雷射用來從本質上講，就是把能量轉換成光子，光子經過聚焦成為強光束，把岩石熔融、粉碎、蒸發。具體說來，就是把雷射束聚焦在一個要鑽入地層的環形區域上，這個環形區域是要鑽的井眼直徑範圍內很小的一部分。雷射束聚焦後形成很高的溫度，使要鑽入的地層材料熔化蒸發，強大的熱衝擊也可以使要鑽入的岩石材料被擊成細粒，由於環形區域內熔化材料的蒸發而產生強大的壓力足以使擊碎的材料被騰升到地面。為了增強熱衝擊的作用，易於使要鑽的材料成為細粒並噴出井口，還可以向要鑽的部位噴射可膨脹的很強的液體流。
基本介紹
- 中文名：雷射鑽井
- 原理：能量轉換成光子
- 構成：用雷射進行鑽井
- 特性：亮度大
基本原理,雷射鑽井優點,研究內容,實際意義,技術發展,相關資料,
基本原理
亮度大(即功率密度大)是雷射的一大特點，是雷射用來鑽井的最主要的特性.從本質上講，鑽井用雷射器件就是把能量轉換成光子，光子經過聚焦成為強光束，把岩石熔融、粉碎、蒸發.具體說來，就是把雷射束聚焦在一個要鑽入地層的環形區域上，這個環形區域是要鑽的井眼直徑範圍內很小的一部分.雷射束聚焦後形成很高的溫度，使要鑽入的地層材料熔化蒸發，強大的熱衝擊也可以使要鑽入的岩石材料被擊成細粒，由於環形區域內熔化材料的蒸發而產生強大的壓力足以使擊碎的材料被騰升到地面。
為了增強熱衝擊的作用，易於使要鑽的材料成為細粒並噴出井口，還可以向要鑽的部位噴射可膨脹的很強的液體流。液體射流和雷射交替作用在要鑽部位，使雷射束和液體射流都成為脈衝式的。液體射流所用液體的特性要易於使要鑽材料熔化與震碎，有助於井壁的光滑.例如，若要鑽的材料是純淨的乾矽砂，則流體應含有鈉或鈣的化合物以便於岩石熔化，最佳化井壁特性.為了使從己鑽成的井眼中排出的材料離開地面設備，在井頭可裝上轉向器，噴出強液體射流，當從井中噴出震碎的岩石材料時使其改變方向吹離井口。
雷射發生器的工作、雷射脈衝的長短、注入的強射流體、噴出材料的吹除等整個系統的工作特性，如脈衝持續時間、頻率、聚焦區面積和環形的大小，相干光源的工作波長和輸出功率等都由控制器根據被鑽地層的物理特性控制。
雷射鑽井
為了增強熱衝擊的作用，易於使要鑽的材料成為細粒並噴出井口，還可以向要鑽的部位噴射可膨脹的很強的液體流。液體射流和雷射交替作用在要鑽部位，使雷射束和液體射流都成為脈衝式的。液體射流所用液體的特性要易於使要鑽材料熔化與震碎，有助於井壁的光滑.例如，若要鑽的材料是純淨的乾矽砂，則流體應含有鈉或鈣的化合物以便於岩石熔化，最佳化井壁特性.為了使從己鑽成的井眼中排出的材料離開地面設備，在井頭可裝上轉向器，噴出強液體射流，當從井中噴出震碎的岩石材料時使其改變方向吹離井口。
雷射發生器的工作、雷射脈衝的長短、注入的強射流體、噴出材料的吹除等整個系統的工作特性，如脈衝持續時間、頻率、聚焦區面積和環形的大小，相干光源的工作波長和輸出功率等都由控制器根據被鑽地層的物理特性控制。
雷射鑽井雷射鑽井優點
雷射鑽井技術套用在石油開採行業中具有獨特的優點：
（1）雷射能量極高，更易穿透岩石，美國Phillipse公司用MIRACL雷射器進行鑽孔試驗，雷射束在1s內可穿透60mm厚的砂岩一頁岩一砂岩夾層，其穿透速度比常規鑽井速度高上百倍。
（2）雷射鑽井不需要鑽頭，套管等設備，不需要下套管和起下鑽柱，這樣不僅節約了鑽井成本，時間也縮短了3成。
（3）傳統機械鑽井過程中，地層中的石油、水等流體會流人井中，易發生井噴事故，而用雷射鑽井，在岩石上會形成一層陶質層井壁，可以有效的預防此類事故發生，提高鑽進的安全性。
（4）雷射器系統中包含各種井下感測器和圖像顯示系統，可通過光纖電纜或無線網路與地面進行通訊，使工作人員對鑽進過程有更全面的把握與控制。
研究內容
儘管雷射鑽井技術的提出己有近30年的歷史，但卻一直沒有付諸實現.因此，雷射鑽井仍然是一個探索性課題，要研究的問題很多，當前要研究的主要有以下四條:
首先是要深入探索雷射鑽井的原理.鑽井是一個複雜的物理、化學過程，傳統的鑽井是通過衝擊、切削將岩石剝離並通過鑽井液將鑽屑帶出井眼.那么，用雷射鑽時，究竟如何將岩石一層一層剝離，又如何將岩屑帶出井眼，實現這一過程會遇到什麼困難，怎樣克服這些困難等。
第二是探討雷射與周圍介質的相互作用及作用結果對採收的影響.在鑽進過程中會遇到油、氣、水和各種不同類型的岩石及其他物質，雷射與這些物質會發生那些作用，這些作用對鑽進過程有什麼影響，對今後的油氣開採有什麼影響，其中的不利影響如何解決。
第三是雷射鑽井的經濟性.採用雷射鑽，所用的一套設備當然與傳統的設備不同.在各種複雜環境下，雷射鑽與傳統的鑽井方式相比，究竟在什麼情況下是合算的，什麼情況下不合算.特別是在我國現有經濟與技術條件下，雷射鑽井的可行性。
第四是對鑽井用雷射器的特殊要求.鑽井用雷射器功率要達到10“w級，這么大功率的雷射器為實現鑽進在結構上有什麼特殊要求，不同地質條件下實現雷射鑽井的雷射器功率門檻值究竟要多大等。
首先是要深入探索雷射鑽井的原理.鑽井是一個複雜的物理、化學過程，傳統的鑽井是通過衝擊、切削將岩石剝離並通過鑽井液將鑽屑帶出井眼.那么，用雷射鑽時，究竟如何將岩石一層一層剝離，又如何將岩屑帶出井眼，實現這一過程會遇到什麼困難，怎樣克服這些困難等。
第二是探討雷射與周圍介質的相互作用及作用結果對採收的影響.在鑽進過程中會遇到油、氣、水和各種不同類型的岩石及其他物質，雷射與這些物質會發生那些作用，這些作用對鑽進過程有什麼影響，對今後的油氣開採有什麼影響，其中的不利影響如何解決。
第三是雷射鑽井的經濟性.採用雷射鑽，所用的一套設備當然與傳統的設備不同.在各種複雜環境下，雷射鑽與傳統的鑽井方式相比，究竟在什麼情況下是合算的，什麼情況下不合算.特別是在我國現有經濟與技術條件下，雷射鑽井的可行性。
第四是對鑽井用雷射器的特殊要求.鑽井用雷射器功率要達到10“w級，這么大功率的雷射器為實現鑽進在結構上有什麼特殊要求，不同地質條件下實現雷射鑽井的雷射器功率門檻值究竟要多大等。
實際意義
根據模擬實驗研究，用功率為600～1200kw，波長為3.spm的MIRAcL雷射器發出的雷射，在4.55鑽穿了0.0635m的砂岩試樣，移走了2.495kg的岩石，由此折算等效鑽進速度為50.60m/h;而用500kw雷射束，在兩個兩秒的雷射衝擊後，沿水平方向鑽透了0.1524m，折算的等效鑽速為137.16m/h。因此，採用雷射鑽井，可以顯著提高鑽進速度，減少鑽機平均天數，減少起下鑽時間，提高井控、射孔、側鑽能力；雷射與周圍岩石相互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，減少套管；還可以促進井下鑽井機械，雷射鑽頭，雷射射孔技術的發展；而所有這一切都可在有利於環保、安全，提高有效成本的情況下進行。因此，雷射鑽可降低成本，減少污染，可能會使鑽井技術發生革命性變化。
技術發展
由於雷射具有亮度大的特點，就使得雷射技術問世後不久就有人想把雷射技術用於石油工業的鑽井。20世紀70年代初，美國、法國、荷蘭就出現了用雷射鑽井和射孔的專利文獻。但由於當時雷射器的功率大約只有數千瓦，雷射的波長較長難於聚焦，更主要可能還是成本較高，雷射鑽井未曾實現.鑒於此，許多人懷疑雷射鑽井的可能性.但自那以後，對雷射器、雷射器功率、效率、發射能力等作了大量研究取得了顯著的進步。
現代的高功率雷射器，可把電能光學能或熱能轉換成光能，光能經聚焦後形成很強雷射束可粉碎、熔化、蒸發岩石.雷射的波長可為0.1～103pm，氟化氫（HF)和氟化氛(DF)雷射器、化學氧化碘雷射器(coIL)、cq雷射器、co雷射器、自由電子雷射器(FEL)，錢/憶鋁石榴石(Nd/ YDG)雷射器和氟化氫(KrF)雷射器，其工作波長、脈衝長度、功率等參數都可作為鑽井用雷射器.這些雷射器通過反射、散射、黑體輻射、等離子禁止等形式把能量傳遞到岩石上。
1998年和1999年，許多文獻披露了美國重新提出雷射鑽井的問題，美國GRI(GasRe-search Institute)提出了一項兩年計畫，準備投資60萬美元，聯合美國空軍、美國陸軍和科羅拉多礦業學院、麻省理工學院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美國在20世紀80年代和90年代用於星球大戰的雷射技術用於石油工業的氣井鑽井、完井的可行性、成本、益處以及對環境的影響，提高美國工業的競爭能力。
美國這次研究計畫投入的力量很大.投入的設備包括美軍白沙飛彈實驗場的高能雷射系統試驗設備(簡稱HELsTF)及美國空軍的研究實驗室，試驗中擬使用的雷射器是能量為10“w的中紅外高級化學雷射器(簡稱MIRAcL)和化學氧化碘雷射器(簡稱coIL).這些雷射器原為用於艦載防禦和空對空防禦的雷射器，以其能夠擊穿數英里外飛行的戰術和戰略目標，跟蹤和摧毀飛彈的能力說明能夠用於鑽4572m深的氣井.coIL雷射器能夠與光纖禍合的特點以及輸出功率高、化學物質價格低，使它能夠用於氣井鑽這類能量傳輸距離長的工程項目。
美國還另外投入兩台高功率雷射器用於研究雷射束與周圍材料的相互作用一是放電共軸雷射器，用來研究在各種環境下雷射束對不同材料的影響。15年來的研究成果組成的內容廣泛的資料庫可使人們更透徹了解材料與雷射之間的相互作用。另一台是雷射器示範設備，主要用於確定強雷射束與不同軟岩石礦物之間的相互作用，試驗費用相當低廉，表明可大量探索岩石與雷射的相互作用，以及在井下條件雷射與岩石的相互作用。
前述美國菲利蒲石油公司用美軍Ml RAcL雷射器所作的評價雷射器鑽進實驗表明，雷射束等效鑽速可達50.60m/h，而經凹面鏡改變MIRAcL雷射器光的方向沿水平方向鑽進，等效鑽速達137.16m/h；用雷射射孔，射孔深度可達6lm。
我國早在20世紀60年代就開始了雷射技術的研究，並曾花費數千萬元研製大功率雷射器，儘管當時未獲得成功，但積累了豐富的經驗。1998年，中國科學院超短脈衝高功率雷射技術研究取得了巨大進展，獲得了中國科學院院級發明一等獎，這為雷射技術在石油鑽井中的套用打下了基礎。
現代的高功率雷射器，可把電能光學能或熱能轉換成光能，光能經聚焦後形成很強雷射束可粉碎、熔化、蒸發岩石.雷射的波長可為0.1～103pm，氟化氫（HF)和氟化氛(DF)雷射器、化學氧化碘雷射器(coIL)、cq雷射器、co雷射器、自由電子雷射器(FEL)，錢/憶鋁石榴石(Nd/ YDG)雷射器和氟化氫(KrF)雷射器，其工作波長、脈衝長度、功率等參數都可作為鑽井用雷射器.這些雷射器通過反射、散射、黑體輻射、等離子禁止等形式把能量傳遞到岩石上。
1998年和1999年，許多文獻披露了美國重新提出雷射鑽井的問題，美國GRI(GasRe-search Institute)提出了一項兩年計畫，準備投資60萬美元，聯合美國空軍、美國陸軍和科羅拉多礦業學院、麻省理工學院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美國在20世紀80年代和90年代用於星球大戰的雷射技術用於石油工業的氣井鑽井、完井的可行性、成本、益處以及對環境的影響，提高美國工業的競爭能力。
美國這次研究計畫投入的力量很大.投入的設備包括美軍白沙飛彈實驗場的高能雷射系統試驗設備(簡稱HELsTF)及美國空軍的研究實驗室，試驗中擬使用的雷射器是能量為10“w的中紅外高級化學雷射器(簡稱MIRAcL)和化學氧化碘雷射器(簡稱coIL).這些雷射器原為用於艦載防禦和空對空防禦的雷射器，以其能夠擊穿數英里外飛行的戰術和戰略目標，跟蹤和摧毀飛彈的能力說明能夠用於鑽4572m深的氣井.coIL雷射器能夠與光纖禍合的特點以及輸出功率高、化學物質價格低，使它能夠用於氣井鑽這類能量傳輸距離長的工程項目。
美國還另外投入兩台高功率雷射器用於研究雷射束與周圍材料的相互作用一是放電共軸雷射器，用來研究在各種環境下雷射束對不同材料的影響。15年來的研究成果組成的內容廣泛的資料庫可使人們更透徹了解材料與雷射之間的相互作用。另一台是雷射器示範設備，主要用於確定強雷射束與不同軟岩石礦物之間的相互作用，試驗費用相當低廉，表明可大量探索岩石與雷射的相互作用，以及在井下條件雷射與岩石的相互作用。
前述美國菲利蒲石油公司用美軍Ml RAcL雷射器所作的評價雷射器鑽進實驗表明，雷射束等效鑽速可達50.60m/h，而經凹面鏡改變MIRAcL雷射器光的方向沿水平方向鑽進，等效鑽速達137.16m/h；用雷射射孔，射孔深度可達6lm。
我國早在20世紀60年代就開始了雷射技術的研究，並曾花費數千萬元研製大功率雷射器，儘管當時未獲得成功，但積累了豐富的經驗。1998年，中國科學院超短脈衝高功率雷射技術研究取得了巨大進展，獲得了中國科學院院級發明一等獎，這為雷射技術在石油鑽井中的套用打下了基礎。
雷射鑽井優點
相關資料
雷射光能的傳遞
雷射的光能可以通過反射、散射、吸收過程傳遞到岩石中。岩石吸收的光能可以使岩石加熱毀壞。在利用雷射破壞岩石過程中，光的反射、散射是導致光能損失的一個主要原因。其它影響雷射光能傳遞到岩石的現象還有黑體輻射和電漿的禁止效應。在岩石溫度較高時，一小部分入射光由於黑體的輻射作用從岩石表面發射出去。高能雷射輻射會在照射的岩石表面上形成雷射離子(氣體離子)，雷射離子對入射雷射輻射能的反射、散射和吸收作用阻礙了光到達岩石表面.導致能量損。
雷射的光能可以通過反射、散射、吸收過程傳遞到岩石中。岩石吸收的光能可以使岩石加熱毀壞。在利用雷射破壞岩石過程中，光的反射、散射是導致光能損失的一個主要原因。其它影響雷射光能傳遞到岩石的現象還有黑體輻射和電漿的禁止效應。在岩石溫度較高時，一小部分入射光由於黑體的輻射作用從岩石表面發射出去。高能雷射輻射會在照射的岩石表面上形成雷射離子(氣體離子)，雷射離子對入射雷射輻射能的反射、散射和吸收作用阻礙了光到達岩石表面.導致能量損。
用於天然氣鑽井的雷射
1.氫氟酸和氟氖化合物雷射其工作波長範圍為2.6～4.2μm。美國軍方研製出的這種中紅外高級化學雷射尚是首次用於儲層岩石的初始測試。
2.碘氧雷射美國空軍研究實驗室研製出的這種碘氧雷射的工作波長為1.315μm。現今這種高能連續波雷射己逐漸發展進化成為一個複雜體系，用於軍事和工業等各個領域。這種中波型雷射的精確性以及它的波長範圍避免了鑽井和天然氣井重新完井過程中經常遇到的井控、側鑽和定向鑽井問題的出現。
3.二氧化碳雷射的工作波長是10.6μm，可以以連續型和重複脈衝波形模式傳遞，平均功率約為IMw。在以重複脈衝模式傳遞時，它的脈衝周期為1～30μs。
4.一氧化碳雷射的工作波長為5～6μm，可以以連續型和重複脈衝波形模式傳遞，它的平均功率為200kw，脈衝周期為1～100005μs。第一諧波一氧化碳雷射在以連續波和重複脈衝模式傳遞時，它的脈衝波長為2.5～4.0μm。
5.自由電子雷射由於自由電子雷射所採用的高能電子不會離散能級，從而使得自由電子雷射可以以連續波的波形被調製到任意波長。一些科學家認為自由電子雷射是未來高能雷射的發展方向。雷射輻射波長可以調整的特性最佳化了雷射由於反射、散射、黑體輻射和電漿的禁止效應而出現的能量損失。
6.鋁錢、鏡、金剛砂化合物鋁錢、鏡、金剛砂化合物的工作波長為1.06μm。如今，僅有輸出功率為4kw的工業用雷射用於了商用。對這種雷射的研究趨勢表明，採用輸出功率為10kw或更大功率的雷射是可行的。
7.氟氫化合物氟氫化合物是一種激發二聚體雷射，工作波長為0.248μm。之所以用激發二聚體這個術語描述這種雷射主要是因為在這個雙原子分子中氟氫原子是在受激狀態而不是在基態結合的。這一特徵使得激發二聚體雷射只能以重複脈衝波形模式工作。它的最大平均功率是10kw，脈衝周期為0.1μs。
1.氫氟酸和氟氖化合物雷射其工作波長範圍為2.6～4.2μm。美國軍方研製出的這種中紅外高級化學雷射尚是首次用於儲層岩石的初始測試。
2.碘氧雷射美國空軍研究實驗室研製出的這種碘氧雷射的工作波長為1.315μm。現今這種高能連續波雷射己逐漸發展進化成為一個複雜體系，用於軍事和工業等各個領域。這種中波型雷射的精確性以及它的波長範圍避免了鑽井和天然氣井重新完井過程中經常遇到的井控、側鑽和定向鑽井問題的出現。
3.二氧化碳雷射的工作波長是10.6μm，可以以連續型和重複脈衝波形模式傳遞，平均功率約為IMw。在以重複脈衝模式傳遞時，它的脈衝周期為1～30μs。
4.一氧化碳雷射的工作波長為5～6μm，可以以連續型和重複脈衝波形模式傳遞，它的平均功率為200kw，脈衝周期為1～100005μs。第一諧波一氧化碳雷射在以連續波和重複脈衝模式傳遞時，它的脈衝波長為2.5～4.0μm。
5.自由電子雷射由於自由電子雷射所採用的高能電子不會離散能級，從而使得自由電子雷射可以以連續波的波形被調製到任意波長。一些科學家認為自由電子雷射是未來高能雷射的發展方向。雷射輻射波長可以調整的特性最佳化了雷射由於反射、散射、黑體輻射和電漿的禁止效應而出現的能量損失。
6.鋁錢、鏡、金剛砂化合物鋁錢、鏡、金剛砂化合物的工作波長為1.06μm。如今，僅有輸出功率為4kw的工業用雷射用於了商用。對這種雷射的研究趨勢表明，採用輸出功率為10kw或更大功率的雷射是可行的。
7.氟氫化合物氟氫化合物是一種激發二聚體雷射，工作波長為0.248μm。之所以用激發二聚體這個術語描述這種雷射主要是因為在這個雙原子分子中氟氫原子是在受激狀態而不是在基態結合的。這一特徵使得激發二聚體雷射只能以重複脈衝波形模式工作。它的最大平均功率是10kw，脈衝周期為0.1μs。
雷射鑽井是一項新技術，它可能會改變整個鑽井概念.對我國來說，這既是挑戰，又是機遇.儘管我國尚未見這方面的研究，但國外也只是在探索，我們應積極地迎接這一變化，儘早開展研究，在新的鑽井技術發展中走在世界的前列。
