背景
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中用激光器應對棘手的超硬結晶巖。Mauer在一本關于高級鉆探技術的書中，總結了上世紀60年代人們利用CO2激光器進行的各種初期嘗試，但是由于尺寸和復雜性的限制，當時的研究結論是，該工藝尚不成熟1。2002年，來自科羅拉多礦業大學的Ramona Graves利用中紅外化學激光器成功破壞了堅硬的巖石，重又燃起了人們對激光鉆探技術的希望，隨后，Ramona又證明了高功率二極管也具有發展潛力2。但是在那時，這項技術仍有欠缺，所以不宜商業化推廣。直至2008年，IPG推出10 kW光纖激光器，才最終迎來了激光鉆井商業化應用的繁榮發展。一年后，在CSM的協助下，我們啟動了商業化激光鉆探工藝的研究，以填補這項技術空白。
當激光器遇上PDC鉆頭
在漫長的鉆探行業發展史上，首個重大進展應歸屬Howard Hughes在1908年發明的兩牙輪鉆頭3。兩牙輪鉆頭不僅引爆了鉆探行業的變革，也使休斯公司成為行業巨擘。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24年的不斷研究改良之后，最終發展成為三牙輪鉆頭。在隨后的80年里，三牙輪鉆頭一直在鉆探行業占據著主導地位。鉆探發展史上的第二個“里程碑”是通用公司在1971年推出的聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭。30年的應用實踐證明，在加工某些巖石時，PDC鉆頭較雙牙輪鉆頭更可靠4。于是，在近幾年里，PDC鉆頭成功取代了雙牙輪鉆頭，發展成為鉆探行業的首選。然而，這兩種鉆頭在面對白云石、玄武巖、花崗巖之類的超硬結晶巖時，仍束手無策。對此，我們研發了一種將精密熱源與PDC鉆頭相結合的新型鉆探系統。實踐證明，巖石抗壓強度超過30ksi時，該組合鉆探系統與傳統的三牙輪鉆頭或PDC鉆頭相比，具有顯著的效率優勢（如圖1所示）。
圖1：結合了高功率激光器及PDC鉆頭的新型鉆探系統
組合式鉆頭的主要工作原理是先利用旋轉的激光光束消弱堅固的巖石，然后再用一組PDC切削齒，清除那些已經被激光光束弱化的巖體5,6。存在于鉆頭系統中的激光能量。能夠在巖石上以一種類似于雷達掃描的方式，對鑿洞的底面進行加熱（如圖1所示）。激光能有效弱化巖石表面，并使巖體產生裂痕，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，使巖石的抗壓強度從>30ksi降至幾百psi，所以只需要很少的機械能就能清除。例如，原來用三牙輪鉆頭時，需要在鉆頭上施加25,000 lbs的重量，才能穿透抗壓強度>30ksi的巖石，現在主需要少量扭力（<100ft-lbs），1,500 lbs重量，10 hp功率就夠了。我們用4、6、8.5”鉆頭，對石油、天然氣及地熱行業遇到的所有巖石類型進行了試驗，結果令人振奮。此外，我們還將激光鉆孔機整合入鉆機，并在抗壓強度>30ksi的白云石上成功完成了尺寸為12'的鉆孔測試。
圖2：在抗壓強度>30ksi的白云石上進行的12'鉆孔測試。巖石上的斑點是鉆井馬達留下的油污。
總結
這項研究工作的主要目標是提高超硬結晶巖的鉆孔速度，降低地熱鉆井的成本。通過與能源部高級研究計劃署——能源辦公室（ARPA-E）及CSM的通力合作，我們已經成功地利用激光鉆井工藝，將鉆井速度提高2-3倍，同時顯著降低了需要施加在鉆頭上的重量（>25×），從而極大地延長了鉆頭的使用壽命。接下來我們將引入更高的功率，對該工藝進行進一步的完善和延伸。
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作者：
MarkZediker, Foro Energy Littleton,CO
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