激光钻井影响因素的分析  

作者:黄开钊 刊名:《西部探矿工程》 上传者:张存粮

【摘要】激光钻井是一种新型的破岩方式。与传统的机械破岩相比,具有钻速高、磨损小的特点。目前激光钻井尚处于试验研究阶段,而激光钻井效率的高低主要受岩石表面温度的影响,通过分析影响岩石表面温度的因素可以间接找出影响激光钻井的具体因素。主要从4个方面(激光发射装置的参数、激光传递介质、岩石的性质、其它因素)具体分析了影响激光钻井的原因。如在一定范围内提高入射激光的平均功率可提高破岩效率;而在同等条件下,不同的岩石因其性质不同,其破岩效率也是不同的。

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西部探矿工程 2016年第 1期 激光发射器的类型和功率的大小将直接影响人射 激光平均功率的大小;滤波片的作用是改变激光的偏 振状态,以获得 目标激光;反光镜的原理在于改变激光 路径;激光聚焦组的目的主要是通过改变焦距以获得 不同强度的激光。 从激光发射装置的机构上看,激光发射装置的参 数主要包含入射激光的平均功率、入射激光的频率与 时间、入射激光的脉宽、入射激光的焦距。 1.1 入射激光的平均功率 入射激光的平均功率是决定传递到岩石表面能量 多少的因素之一。当采用高功率的的入射激光时,岩 石表面接受的能量多,传递到岩石内部的热能大,超过 岩石的熔点温度,使岩石发生熔化;当采用低功率的入 射激光时,岩石内部的可能因热应力的产生而发生破 裂。试验研究发现:以砂岩为岩样的条件下,当入射激 光的平均功率在3kw以下时,将产生少量的体积破碎, 当功率超过3kw时,将出现超过5cm深的孔洞,并且伴 随熔化现象的出现。 入射激光作用于岩石表面后,能量的传递是一个 十分复杂的过程。在岩石表面将主要以热辐射、热反 射的形式进行能量耗散。能量耗散是不可避免的,应 尽可能地阻止能量耗散的发生以提高破岩效率。熔融 状态下的岩石会在岩石表面形成一个镜面体,入射激 光束的能量在此发生反射而被耗散,这将大大降低单 位时间内激光钻井的效率。为此提出了2种可行的办 法:第一,将入射激光的平均功率尽可能地控制在使其 发生破碎性破坏的范围内;第二,提高辅助气流的速 度,以合适的速度及时排出岩石表面的混合物。 1.2 入射激光的频率与作用时间 增大入射激光的频率有助于提高破岩效率,其原 因在于通过增大人射激光的频率内在的增加了作用于 岩石表面最高温度的循环频率以及驱动激光振动波的 强度。低频时,时间间隔长,增加了冷却时间,岩石只 能发生微小破裂;高频时,由于温度的累积,岩石发生 强破坏。 入射激光作用于岩石表面的时间越长,传递到岩 石内部的能量也越多,岩石发生的破坏也越剧烈,但比 能也会增大。在满足破岩的条件下,尽可能的将入射 激光的作用时间控制在合理范围内。 1.3 入射激光的脉宽 在一定范同内,入射激光的脉宽增大时,岩石更容 易被破坏。试验发现,在以砂岩为岩样的条件下,脉宽 为2ms的入射激光与脉宽为lms的入射激光相比,前 者在单位面积内积累的热能是后者的2倍。因此,在合 理的范围内,适当增大脉宽也可以提高破岩效率。 1.4 入射激光的焦距 改变入射激光的焦距,将改变入射激光作用于岩 石表面的强度,而光强又是与温度相关的。激光通过 聚焦后,焦点处温度为最高。理论上若岩石处于焦点 处,则其破岩效率最高,但事实上,考虑到二次效应的 影响,处于焦点处的岩石,由于岩石表面吸收的激光能 量超过了岩石熔化所需的能量 ,此时熔融状态的岩石 将阻碍激光能量向岩石内部传递。虽然高温也可以将 熔融状态的岩石汽化,但汽化后的岩石造成周围空气 密度的增大,同样也将阻碍激光辐射到岩石表面。综 合分析 ,入射激光距离作用岩石表面的距离应该控制 在入射激光的焦距范围内,其实质是将入射激光的能 量密度控制在使岩石熔化所需的能量密度范围内。 2 激光传递介质 激光传递介质可以是气体也可以是液体介质 ,但 室内试验研究发现 ],高能激光束在液体介质中传递, 会导致激光束周围液体介质的沸腾汽化。虽然液体沸 腾后产生的空气泡有利于排除岩石表面的混合物,但 液体沸腾汽化需要消耗一部分能量。这

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