自高功率激光器问世以来，人们就开始考虑在石油天然气行业中用激光器应对棘手的超硬结晶岩。Mauer在一本关于高级钻探技术的书中，总结了上世纪60年代人们利用CO2激光器进行的各种初期尝试，但是由于尺寸和复杂性的限制，当时的研究结论是，该工艺尚不成熟1。2002年，来自科罗拉多矿业大学的Ramona Graves利用中红外化学激光器成功破坏了坚硬的岩石，重又燃起了人们对激光钻探技术的希望，随后，Ramona又证明了高功率二极管也具有发展潜力2。但是在那时，这项技术仍有欠缺，所以不宜商业化推广。直至2008年，IPG推出10 kW光纤激光器，才最终迎来了激光钻井商业化应用的繁荣发展。一年后，在CSM的协助下，我们启动了商业化激光钻探工艺的研究，以填补这项技术空白。

 

当激光器遇上PDC钻头

 

在漫长的钻探行业发展史上，首个重大进展应归属Howard Hughes在1908年发明的两牙轮钻头3。两牙轮钻头不仅引爆了钻探行业的变革，也使休斯公司成为行业巨擘。双牙轮钻头最初的想法来自休斯公司一位研究人员，在历经24年的不断研究改良之后，最终发展成为三牙轮钻头。在随后的80年里，三牙轮钻头一直在钻探行业占据着主导地位。钻探发展史上的第二个“里程碑”是通用公司在1971年推出的聚晶金刚石复合片（PDC）钻头。30年的应用实践证明，在加工某些岩石时，PDC钻头较双牙轮钻头更可靠4。于是，在近几年里，PDC钻头成功取代了双牙轮钻头，发展成为钻探行业的首选。然而，这两种钻头在面对白云石、玄武岩、花岗岩之类的超硬结晶岩时，仍束手无策。对此，我们研发了一种将精密热源与PDC钻头相结合的新型钻探系统。实践证明，岩石抗压强度超过30ksi时，该组合钻探系统与传统的三牙轮钻头或PDC钻头相比，具有显著的效率优势（如图1所示）。

 

 

图1：结合了高功率激光器及PDC钻头的新型钻探系统

 

组合式钻头的主要工作原理是先利用旋转的激光光束消弱坚固的岩石，然后再用一组PDC切削齿，清除那些已经被激光光束弱化的岩体5,6。存在于钻头系统中的激光能量。能够在岩石上以一种类似于雷达扫描的方式，对凿洞的底面进行加热（如图1所示）。激光能有效弱化岩石表面，并使岩体产生裂痕，这样用PDC钻头就能轻易地去除碎裂的岩石。激光工艺的介入，使岩石的抗压强度从>30ksi降至几百psi，所以只需要很少的机械能就能清除。例如，原来用三牙轮钻头时，需要在钻头上施加25,000 lbs的重量，才能穿透抗压强度>30ksi的岩石，现在主需要少量扭力（<100ft-lbs），1,500 lbs重量，10 hp功率就够了。我们用4、6、8.5”钻头，对石油、天然气及地热行业遇到的所有岩石类型进行了试验，结果令人振奋。此外，我们还将激光钻孔机整合入钻机，并在抗压强度>30ksi的白云石上成功完成了尺寸为12'的钻孔测试。

 

图2：在抗压强度>30ksi的白云石上进行的12'钻孔测试。岩石上的斑点是钻井马达留下的油污。

 

总结

这项研究工作的主要目标是提高超硬结晶岩的钻孔速度，降低地热钻井的成本。通过与能源部高级研究计划署——能源办公室（ARPA-E）及CSM的通力合作，我们已经成功地利用激光钻井工艺，将钻井速度提高2-3倍，同时显著降低了需要施加在钻头上的重量（>25×），从而极大地延长了钻头的使用寿命。接下来我们将引入更高的功率，对该工艺进行进一步的完善和延伸。

 

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作者：

MarkZediker, Foro Energy Littleton,CO