激光用來從(cong) 本質上講，就是把能量轉換成光子，光子經過聚焦成為(wei) 強光束，把岩石熔融、粉碎、蒸發。具體(ti) 說來，就是把激光束聚焦在一個(ge) 要鑽入地層的環形區域上，這個(ge) 環形區域是要鑽的井眼直徑範圍內(nei) 很小的一部分。激光束聚焦後形成很高的溫度，使要鑽入的地層材料熔化蒸發，強大的熱衝(chong) 擊也可以使要鑽入的岩石材料被擊成細粒，由於(yu) 環形區域內(nei) 熔化材料的蒸發而產(chan) 生強大的壓力足以使擊碎的材料被騰升到地麵。為(wei) 了增強熱衝(chong) 擊的作用，易於(yu) 使要鑽的材料成為(wei) 細粒並噴出井口，還可以向要鑽的部位噴射可膨脹的很強的液體(ti) 流。

基本原理

       亮度大(即功率密度大)是激光的一大特點，是激光用來鑽井的最主要的特性.從(cong) 本質上講，鑽井用激光器件就是把能量轉換成光子，光子經過聚焦成為(wei) 強光束，把岩石熔融、粉碎、蒸發.具體(ti) 說來，就是把激光束聚焦在一個(ge) 要鑽入地層的環形區域上，這個(ge) 環形區域是要鑽的井眼直徑範圍內(nei) 很小的一部分.激光束聚焦後形成很高的溫度，使要鑽入的地層材料熔化蒸發，強大的熱衝(chong) 擊也可以使要鑽入的岩石材料被擊成細粒，由於(yu) 環形區域內(nei) 熔化材料的蒸發而產(chan) 生強大的壓力足以使擊碎的材料被騰升到地麵。
為(wei) 了增強熱衝(chong) 擊的作用，易於(yu) 使要鑽的材料成為(wei) 細粒並噴出井口，還可以向要鑽的部位噴射可膨脹的很強的液體(ti) 流。液體(ti) 射流和激光交替作用在要鑽部位，使激光束和液體(ti) 射流都成為(wei) 脈衝(chong) 式的。液體(ti) 射流所用液體(ti) 的特性要易於(yu) 使要鑽材料熔化與(yu) 震碎，有助於(yu) 井壁的光滑.例如，若要鑽的材料是純淨的幹矽砂，則流體(ti) 應含有鈉或鈣的化合物以便於(yu) 岩石熔化，優(you) 化井壁特性.為(wei) 了使從(cong) 己鑽成的井眼中排出的材料離開地麵設備，在井頭可裝上轉向器，噴出強液體(ti) 射流，當從(cong) 井中噴出震碎的岩石材料時使其改變方向吹離井口。
激光發生器的工作、激光脈衝(chong) 的長短、注入的強射流體(ti) 、噴出材料的吹除等整個(ge) 係統的工作特性，如脈衝(chong) 持續時間、頻率、聚焦區麵積和環形的大小，相幹光源的工作波長和輸出功率等都由控製器根據被鑽地層的物理特性控製。

研究內(nei) 容

       盡管激光鑽井技術的提出己有近30年的曆史，但卻一直沒有付諸實現.因此，激光鑽井仍然是一個(ge) 探索性課題，要研究的問題很多，當前要研究的主要有以下四條:
首先是要深入探索激光鑽井的原理.鑽井是一個(ge) 複雜的物理、化學過程，傳(chuan) 統的鑽井是通過衝(chong) 擊、切削將岩石剝離並通過鑽井液將鑽屑帶出井眼.那麽(me) ，用激光鑽時，究竟如何將岩石一層一層剝離，又如何將岩屑帶出井眼，實現這一過程會(hui) 遇到什麽(me) 困難，怎樣克服這些困難等。
第二是探討激光與(yu) 周圍介質的相互作用及作用結果對采收的影響.在鑽進過程中會(hui) 遇到油、氣、水和各種不同類型的岩石及其他物質，激光與(yu) 這些物質會(hui) 發生那些作用，這些作用對鑽進過程有什麽(me) 影響，對今後的油氣開采有什麽(me) 影響，其中的不利影響如何解決(jue) 。
第三是激光鑽井的經濟性.采用激光鑽，所用的一套設備當然與(yu) 傳(chuan) 統的設備不同.在各種複雜環境下，激光鑽與(yu) 傳(chuan) 統的鑽井方式相比，究竟在什麽(me) 情況下是合算的，什麽(me) 情況下不合算.特別是在我國現有經濟與(yu) 技術條件下，激光鑽井的可行性。
第四是對鑽井用激光器的特殊要求.鑽井用激光器功率要達到10“w級，這麽(me) 大功率的激光器為(wei) 實現鑽進在結構上有什麽(me) 特殊要求，不同地質條件下實現激光鑽井的激光器功率門檻值究竟要多大等。

實際意義(yi)

       根據模擬實驗研究，用功率為(wei) 600～1200kw，波長為(wei) 3.spm的MIRAcL激光器發出的激光，在4.55鑽穿了0.0635m的砂岩試樣，移走了2.495kg的岩石，由此折算等效鑽進速度為(wei) 50.60m/h;而用500kw激光束，在兩(liang) 個(ge) 兩(liang) 秒的激光衝(chong) 擊後，沿水平方向鑽透了0.1524m，折算的等效鑽速為(wei) 137.16m/h。因此，采用激光鑽井，可以顯著提高鑽進速度，減少鑽機平均天數，減少起下鑽時間，提高井控、射孔、側(ce) 鑽能力；激光與(yu) 周圍岩石相互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，減少套管；還可以促進井下鑽井機械，激光鑽頭，激光射孔技術的發展；而所有這一切都可在有利於(yu) 環保、安全，提高有效成本的情況下進行。因此，激光鑽可降低成本，減少汙染，可能會(hui) 使鑽井技術發生革命性變化。

技術發展

由於(yu) 激光具有亮度大的特點，就使得激光技術問世後不久就有人想把激光技術用於(yu) 石油工業(ye) 的鑽井。20世紀70年代初，美國、法國、荷蘭(lan) 就出現了用激光鑽井和射孔的專(zhuan) 利文獻。但由於(yu) 當時激光器的功率大約隻有數千瓦，激光的波長較長難於(yu) 聚焦，更主要可能還是成本較高，激光鑽井未曾實現.鑒於(yu) 此，許多人懷疑激光鑽井的可能性.但自那以後，對激光器、激光器功率、效率、發射能力等作了大量研究取得了顯著的進步。
　　現代的高功率激光器，可把電能光學能或熱能轉換成光能，光能經聚焦後形成很強激光束可粉碎、熔化、蒸發岩石.激光的波長可為(wei) 0.1～103pm，氟化氫（HF)和氟化氛(DF)激光器、化學氧化碘激光器(coIL)、cq激光器、co激光器、自由電子激光器(FEL)，錢/憶鋁石榴石(Nd/ YDG)激光器和氟化氫(KrF)激光器，其工作波長、脈衝(chong) 長度、功率等參數都可作為(wei) 鑽井用激光器.這些激光器通過反射、散射、黑體(ti) 輻射、等離子屏蔽等形式把能量傳(chuan) 遞到岩石上。
　　1998年和1999年，許多文獻披露了美國重新提出激光鑽井的問題，美國GRI(GasRe-search Institute)提出了一項兩(liang) 年計劃，準備投資60萬(wan) 美元，聯合美國空軍(jun) 、美國陸軍(jun) 和科羅拉多礦業(ye) 學院、麻省理工學院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美國在20世紀80年代和90年代用於(yu) 星球大戰的激光技術用於(yu) 石油工業(ye) 的氣井鑽井、完井的可行性、成本、益處以及對環境的影響，提高美國工業(ye) 的競爭(zheng) 能力。
　　美國這次研究計劃投入的力量很大.投入的設備包括美軍(jun) 白沙導彈實驗場的高能激光係統試驗設備(簡稱HELsTF)及美國空軍(jun) 的研究實驗室，試驗中擬使用的激光器是能量為(wei) 10“w的中紅外高級化學激光器(簡稱MIRAcL)和化學氧化碘激光器(簡稱coIL).這些激光器原為(wei) 用於(yu) 艦載防禦和空對空防禦的激光器，以其能夠擊穿數英裏外飛行的戰術和戰略目標，跟蹤和摧毀導彈的能力說明能夠用於(yu) 鑽4572m深的氣井.coIL激光器能夠與(yu) 光纖禍合的特點以及輸出功率高、化學物質價(jia) 格低，使它能夠用於(yu) 氣井鑽這類能量傳(chuan) 輸距離長的工程項目。#p#分頁標題#e#
　　美國還另外投入兩(liang) 台高功率激光器用於(yu) 研究激光束與(yu) 周圍材料的相互作用一是放電共軸激光器，用來研究在各種環境下激光束對不同材料的影響。15年來的研究成果組成的內(nei) 容廣泛的數據庫可使人們(men) 更透徹了解材料與(yu) 激光之間的相互作用。另一台是激光器示範設備，主要用於(yu) 確定強激光束與(yu) 不同軟岩石礦物之間的相互作用，試驗費用相當低廉，表明可大量探索岩石與(yu) 激光的相互作用，以及在井下條件激光與(yu) 岩石的相互作用。
　　前述美國菲利蒲石油公司用美軍(jun) Ml RAcL激光器所作的評價(jia) 激光器鑽進實驗表明，激光束等效鑽速可達50.60m/h，而經凹麵鏡改變MIRAcL激光器光的方向沿水平方向鑽進，等效鑽速達137.16m/h；用激光射孔，射孔深度可達6lm。
　　我國早在20世紀60年代就開始了激光技術的研究，並曾花費數千萬(wan) 元研製大功率激光器，盡管當時未獲得成功，但積累了豐(feng) 富的經驗。1998年，中國科學院超短脈衝(chong) 高功率激光技術研究取得了巨大進展，獲得了中國科學院院級發明一等獎，這為(wei) 激光技術在石油鑽井中的應用打下了基礎。

相關(guan) 資料

激光光能的傳(chuan) 遞
 激光的光能可以通過反射、散射、吸收過程傳(chuan) 遞到岩石中。岩石吸收的光能可以使岩石加熱毀壞。在利用激光破壞岩石過程中，光的反射、散射是導致光能損失的一個(ge) 主要原因。其它影響激光光能傳(chuan) 遞到岩石的現象還有黑體(ti) 輻射和等離子體(ti) 的屏蔽效應。在岩石溫度較高時，一小部分入射光由於(yu) 黑體(ti) 的輻射作用從(cong) 岩石表麵發射出去。高能激光輻射會(hui) 在照射的岩石表麵上形成激光離子(氣體(ti) 離子)，激光離子對入射激光輻射能的反射、散射和吸收作用阻礙了光到達岩石表麵.導致能量損。

用於(yu) 天然氣鑽井的激光
 1.氫氟酸和氟氖化合物激光其工作波長範圍為(wei) 2.6～4.2μm。美國軍(jun) 方研製出的這種中紅外高級化學激光尚是首次用於(yu) 儲(chu) 層岩石的初始測試。
2.碘氧激光美國空軍(jun) 研究實驗室研製出的這種碘氧激光的工作波長為(wei) 1.315μm。現今這種高能連續波激光己逐漸發展進化成為(wei) 一個(ge) 複雜體(ti) 係，用於(yu) 軍(jun) 事和工業(ye) 等各個(ge) 領域。這種中波型激光的精確性以及它的波長範圍避免了鑽井和天然氣井重新完井過程中經常遇到的井控、側(ce) 鑽和定向鑽井問題的出現。
3.二氧化碳激光的工作波長是10.6μm，可以以連續型和重複脈衝(chong) 波形模式傳(chuan) 遞，平均功率約為(wei) IMw。在以重複脈衝(chong) 模式傳(chuan) 遞時，它的脈衝(chong) 周期為(wei) 1～30μs。
4.一氧化碳激光的工作波長為(wei) 5～6μm，可以以連續型和重複脈衝(chong) 波形模式傳(chuan) 遞，它的平均功率為(wei) 200kw，脈衝(chong) 周期為(wei) 1～100005μs。第一諧波一氧化碳激光在以連續波和重複脈衝(chong) 模式傳(chuan) 遞時，它的脈衝(chong) 波長為(wei) 2.5～4.0μm。
5.自由電子激光由於(yu) 自由電子激光所采用的高能電子不會(hui) 離散能級，從(cong) 而使得自由電子激光可以以連續波的波形被調製到任意波長。一些科學家認為(wei) 自由電子激光是未來高能激光的發展方向。激光輻射波長可以調整的特性優(you) 化了激光由於(yu) 反射、散射、黑體(ti) 輻射和等離子體(ti) 的屏蔽效應而出現的能量損失。
6.鋁錢、鏡、金剛砂化合物鋁錢、鏡、金剛砂化合物的工作波長為(wei) 1.06μm。如今，僅(jin) 有輸出功率為(wei) 4kw的工業(ye) 用激光用於(yu) 了商用。對這種激光的研究趨勢表明，采用輸出功率為(wei) 10kw或更大功率的激光是可行的。
7.氟氫化合物氟氫化合物是一種激發二聚體(ti) 激光，工作波長為(wei) 0.248μm。之所以用激發二聚體(ti) 這個(ge) 術語描述這種激光主要是因為(wei) 在這個(ge) 雙原子分子中氟氫原子是在受激狀態而不是在基態結合的。這一特征使得激發二聚體(ti) 激光隻能以重複脈衝(chong) 波形模式工作。它的最大平均功率是10kw，脈衝(chong) 周期為(wei) 0.1μs。

激光鑽井是一項新技術，它可能會(hui) 改變整個(ge) 鑽井概念.對我國來說，這既是挑戰，又是機遇.盡管我國尚未見這方麵的研究，但國外也隻是在探索，我們(men) 應積極地迎接這一變化，盡早開展研究，在新的鑽井技術發展中走在世界的前列