蔣 濤，白 楊，解慧明，陸寶樂，張?jiān)撇?，白晉濤

(1.西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所，陜西省光電技術(shù)與功能材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，國家級(jí)光電技術(shù)和功能材料及應(yīng)用國際科技合作基地，陜西西安710069;2.西北大學(xué)物理學(xué)院，陜西西安710069;3.西安市教育科學(xué)研究所，陜西西安710002)

1 引言

射孔作業(yè)是油氣井勘探與開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1－2］，直接影響著油氣井的產(chǎn)能。近年來，伴隨著大功率激光器的飛速發(fā)展，將先進(jìn)激光技術(shù)與射孔技術(shù)改造緊密結(jié)合起來，開展激光射孔技術(shù)研究成為了熱點(diǎn)。2009年，美國阿美石油公司在世界上第一個(gè)完成了油氣井現(xiàn)場大功率激光射孔作業(yè)［3－4］，驗(yàn)證了激光射孔技術(shù)是一種安全、高效的新型油氣井射孔技術(shù)，與子彈射孔、聚能射孔、水力噴砂射孔等傳統(tǒng)射孔技術(shù)相比具有射孔速度快、無壓實(shí)作用、孔隙度和滲透率高，不會(huì)造成碎屑堵塞孔隙喉道、完井時(shí)間短、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［5－9］。

然而利用大功率激光進(jìn)行射孔作業(yè)是一個(gè)十分復(fù)雜的技術(shù)，油氣井下巖石類別與硬度、地層溫度、壓力、井下溶液，特別是激光功率密度大多都會(huì)對(duì)射孔過程產(chǎn)生不同程度的影響。本文理論分析了激光照射巖石后巖石表面的溫度場分布，并探討了不同的巖石種類、巖石尺寸、激光功率、照射時(shí)間等參數(shù)對(duì)激光射孔過程的影響規(guī)律。本文研究成果能夠?yàn)榇蠊β始す馍淇自谑托袠I(yè)的實(shí)際應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。

2 激光與巖石相互作用的溫度場分布

大功率激光束作用于巖石后主要是通過熱作用在其內(nèi)部燒燭產(chǎn)生射孔通道，巖石的溫度分布是激光射孔技術(shù)需要考慮的重要問題之一。為使問題簡化，假設(shè)所使用大功率激光束為基模高斯分布，激光束功率密度分布為［10］:

其中，P0為激光輸出功率;ω為激光束束腰半徑。同時(shí)，假設(shè)巖石的熱物性參數(shù)為恒量，則在熱物性參數(shù)恒定、無限大巖石內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方程為［11］:

T(x，y，z，t)為在激光照射下巖石內(nèi)部的溫度場;P(x，y，z，t)為巖石內(nèi)部熱積累功率，為單位時(shí)間內(nèi)單位體積產(chǎn)生的熱能;α為熱擴(kuò)散系數(shù);k為導(dǎo)熱系數(shù)。假設(shè)初始時(shí)介質(zhì)的溫度為T0，由于溫度場具有線性疊加的性質(zhì)，引入介質(zhì)對(duì)激光的吸收系數(shù)ρ0，將式(1)代入式(2)，即獲得了在基模高斯激光束照射時(shí)間t s后，巖石表面鄰近區(qū)域的溫度場分布:

其中，t為設(shè)定的激光照射時(shí)間值;τ為時(shí)間積分變量;x、y軸所在平面為巖石表面，z軸方向?yàn)榧す庹丈浞较颉＠檬?3)，在激光輸出功率5 kW、束腰半徑5 mm、激光照射時(shí)間t=1 s條件下，獲得了砂巖表面(z=0)溫度場分布，如圖1所示。在巖石表面直徑約10 mm的激光照射區(qū)域內(nèi)溫度T(x，y，0，1)超過了1610℃的砂巖熔點(diǎn)，從理論上說明在有限的激光輸出功率和極短照射時(shí)間下即可達(dá)到移除巖石的目的。

圖1 激光照射1 s時(shí)巖石表面溫度分布Fig.1.The temperature distribution of rock surface after laser irradiate 1 second

3 實(shí)驗(yàn)裝置

基于大功率光纖激光器的輸出功率高、光纖傳輸、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)［12－13］，實(shí)驗(yàn)采用6 kW級(jí)光纖激光開展了激光射孔實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，主要包括光纖激光器、機(jī)器人手臂、噴氣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，參數(shù)分別如表1、表2和表3所示。實(shí)驗(yàn)中光纖激光器輸出端固定在機(jī)器人手臂，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)精確調(diào)整激光聚集點(diǎn)位置。噴氣系統(tǒng)通過側(cè)向吹氣，避免激光射孔過程中產(chǎn)生的大量飛濺碎石對(duì)激光聚焦系統(tǒng)鏡片的損傷和由此造成的碎石散射損耗。

圖2 大功率光纖激光射孔裝置Fig.2.High－power fiber laser perforating system

表1 激光器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of laser

表2 機(jī)器人手臂主要參數(shù)Tab．2 Main parameters of robotic arm

表3 噴氣系統(tǒng)主要參數(shù)Tab．3 Main parameters of the jet system

4 不同類型巖石激光射孔實(shí)驗(yàn)

本文在不同激光輸出功率條件下，開展了石灰?guī)r、砂巖、花崗巖、大理石樣品和油氣井用鋼材套管的價(jià)格射孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 不同樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)Tab.4 The main parameters of different samples laser perforating experiments

石灰?guī)r樣品的激光射孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示，射孔宏觀形貌照片如圖3所示。石灰?guī)r的主要成分是CaCO3，大功率激光作用于石灰?guī)r樣品，樣品碎裂同時(shí)在高溫下發(fā)生熱化學(xué)分解CaCO3→CaO+CO2。當(dāng)激光功率分別為5 kW、6 kW，照射6 s時(shí)，樣品皆被射穿，射孔速率約為4.7 mm/s。射孔的孔洞深度、射孔速度隨激光功率的增加而增加，說明巖石單位面積上的能量密度隨激光照射功率的增加而不斷增加，巖石分子能夠吸收更多的光子能量，促使巖石內(nèi)部的溫度得到進(jìn)一步升高?？锥磧?nèi)部沒有琉璃化物質(zhì)產(chǎn)生，說明足夠高的激光照射功率和側(cè)向吹氣保證了在單位時(shí)間內(nèi)能夠使得更深的巖石被熔化、汽化，孔深能夠持續(xù)增加。以孔洞為中心，向四周產(chǎn)生明顯的發(fā)散性微裂隙現(xiàn)象，原因在于激光照射巖石樣品過程中，巖石吸收光能后引發(fā)的溫度上升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖石的熱擴(kuò)散能力，造成巖石晶粒膨脹和應(yīng)力產(chǎn)生，破壞了晶粒之間原有的鏈接狀態(tài)，導(dǎo)致巖石碎裂。

圖3 石灰?guī)r樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 The photo of limestone sample laser perforating experiment

砂巖樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4，孔宏觀形貌照片如圖4所示。在最高6 kW激光照射下，孔洞周圍出現(xiàn)了大量的琉璃化物質(zhì)。原因在于砂巖90%的成分為 SiO2［14，15］。在大功率激光作用下，SiO2達(dá)到熔點(diǎn)后迅速熔化，并通過高壓氣體帶出孔洞，從而在孔洞周圍迅速凝結(jié)成琉璃化物質(zhì)。1號(hào)、2號(hào)孔洞分別為減小光斑直徑前、后照射形成的孔洞。由于光斑直徑減小、激光照射功率密度增大，琉璃化物質(zhì)明顯減少。兩種情況下，巖石樣品均被射穿，并伴隨明顯的微裂隙現(xiàn)象。1、2號(hào)孔洞射孔速度計(jì)算分別為 5.0 mm/s和 7.0 mm/s。

圖4 砂巖樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 The photo of sandstone samples laser perforating experiment

花崗巖樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4，射孔宏觀形貌照片如圖5所示。實(shí)驗(yàn)使用激光功率6 kW，照射4 s，15 mm的花崗巖樣品被射穿，并伴隨明顯的微裂隙現(xiàn)象。由于花崗巖中仍含有20%～40%SiO2成分［16］，利用高速輔助氣流排除雜物時(shí)，在孔洞周圍形成了琉璃化物質(zhì)。

圖5 花崗巖樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 The photo of granite samples laser perforating experiment

大理石樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4，射孔宏觀形貌照片如圖6所示。實(shí)驗(yàn)使用6 kW激光分別照射3s、4s、5s后，大理石樣品均被射穿，并伴隨明顯的微裂隙現(xiàn)象。由于大理石的主要成分與石灰?guī)r相似，皆為是CaCO3［17］，故在射孔過程中無琉璃化物質(zhì)產(chǎn)生。

圖6 大理石樣品激光射孔實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.6 The photo of marble samples laser perforating experiment

油氣井鋼制套筒激光射孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4，射孔宏觀形貌照片如圖7所示。實(shí)驗(yàn)采用3 kW激光照射鋼制套筒4 s和8 s，9 mm厚的鋼材均被射穿，形成孔洞，冷卻后孔洞周圍形成凝固物，但是孔洞內(nèi)部光滑平整。

圖7 鋼材套筒激光射孔實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 The photo of steel sleeve laser perforating experiment

通過對(duì)不同類型的巖石以及油氣井鋼制套筒進(jìn)行的大功率激光射孔實(shí)驗(yàn)，表明千瓦級(jí)近紅外激光可以有效完成多種油氣井下巖石和鋼制套筒的激光射孔過程。

5 不同因素對(duì)射孔效率影響分析

比能是衡量射孔效率的參數(shù)定義為移除單位體積巖石需要的能量，比能越小表示激光射孔效率越高［18］。通過上述多種巖石的激光射孔實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石組成成分、巖石尺寸大小、激光功率，照射時(shí)間都會(huì)影響激光射孔的實(shí)際效果。因此，研究這些因素與比能之間的變化關(guān)系對(duì)提高激光射孔效率具有極大的幫助作用［19］。

巖石尺寸與比能的變化關(guān)系如圖8所示。研究設(shè)定激光功率為5 kW，照射時(shí)間為4 s，巖石樣品直徑分別為5 cm、7.5 cm、10 cm、12.5 cm?？梢钥闯霰饶茈S著巖石尺寸的增大而減小，當(dāng)樣品直徑超過10 cm的時(shí)候，比能值趨于穩(wěn)定。原因在于當(dāng)巖石直徑小于10 cm時(shí)，邊界效應(yīng)對(duì)比能影響較大，而當(dāng)巖石直徑超過10 cm時(shí)，邊界效應(yīng)基本消除，比能值趨于穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，在油氣井下進(jìn)行射孔作業(yè)時(shí)，儲(chǔ)層巖石尺寸可近似為無限大，巖石尺寸對(duì)射孔效率無影響，故在實(shí)驗(yàn)中均選用直徑為10 cm的巖石樣品開展了實(shí)驗(yàn)研究。

圖8 巖石尺寸與比能的變化關(guān)系曲線Fig.8 The curve of specific energy varying with rock size

激光照射功率與比能的變化關(guān)系如圖9所示。實(shí)驗(yàn)以直徑為10 cm、厚度為5 cm的砂巖樣品為例，從圖中可以看到巖石比能先下降后升高，在3 kW時(shí)達(dá)到最小，說明當(dāng)激光照射在巖石上致使巖石溫度升高達(dá)到一定值時(shí)，巖石膨脹系數(shù)達(dá)到極大值，此時(shí)比能值最?。?0］;激光照射功率繼續(xù)增大，導(dǎo)致巖石溫度持續(xù)升高至其熔點(diǎn)時(shí)，巖石開始熔化。在熔融狀態(tài)下的巖石會(huì)吸收并反射大量激光能量，從而導(dǎo)致比能值隨激光照射功率迅速增大［21］。

圖9 激光照射功率與比能的變化關(guān)系曲線Fig.9 The curve of specific energy varying with laser power

激光照射時(shí)間與比能的變化關(guān)系如圖10所示。激光照射功率設(shè)定為5 kW，比能值隨激光照射時(shí)間的增加而增大，原因在于激光持續(xù)照射造成的射孔深度增加會(huì)導(dǎo)致孔洞內(nèi)雜物無法吹出，這些雜物會(huì)大量吸收、反射和散射光能，造成激光能量大量損耗，致使比能值隨激光照射時(shí)間持續(xù)增大。

圖10 激光照射時(shí)間與比能的變化關(guān)系曲線Fig.10 The curve of specific energy varying with laser irradiation time

6 結(jié)論

本文對(duì)激光射孔進(jìn)行了研究，通過數(shù)值模擬，得到了5 kW功率下，激光照射時(shí)間1 s時(shí)砂巖表面溫度分布，為激光射孔提供理論依據(jù)。開展了多種類型巖石以及鋼制套管的1～6 kW大功率光纖激光射孔實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同類型巖石的激光射孔過程的差異做出分析，開展了巖石尺寸、激光功率、照射時(shí)間、外界環(huán)境與激光射孔比能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，獲得了巖石尺寸對(duì)于激光射孔效率幾乎沒有影響、巖石膨脹系數(shù)達(dá)到極大值時(shí)激光功率與射孔效率存在極值、激光照射時(shí)間與射孔效率成反比等重要結(jié)論，控制好這些因素能夠有效提高油氣井激光射孔效率，更為提高油氣采收率提供了理論與實(shí)驗(yàn)支持。

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