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一、激光射孔技术简介

激光射孔是一种利用光能对岩石进行射孔的新型技术。应用时高功率激光源放置在地面，光纤连续管组合下入至井内射孔位置，激光通过光纤传输至井下，激光光束通过井下激光组合工具完成外耦合并聚集到目标点，激光与岩石相互作用使电磁能转化为热能，使聚焦点处岩石温度升高而融化，从而形成孔眼。

激光射孔技术已获得室内实验成功，现场应用后，高功率激光射孔技术将改变目前石油行业的射孔工艺，成为下一代新型智能射孔技术，为未来高温高压井射孔工艺选择增加了新的选项。该射孔技术具有如下优点：

（1）对储层无伤害；

（2）安全性高；

（3）可以精确控制射孔孔眼的几何尺寸（包括形状和大小）；

（4）可以方便调整射孔参数；

（5）与常规射孔相比，孔眼渗透能力更高。

二、高功率激光工具开发

1、激光和光纤

光纤和激光技术设备轻便，可实现高功率输出等优越特性，在石油和天然气领域有较好应用。目前的光纤技术可以把激光传输到几公里的地下，但是目前还没有大功率传输光纤设计。目前光纤实施大功率输送至井下的瓶颈是材料对光能的吸收和散射，因此材料选择、光纤设计和制造是降低能量损耗和提高功率传输质量的关键所在。

2、高功率激光射孔枪总成

高功率激光枪的结构如图1所示，主要部件包括光学的组件、旋转组件、激光喷射孔和激光传输管等。

图 1 高功率激光射孔枪组成示意图

3、激光特性调整组件总成

应用于地下的光学系统主要透镜、反射镜和棱镜，这些元件的组合可以实现光束聚焦、反聚焦、瞄准以及扩张或收缩。

图2为输入功率10kw的高斯激光光束辐照图，激光波长1064nm，激光长度30mm。

图2 束腰为30毫米的高斯光束的辐照度

图3为输入功率10kw的高斯激光光束聚焦图，激光波长1064nm，激光长度30mm。

图 3 激光光束聚焦图

图4输入功率10kw的高斯激光光束聚焦后再次调复原激光传播方向图，激光波长1064nm，激光长度30mm。

图 4 激光光束聚焦后复原图

4、旋转组件总成

激光光束经过光学元件总成调整后，进入旋转机构总成。旋转机构总成的功能是对激光束进行控制和定向，使之穿透套管和水泥环进入地层。图5显示了工具的横截面直出梁用于钻井应用。通过旋转调整光学元件焦距，可控制激光的输出特性，当光学元件呈平面位置时，激光直线传播。

图 5 激光射孔枪示意图

如图6所示，调整反射镜角度，可以改变激光方向，实现光束对准地层。

图 6 激光束变向示意图

可以根据需要控制激光光束的开关，不需要安装聚能射孔弹。射孔枪到达目的位置后，可射孔，可旋转调整相位，可上下移动等。另一种模式是将激光束分成多束，可同时实施多处射孔。

5、吹扫

吹扫的作用包括携带岩屑，清扫激光光束路径，以及冷却组件。吹扫流体可以是气体，或者是液体，但必须有足够的粘度将碎屑运至孔眼之外，并且能够传递激光光束。

三、激光光束与岩石界面交互作用

激光束入射到岩石表面时，光束能量部分被反射，部分被散射，部分被材料吸收。图7和图8为激光在岩石表面的反射及散射示意图。

图7 岩石倾斜界面反射及散射示意图

图 8 普通岩石界面反射示意图

图9为不同岩石反射的激光光谱。值得注意的是，即使相同的岩石，因为其孔隙度、有机质含量、层理和匀质性存在差异，所反射的光谱也有差别。

图 9 不同岩石反射的光谱

这些光谱至关重要，因为它显示了不同的岩石将如何吸收高功率光束。低反射率值表示样品吸收更多的电磁辐射能量。当光束的能量被材岩石料吸收时，光的能量在岩石的原子中转化为势能，使岩石材料变热。即使对于相似的岩石类型，由于不均匀性、多晶结构、形态和杂质等因素，吸收结果也可能不同。图10显示用Kubelka-Munk因子测量的不同有机质含量页岩光谱，结果表明，这些参数之间存在一定的相关性。