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激光射孔压裂技术

发布时间：2020年01月13日
来源：ECF国际页岩气论坛公众号（2020-01-13）

激光射孔压裂技术浅析

沙特阿美公司高新研究中心（EXPEC ARC）的高强度激光实验室（High-Power Laser Lab）最近研发了一种集射孔、无水压裂启动和远程控制等模块于一体的激光射孔压裂技术体系，如图1所示。

图1 激光射孔压裂技术

 

1. 技术基本原理

激光射孔技术利用光学效应发射极细、密度极高的高斯光束，有控制地、精准地、高效地在坚硬致密储层上射孔和造缝。一般地，激光源由连续油管送入地下，并通过光学组件转化为可用光束。相较于传统射孔方式（图2），激光射孔技术将电能转换为热能，可以更加高效和清洁的在岩石上射孔造缝，尤其在致密储层中更具优势。另外，多光束输出的设计可以在同一套管界面上造成多个射孔，有利于形成裂缝网络。目前，该技术已经在实验室中取得了很好的效果，计划在不久的未来应用和部署到沙特阿美的项目区块中。

图2 传统射孔枪示意简图

图3 不同射孔摩擦压力下的孔径变化模拟图

 

2.组件功能和工艺流程

（1）光学组件：主要负责产生大功率光束。在光学组件中，输入的高斯光束（直径为30mm；波长1064nm；功率为10kW）经过光学组件的凸透镜后聚焦在某一点产生聚合，在调整好焦距后输出大功率光束。

 

（2）旋转组件：主要负责光束定型。当光束从光学组件中输出后，来到负责光束最终形态（尺寸和形状）的旋转组件中，这个组件可以控制和调整光束作用到岩层的精确位置。

 

（3）射孔、扶正和清洗组件：主要负责定位、冷却、润滑和清理等。在射孔和扶正组件中，固定形态的光束可以被转向和分裂成多股光束。另外，清洗组件的功能包括润滑冷却、激光通道清理等。

 

图4 高强度激光射孔、水力压裂仪示意简图

（从左至右分别为：激光扶正组件、激光射孔组件、旋转组件和光学组件）

 

3.实验室测试效果

沙特阿美研究人员进行了多种岩石类型的激光射孔测试，如图4（a）所示。测试结果表明，在测试的8大类、16个样本中，页岩储层样本普遍对激光的反射率很低，这意味着这类岩石可以吸收更多的电磁辐射从而获得更好的射孔效果。另外，发现有两种不同的电磁辐射吸收方法，分别为线性吸收和非线性吸收。这种不同吸收方式主要由储层的非均质性、有机质含量（TOC）、晶体结构、形态和成分等因素决定，如图4(b)所示。

   

图5（a）实验室内测试的不同16个样本的反射率值，颜色由浅至深代表了反射有强变弱；（b）相应16个样本的有机质含量值，两者呈现负相关，即TOC值越高，反射率越低

 

高强度激光射孔技术是一项前沿技术，如表1所示，它可以有效地改造致密储层和页岩储层的孔隙度（测试中最高增效171%）和渗透率（测试中最高增效700%），从而极大地增加油气田产量。目前，这项技术在实验室阶段已经获得了可喜成果，未来将会在现场中应用。

表1 激光技术改造后的渗透率和孔隙度增加效果

[责任编辑：dc]