激光鉆井破巖的基礎(chǔ)理論問題

激光鉆井破巖的基礎(chǔ)理論問題

激光破巖的基本原理是直接使用高能耗光，使其在局部快速加熱至融化和省會(huì)，并形成氣液兩相混合，然后通過高速輔助氣流將其運(yùn)輸和排除。這是一種非機(jī)械接觸的物理破巖方法。激光技術(shù)與地球鉆探科學(xué)相結(jié)合,所形成的激光鉆井破巖新思想,是近10a來國際鉆探領(lǐng)域的重大前沿性研究課題,國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其理論做了探討,并對(duì)巖石相變的熱力學(xué)與傳熱學(xué)做了試驗(yàn)研究,本文指出了還需進(jìn)一步研究的方向。1激光破巖的兩個(gè)發(fā)展階段縱觀激光破巖概念的產(chǎn)生、研究與發(fā)展,它經(jīng)歷了小功率激光器的巖石切割階段和大功率激光器的鉆井破巖階段。1.1光能量破碎巖石激光破巖概念的產(chǎn)生可以追溯到1960年美國科學(xué)家MamanC.M.發(fā)明了世界上第1臺(tái)紅寶石晶體激光器后,麻省理工學(xué)院MoavenzadehF.,McGarryF.J.和加州大學(xué)WilliamsonR.B.等人(1968年)在第43屆SPE/AIME秋季年會(huì)上,聯(lián)合提出的利用激光能量破碎巖石和鉆井的設(shè)想。當(dāng)時(shí)的激光器功率小,輸出能量較低;激光器產(chǎn)生的波長相對(duì)較長,較難聚焦,能量也不能傳輸?shù)竭h(yuǎn)離激光光源的地方,因而該設(shè)想沒有用于石油鉆探的巖石破碎,但在鐵路、礦山和交通業(yè)隧道挖掘中堅(jiān)硬巖石的加熱軟化和機(jī)械輔助破巖方面得到了應(yīng)用。1971年,美國聯(lián)合飛機(jī)研究中心CarstensJ.P.和BrownC.O.等人利用連續(xù)CO2激光對(duì)花崗巖、石英巖和玄武巖等巖石成功地進(jìn)行了室內(nèi)切槽試驗(yàn)。隨后,激光切割巖石的方法在德、日和美等國建筑行業(yè)各類石材、混凝土等的切割和加工中得到廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。前蘇聯(lián)科學(xué)研究院Lebedev物理研究所是軍用大功率激光器的研究中心,曾在1969—1978年間開展了激光與巖石相互作用的研究,當(dāng)時(shí)的激光功率為0.5～1.0kW,后因資金缺乏而停止。日本是一個(gè)地震發(fā)生頻率較高的國家,山體的潛在滑移危險(xiǎn)性大。日本地球物理研究所和東海大學(xué)利用激光破巖技術(shù),防止淺層地質(zhì)鉆探和建筑打樁作業(yè)中山嶺滑坡和房屋倒塌事故,取得了顯著的成效。1.2美國石油天然氣勘探中重大戰(zhàn)略支撐技術(shù)研究計(jì)劃石油天然氣勘探開發(fā)中的激光鉆井破巖與礦山和建筑行業(yè)中的工作環(huán)境和技術(shù)要求迥然不同。例如,激光鉆井破巖的目標(biāo)層深;光束的光斑尺寸大;井眼軌跡必須規(guī)則;井壁必須具有強(qiáng)的防坍塌和抗失穩(wěn)性能;具有屏蔽強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有毒氣體干擾的能力等。另外,石油井下環(huán)境惡劣,空間尺寸小,對(duì)激光元器件的功率體積比、移動(dòng)性和可靠性以及高能光束的遠(yuǎn)距離傳輸與控制,均有特殊的要求。石油激光鉆井破巖思想的提出,源于1994年美國國會(huì)通過的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃中軍用大功率激光器向工業(yè)界轉(zhuǎn)化的議案。上世紀(jì)70年代末和80年代初,以蘇美兩國為代表的東西方陣營的軍事冷戰(zhàn)進(jìn)人“白熱化”階段,美國加緊了“星球大戰(zhàn)”所用的各類激光器的研制,促進(jìn)了激光技術(shù)取得了迅速發(fā)展。隨著1991年前蘇聯(lián)的政治解體和東西方對(duì)抗的結(jié)束,美國政府向工業(yè)界提出了授權(quán)轉(zhuǎn)化冷戰(zhàn)軍事技術(shù)的計(jì)劃,于是,激光鉆井破巖技術(shù)被納入美國能源部石油天然氣勘探開發(fā)中重大戰(zhàn)略新技術(shù)的議事日程。1997年,美國能源部(DOE)批準(zhǔn)了芝加哥天然氣研究院(GasResearchInstitute,GRI)和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(CSM)聯(lián)合提出的激光鉆井計(jì)劃。該項(xiàng)目(GRI-98/0163)為期2a,旨在進(jìn)行激光鉆井破巖可行性方面的初步室內(nèi)試驗(yàn)和基礎(chǔ)理論研究。美國GRI和CSM的室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明:激光破巖與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤鉆井技術(shù)相比,在提高機(jī)械鉆速方面具有無可比擬的優(yōu)越性;軍用兆瓦級(jí)激光器能為4500m井深鉆井破巖提供足夠的能量。2000年,美國能源部和國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室正式把激光鉆井技術(shù)的研究列入美國石油天然氣勘探開發(fā)中重大戰(zhàn)略支撐技術(shù)的長期發(fā)展計(jì)劃,并繼續(xù)支持天然氣工藝研究院(GasTechnologyInstitute,GTI)的新一輪激光鉆井計(jì)劃(如圖1)。GTI系由原芝加哥天然氣研究院(GRI)和芝加哥天然氣工藝技術(shù)研究院(IGT)于2001年聯(lián)合組成。第2輪激光鉆井計(jì)劃(DE-FC26-00NT40917)項(xiàng)目分為3個(gè)階段進(jìn)行實(shí)施,由天然氣工藝研究院(GTI)和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(CSM)等6家聯(lián)合承擔(dān),旨在深入研究激光鉆井破巖的基礎(chǔ)科學(xué)理論、淹沒環(huán)境下激光破巖的模擬試驗(yàn)、激光深井(大于6000m)破巖能力的評(píng)價(jià)、井下激光鉆井樣機(jī)的研制,計(jì)劃在2009年完成第1臺(tái)工業(yè)性試驗(yàn)用車載激光鉆機(jī)的制造。2激光破巖與儲(chǔ)層物性的關(guān)系俄羅斯、日本、加拿大和印度等國十分關(guān)注美國激光鉆井破巖的研究成果和最新動(dòng)向[1,2,3,4,5,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]。1998—1999年,俄羅斯Lebedev物理研究所參與了美國GRI負(fù)責(zé)的第1輪激光鉆井破巖可行性方面的合作研究,隨后獨(dú)立開展激光破巖的巖石臨界能量和巖石激光可鉆性等方面的基礎(chǔ)研究。日本加大了對(duì)高功率等級(jí)激光元器件的研發(fā)力度,正擬建造50kW可移動(dòng)氧碘激光器。2000年以來,加拿大自然科學(xué)及工程研究委員會(huì)和能源部聯(lián)合支持Dalhousie大學(xué)開展激光破巖的巖石傳熱學(xué)和熱力學(xué)方面的研究。美國和俄羅斯于2000年完成了高能激光鉆井破巖的室內(nèi)可行性試驗(yàn)工作,其研究成果和結(jié)論是:a)國防工業(yè)中的兆瓦級(jí)激光器能滿足4500m井破巖的能量要求。b)激光破巖的速度與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤/牙輪鉆頭或者轉(zhuǎn)盤/金剛石鉆頭相比,根據(jù)地層巖性的不同,平均提高10～100倍。c)激光光束可在透明的洗井介質(zhì)中工作,空氣和隋性氣體(如氮?dú)夂投趸嫉?是攜帶巖石碎屑和冷卻井下激光元件的良好循環(huán)介質(zhì),激光鉆井的排屑方法將類似于現(xiàn)行的高壓氣體鉆井工藝。d)激光可在井眼巖石表面形成陶瓷釉面,能減少技術(shù)套管的層數(shù),節(jié)省鉆井費(fèi)用。e)激光鉆井不需頻繁起下鉆柱更換鉆頭,可提高鉆井效率。f)激光鉆井對(duì)井場環(huán)境的污染小。中國石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院竇宏恩和中國石油大學(xué)甘云雁等人對(duì)國外激光破巖的研究進(jìn)展方面進(jìn)行了大量的前期調(diào)研工作。1998—2000年,易先中在原江漢石油學(xué)院科研發(fā)展基金的支持下,開展了“激光破巖機(jī)理與射孔技術(shù)的研究”工作(項(xiàng)目編號(hào):1999H0074)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明,激光射孔破巖并形成一定深度的井眼,在室內(nèi)環(huán)境條件下是完全可行的。如高能激光束穿透泥質(zhì)砂巖和頁巖試樣的室內(nèi)試驗(yàn)速度可高達(dá)105～115m/h等,與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤/牙輪鉆頭或者轉(zhuǎn)盤/金剛石鉆頭相比,破巖速度提高10倍以上。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明,若激光鉆井能在井下狹隘空間進(jìn)行成功的工業(yè)化應(yīng)用,與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤/牙輪鉆頭或者轉(zhuǎn)盤/金剛石鉆頭相比,則具有明顯的技術(shù)競爭力和良好的發(fā)展前景。2002—2004年,易先中在中國石油天然氣集團(tuán)公司(CNPC)石油科技中青年創(chuàng)新基金資助下開展了“激光射孔破巖的儲(chǔ)層物性研究”(項(xiàng)目編號(hào):2002Z0601)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):巖石基本上是以受熱碎裂、氣化和熔融等形式破壞,隨著激光工作參數(shù)和輔助氣流參數(shù)的不同,其破壞形式呈現(xiàn)多樣性。另外,巖石受激光作用后,熱影響區(qū)附近的巖石存在著宏觀裂紋發(fā)育現(xiàn)象,其孔隙度增加,滲透率提高4倍左右。同時(shí),巖石有變脆的趨勢,其強(qiáng)度極限降低,彈性模量減小。在激光鉆井破巖中,溫度場的劇烈變化是引起巖石微觀物性、宏觀性質(zhì)發(fā)生改變的根本因素。2005—2007年,易先中在湖北省自然科學(xué)基金資助下開展了“激光破巖的排屑機(jī)理與溫度場特性研究”(項(xiàng)目編號(hào):2005ABA310)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):巖石受激光作用后,熱影響區(qū)附近的巖石表面出現(xiàn)致密的釉化層,同時(shí)也會(huì)有微裂紋產(chǎn)生。另外,對(duì)激光破巖的溫度場分析發(fā)現(xiàn),巖石在聚能激光束作用下,其相變過程的時(shí)間短,由固態(tài)變到液態(tài)、由液態(tài)變到氣態(tài)的溫差范圍極大;光斑內(nèi)軸中心上的溫度最高,光斑邊緣的溫度稍低,與聚能光束的空間分布形狀基本一致。特別是當(dāng)激光能量以矩形脈沖的形式注入時(shí),光斑作用區(qū)的平均溫度增加,其汽化核加大,被蒸發(fā)的巖石量增加,巖石的殘屑會(huì)排屑不暢,巖心表面有嚴(yán)重高熱灼傷的斑痕和焦跡,在井眼周壁出現(xiàn)沉積和重凝現(xiàn)象。激光光斑區(qū)的巖石及周邊的巖體基質(zhì)在經(jīng)歷固、液、氣三相驟變時(shí),其相變間的熱能傳遞與交換是一個(gè)復(fù)雜的三維非穩(wěn)定傳熱學(xué)問題。易先中等人建立的激光破巖溫度場等焓模型,與BjorndalenN.等人建立的移動(dòng)界面模型具有一致的結(jié)果。試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬的研究表明,激光破巖的溫度場是建立巖石相變過程中,熱應(yīng)力場、應(yīng)變場、滲透率、孔隙度、導(dǎo)電性等物性參數(shù)變化規(guī)律的重要參量。3激光破巖巖屑運(yùn)移的教學(xué)理論美國、俄羅斯、日本和加拿大等國在激光鉆井破巖基礎(chǔ)理論的研究方面各有側(cè)重點(diǎn),但對(duì)基本科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)卻趨于一致。概括起來,它主要包括以下5大基礎(chǔ)科學(xué)問題:a)激光/巖石/流體相互作用原理(即微觀物理過程和巖石熱破壞理論)。b)巖石快速相變的熱力學(xué)與傳熱學(xué)。c)強(qiáng)激光的傳輸變換與微型化原理。d)激光破巖巖屑運(yùn)移的多相流動(dòng)理論。e)激光鉆井的安全與環(huán)境保護(hù)科學(xué)。3.1激光破巖破壞機(jī)理在激光/巖石/流體相互作用原理方面,美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院以GravesR.M.教授為代表的研究組已完成了6種典型的激光器(MIRAL、COIL、CO、CO2、Nd:YAG和直二極管激光器)對(duì)13種巖石樣品,分別在空氣、水和普通鉆井液等3種環(huán)境條件,以及巖石孔隙中含油、甲烷、水和鹽水等多種情況,進(jìn)行了對(duì)比破巖試驗(yàn)和分析,發(fā)現(xiàn)巖石主要是以熔融、氣化和碎裂等形式破壞,但隨著激光工作參數(shù)的不同,其破壞形式呈現(xiàn)多樣性;巖石表面出現(xiàn)致密的釉化層,亦會(huì)有微裂紋產(chǎn)生;巖石對(duì)CO2、CO和MIRAL三種波長較長的光束吸收率大。另外,該研究組對(duì)單位體積巖石發(fā)生破壞的激光能量(稱為比能量)進(jìn)行了測量,發(fā)現(xiàn)隨著巖石硬度的增加,比能量降低。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),激光采用脈沖波形的破巖方式,其破巖速度明顯高于連續(xù)波形激光的破巖速度。有待深入研究的是:a)巖石的能量吸收效率和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。b)巖石熱破壞模型和準(zhǔn)則。c)巖石在熔融、氣化和碎裂等過程中的晶粒微觀組織變化和特征。d)輔助冷卻氣流的速度、方向和環(huán)繞形式對(duì)巖石破壞過程和微觀晶格的影響。e)脈沖波形的能量密度、前峰后沿特征對(duì)巖石破巖速度、晶格相變過程、微觀力學(xué)性能和物理特性等的影響等問題。3.2地層溫度與透率在巖石快速相變的熱力學(xué)與傳熱學(xué)方面,美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院BatarsehS.等和美國天然氣工藝研究院GahanB.C.等人的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),受激光輻射后,巖石的孔隙度增加,滲透率普遍提高4～5倍,但巖石的強(qiáng)度極限有降低,彈性模量約減少15%～50%。在激光鉆井破巖中,溫度是引起巖石微觀物性、宏觀性質(zhì)發(fā)生變化的最重要的因素。Dalhousie大學(xué)的BjorndalenN.等人是采用移動(dòng)界面模型分析激光破巖的溫度場,長江大學(xué)易先中等人是應(yīng)用等焓模型。這2個(gè)模型都近似認(rèn)為巖石的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等物性參數(shù)與工作溫度無關(guān),不考慮巖屑在井眼周壁的沉積和重凝現(xiàn)象,其模型的精度有待試驗(yàn)修正(如圖2)。另外,激光鉆井破巖的熱應(yīng)力場、熱應(yīng)變場、井眼變形和殘余應(yīng)力場等有待深入研究,這些物理場與巖石物性參數(shù)的基本關(guān)系有待建立。3.3聚合物激光井眼化學(xué)氧碘激光器(COIL)的功率體積比大,可移動(dòng)性好。波音航空公司曾將COIL裝在Boeing747上作為機(jī)載激光防御系統(tǒng),現(xiàn)已將6項(xiàng)激光器專利轉(zhuǎn)讓給科羅拉多礦業(yè)學(xué)院,用于車載激光鉆井樣機(jī)的研制。直二極管激光器(DirectDiodeLaser)體積比COIL更小,能滿足在石油工業(yè)?311mm或?216mm(12?英寸或8?英寸)井眼尺寸中工作的要求,是一種發(fā)展前景良好的井下激光器,目前正在改進(jìn)其可靠性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本和美國正在研究新的高能中空光纖和大功率光纖激光器。復(fù)雜惡劣環(huán)境下強(qiáng)激光的傳輸變換與微型化,可望近期取得突破性進(jìn)展。3.4巖屑對(duì)巖屑?xì)饬鲌龅淖饔媚壳吧形匆姷接嘘P(guān)研究文獻(xiàn)。關(guān)于巖石在氣化、熔化狀態(tài)中,氣體的生成量、蒸汽壓力大小、高溫巖屑飛濺物的體積分?jǐn)?shù)、巖屑混合氣流與輔助排屑?xì)饬鞯南嗷プ饔玫扔写芯俊?.5激光鉆井破巖的現(xiàn)存問題尚未見到有關(guān)研究文獻(xiàn)。巖石的骨架、礦物顆粒和膠結(jié)物質(zhì)在氣化和熔化狀態(tài)下的化學(xué)性質(zhì),對(duì)環(huán)境和人類具有危害性;當(dāng)激光鉆井遭遇硫化氫、高壓水層或強(qiáng)堿地層等復(fù)雜環(huán)境因素時(shí)的安全性問題,不容忽視,亟待研究?？v觀國外對(duì)激光鉆井破巖的基礎(chǔ)理論研究,可知現(xiàn)階段主要是集中在上述的前3個(gè)基本科學(xué)問題上。即使是前3個(gè)問題,也仍存在著大量的基礎(chǔ)工作有待深入探索。4激光破巖預(yù)防地質(zhì)勘探的關(guān)鍵問題激光破巖是鉆探領(lǐng)域具有先導(dǎo)性和前瞻性的應(yīng)用基礎(chǔ)理論項(xiàng)目,涉及到多學(xué)科的交叉滲透與協(xié)同配合,存在著一系列的難題亟待解決。如大功率激光器的小型化、井噴控制和井漏防治、井壁巖石釉化層強(qiáng)度與井眼坍塌、油氣藏的發(fā)現(xiàn)與儲(chǔ)層保護(hù)、激光束在井下環(huán)境傳輸性能、每米鉆井成本的經(jīng)濟(jì)性等,這些問題是制約激光鉆井工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸,應(yīng)分階段、分步驟地進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究?？梢韵嘈?隨著激光破巖基