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　　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巖石鉆探。

　　Mauer在一本關于高級鉆探技術的書中，總結了上世紀60年代人們利用CO2激光器進行的各種初期嘗試，但是由于尺寸和復雜性的限制，當時的研究結論是，該工藝尚不成熟。2002年，來自科羅拉多礦業大學的Ramona Graves利用中紅外化學激光器成功破壞了堅硬的巖石，隨后，Ramona又證明了高功率二極管也同樣能夠鉆透巖石。但是在那時，這項技術仍有欠缺，所以不宜商業化推廣。

　　直至2008年，IPG光子公司創新性的推出10kW光纖激光器，才最終為激光鉆井技術走向商業化應用打開了大門。一年后，在CSM的協助下，我們啟動了商業化激光鉆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。在漫長的鉆探行業發展史上，首個重大進展應歸屬Howard Hughes在1908年發明的兩牙輪鉆頭。兩牙輪鉆頭不僅引爆了鉆探行業的變革，也使休斯公司成為行業巨擘。雙牙輪鉆頭最初的想法來自休斯公司一位研究人員，在歷經24年的不斷研究改良之后，最終發展成為三牙輪鉆頭。在隨后的80年里，三牙輪鉆頭一直在鉆探行業占據著主導地位。

　　鉆探發展史上的第二個“里程碑”是通用電氣公司在1971年推出的聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭。30年的應用實踐證明，在加工某些巖石時，PDC鉆頭較三牙輪鉆頭更可靠。于是，在近幾年里，PDC鉆頭成功取代了雙牙輪鉆頭，發展成為鉆探行業的首選。然而，這兩種鉆頭在面對白云石、玄武巖、花崗巖之類的超硬結晶巖時，仍束手無策。對此，我們研發了一種將精密熱源與PDC鉆頭相結合的新型鉆探系統。實踐證明，巖石抗壓強度超過30ksi時，該組合鉆探系統與傳統的三牙輪鉆頭或PDC鉆頭相比，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鉆頭的新型鉆探系統。

　　組合式鉆頭的主要工作原理是先利用旋轉的激光光束使堅固的巖石開裂并變得脆弱，然后再用一組PDC切削齒，清除那些已經被激光光束弱化的巖體。從鉆頭中射出的激光束以一種獨特的類似于雷達掃描的方式，對鑿洞的底面進行加熱（如圖1所示）。激光能有效弱化巖石表面，并使巖體產生微裂痕，這樣用PDC鉆頭就能輕易地去除碎裂的巖石。

　　激光工藝的介入，使巖石的抗壓強度從>30ksi降至幾百psi，所以只需要很少的機械能就能清除。例如，原來用三牙輪鉆頭時，需要在鉆頭上施加超過25，000磅的重力，才能穿透抗壓強度>30ksi的巖石。而現在只需要施加不超過1500磅的重力，扭矩小于100英尺-磅，10馬力的能耗就可以2~3倍的速率鉆透同樣的巖石。我們用4”、6”、8.5”鉆頭，對石油、天然氣及地熱行業遇到的所有巖石類型進行了試驗，結果都取得了成功。此外，我們還將激光鉆頭與一臺鉆機集成，并在抗壓強度為30ksi的白云石上成功完成了12英尺深的鉆孔測試。

圖2：在抗壓強度>30ksi的白云石上進行的12英尺深鉆孔測試。

巖石上的斑點是鉆井馬達留下的油污。

　　這項研究工作的主要目標是通過提高超硬結晶巖的鉆孔速度，以降低地熱鉆井的成本。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鉆井工藝，將鉆井速度提高2-3倍，同時顯著降低了需要施加在鉆頭上的重力（降低超過25倍），從而極大地延長了鉆頭的使用壽命。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。