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穆点咨询技术总顾问 祝庆远:未来油气井射孔新工艺—激光射孔!
发布时间:2021-06-16
来源:穆点咨询
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本文作者:穆点市场咨询(北京)有限公司 技术总顾问 祝庆远。穆点咨询为油气、电力、新能源和数智化领域的垂直用户提供专业的研究与咨询服务,并对此发布多款自研产品,欢迎感兴趣的朋友进行电话咨询(8610)87589901。


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。