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          探礦工程在線 > 正文

          激光鉆井技術進展及其關鍵技術

          發布時間:2021年01月14日
          來源:油媒方(2021-01-12)作者:閆靜,王德貴,左永強,惠坤亮,游娜,易暢

          激光鉆井技術進展及其關鍵技術:激光機械鉆頭研制技術、井下激光器技術、高功率激光的遠距離傳輸技術


          一、國外激光鉆井技術進展

          近年來,民用激光技術突飛猛進。以占全球激光器份額50%的光纖激光器為例,其最大功率在2002年是0.5kW,2013年為100kW,2016年則達到了500kW。光纖激光器的最大功率在15a內增大了1000。


          我國民用大功率激光器近年來也取得了顯著進步,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現,為激光應用于油氣與地熱鉆井領域奠定了物質基礎。


          美國、德國和日本等國都在致力于激光與機械聯合破巖鉆井技術研究,已取得一定進展,為激光應用在油氣與地熱鉆井領域研究創造了條件。


          1、美國


          美國ForoEnergy公司從2009年開始致力于激光鉆井技術研究,先后與美國能源部、科羅拉多礦業學院和巴西國家石油公司等多家研究機構合作,在激光鉆井系統及裝置、高效遠距離高功率激光傳輸系統與方法等方面取得突破性成果,申請專利50多件。
          成功研制了低損耗高功率光纖(傳輸效率可達80%,傳輸距離可達1500m)、動-靜轉換光纖滑環、激光連接器、井下光學鏡組、激光機械鉆頭、過光纖氣體反置螺桿等核心部件,如圖1所示。
          2012年,該公司利用改制的連續管作業機,使用2-7/8 in連續油管配套20kW光纖激光器及3-1/2 in激光機械鉆頭進行了以氮氣為循環介質的鉆井實驗,鉆進30m,如圖2所示。實驗表明:激光機械聯合破巖鉆壓可降低95%,轉矩可降低90%,機械鉆速可提高2倍以上,特制的光學組件和機械部件承受住了高溫、高壓和高振動等惡劣環境。

           

          適用于鉆井的激光核心部件


           

          基于連續管作業機的激光機械鉆井系統

          1.激光器2.帶光纖連續油管3.連續管鉆機4.連續管注入頭5.控制房6.氮氣供應系統7.過光纖氣體螺桿8.激光機械鉆頭


          2、德國


          2017年,德國海瑞克鉆機設備有限公司、IPG激光有限公司等多家研究機構合作,開發了激光(萬瓦級功率)噴射復合鉆井技術。該技術通過新的多管中管鉆柱實現激光的保護及與泥漿隔離,使激光破巖可用于泥漿環境。多管中管鉆柱有激光通道、氣體通道、高壓清水通道、返回泥漿通道4個通道,如圖3所示。


           

          激光噴射原理樣機系統

          1.旋轉動力機構2.流體分配機構3.激光通道4.氣體通道5.高壓清水通道6.返回泥漿


          該團隊建立了等比例的實驗樣機,如圖4所示。該樣機以6 in機械鉆頭配套功率30kW的激光器作為破巖工具,進行了凈鉆進深度為2m的鉆進實驗。實驗結果表明,利用激光噴射復合破巖技術可將硬巖的鉆進速度提高到10m/h,與具有低于1.5m/h鉆進速度的最先進鉆井工藝相比,到達目標深度的凈鉆井時間減少約85%。

           

          激光噴射復合破巖鉆具實驗樣機

          1.激光機械鉆頭2.光學鏡組3.管中管鉆柱4.旋轉動力-流體分配



          二、國內激光鉆井技術進展

          國內激光破巖以理論研究和單元實驗研究為主,主要集中在采用實驗方法和仿真的方法研究激光作用巖石的破壞形式和激光破巖的影響因素方面,缺乏實驗研究平臺及研究持續性,尚未掌握激光機械鉆頭破巖機理及關鍵技術,對激光機械鉆井整體系統研究較少。


          2012年,中石化集團公司項目氣體激光鉆井前瞻性研究JP13014,設計并搭建了激光輔助破巖系統,完成了萬瓦級激光射孔室內模擬試驗裝置的研制,并進行了系統的激光射孔室內模擬試驗。該試驗能夠針對巖性進行激光參數優化,有助于提升激光破巖效果,對激光技術在石油工程領域應用具有重要的指導意義。


          2018年,西南石油大學和激光聚變研究中心共同成立了激光-機械破巖聯合實驗室,開展了千瓦激光穿過空氣、清水、膨潤土溶液的衰減試驗,搭建了千瓦級激光與機械聯合破巖實驗裝置,進行了激光與機械聯合破巖機理的初步研究。


          2019年,中石油集團公司項目激光與機械聯合破巖方法研究,研制萬瓦級激光機械鉆頭并進行臺架實驗,探索破巖機理,進行了國內首個井下激光器的設計。 


          三、激光機械鉆井關鍵技術

          激光機械鉆井是一項前瞻性系統工程,影響因素較多,應用難度非常高,應分階段、分步驟開展研究,通過解決制約激光機械鉆井工程化應用的技術瓶頸問題,加快激光機械鉆井的工程化進程。

          1、適應井下環境的光學組件

          光學組件在高溫高壓惡劣井下工況中的穩定性和可靠性是關鍵重要的研究,必須解決光學組件防塵、冷卻、抗震和保護等適應性關鍵問題,為光學組件在聯合破巖成孔中的應用提供基本保障。需開展光源輸出耦合系統的高效耦合、潔凈控制、高效熱管理,以及與鉆具匹配性等的設計、研究,解決光學組件防塵、冷卻、抗震和保護等適應性關鍵問題,為光學組件在聯合破巖成孔中的應用提供基本保障。


          2、激光機械鉆頭研制技術

          激光機械鉆頭上涉及到的光學器件需要與切削結構進行耦合設計。首先進行切削結構布齒、保徑優化設計,再進行激光、氣體通道結構設計和流場分析,開展激光機械鉆頭研制,然后增設光學器件冷卻、清潔、保護等裝置。光學器件與切削結構在鉆頭上的組合技術是實現激光機械破巖方式的高效協同破巖的重要工具,如圖5所示。


           

          5  激光機械鉆頭結構示意圖


          3、井下激光器技術


          激光器具有獨特外形,受井下空間和環境條件的限制,對井下激光器可行性研究尤為重要。結合目前高功率激光器應用的成熟技術,對井下高功率激光器進行輕型、小型化可行性設計創新的研究,形成數萬瓦光源的設計模型,為激光鉆井工程化應用提供理論基礎及可行性論證。功率更大、尺寸更小、電光轉換效率更高、適應井下環境的井下激光器是未來的發展方向,如圖6所示。

           

          井下激光器原理圖


          4、高功率激光的遠距離傳輸技術

          美國目前已經可實現1500m以內井深的激光氣體鉆井,激光傳輸效率可達80%,傳輸距離可達1500m,但對于埋深6000~8000m的深層超深層難鉆地層目前不具有可行性,主要原因是萬瓦級激光仍然無法傳輸6~8km而保持低衰減率。


          四、結論

          目前對激光與機械聯合破巖技術的研究開發還僅停留在實驗室試驗階段,國外對激光與機械聯合破巖技術,已經在基礎理論、基本方法和關鍵技術探索研究方面走在前列。


          激光與機械聯合破巖是鉆探領域具有先導性和前瞻性的應用基礎理論研究項目,激光與機械聯合作用下破巖機理及參數配置、光學組件在聯合破巖成孔中的適應性技術、激光輔助破巖鉆頭研制和試驗技術作為核心,應當是現階段需要解決的關鍵技術問題。


          未來激光鉆井技術的發展將是石油鉆探開發降本增效的強大助推器。

          [責任編輯:shy]

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