激光钻探的应用前景

李进喜，程远秋

(河南省地质矿产勘查开发局 第一地质勘查院，河南 郑州 450000)

0 前 言

改革开放以来，中国经济一直在高速发展，资源消耗成倍增加。随之而来的是后备资源严重不足，据统计国内紧缺需大量进口的金属矿产有铁、铜、铝、镍、铬、锰等。地质找矿比以前难度更大，地表出露矿产越来越少，深部找矿远比地表困难。探矿技术，特别是钻探工艺几十年来几乎没有突破性进展。传统钻探投资大，进度慢，周期长，风险高，在市场经济条件下这些不利因素又进一步影响了投资人的心态。这也是近年来国内探矿成果太少的一个主要原因。另一方面，新技术革命的飞速更新改变了我们生活的方方面面，探矿技术的发展速度远远落后于其他工业技术。

随着国家和社会对环保的日益重视，绿色矿山建设成为新形势下矿产资源管理与矿业发展的重要方向和工作抓手。而勘查位于矿业的最前端，是矿业发展不可缺失的起点，“如何开展绿色勘查，从源头上保护生态环境”成为今后乃至长远勘查的主要理念。以绿色发展理念为引领，以科学管理和先进技术为手段，通过运用先进的勘查手段、方法、设备和工艺，实施勘查全过程环境影响最小化控制，最大限度地减少对生态环境的扰动，并对受扰动生态环境进行修复的勘查方式将是未来的发展方向。

传统地质勘查工作确实给生态环境带来一系列影响，包括对植被和地表的扰动或破坏，对地表水、地下水的影响，机场占地、油污污染、废弃物、扬尘等。勘查位于矿业行业最前端，实行绿色勘查可以从源头上保护生态环境，减少植被破坏、降低环境污染和提高生态恢复治理效益，实现资源的绿色开发、绿色应用、绿色发展。

激光技术是近年来飞速发展的一项技术，在金属打孔，切割，宝玉石加工等方面已被广泛应用。近年来国内外多个部门已开展激光钻探在石油成井方面的研究，本文旨在探讨激光钻探在金属探矿方面的可行性。利用激光的强能量迅速让岩石气化，在孔口用光谱分析仪捕捉高温气体，分析其中的元素含量，配合激光测深技术和计算机自动处理技术，迅速得出各孔的元素含量，从而摸清地下资源分布情况。

1 激光钻探的可行性分析

1960年美国加州Hughes实验室发射出第一束激光[1]。1971年，美国联合飞机研究中心的Carstens J P和Brown C O成功完成了激光切割岩石试验[2]。1997年芝加哥天然气研究院和科罗拉多矿业学院研究结果表明：大功率激光器能为4 500 m井深钻井破岩提供足够能量[3-4]。俄罗斯和美国于2000年完成激光钻井破岩的室内试验，发现根据岩性不同，激光破岩速度是传统钻机的10～100倍[5-6]。易先中等[7]进行激光破岩机理与射孔技术的研究，发现在室内进行泥质砂岩和页岩试样的破岩速度可达105～115 m/h。易先中等[8]进行的激光射孔破岩的储层物性研究，发现随激光工作参数变化，岩石的热形变有碎裂、熔化和气化等不同情况。易先中等[9]进行了激光破岩的排屑机理与温度场特性研究，发现激光作用于岩石上，内部会出现微裂纹，表面会出现焦迹、斑痕和釉化层，井壁有重凝和沉积情况发生。易先中等[9]建立的激光破岩温度场等焓模型和Bjorndalen N等[10]建立的移动界面模型发现岩石相变的热应力场、应变场、渗透率、孔隙度、导电性和温度场密切相关。马卫国等[11]系统地总结了国内外激光钻井破岩技术研究与发展，其内容包括激光与岩石、流体相互作用原理、岩石快速相变的热力学与传热学、激光钻井的安全与环保等方面内容。韩彬、李美艳等[12-13]对激光辅助破岩的力学性能进行研究，并做了可钻性评价。周鹏[14]系统地对激光钻井技术及其应用前景进行了分析。黄开钊[15]从激光发射装置的参数、传递介质、岩石特性特征等较为系统地分析了激光钻井的影响因素。牟海维等[16]指出在激光功率和照射时间相同的情况下，有内含物的岩石比无内含物的岩石更容易碎裂。刘拓等[17]进行花岗岩表面激光破岩预钻孔工艺影响研究，结果表明：激光功率越大，辐照时间越长，去岩效果越好；激光功率为1 000 W 时，钻孔效果较好。以上工作侧重于激光钻探在石油成井方面的研究，均未考虑在金属探矿方面应用。章婷婷等[18]用远程激光诱导击穿光谱技术分析岩石元素成分，实现探测2～10 m距离的目标。截止目前还未有人提出在激光钻井孔口对高温气体进行光谱分析的思路。气体光谱分析技术作为一种成熟的技术，被广泛应用在多个工业领域，把其小型化并整合到激光钻机上，从理论上来说是可行的。

2 激光钻探设备的组成

激光钻探由以下几个模块组成：供电设备、GPS定位、激光发生器、光谱分析仪、气体收集器、激光测深、计算机数据处理、打印输出、无线传输等组成，如图1所示。

图1 激光钻探设备的组成

供电设备：一般用可搬运发电机，可放在交通方便地方，利用电缆和钻探设备相连。

激光发生器：是钻探核心设备，为节约能量，发射光束直径可选厘米级、毫米级或亚毫米级，具体数据需在研究过程中试验确定。

光谱分析仪：安装在孔口，直接对孔内溢出的气体进行分析。

激光测深：和钻探同时进行，用于对分析的元素含量数据进行深度定位。

气体收集器：孔口溢出的气体，凝华后做化学分析，以校正光谱分析数据。

GPS定位：用于定位孔口地理坐标，便于数据统一处理。

计算机数据分析：把光谱分析，激光测深和GPS定位数据集中处理，为编制成果资料提供数据。

3 激光钻探的应用前景及优缺点

根据不同孔深的成矿元素含量迅速定位成矿深度、厚度、含量等信息，多孔结合用以判定矿体规模、品位，估算资源储量。根据不同孔深的造岩元素含量反演矿物组成，推断岩石类型，结合地表地质情况进行三维地质填图。按一定网度布设激光钻机，成果可制作区域或全国立体的地球化学图，迅速摸清国土地下资源情况，确定后备矿产基地。

和传统钻探工艺想比，激光钻探有以下优点。

1)设备轻，搬运方便，易于安装。

2)钻进深度大，理论上可以打穿地壳，打到软流层上的任意深度。

3)钻进速度快，常规钻机一个月的工作量，用激光钻机一两天就可以完成，新矿区用常规钻探往往需要数年完成，而几台激光钻机可在一个月内完成探矿任务。

4)可以打任意方向孔，便于控制不同产状的地质体。

5)场地占用小，不污染环境。激光钻井不需钻具、套管、钻井液、泥浆池，也不产生污水和岩屑。

6)孔径小，不破坏地下水动力系统，不会对后期开发产生潜在危害。

7)激光能够穿透各种类型岩石，高温可使孔壁迅速熔结，减省孔内事故发生率。

8)除能源外，几乎不消耗其它材料。钻进速度快，所需人员少，可以进一步降低人员成本。钻机大批量制造，单机制造成本要低于传统钻机。

9)分析和钻进同步进行，提高数据的获取速度。

激光钻探的现实困难有以下几点。

1)现有规范，特别是储量计算规范只认可化学分析数据，对光谱分析数据的认可还有待有关部门解决，这也是民营资本不愿投入研发的原因。

2)激光钻探需要多种技术的组合，需要多个部门研发力量的互动，这需要国家组织专门机构来协作完成。

3)孔径的选择，岩石高温理化性质的变化还需要大量试验数据。

4 结 语

激光探矿是一种新的探矿模式，金属矿的激光钻探技术在国际上尚属空白，把光谱分析和激光钻进结合在一起实现快速探矿，如果该项技术走向应用，将引领世界探矿模式迈向新的台阶，并将引领世界探矿行业走向一个新的技术时代。