激光技术在射孔和裸眼井多级压裂中的应用

采用聚能射孔弹射孔会造成地层损害，降低地层渗透率。新型光纤激光射孔不会产生细碎屑堵塞孔隙喉道，能有效增加岩石的孔隙度和渗透率；在水平井压裂中激光器不受地层原地层应力的影响，在水平段目的层开槽生成纵向洞眼，辅助裂缝的形成。激光射孔通过提高激光器功率，使岩石温度不断增加直至超过岩石熔点，岩石熔化或产生蒸发形成孔道。激光射开洞眼时在洞眼周围熔化状态下的岩石能够生成一种类似于陶瓷的熔化层，使形成的洞眼具有光滑的洞壁。激光器能控制射开洞眼的形态、直径、深度及方位；洞眼的形态受不同类型透镜的控制；聚焦光束可产生圆锥形的孔，平行射束可产生扁平顶的圆柱形孔。洞眼大小和直径受透镜长度的控制，洞眼的深度直接与激光功率和保持不变直径的持续时间有关。射开洞眼时形成的岩屑和粉尘必须得到及时清除，以免阻挡光束方向减少转换到岩石中的能量并降低穿透岩石的能力。激光器提供的热能可降低地层的破裂压力，有助于裂缝的形成及传播。孔隙空间具有较低的热传导能力，裂缝的存在会降低热能传递到地层的效率。在实验室采用激光技术在砂岩内射开的洞眼直径可达2.5cm，长度可达30.48cm。

初步测试表明，在激光的作用下岩石发生体积膨胀产生相的转换，高的温度梯度导致黏土脱水和微裂缝的产生，与未受到激光作用的岩石相比，激光器射孔能提高岩石渗透率高达566%。岩石中的矿物受激光作用在高温下溶解、分解、脱水导致岩石弹性模量降低；激光还能绕过近井眼地层的应力区降低岩石强度和岩石抗压裂的阻力。激光射孔有效参数包括激光功率、波长、系统工作机制（连续波或脉冲波）、激光类型和辐射射线剖面。选择激光器类型需要考虑其可移动性、运输、效率和经济适用性。激光射孔的速度受岩石的孔隙度、渗透率、密度、弹性模量、黏土矿物成分和电导率、热转换系数及熔点温度等岩石物理属性的影响。稳定的高能激光程序可加速实现激光器在非常规储层中完井、增产改造、钻井和建井作业等井下应用。沙特阿美公司已对EXPEC研究中心与哈里伯顿联合研制的激光射孔技术完成现场测试，研究结果表明高能光纤激光器的能量转换效率极高，可明显降低对输入能量的需求。光纤激光射孔有利于保护油气层，其技术和经济可行度都很高。