激光辅助水射流技术在油气井除垢中的创新应用与机制研究

为解决深井/超深井中碳酸盐垢体强度高、传统高压水射流除垢效率低下的问题，研究人员创新性地将激光辅助水射流技术（Laser-assisted water jet）引入油气管道除垢领域。通过系统实验发现，当激光功率>120 W、照射时间>120秒时，水射流对垢体的侵蚀效果显著提升，且多点环形激光照射（半径1 mm）方案最优。该研究为深井除垢提供了高效解决方案，推动能源领域管道维护技术进步。

　　

在油气开采领域，管道内壁结垢是长期困扰行业的难题。碳酸盐等硬质垢体会显著缩小管道有效输送直径，降低运输效率，甚至引发设备腐蚀和地层堵塞，造成巨大经济损失。传统高压水射流技术在浅井中表现尚可，但在深井和超深井中，由于围压高、垢体强度大，其效率急剧下降。机械除垢又存在效率低、易损伤管道的缺陷。如何高效、经济地清除深部垢体，成为制约油气田开发的"卡脖子"问题。

中国某高校的研究团队独辟蹊径，将激光技术与水射流相结合，开创性地提出激光辅助水射流除垢技术。相关研究成果发表在《Geoenergy Science and Engineering》上。研究人员通过理论分析和实验验证，揭示了激光热作用改变垢体力学性能的机制，并系统优化了工艺参数。

研究采用多学科交叉方法：通过热力学模拟分析激光照射下垢体的热应力分布；设计可控变量的室内实验平台，测试不同激光功率（60-180 W）、照射时间（30-240秒）、水射流压力（20-60 MPa）等参数组合下的除垢效果；运用高速摄影记录水射流动力学过程；采用三维形貌扫描量化侵蚀坑特征。实验样本为人工制备的碳酸钙（CaCO₃）垢体，模拟井下常见垢层。

激光参数对水射流侵蚀的影响
研究发现，激光功率和照射时间存在协同效应。当功率<120 W或时间<120秒时，水射流仅能造成浅表侵蚀；而功率≥120 W且时间≥120秒时，热应力导致垢体产生网状裂纹，质量损失显著增加。特别值得注意的是，在180 W/180秒条件下，侵蚀深度可达单纯水射流的3.2倍。

水射流参数的调控规律
水射流压力与作用时间呈非线性关系。压力从20 MPa提升至40 MPa时，侵蚀效率提升137%；但继续增至60 MPa仅带来23%的额外增益。这表明存在经济压力阈值。此外，射流冲击点与激光光斑的距离需控制在2 mm内，否则协同效应锐减。

激光照射方案的创新设计
突破性的发现来自多点环形照射方案。相比单点照射，半径1 mm的6点环形排列使侵蚀体积增加210%。这是因为环形热场诱导的径向裂纹网络更有利于水射流"撬动"垢体。该方案在保持总功率不变的前提下，将除垢速率提升至18英寸/分钟（IPM）。

作用机制解析
激光的热效应通过三重途径弱化垢体：① 局部高温（>800°C）使碳酸钙分解为CaO和CO₂，产生孔隙；② 矿物颗粒热膨胀差异导致晶界开裂；③ 蒸汽喷射（vaporization）产生微爆破。水射流则借助这些预制缺陷实现"以柔克刚"的侵蚀。

这项研究首次量化了激光-水射流的协同效应，建立了参数优化模型。其重要意义在于：为深井除垢提供了革命性技术方案，理论上可使超深井维护成本降低40%以上；提出的多点环形照射策略被证实具有普适性，可推广至页岩气开采等领域；研发的实验方法为类似"先弱化后清除"的工艺开发提供了范式。正如通讯作者Yi Kang强调的，该技术有望改写深井维护的标准操作规程。

研究也存在一定局限：未考虑井下多相流环境的影响；对激光-射流时序控制的优化尚未深入。未来工作将聚焦于开发自适应控制系统，并开展现场中试。总体而言，这项交叉创新研究为破解能源领域的"深度困局"提供了新思路。