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激光钻井技术进展及其关键技术

发布时间：2021年01月14日
来源：油媒方（2021-01-12）作者：闫静，王德贵，左永强，惠坤亮，游娜，易畅

激光钻井技术进展及其关键技术：激光机械钻头研制技术、井下激光器技术、高功率激光的远距离传输技术

一、国外激光钻井技术进展

近年来，民用激光技术突飞猛进。以占全球激光器份额50%的光纤激光器为例，其最大功率在2002年是0.5kW，2013年为100kW，2016年则达到了500kW。光纤激光器的最大功率在15a内增大了1000倍。

我国民用大功率激光器近年来也取得了显著进步，至2019年已研制成功了35kW功率激光器。民用大功率激光器的出现，为激光应用于油气与地热钻井领域奠定了物质基础。

美国、德国和日本等国都在致力于激光与机械联合破岩钻井技术研究，已取得一定进展，为激光应用在油气与地热钻井领域研究创造了条件。

1、美国

美国ForoEnergy公司从2009年开始致力于激光钻井技术研究，先后与美国能源部、科罗拉多矿业学院和巴西国家石油公司等多家研究机构合作，在激光钻井系统及装置、高效远距离高功率激光传输系统与方法等方面取得突破性成果，申请专利50多件。
成功研制了低损耗高功率光纤（传输效率可达80%，传输距离可达1500m）、动-静转换光纤滑环、激光连接器、井下光学镜组、激光机械钻头、过光纤气体反置螺杆等核心部件，如图1所示。
2012年，该公司利用改制的连续管作业机，使用2-7/8 in连续油管配套20kW光纤激光器及3-1/2 in激光机械钻头进行了以氮气为循环介质的钻井实验，钻进30m，如图2所示。实验表明：激光机械联合破岩钻压可降低95%，转矩可降低90%，机械钻速可提高2倍以上，特制的光学组件和机械部件承受住了高温、高压和高振动等恶劣环境。

图1 适用于钻井的激光核心部件

图2 基于连续管作业机的激光机械钻井系统

1.激光器2.带光纤连续油管3.连续管钻机4.连续管注入头5.控制房6.氮气供应系统7.过光纤气体螺杆8.激光机械钻头

2、德国

2017年，德国海瑞克钻机设备有限公司、IPG激光有限公司等多家研究机构合作，开发了激光（万瓦级功率）喷射复合钻井技术。该技术通过新的“多管中管”钻柱实现激光的保护及与泥浆隔离，使激光破岩可用于泥浆环境。多管中管钻柱有激光通道、气体通道、高压清水通道、返回泥浆通道4个通道，如图3所示。

图3 激光喷射原理样机系统

1.旋转动力机构2.流体分配机构3.激光通道4.气体通道5.高压清水通道6.返回泥浆

该团队建立了等比例的实验样机，如图4所示。该样机以6 in机械钻头配套功率30kW的激光器作为破岩工具，进行了净钻进深度为2m的钻进实验。实验结果表明，利用激光喷射复合破岩技术可将硬岩的钻进速度提高到10m/h，与具有低于1.5m/h钻进速度的最先进钻井工艺相比，到达目标深度的净钻井时间减少约85%。

图4 激光喷射复合破岩钻具实验样机

1.激光机械钻头2.光学镜组3.管中管钻柱4.旋转动力-流体分配

二、国内激光钻井技术进展

国内激光破岩以理论研究和单元实验研究为主，主要集中在采用实验方法和仿真的方法研究激光作用岩石的破坏形式和激光破岩的影响因素方面，缺乏实验研究平台及研究持续性，尚未掌握激光机械钻头破岩机理及关键技术，对激光机械钻井整体系统研究较少。

2012年，中石化集团公司项目“气体激光钻井前瞻性研究”（JP13014），设计并搭建了激光辅助破岩系统，完成了万瓦级激光射孔室内模拟试验装置的研制，并进行了系统的激光射孔室内模拟试验。该试验能够针对岩性进行激光参数优化，有助于提升激光破岩效果，对激光技术在石油工程领域应用具有重要的指导意义。

2018年，西南石油大学和激光聚变研究中心共同成立了激光-机械破岩联合实验室，开展了千瓦激光穿过空气、清水、膨润土溶液的衰减试验，搭建了千瓦级激光与机械联合破岩实验装置，进行了激光与机械联合破岩机理的初步研究。

2019年，中石油集团公司项目“激光与机械联合破岩方法研究”，研制万瓦级激光机械钻头并进行台架实验，探索破岩机理，进行了国内首个井下激光器的设计。

三、激光机械钻井关键技术

激光机械钻井是一项前瞻性系统工程，影响因素较多，应用难度非常高，应分阶段、分步骤开展研究，通过解决制约激光机械钻井工程化应用的技术瓶颈问题，加快激光机械钻井的工程化进程。

1、适应井下环境的光学组件

光学组件在高温高压恶劣井下工况中的稳定性和可靠性是关键重要的研究，必须解决光学组件防尘、冷却、抗震和保护等适应性关键问题，为光学组件在联合破岩成孔中的应用提供基本保障。需开展光源输出耦合系统的高效耦合、洁净控制、高效热管理，以及与钻具匹配性等的设计、研究，解决光学组件防尘、冷却、抗震和保护等适应性关键问题，为光学组件在联合破岩成孔中的应用提供基本保障。

2、激光机械钻头研制技术

激光机械钻头上涉及到的光学器件需要与切削结构进行耦合设计。首先进行切削结构布齿、保径优化设计，再进行激光、气体通道结构设计和流场分析，开展激光机械钻头研制，然后增设光学器件冷却、清洁、保护等装置。光学器件与切削结构在钻头上的组合技术是实现激光机械破岩方式的高效协同破岩的重要工具,如图5所示。

图5 激光机械钻头结构示意图

3、井下激光器技术

激光器具有独特外形，受井下空间和环境条件的限制，对井下激光器可行性研究尤为重要。结合目前高功率激光器应用的成熟技术，对井下高功率激光器进行轻型、小型化可行性设计创新的研究，形成数万瓦光源的设计模型，为激光钻井工程化应用提供理论基础及可行性论证。功率更大、尺寸更小、电光转换效率更高、适应井下环境的井下激光器是未来的发展方向，如图6所示。