 的 效果 。 在激 光 、 材 料科 学迅速 发展 的背景 下 ， 激 光辅助 钻 井技术 中的能量 供 给 、 激光 头 的保 护不 再 是该 技 术发展 的瓶 颈 ， 激 光辅 助钻井会 有无 限 的发 展空 间 。 随着激 光应 用经 验 的积 累 ， 会 为激 光 钻 井 的实 现 奠 定 基础 ， 这也符 合激 光钻 井分 阶段 、 分 步骤进 行研究 的发展思路 ， 因此 ， 对激光一 气体机械联合钻井和激 光激 励 汽化射 流辅助 钻井技 术进 行研究 与应用 是非 常必 要 的 。 参 考 文 献 [ 1 3 Ga h a n B C， P a r k e r R A， B a t a r s e h S ， e t a 1 ． L a s e r d r i l l i n g d e t e r - mi n a t i o n o f e n e r g y r e q u i r e d t o r e mo v e r o c k [ R] ． S P E 7 1 4 6 6 ， 2 0 01 ． [ 2 ] 甘云雁 ， 陈利． 新型钻井技术 激光钻井的研究进展[ J ] ． 科 技导 报 ， 2 0 0 5 ， 2 3 3 3 7 - 4 0 ． [ 3 ] S i n h a P， Oo u r A． L a s e r d r i l l i n g r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n a n u p d a t e R ] ． S P E ／ I AD C 1 0 2 0 1 7 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] Xu Z h i y u e ， Re e d C B ， L e o n g K H， c t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f h ig h p o we r e d l a s e r s t o p e r f o r a t e d c o m p l e t i o n s I n t e r n a t i o n a l Co n g r e s s o n Ap p l i c a t i o n s o f La s e r＆ El e c t r o Op t i c s ． J a c k s o n v i l l e Oc t o be r 1 3 - 1 6， 2 0 0 3 r C] ． [ 5 ] O’ B r i e n D G， Gr a v e s R M， O’ B r i e n E A ．St a r wa r s l a s e r t e c h n o l o g y f o r g a s d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n s i n t h e 2 1 s t c e n t u r y r R ] ． S PE 5 6 6 2 5 ， 1 9 9 9 ． [ 6 2 P o o n i w a l a S ． L a s e r s t h e n e x t b it [ R] ． S P E 1 0 4 2 2 3 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ] Ko b a y a s h i T， N a k a mu r a