激光钻井影响因素的分析

黄开钊

（中国地质大学<武汉>工程学院，湖北武汉430074）

激光钻井影响因素的分析

黄开钊*

（中国地质大学<武汉>工程学院，湖北武汉430074）

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。

激光钻井；激光频率；焦距；导热率；岩石性质

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，1kW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［7］，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。这要求更大功率的激光发射器。相比于液体传递介质，气体作为激光传递介质则减少了传递过程中能量的大量损失。因此当前室内试验研究激光钻井绝大多数采用的是气体作为激光传递介质。而一般空气中含有氧气，在激光钻井过程中易造成“钻头”的氧化，因此常用惰性气体作为激光传递介质。

3　岩石的性质

3.1岩石的导热率

岩石的导热率是影响激光钻井的主要因素之一。岩石的结构和成分是影响岩石导热率的主要因素［12］，在致密的岩石中，矿物的性质对岩石导热率起主要控制作用；疏松多孔的岩石较致密的岩石，其导热率更低。表1是几种常见岩石的导热率。

自然状态下，岩石中的孔隙通常被水和空气所填充，而水和空气的存在将大大降低岩石的导热率，并且同等条件下，水也将消耗更多的能量。因而在其它条件不变的情况下，激光钻井过程中若遇到疏松多孔的岩层时，则相应的应适当调整其它的参数（如适当提高入射激光的平均功率或增加入射激光频率等）以适应钻遇地层的需要。

表1　水、空气和几种常见岩石的导热率

3.2岩石的矿物成分

岩石的矿物成分对激光钻井的影响十分显著。各种岩石因矿物成分的不同，其比能也有所不同。石英的熔化温度为19000C，岩石中石英含量越高，岩石的比能越大，岩石越不易被破坏。

在激光破坏页岩过程中，主要发生的是热裂性破碎、熔化、汽化破坏；而在激光破坏石灰岩过程中，不会发生熔化破坏，这主要是由石灰岩的性质决定的。石灰岩由CaCO3组成，在8250C时会分解为CaO和CO2，并且CaO的熔点约为25700C，在激光钻井过程中一般不会达到这个温度［5］。石灰岩受激光作用后发生分解的方程式如下：

CaCO3=CaO+CO2

因此，同等状态条件下，破坏页岩所消耗的能量较石灰岩更高。

3.3岩石的胶结状态

岩石的胶结状态实际上与岩石的导热率有关［5］，岩石的矿物颗粒之间胶结状态越好，岩石的导热率越大，破坏岩石过程中额外损失的能量也越少。

4　其它因素

除了上述影响因素之外，一些其它因素对激光钻井也有显著影响。

室内试验常以高速气流辅助排除岩粉和岩屑。在激光钻井过程中若辅助气流的速度过慢将阻碍岩屑和岩粉的排除，未充分排除的岩屑和岩粉混合在岩石上部，吸收激光能量，造成能量的额外损失，进一步降低破岩效率；如果气流速度过快，则会过早的带走一部分岩石表面所积累的热能，这也会造成激光钻井效率的降低；理想的气流速度是既能充分排除岩石表面的混合物，又不造成岩石表面的热量被大量带走。

机械破岩过程中适当的钻压可以提高钻进速度［9］，同样，激光钻井过程中，适当的压力也可以提高破岩效率。激光钻井过程中将目标区域以上设计成半密封区，利用气体介质受热膨胀形成局部压力来提高破岩效率。其示意图如图2所示。

图2　半密封区结构示意图

5　结论

（1）激光钻井过程中，通过优化脉冲激光的各种参数（入射激光的平均功率、入射激光的平均功率、入射激光的作用时间、入射激光的脉宽、入射激光的焦距等）可以大大提高激光钻井效率。

（2）与液体作为激光的传递介质相比较，气体作为激光传递介质具有能量耗散小的特点。

（3）研究岩石性质对激光钻井的影响，最主要的是要研究影响岩石导热率的因素，通过分析岩石导热率可以改变其它参数来满足不同岩层破岩的要求。

（4）辅助气流的速度对激光钻井也有重要的影响，合理的气流速度是一方面能够充分排除混合物，另一方面又不造成激光能量的损失。

（5）激光钻井过程中，适当的钻压也可提高破岩效率，若将目标区域以上设计成半密闭区，可利用气体受热膨胀所产生的压力提高破岩效率。

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TE249

A

1004-5716（2016）01-0087-04

2015-01-16

黄开钊（1990-），男（汉族），湖北安陆人，中国地质大学（武汉）地质工程在读硕士研究生，研究方向：钻掘设备、机具与材料。