激光射孔技术及其应用前景分析

刘 涛，吕 园，2

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.西安石油大学CNPC 高能气体压裂研究室，陕西西安 710065）

早在 年，美国天然气研究院就开始探索一种利用高能激光在地球深部开采油气的新方法-激光钻井方法，这项研究的目的在于探索使用高能激光进行油气井钻井、完井的可行性、成本、效益以及对环境的影响。国内学者[1]运用激光射孔技术在射孔完井研究方面也做了一些研究，并提出了一系列初步研究成果。本文重点对激光射孔技术的机理以及发展前景进行分析，这为国内正确认识激光射孔新技术以及尽早应用推广该项技术提拱了一定的指导参考意义。

1 激光射孔技术概况

1.1 激光射孔技术作用机理

激光具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性的特点。激光射孔是一种新的射孔完井方式，是将激光发生器产生的高功率相干光束通过光缆导向沿着井轴到达预定的射孔深度，然后通过设在此处的激光接收器将光束横向折射到射孔位置，光束连续聚焦在折射光束轴的焦点上，形成射孔孔眼，孔径为9.5 mm～25 mm。当激光射孔器能量足够大时，可以使孔道更远地向地层延伸。

1.2 激光射孔技术优势分析

传统的射孔方法虽然几经改善和发展，但其基本原理都是通过对岩石的挤压实现射孔，形成油气通道。与传统的射孔方法相比，激光射孔主要有以下优势：（1）利用传统射孔方法进行射孔，由于压实效应的存在，孔壁渗透率降低，而激光对孔壁的热作用导致孔壁的渗透率得到提高，有利于油气的渗出；（2）传统的射孔方法，建立在对岩石的强制性机械破坏的基础上，孔壁易产生裂纹，岩石容易塌陷，而激光冲击岩石后会形成一层陶制层孔壁，表面光洁，不易塌陷；（3）随着激光器功率的不断提高，以及其良好的方向性，射孔深度可以得到保障；（4）光纤激光器的诞生使得光纤的远距离传输成为可能；（5）激光射孔不会留下射孔材料或者爆炸残留物污染井和孔道[2]，因此不需要对孔道和射孔区域进行清洗，比较清洁，也减少了经济投入。

2 激光射孔技术应用需解决的问题

（1）激光/岩石/流体相互作用原理方面还有待深入研究，激光破岩的热应力场热应变场井眼变形和残余应力场等有待深入研究。

（2）激光射孔作业最佳参数的确定[1]。岩石沉积取向、岩石尺寸、激光输出功率、激光作用时间、离焦量等因素对激光射孔效率均有影响，甚至不同类型的岩石在激光作用下表现也有区别，如何准确确定激光射孔作业最佳参数还有待解决。

（3）现场试验与实验室条件的差异性。虽然目前实验室对激光射孔技术进行了大量研究并取得一定成果，但岩石体积规模和地层条件相差甚远，因此能否投入生产推广应用还有待进一步研究考证。

3 激光射孔技术的应用前景趋势分析

近几年激光射孔技术在实验室不断取得研究进展，主要来讲从今往后的激光射孔技术将朝着以下几个方向发展：

（1）激光的产生与传输。可以研究使用脉冲激光器进行激光射孔实验，通过控制频率、脉宽等参数来研究何种激光输出方式更有利于射孔效率的提高。激光束在井下的传输性能、大功率激光器微型化研制等问题也是目前研究发展的趋势。

（2）激光射孔后的宏观形貌呈“火山口”状，这主要是由激光热源的特性和岩石性能决定的。在激光热作用影响下，残存在岩石内部的气孔分部极其不均匀，射孔后的残余应力分布不均匀，因此裂缝的扩展方向以及裂缝扩张模型还需进一步深入研究[3]。

（3）模拟井下环境进行实验研究。在实际生产作业中，油井下是高温高压并且具有腐蚀性的复杂环境，因此，有必要在实验室模拟井下环境进行全面研究，进而确定各种环境对射孔效率带来的影响，并且思考如何解决复杂环境下带来的不利影响。

4 结语

在油气田开发领域中应用激光是一项新技术，目前还处于实验室研究阶段并未在油田进行推广应用。本文分析了激光射孔技术的优势：提高渗透率、加深射孔深度、清洁环保等，又说明了现阶段研究中急需解决的问题并指出了部分未来发展趋势。相信会对激光射孔技术的发展及进一步在生产中应用具有一定指导意义。

［1］ 张云博.高功率激光器石油井下射孔相关技术研究［D］.西安：西北大学，2013.

［2］ 彭汉修，谷亚飞，王春明，等.岩石的激光射孔工艺研究［J］.应用激光，2013，33（5）：525.

［3］ 李美艳，韩彬，张世一，等.岩石表面激光射孔实验研究［J］.激光杂志，2015，36（7）：46-47.