自高功率激光器問世以來，人們就開始考慮在石油天然氣行業中用激光器進行岩石鑽探。
Mauer在一本關(guan) 於(yu) 高級鑽探技術的書(shu) 中，總結了上世紀60年代人們(men) 利用CO2激光器進行的各種初期嚐試，但是由於(yu) 尺寸和複雜性的限製，當時的研究結論是，該工藝尚不成熟。2002年，來自科羅拉多礦業(ye) 大學的Ramona Graves利用中紅外化學激光器成功破壞了堅硬的岩石，隨後，Ramona又證明了高功率二極管也同樣能夠鑽透岩石。但是在那時，這項技術仍有欠缺，所以不宜商業(ye) 化推廣。
直至2008年，IPG光子公司創新性的推出10kW光纖激光器，才最終為激光鑽井技術走向商業化應用打開了大門。一年後，在CSM的協助下，我們啟動了商業化激光鑽探工藝以及相關輔助性技術的研究開發，以填補這項技術空白。在漫長的鑽探行業發展史上，首個重大進展應歸屬Howard Hughes在1908年發明的兩牙輪鑽頭。兩牙輪鑽頭不僅引爆了鑽探行業的變革，也使休斯公司成為行業巨擘。雙牙輪鑽頭最初的想法來自休斯公司一位研究人員，在曆經24年的不斷研究改良之後，最終發展成為三牙輪鑽頭。在隨後的80年裏，三牙輪鑽頭一直在鑽探行業占據著主導地位。
鑽探發展史上的第二個“裏程碑”是通用電氣公司在1971年推出的聚晶金剛石複合片（PDC）鑽頭。30年的應用實踐證明，在加工某些岩石時，PDC鑽頭較三牙輪鑽頭更可靠。於是，在近幾年裏，PDC鑽頭成功取代了雙牙輪鑽頭，發展成為鑽探行業的首選。然而，這兩種鑽頭在麵對白雲石、玄武岩、花崗岩之類的超硬結晶岩時，仍束手無策。對此，我們研發了一種將精密熱源與PDC鑽頭相結合的新型鑽探係統。實踐證明，岩石抗壓強度超過30ksi時，該組合鑽探係統與傳統的三牙輪鑽頭或PDC鑽頭相比，具有顯著的效率優勢（如圖1所示）。
圖1：結合了高功率激光器及PDC鑽頭的新型鑽探係統。
組合式鑽頭的主要工作原理是先利用旋轉的激光光束使堅固的岩石開裂並變得脆弱，然後再用一組PDC切削齒，清除那些已經被激光光束弱化的岩體。從鑽頭中射出的激光束以一種獨特的類似於雷達掃描的方式，對鑿洞的底麵進行加熱（如圖1所示）。激光能有效弱化岩石表麵，並使岩體產生微裂痕，這樣用PDC鑽頭就能輕易地去除碎裂的岩石。
激光工藝的介入，使岩石的抗壓強度從>30ksi降至幾百psi，所以隻需要很少的機械能就能清除。例如，原來用三牙輪鑽頭時，需要在鑽頭上施加超過25，000磅的重力，才能穿透抗壓強度>30ksi的岩石。而現在隻需要施加不超過1500磅的重力，扭矩小於100英尺-磅，10馬力的能耗就可以2~3倍的速率鑽透同樣的岩石。我們用4”、6”、8.5”鑽頭，對石油、天然氣及地熱行業遇到的所有岩石類型進行了試驗，結果都取得了成功。此外，我們還將激光鑽頭與一台鑽機集成，並在抗壓強度為30ksi的白雲石上成功完成了12英尺深的鑽孔測試。
圖2：在抗壓強度>30ksi的白雲石上進行的12英尺深鑽孔測試。
岩石上的斑點是鑽井馬達留下的油汙。
這項研究工作的主要目標是通過提高超硬結晶岩的鑽孔速度，以降低地熱鑽井的成本。通過與能源部高級研究計劃署——能源辦公室（ARPA-E）及CSM的通力合作，我們已經成功地利用激光鑽井工藝，將鑽井速度提高2-3倍，同時顯著降低了需要施加在鑽頭上的重力（降低超過25倍），從而極大地延長了鑽頭的使用壽命。接下來我們將引入更高的功率，對該工藝進行進一步的完善和延伸。
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