半导体激光辅助花岗岩钻孔的研究

蔡锦达，鹿文凯

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)



半导体激光辅助花岗岩钻孔的研究

蔡锦达，鹿文凯

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

为了研究在激光辅热作用下影响花岗岩钻孔深度的相关参数。采用500 W半导体激光器对花岗岩进行加热后钻孔处理，研究了气压大小、激光功率、光斑大小、钻头类型对钻孔深度的影响。实验结果表明，激光功率是影响钻孔深度的重要参数，且钻孔深度随激光功率的增加而增加；在功率达到峰值，气压大小为0.05 MPa，光斑直径略大于钻头直径，采用钨钢刀片进行钻孔时可获得最大钻孔深度。

半导体激光；岩石加热；钻孔深度；相关参数

钻探工程是油田开采中重要的一项工程，而现阶段的油层大多埋藏较深，且内部结构组成较为复杂，尤其是存在较为坚硬的岩层比如花岗岩，因此钻井技术是石油钻探过程中重要的环节[1]。由于岩石本身力学特性较为复杂，破岩的难度相对较大，钻孔普遍存在钻速较慢、成本高、周期长等问题[2]。利用激光的高能量密度，可靠性高的特点，已成为应用于各个领域的研究工作[3-5]。国内相关机构对激光辅助破岩钻井的实验进行了一些初步的研究[6-10]。阐述了激光与岩石相互作用机理，通过激光对岩石表面进行加热使之发生开裂破碎，然后用钻头对力学特性改变的岩石进行机械破岩，并对岩石的可钻行进行评价。本文通过半导体激光器加热花岗岩的同时用钻头进行破岩钻孔，利用半导体激光器结构简单，便于调节，指向性好、亮度高和聚光性能好等优点，研究了激光功率，光斑大小，气压大小，钻头类型等参数对钻孔深度的影响。

1 激光与岩石相互作用原理

当高能激光作用于岩石表面时，岩石对激光存在3种作用：反射、散射及吸收，激光的能量在这3种方式下被消耗掉。激光与岩石的作用过程中的能量平衡方程用式(1)[11]表示

Ein=Eref+Esca+Eabs

(1)

式中，Ein为激光入射到岩石表面的能量；Eref为岩石反射出的能量；Esca为岩石散射的能量；Eabs为岩石吸收的能量。 取决于激光的各项参数，如激光强度、光束直径、照射时间等；Eref、Esca和Eabs取决于岩石自身的性质，如表面粗糙度和颜色等。激光照射在岩石表面时一部分能量由于反射和散射而损失，这部分能量不能对岩石形成破坏，只有被岩石吸收的能量才能破坏岩石[12]。

激光对岩石的热破坏包含一个从热破碎到熔化的过程。激光的热破碎是指岩石在吸收激光的热量之后在岩石内部产生热应力，热应力作用于岩石并在岩石熔化前将其破坏成碎片或颗粒。一旦岩石受热达到其熔点，岩石就会熔化，转而以熔化方式被破坏[13-14]。

2 试验材料及方法

本文采用的实验材料为花岗岩，尺寸为200 mm×200 mm×30 mm,激光钻孔实验是在一个简易的试验平台上进行的。整个试验装置包括岩石夹具、500 W半导体激光器、聚焦光学系统、电钻、运动平台等部分组成。在研究激光辅助花岗岩钻孔的实验中，钻孔深度可作为衡量激光辅助钻孔效果的重要指标。孔越深，说明钻孔的效果越好。因此，在进行实验时主要是通过在不同实验条件下，钻孔深度的不同来衡量各激光参数对破岩钻孔效率的影响。

3 试验结果及分析

3.1 气压大小对钻孔深度的影响

(1)本实验是为了研究气压大小对钻孔深度的影响。激光的输出功率为200 W，气压大小分别为0.05 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa，钻头采用直径为6 mm的钨钢钻，光斑大小为7 mm，岩石样品为花岗岩面板。不同气压下重复3次，实验测量钻孔深度如表1所示。

表1 钻孔深度随气压大小的变化规律

图1 实验中在不同气压下激光辅助钻孔的宏观形貌

本次试验的主要目的是在激光功率、光斑大小、钻头类型相同的情况下，研究气压大小对钻孔深度的影响，激光加热使光斑处的岩石融化然后通过钻头将软化掉的岩石刮除，通过改变气压大小来改变钻头的冲击力。测量数据如表1所示，随着气压的增加，钻孔的深度有相应的增加但增量并不明显。由图1实验中不同气压下激光辅助钻孔的宏观形貌可看出，图1(a)中在0.05 MPa的气压下钻头能将熔化的岩石完全刮除，且底部比较光滑，钻孔效果较好；图1(b)中0.1 MPa时孔周围存在少量玻璃釉物质，底部刮除比较干净，岩石出现断裂破坏较为严重；图1(c)中0.2 MPa时孔周围存在少量玻璃釉物质，孔洞相对比较光滑。由此可推断，气压的大小对钻孔深度的影响较小，且较低的气压即可满足钻孔要求。

3.2 激光功率对钻孔深度的影响

本实验是为了研究激光功率对钻孔深度的影响。试验中，激光的输出功率范围为0～360 W。钻头采用6 mm钨钢钻头，光斑大小为7 mm，对钻头施加的压力为0.05 MPa，在实验中，分别采用0 W，70 W，130 W，200 W，250 W，360 W不同功率的激光照射，依次测量钻孔深度，得出不同激光功率对钻孔深度的影响。

图2所示是常温状态下和不同功率下花岗岩在半导体激光辅助钻孔后的宏观形貌。图2(a)为常温下钻孔时间为4 min时的钻孔状况(钻孔过程为间断进行)，推动钻头的压力约为0.05 MPa，在此条件下的钻孔深度仅达到了4 mm，钻孔表面比较光滑，没有塑形变形和断裂现象。在钻孔过程中钨钢钻头表面发热严重，钻头在4 min时已产生裂纹，岩石孔中是氧化和磨损留下的黑色痕迹。图2(b)中可看出，当激光功率为70 W时，钻孔深度为2.5 mm，此时钻头能够很容易地将钻孔中融化的岩石完全刮除，且此时钻孔的表面出现了明显破裂，未出现塑性变形；图2(c)是激光功率为130 W时钻孔的外观形貌，钻孔深度为4.2 mm，孔内的玻璃釉物质未能被完全刮除，同时岩石的表面发生开裂；图2(d)是激光功率为200 W时钻孔的外观形貌，钻孔深度为6.8 mm，深度逐渐增加，孔壁上存在玻璃釉物质；图2(e)是激光功率为250 W时钻孔的外观形貌，钻孔深度为10.9 mm，孔壁上存在玻璃釉物质，且孔的底部相对干净；图2(f)是激光功率为360 W时钻孔的外观形貌，钻孔深度为20 mm，此时钻孔深度得到了明显增加，同时孔内玻璃釉物质明显增加。由不同功率下钻孔深度绘制曲线如图3所示，随着激光功率的增大，钻孔深度得到了明显的增加。由此可见，功率是影响钻孔深度的重要参数。与常温状态下钻孔状况，即图2(a)作比较，在激光加热的条件下，钻孔效率得到了明显的提高且钻头未出现断裂或损坏延长了钻头的使用寿命。

图2 不同功率下激光辅助花岗岩钻孔的宏观形貌

图3 激光功率对钻孔深度的影响

3.3 光斑大小对钻孔深度的影响

本实验是为了研究光斑大小对钻孔深度的影响。试验中，激光的输出功率为200 W。钻头采用6 mm钨钢钻头，通过调节聚焦镜的位置将光斑的大小分别设置为6 mm，7 mm和8 mm。对钻头施加的压力为0.05 MPa，分别进行3次钻孔实验，依次测量钻孔深度，得出不同光斑大小对钻孔深度的影响。

表2 钻孔深度随钻头类型的变化规律

试验的主要目的是在激光功率、钻头类型和气压相同的情况下，研究光斑大小对钻孔深度的影响。实验过程同上，采用不同大小的光斑加热钻孔后测量钻孔深度的数据如表2所示。从3组实验数据中可看出，当光斑大小为Φ7时，钻孔效果最好。光斑大小为Φ6和Φ8时钻孔深度相差不大。由此可知当激光的光斑略大于钻头的直径时，钻头的钻孔效果最佳，当激光的光斑过小时由于融化掉的岩石区域过小，使钻头不能快速将融化掉的岩石刮除掉，影响钻孔的深度。当激光的光斑过大时导致激光的能量密度降低，从而使钻孔深度降低。即当光斑大小略大于钻头大小时，钻孔的效果最佳。

3.4 钻头类型对钻孔深度的影响

本实验是为了研究钻头类型对钻孔深度的影响。试验中，激光的输出功率200 W。光斑的大小为7 mm，对钻头施加的压力为0.05 MPa，使用的钻头包括麻花钻(Φ6×150)、钨钢钻(Φ6x×150)、钨钢刀片(1.5×6×150)。进行多组实验，测量不同钻头下的钻孔深度，得出钻头类型对钻孔深度及钻孔质量的影响。

表3 钻孔深度随钻头类型的变化规律

图4 不同钻头类型下激光辅助花岗岩钻孔的宏观形貌

本次试验的主要目的是在激光功率，光斑大小，气压相同的情况下，研究钻头类型对钻孔深度的影响。实验过程同上，3组测量数据如表3所示，采用麻花钻时钻孔深度最浅，钨钢钻钻孔深度相对较深，钨钢刀片钻孔深度明显增加。说明采用钨钢刀片能更为有效的提高钻孔深度。图4为不同钻头类型下激光辅助花岗岩钻孔的宏观形貌。图4(a)是在普通麻花钻钻孔的情况下，孔的底部存在较多玻璃釉物质，说明麻花钻不能有效地将底部融化掉的岩石刮除掉。钻头顶部出现了软化且磨损严重，钻头的寿命明显降低。图4(b)是在钨钢钻钻孔的情况下，孔底部融化掉的岩石基本被刮除，四周存在少量的玻璃釉物质，钨钢钻头出现断裂现象。由此推断可能钻孔的深度受到刀具结构的影响。图4(c)采用钨钢刀片条钻孔，孔深明显增加，说明钻头的类型和材质对钻孔深度的影响较大。此时在钻孔周围存在大量熔化的玻璃釉物质，这是由于随着钻孔深度的增加，孔内部大量的玻璃釉物质从底部被刮除，当温度下降时，玻璃釉物质会在钻孔周围迅速凝固。

4 结束语

(1)采用半导体激光辅助花岗岩钻孔过程中，激光功率是影响钻孔深度的重要影响因素，随着激光功率的增加钻孔深度得到明显的增加；适当的光斑直径、气压大小、钻头类型对于提高钻孔深度具有重要意义;(2)激光照射后，开始时花岗岩表面会出现透明的玻璃泡，随后在钻孔的内部会生成玻璃釉物质，同时岩石由于热膨胀会出现开裂现象;(3)由于半导体激光器具有较高的能量密度，成本相对较低，且可以通过整形技术取得万瓦以上的功率，在高温加热钻孔中具有较大的优势和潜力。在深井油田的钻井过程中，尤其是对较硬岩层的钻探工程中，在钻头满足要求，运用半导体激光器加热岩石的情况下，功率越高钻孔深度越明显且钻井效率可得到显著提高。

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Preliminary Research of Granite Drilling Assisted by Diode Laser

CAI Jinda，LU Wenkai

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In this paper, in order to study related parameters of effecting drilling hole depth of granite. The granite is drilled after heating by Semiconductor laser device whose maximum power is 500 W, the work studied the infl-uence of pressure size, laser power, spot size, bit type on the depth of borehole. The results showed that the laser power in the drilling depth is an important parameter. With the increase of laser power, the depth of borehole has been significantly increased. When laser power is peak, pressure size is 0.05 MPa, spot size is slightly bigger than the diameter of the drill bit, drill bit type is tungsten steel blade. Drilling depth is maximum.

diode laser; heating rock; drilling depth; correlation parameters

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.050

2016- 02- 22

蔡锦达(1963-)，男，教授，硕士生导师。研究方向：机电一体化。鹿文凯(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：机电一体化。

TN248；TE 249

A

1007-7820(2016)12-183-04