自高功率激光器問世以來，人們就開始考慮在石油天然氣行業(yè)中用激光器進(jìn)行巖石鉆探。
Mauer在一本關(guān)于高級(jí)鉆探技術(shù)的書中，總結(jié)了上世紀(jì)60年代人們利用CO2激光器進(jìn)行的各種初期嘗試，但是由于尺寸和復(fù)雜性的限制，當(dāng)時(shí)的研究結(jié)論是，該工藝尚不成熟。2002年，來自科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的Ramona Graves利用中紅外化學(xué)激光器成功破壞了堅(jiān)硬的巖石，隨后，Ramona又證明了高功率二極管也同樣能夠鉆透巖石。但是在那時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)仍有欠缺，所以不宜商業(yè)化推廣。
直至2008年，IPG光子公司創(chuàng)新性的推出10kW光纖激光器，才最終為激光鉆井技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用打開了大門。一年后，在CSM的協(xié)助下，我們啟動(dòng)了商業(yè)化激光鉆探工藝以及相關(guān)輔助性技術(shù)的研究開發(fā)，以填補(bǔ)這項(xiàng)技術(shù)空白。在漫長(zhǎng)的鉆探行業(yè)發(fā)展史上，首個(gè)重大進(jìn)展應(yīng)歸屬Howard Hughes在1908年發(fā)明的兩牙輪鉆頭。兩牙輪鉆頭不僅引爆了鉆探行業(yè)的變革，也使休斯公司成為行業(yè)巨擘。雙牙輪鉆頭最初的想法來自休斯公司一位研究人員，在歷經(jīng)24年的不斷研究改良之后，最終發(fā)展成為三牙輪鉆頭。在隨后的80年里，三牙輪鉆頭一直在鉆探行業(yè)占據(jù)著主導(dǎo)地位。
鉆探發(fā)展史上的第二個(gè)“里程碑”是通用電氣公司在1971年推出的聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭。30年的應(yīng)用實(shí)踐證明，在加工某些巖石時(shí)，PDC鉆頭較三牙輪鉆頭更可靠。于是，在近幾年里，PDC鉆頭成功取代了雙牙輪鉆頭，發(fā)展成為鉆探行業(yè)的首選。然而，這兩種鉆頭在面對(duì)白云石、玄武巖、花崗巖之類的超硬結(jié)晶巖時(shí)，仍束手無策。對(duì)此，我們研發(fā)了一種將精密熱源與PDC鉆頭相結(jié)合的新型鉆探系統(tǒng)。實(shí)踐證明，巖石抗壓強(qiáng)度超過30ksi時(shí)，該組合鉆探系統(tǒng)與傳統(tǒng)的三牙輪鉆頭或PDC鉆頭相比，具有顯著的效率優(yōu)勢(shì)（如圖1所示）。
圖1：結(jié)合了高功率激光器及PDC鉆頭的新型鉆探系統(tǒng)。
組合式鉆頭的主要工作原理是先利用旋轉(zhuǎn)的激光光束使堅(jiān)固的巖石開裂并變得脆弱，然后再用一組PDC切削齒，清除那些已經(jīng)被激光光束弱化的巖體。從鉆頭中射出的激光束以一種獨(dú)特的類似于雷達(dá)掃描的方式，對(duì)鑿洞的底面進(jìn)行加熱（如圖1所示）。激光能有效弱化巖石表面，并使巖體產(chǎn)生微裂痕，這樣用PDC鉆頭就能輕易地去除碎裂的巖石。
激光工藝的介入，使巖石的抗壓強(qiáng)度從>30ksi降至幾百psi，所以只需要很少的機(jī)械能就能清除。例如，原來用三牙輪鉆頭時(shí)，需要在鉆頭上施加超過25,000磅的重力，才能穿透抗壓強(qiáng)度>30ksi的巖石。而現(xiàn)在只需要施加不超過1500磅的重力，扭矩小于100英尺-磅，10馬力的能耗就可以2~3倍的速率鉆透同樣的巖石。我們用4”、6”、8.5”鉆頭，對(duì)石油、天然氣及地?zé)嵝袠I(yè)遇到的所有巖石類型進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果都取得了成功。此外，我們還將激光鉆頭與一臺(tái)鉆機(jī)集成，并在抗壓強(qiáng)度為30ksi的白云石上成功完成了12英尺深的鉆孔測(cè)試。
圖2：在抗壓強(qiáng)度>30ksi的白云石上進(jìn)行的12英尺深鉆孔測(cè)試。巖石上的斑點(diǎn)是鉆井馬達(dá)留下的油污。
這項(xiàng)研究工作的主要目標(biāo)是通過提高超硬結(jié)晶巖的鉆孔速度，以降低地?zé)徙@井的成本。通過與能源部高級(jí)研究計(jì)劃署——能源辦公室（ARPA-E）及CSM的通力合作，我們已經(jīng)成功地利用激光鉆井工藝，將鉆井速度提高2-3倍，同時(shí)顯著降低了需要施加在鉆頭上的重力（降低超過25倍），從而極大地延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。接下來我們將引入更高的功率，對(duì)該工藝進(jìn)行進(jìn)一步的完善和延伸。
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