激光钻井讲解课件.ppt
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1、2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心1 国外钻井新技术(2) 赵忠举2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心2 一、激光钻井 1、当前激光钻井的研究状2、激光和激光钻井2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心3 当前激光钻井的研究状况 1997年,美国天然气研究所为一项两年期的基础研究项目提供资金60万美元,旨在促进当今所用的天然气井钻井和完井方法有根本的改变。这项研究通过与军方建立的合作研究与开发协定对于将美国国防部的星球大战激光技术应用于钻井和完井的可行性、成本、利益及环境影响进行审查。激光器功率,效率和传输能力方面已经发生巨大进步,通过美国国会的命令正在成为可以由石
2、油工业加以利用的技术。对激光应用的进一步了解有可能导致一些产品的开发:例如井下激光钻机、用于常规钻井和连续油管钻井的激光辅助钻头、激光射孔器以及侧钻和定向激光钻井装置。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心4n这个项目由天然气研究所负责管理,主承包单位是科罗拉多矿业学院,参加的单位有美国空军、美国陆军、麻省理工学院、雷克伍德工程公司以及菲利普斯石油公司。项目的五个主要研究目标是:n1确定从激光技术中可获得的数据量。n2评价应用激光技术进行钻井和完井的可能性和局限性。n3确定需要解决的激光钻井研究领域。n4定量评价激光钻井所能得到的好处,例如提高机械钻速、减少钻井装置日费、降低套管需求以
3、及提高安全性和经济效益等。n5进行旨在弄清激光岩石流体之间相互作用的实验室研究。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心5 这项研究对几种激光器进行试验。试验地点分别是新墨西哥州白沙导弹发射场的美国陆军高能激光器系统试验研究所和新墨西哥州柯兰特空军基地美国空军研究实验室。而科罗拉多矿业学院石油工程系实验室进行测定目的层岩样的孔隙度、渗透率、矿物组成、强度、弹性和力学性质,以及孔隙大小分布等。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心6 这项研究的第一阶段是用中红外高级化学激光器(MIRACL)在新墨西哥州白沙的美国陆军高能激光器系统试验研究所进行的。1998年公布了试验结果,指出在储
4、层岩石中激光器钻井和完井的可能性。激光束以450英尺/hr的速度钻进砂岩页岩“三明治”夹层,表明机械钻速能够比现今转盘钻井速度提高100倍以上。而且激光处理过的表面光滑,形成一个陶瓷化处壳,有可能不再需要下套管柱。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心7 1999年又公布了在美国空军高能激光研究所进行的第二阶段试验结果。研究的这个阶段使用了美国空军在1977年为空对空防御发明的化学氧碘高能激光器(COIL)。位于美国新墨西哥州柯兰特空军基地美国空军研究实验室直属能源管理局的COIL作为一种能跟踪和摧毁导弹的机载激光器作战武器已经是众所周知的了。试验用不同功率和不同持续时间的激光束照射了
5、100块以上包括砂岩、石灰岩、页岩、岩盐、花岗岩和混凝土的岩石试样。结果是鼓舞人心的,激光能穿透所有类型岩石。也用浸透水、盐水、原油和天然气的岩样进行了试验,以更准确模拟井下钻井环境。还讨论了蒸气干扰、气体氛围、围限岩石应力和激光器以连续的和断续的方式运作等的影响。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心8 1、完钻后在井壁周围形成一玻璃状的凝固体; 2、无论多深的井激光器始终能以单一直径钻到设计度深; 3、激光钻井的钻速只取决于井眼尺寸和供给功率的大小; 4、因光子以直线路径行进,激光器所钻的井眼不会偏斜; 5、其钻速比转盘钻井高多100倍。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中
6、心9 激光和激光钻井 激光(Laser)是“通过辐射的受激发射而放大的光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)”的缩略语*。早在1917年近代物理学界泰斗阿伯特爱因斯坦就首次提出受激发射(经由原子或分子能级之间的传输产生光子或能量的不连续的光束),但是没有实现,直到1960年的早期美国科学家梅曼博士发明了第一台激光器。激光器基本上是把某种形式的能量转变为光子(电磁辐射)的装置。例如,化学激光器把化学能转变为光能,而光能能聚焦成强激光束。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心10 激光是一种通过辐射的受激发射而放
7、大的光。普通光源的发光是一种自发辐射过程,经受激吸收跃迁到高能态的原子,在没有外界作用的条件下自发地由高能态回到低能态,并将多余的能量以光的形式向周围辐射。而受激辐射则不同,它是在入射光的控制下发生的,受激辐射光与入射光具有相同的频率、位相和偏振态,并沿相同的方向传播,因而是相互关联的或称具有很好的相干性。受激辐射是激光产生的条件,其特性为:一是方向性强,激光几乎是一束定向发射的平行光,散射角一般为毫弧度;二是激光的亮度大,激光的亮度可以达到太阳亮度的1010倍以上。 2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心11 如果用透镜将激光聚焦可得到104 MW/cm2的功率密度,在极小的范围内产
8、生几百万摄氏度的高温,几十万兆帕的压力,几十亿伏/米的强电场;三是激光的单色性高,激光近乎是单一频率的光,单色性远胜于一般单色光源,激光谱线的线宽可以窄到10-7埃;四是相干性好。由于激光的线宽窄,位移在空间的分布不随时间变化,具有良好的时间相干性和空间相干性。 亮度大是激光用来钻井的最主要特性。钻井用激光器就是把能量转换为光子,经聚焦成为强光束,瞄准要钻入的地层进行照射,在极短的时间内可将岩石碎裂、熔融或汽化。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心12 高能激光器的特征 激光器能够以连续波(CW)、单脉冲的和重复脉冲(RP)方式运作。不同运作方式的激光器的主要的能量参数不同,连续波激
9、光器的主要的能量参数是输出功率P,单脉冲激光器的主要的能量参数是输出能量E,而以重复脉冲方式运行激光器的主要的能量参数是平均功率Pav和脉冲能量E。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心132022-5-31中国石油集团经济技术研究中心14激光能量在钻井过程中的传输 激光能量传输进岩石中有三种方式: 1、反射 ; 2、散射 ; 3、表面吸收。 岩石吸收能量后温度升高并自裂。反射和散射代表激光破岩过程中的能量损失。能量损失于反射和散射的程度又支配着激光破碎、熔融和汽化岩石的效率。 2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心15岩石吸收激光的原理如下: 1.岩石的低反射特性导致激光辐射
10、与岩石的有效耦合; 2.激光能量在岩石中的深穿透导致岩石对激光能量的体积吸收; 3.岩石的低导热性有利于岩石的加热和升温。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心16 激光器的工作原理激光器的工作原理 目前,美国的激光器的种类较多,下面我们以化学氧碘激光器为例简单介绍激器的工作原理和工作过程。激光产生的原理和过程是,当碱性的过氧化氢与氯气混合时产生激发状态的氧(称为氧独态),反应的副产品是盐水。当氧独态与液态碘化合时使分子碘离解为原子碘,同时产生激发状态的碘。受激碘的激化幅射将电子转移到原子碘并依次释放光子。2022-5-31中国石油集团经济技术研究中心17氧碘激光器适合于油气钻井的主要
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