激光辅助破岩试验研究

谢慧，周燕，董怀荣，罗熙 （中石化胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东 东营257017）

目前在我国，激光技术还未应用于辅助钻井工程领域，相关研究也以理论研究为主。因此笔者希望从试验入手，获得第一手资料，做一些基础研究，为提供一种与机械钻进结合的激光辅助气体钻井系统的技术方案奠定基础。1997～2004年美国阿贡国家实验室做了大量激光破岩的试验［1］，包括早期的化学氧化碘激光器 （coil）激光试验、钇铝石榴石晶体脉冲式激光器试验、多束激光试验等研究。2010年，日本用二氧化碳脉冲激光器 （最大输出功率5kW）分别在净水和膨润土质量分数为4%的膨润土溶液淹没条件下对花岗岩进行了破岩试验［2，3］。国内江汉石油学院的易先中进行了激光破岩机理与射孔技术以及激光破岩的排屑机理与温度场特性研究方面的研究［4］。

1 试验介绍

该试验将激光照射在花岗岩和致密砂岩上，根据岩石的变化来确定工艺参数对激光破岩的影响，并控制激光功率、离焦量，激光照射时间等参数，来研究激光破岩的最优条件。激光辅助破岩系统示意图如图1所示。试验材料分别为120mm×120mm×70mm花岗岩和致密砂岩，采用DL－HL5000W横流CO2激光系统对2种岩石进行破岩效果研究。试验过程中，研究离焦量、转速以及激光器的功率3种参数对破岩效果的影响，参数设置如表1。

图1 激光破岩系统示意图

表1 激光辅助破岩试验参数设置表

2 破岩效果分析

2．1 离焦量对破岩效果的影响

在试验中，以花岗岩和致密砂岩试样为试验对象，在恒定700W激光功率下研究不同照射时间和离焦量对钻孔和破岩的影响。

对花岗岩试样，钻孔和破岩直观效果如图2所示。当离焦量为83mm和93mm时，在钻孔正上方形成透明圆形泡状体，随着激光照射时间增加，透明泡的直径变大；当离焦量保持不变的情况下，随着照射时间增多，逐渐出现裂纹并伴有起翘现象；在离焦量大于等于98mm时，钻孔附近出现白色斑和透明状玻璃釉。照射时间对花岗岩试样去岩量的影响如图3所示，从图3可以看出，离焦量等于98mm时去岩量随照射时间的增加呈递增趋势，而离焦量大于98mm时去岩量随照射时间的增加出现了波动。

图2 花岗岩破岩直观效果图

图3 离焦量、照射时间对花岗岩破岩的影响

对致密砂岩试样，钻孔和破岩直观效果如图4所示。激光照射所产生的钻孔与花岗岩呈现出截然不同的效果，钻孔内壁较光滑，孔周为白色，热影响区在离焦量较小时有明显的红色圆环，随离焦量与照射时间的增加，红色圆环逐渐消失，孔周白色挥发粉末聚集区范围增加。照射时间对致密砂岩试样去岩量的影响如图5所示，随照射时间的增加，不同离焦量的去岩量均呈现递增趋势，排除试验控制影响，离焦量为98～103mm具有较佳的破岩效果。

图4 致密砂岩破岩直观效果图

图5 离焦量、照射时间对致密砂岩破岩影响

2．2 激光功率对破岩效果的影响

采用控制变量法来进行试验，保持离焦量不变 （93mm）的条件下，改变激光功率和照射时间，研究不同激光功率和照射时间对钻孔和破岩的影响。

花岗岩试样的试验结果如图6所示。从图6可以看出，花岗岩在受到激光照射后，在钻孔上方形成了透明圆形泡状体，随着激光功率的增加和照射时间的延长，玻璃釉的球径呈增加的趋势；同一功率条件下，随着照射时间的延长，玻璃釉球径逐渐增大，在功率一定的情况下，随着照射时间的延长，激光的破岩效果先增加后降低；继续增加照射时间，激光破岩效果没有改善，而起翘和开裂减少；与激光照射时间相比较，激光功率对破岩的影响不明显，激光功率1000W时，产生孔径最大，但激光功率为800W时，起翘和开裂比较明显，继续增加激光功率，破岩效果降低。

致密砂岩试样的试验结果如图7所示。从图7可以看出，在激光功率500W和900W时，随照射时间的增加，去岩量呈现出增加的趋势，增加激光功率未能实现去岩量的增加。

图6 功率和照射时间对花岗岩破岩的影响

图7 功率和照射时间对致密砂岩破岩的影响

3 旋转破岩试验分析

实际钻井过程中，激光器实现辅助破岩装置，可安装于旋转钻柱或钻头中，其工作状态为随钻柱或钻头旋转钻进，因此激光器距离旋转中心的距离 （Ho）以及转速对破岩效果会造成影响。如图1所示，试验中将岩石试样安装在由电机驱动的卡盘上以转速v匀速旋转，调整激光头距离旋转中心的半径Rn，试验在不同转速以及半径下的破岩效果。假设激光破岩缝宽为δ，缝深为S，则单位时间去岩量V为：

激光固定参量为离焦量＝93mm，功率＝700W，通过控制变量法，改变夹具所在平台的转动速度n和激光头距离轴线的半径Rn来观察激光对岩石的作用，对花岗岩和致密砂岩试样的试验结果分别如图8和图9所示。由图8可以看出，对花岗岩而言，转速50～100r／min、半径10mm时单位时间去岩量较高。由图9可以看出，对致密砂岩而言，转速50r／min、半径10mm时，单位时间去岩量较高。

4 结 语

通过对花岗岩和致密砂岩试样的激光破岩试验，结果表明：2种岩石表现出了不同破岩效果，离焦量、功率、照射时间以及旋转速度和半径均对破岩效果具有较大影响。因此，优选激光参数对破岩效果至关重要。由于试验量有限，未对激光照射后的岩性变化进行分析，由此带来的辅助破岩效果对参数的优选存在影响。

图8 不同转速和半径下花岗岩破岩效果

图9 不同转速和半径下致密砂岩破岩效果

［1］徐依吉，周长李，钱红彬，等 ．激光破岩方法研究及在石油钻井中的应用展望 ［J］．石油钻探技术，2010，38（4）：129～134．

［2］易先中，祁海鹰，余万军，等 ．高能激光破岩的传热学特性研究 ［J］．光学与光电子技术，2005，3（1）：11～13．

［3］Kobayashi T，Nakamura M，Okatsu K，et al．Underwater laser drilling：drilling underwater granite by CO2laser［J］ ．SPE113177，2008．

［4］马卫国，杨增辉，易先中，等 ．国内外激光钻井破岩技术研究与发展 ［J］．石油矿场机械，2008，37（11）：11～17．