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:郭锐

【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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激光钻井技术是一种新型的破岩技术,相比于传统的机械破岩,其理论上以显现出很大的优越性,室内试验表明,在一种大功率激光测试条件下,1k W的激光束在4s内切削2.722kg的砂岩,其速率比旋转钻井快10~100倍,并且由于激光钻井属于非接触式破岩方法,所以不需要停钻更替钻头,即激光钻井效率更高。激光钻井是指利用高能激光束直接作用于岩石表面,使岩石表面局部受热而发生破裂、熔化、气化等形式的破坏,是一种新型的破岩技术。破岩机理[5]是指岩石受激光辐射后,传递到岩石内部的能量是否能达到使岩石发生破坏的临界能量,如果超过临界能量,则岩石发生破坏,否则岩石不会发生破坏。激光作用于岩石表面,岩石发生破坏的形式受多种因素的控制。但通过分析激光钻井机理,激光钻井是一个复杂的热作用的过程[1],其破岩效率的高低主要受温度的影响。尽管破岩过程中影响温度的因素很多,但由于激光钻井过程是一个激光与岩石相互作用的过程,因此可以从以下4方面分别进行激光钻井影响因素的分析,即激光发射装置的参数、激光传递介质、岩石的性质、其它因素。与连续激光相比,短脉冲激光由于其入射激光参数的可调节性,短脉冲激光显现出更大的优越性,因此本文将针对短脉冲激光进行破岩影响因素的分析。1激光发射装置的参数激光发射装置主要由激光发射器、滤波片、聚焦镜、放大器等组成,其结构示意图如图1所示。图1激光钻井装置结构示意图激光发射器的类型和功率的大小将直接影响入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3k W以下时,将产生少量的体积破碎,当功率超过3k W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入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围内,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1ms的入射激光相比,前者在单位面积内积累的热

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