岩石的大功率激光射孔研究

蒋 涛，白 杨，解慧明，陆宝乐，张云博，白晋涛

(1.西北大学光子学与光子技术研究所，陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地，国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地，陕西西安710069;2.西北大学物理学院，陕西西安710069;3.西安市教育科学研究所，陕西西安710002)

1 引言

射孔作业是油气井勘探与开发中的关键技术之一［1－2］，直接影响着油气井的产能。近年来，伴随着大功率激光器的飞速发展，将先进激光技术与射孔技术改造紧密结合起来，开展激光射孔技术研究成为了热点。2009年，美国阿美石油公司在世界上第一个完成了油气井现场大功率激光射孔作业［3－4］，验证了激光射孔技术是一种安全、高效的新型油气井射孔技术，与子弹射孔、聚能射孔、水力喷砂射孔等传统射孔技术相比具有射孔速度快、无压实作用、孔隙度和渗透率高，不会造成碎屑堵塞孔隙喉道、完井时间短、费用低等优点［5－9］。

然而利用大功率激光进行射孔作业是一个十分复杂的技术，油气井下岩石类别与硬度、地层温度、压力、井下溶液，特别是激光功率密度大多都会对射孔过程产生不同程度的影响。本文理论分析了激光照射岩石后岩石表面的温度场分布，并探讨了不同的岩石种类、岩石尺寸、激光功率、照射时间等参数对激光射孔过程的影响规律。本文研究成果能够为大功率激光射孔在石油行业的实际应用提供重要的技术支撑。

2 激光与岩石相互作用的温度场分布

大功率激光束作用于岩石后主要是通过热作用在其内部烧烛产生射孔通道，岩石的温度分布是激光射孔技术需要考虑的重要问题之一。为使问题简化，假设所使用大功率激光束为基模高斯分布，激光束功率密度分布为［10］:

其中，P0为激光输出功率;ω为激光束束腰半径。同时，假设岩石的热物性参数为恒量，则在热物性参数恒定、无限大岩石内部的热传导方程为［11］:

T(x，y，z，t)为在激光照射下岩石内部的温度场;P(x，y，z，t)为岩石内部热积累功率，为单位时间内单位体积产生的热能;α为热扩散系数;k为导热系数。假设初始时介质的温度为T0，由于温度场具有线性叠加的性质，引入介质对激光的吸收系数ρ0，将式(1)代入式(2)，即获得了在基模高斯激光束照射时间t s后，岩石表面邻近区域的温度场分布:

其中，t为设定的激光照射时间值;τ为时间积分变量;x、y轴所在平面为岩石表面，z轴方向为激光照射方向。利用式(3)，在激光输出功率5 kW、束腰半径5 mm、激光照射时间t=1 s条件下，获得了砂岩表面(z=0)温度场分布，如图1所示。在岩石表面直径约10 mm的激光照射区域内温度T(x，y，0，1)超过了1610℃的砂岩熔点，从理论上说明在有限的激光输出功率和极短照射时间下即可达到移除岩石的目的。

图1 激光照射1 s时岩石表面温度分布Fig.1.The temperature distribution of rock surface after laser irradiate 1 second

3 实验装置

基于大功率光纤激光器的输出功率高、光纤传输、光束质量好、结构紧凑、运行成本低等优点［12－13］，实验采用6 kW级光纤激光开展了激光射孔实验研究。实验装置如图2所示，主要包括光纤激光器、机器人手臂、喷气系统和计算机控制系统组成，参数分别如表1、表2和表3所示。实验中光纤激光器输出端固定在机器人手臂，通过计算机控制系统精确调整激光聚集点位置。喷气系统通过侧向吹气，避免激光射孔过程中产生的大量飞溅碎石对激光聚焦系统镜片的损伤和由此造成的碎石散射损耗。

图2 大功率光纤激光射孔装置Fig.2.High－power fiber laser perforating system

表1 激光器主要参数Tab.1 Main parameters of laser

表2 机器人手臂主要参数Tab．2 Main parameters of robotic arm

表3 喷气系统主要参数Tab．3 Main parameters of the jet system

4 不同类型岩石激光射孔实验

本文在不同激光输出功率条件下，开展了石灰岩、砂岩、花岗岩、大理石样品和油气井用钢材套管的价格射孔实验，实验参数如表4所示。

表4 不同样品激光射孔实验主要参数Tab.4 The main parameters of different samples laser perforating experiments

石灰岩样品的激光射孔实验，实验参数如表4所示，射孔宏观形貌照片如图3所示。石灰岩的主要成分是CaCO3，大功率激光作用于石灰岩样品，样品碎裂同时在高温下发生热化学分解CaCO3→CaO+CO2。当激光功率分别为5 kW、6 kW，照射6 s时，样品皆被射穿，射孔速率约为4.7 mm/s。射孔的孔洞深度、射孔速度随激光功率的增加而增加，说明岩石单位面积上的能量密度随激光照射功率的增加而不断增加，岩石分子能够吸收更多的光子能量，促使岩石内部的温度得到进一步升高。孔洞内部没有琉璃化物质产生，说明足够高的激光照射功率和侧向吹气保证了在单位时间内能够使得更深的岩石被熔化、汽化，孔深能够持续增加。以孔洞为中心，向四周产生明显的发散性微裂隙现象，原因在于激光照射岩石样品过程中，岩石吸收光能后引发的温度上升速率远远超过岩石的热扩散能力，造成岩石晶粒膨胀和应力产生，破坏了晶粒之间原有的链接状态，导致岩石碎裂。

图3 石灰岩样品激光射孔实验照片Fig.3 The photo of limestone sample laser perforating experiment

砂岩样品激光射孔实验，实验参数如表4，孔宏观形貌照片如图4所示。在最高6 kW激光照射下，孔洞周围出现了大量的琉璃化物质。原因在于砂岩90%的成分为 SiO2［14，15］。在大功率激光作用下，SiO2达到熔点后迅速熔化，并通过高压气体带出孔洞，从而在孔洞周围迅速凝结成琉璃化物质。1号、2号孔洞分别为减小光斑直径前、后照射形成的孔洞。由于光斑直径减小、激光照射功率密度增大，琉璃化物质明显减少。两种情况下，岩石样品均被射穿，并伴随明显的微裂隙现象。1、2号孔洞射孔速度计算分别为 5.0 mm/s和 7.0 mm/s。

图4 砂岩样品激光射孔实验照片Fig.4 The photo of sandstone samples laser perforating experiment

花岗岩样品激光射孔实验，实验参数如表4，射孔宏观形貌照片如图5所示。实验使用激光功率6 kW，照射4 s，15 mm的花岗岩样品被射穿，并伴随明显的微裂隙现象。由于花岗岩中仍含有20%～40%SiO2成分［16］，利用高速辅助气流排除杂物时，在孔洞周围形成了琉璃化物质。

图5 花岗岩样品激光射孔实验照片Fig.5 The photo of granite samples laser perforating experiment

大理石样品激光射孔实验，实验参数如表4，射孔宏观形貌照片如图6所示。实验使用6 kW激光分别照射3s、4s、5s后，大理石样品均被射穿，并伴随明显的微裂隙现象。由于大理石的主要成分与石灰岩相似，皆为是CaCO3［17］，故在射孔过程中无琉璃化物质产生。

图6 大理石样品激光射孔实验照片Fig.6 The photo of marble samples laser perforating experiment

油气井钢制套筒激光射孔实验，实验参数如表4，射孔宏观形貌照片如图7所示。实验采用3 kW激光照射钢制套筒4 s和8 s，9 mm厚的钢材均被射穿，形成孔洞，冷却后孔洞周围形成凝固物，但是孔洞内部光滑平整。

图7 钢材套筒激光射孔实验照片Fig.7 The photo of steel sleeve laser perforating experiment

通过对不同类型的岩石以及油气井钢制套筒进行的大功率激光射孔实验，表明千瓦级近红外激光可以有效完成多种油气井下岩石和钢制套筒的激光射孔过程。

5 不同因素对射孔效率影响分析

比能是衡量射孔效率的参数定义为移除单位体积岩石需要的能量，比能越小表示激光射孔效率越高［18］。通过上述多种岩石的激光射孔实验，发现岩石组成成分、岩石尺寸大小、激光功率，照射时间都会影响激光射孔的实际效果。因此，研究这些因素与比能之间的变化关系对提高激光射孔效率具有极大的帮助作用［19］。

岩石尺寸与比能的变化关系如图8所示。研究设定激光功率为5 kW，照射时间为4 s，岩石样品直径分别为5 cm、7.5 cm、10 cm、12.5 cm。可以看出比能随着岩石尺寸的增大而减小，当样品直径超过10 cm的时候，比能值趋于稳定。原因在于当岩石直径小于10 cm时，边界效应对比能影响较大，而当岩石直径超过10 cm时，边界效应基本消除，比能值趋于稳定。实际应用中，在油气井下进行射孔作业时，储层岩石尺寸可近似为无限大，岩石尺寸对射孔效率无影响，故在实验中均选用直径为10 cm的岩石样品开展了实验研究。

图8 岩石尺寸与比能的变化关系曲线Fig.8 The curve of specific energy varying with rock size

激光照射功率与比能的变化关系如图9所示。实验以直径为10 cm、厚度为5 cm的砂岩样品为例，从图中可以看到岩石比能先下降后升高，在3 kW时达到最小，说明当激光照射在岩石上致使岩石温度升高达到一定值时，岩石膨胀系数达到极大值，此时比能值最小［20］;激光照射功率继续增大，导致岩石温度持续升高至其熔点时，岩石开始熔化。在熔融状态下的岩石会吸收并反射大量激光能量，从而导致比能值随激光照射功率迅速增大［21］。

图9 激光照射功率与比能的变化关系曲线Fig.9 The curve of specific energy varying with laser power

激光照射时间与比能的变化关系如图10所示。激光照射功率设定为5 kW，比能值随激光照射时间的增加而增大，原因在于激光持续照射造成的射孔深度增加会导致孔洞内杂物无法吹出，这些杂物会大量吸收、反射和散射光能，造成激光能量大量损耗，致使比能值随激光照射时间持续增大。

图10 激光照射时间与比能的变化关系曲线Fig.10 The curve of specific energy varying with laser irradiation time

6 结论

本文对激光射孔进行了研究，通过数值模拟，得到了5 kW功率下，激光照射时间1 s时砂岩表面温度分布，为激光射孔提供理论依据。开展了多种类型岩石以及钢制套管的1～6 kW大功率光纤激光射孔实验研究，对不同类型岩石的激光射孔过程的差异做出分析，开展了岩石尺寸、激光功率、照射时间、外界环境与激光射孔比能关系的实验研究和理论分析，获得了岩石尺寸对于激光射孔效率几乎没有影响、岩石膨胀系数达到极大值时激光功率与射孔效率存在极值、激光照射时间与射孔效率成反比等重要结论，控制好这些因素能够有效提高油气井激光射孔效率，更为提高油气采收率提供了理论与实验支持。

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