激光輔助破巖試驗(yàn)研究

謝慧，周燕，董懷榮，羅熙 （中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng)257017）

目前在我國(guó)，激光技術(shù)還未應(yīng)用于輔助鉆井工程領(lǐng)域，相關(guān)研究也以理論研究為主。因此筆者希望從試驗(yàn)入手，獲得第一手資料，做一些基礎(chǔ)研究，為提供一種與機(jī)械鉆進(jìn)結(jié)合的激光輔助氣體鉆井系統(tǒng)的技術(shù)方案奠定基礎(chǔ)。1997～2004年美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做了大量激光破巖的試驗(yàn)［1］，包括早期的化學(xué)氧化碘激光器 （coil）激光試驗(yàn)、釔鋁石榴石晶體脈沖式激光器試驗(yàn)、多束激光試驗(yàn)等研究。2010年，日本用二氧化碳脈沖激光器 （最大輸出功率5kW）分別在凈水和膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的膨潤(rùn)土溶液淹沒(méi)條件下對(duì)花崗巖進(jìn)行了破巖試驗(yàn)［2，3］。國(guó)內(nèi)江漢石油學(xué)院的易先中進(jìn)行了激光破巖機(jī)理與射孔技術(shù)以及激光破巖的排屑機(jī)理與溫度場(chǎng)特性研究方面的研究［4］。

1 試驗(yàn)介紹

該試驗(yàn)將激光照射在花崗巖和致密砂巖上，根據(jù)巖石的變化來(lái)確定工藝參數(shù)對(duì)激光破巖的影響，并控制激光功率、離焦量，激光照射時(shí)間等參數(shù)，來(lái)研究激光破巖的最優(yōu)條件。激光輔助破巖系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)材料分別為120mm×120mm×70mm花崗巖和致密砂巖，采用DL－HL5000W橫流CO2激光系統(tǒng)對(duì)2種巖石進(jìn)行破巖效果研究。試驗(yàn)過(guò)程中，研究離焦量、轉(zhuǎn)速以及激光器的功率3種參數(shù)對(duì)破巖效果的影響，參數(shù)設(shè)置如表1。

圖1 激光破巖系統(tǒng)示意圖

表1 激光輔助破巖試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表

2 破巖效果分析

2．1 離焦量對(duì)破巖效果的影響

在試驗(yàn)中，以花崗巖和致密砂巖試樣為試驗(yàn)對(duì)象，在恒定700W激光功率下研究不同照射時(shí)間和離焦量對(duì)鉆孔和破巖的影響。

對(duì)花崗巖試樣，鉆孔和破巖直觀效果如圖2所示。當(dāng)離焦量為83mm和93mm時(shí)，在鉆孔正上方形成透明圓形泡狀體，隨著激光照射時(shí)間增加，透明泡的直徑變大；當(dāng)離焦量保持不變的情況下，隨著照射時(shí)間增多，逐漸出現(xiàn)裂紋并伴有起翹現(xiàn)象；在離焦量大于等于98mm時(shí)，鉆孔附近出現(xiàn)白色斑和透明狀玻璃釉。照射時(shí)間對(duì)花崗巖試樣去巖量的影響如圖3所示，從圖3可以看出，離焦量等于98mm時(shí)去巖量隨照射時(shí)間的增加呈遞增趨勢(shì)，而離焦量大于98mm時(shí)去巖量隨照射時(shí)間的增加出現(xiàn)了波動(dòng)。

圖2 花崗巖破巖直觀效果圖

圖3 離焦量、照射時(shí)間對(duì)花崗巖破巖的影響

對(duì)致密砂巖試樣，鉆孔和破巖直觀效果如圖4所示。激光照射所產(chǎn)生的鉆孔與花崗巖呈現(xiàn)出截然不同的效果，鉆孔內(nèi)壁較光滑，孔周為白色，熱影響區(qū)在離焦量較小時(shí)有明顯的紅色圓環(huán)，隨離焦量與照射時(shí)間的增加，紅色圓環(huán)逐漸消失，孔周白色揮發(fā)粉末聚集區(qū)范圍增加。照射時(shí)間對(duì)致密砂巖試樣去巖量的影響如圖5所示，隨照射時(shí)間的增加，不同離焦量的去巖量均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，排除試驗(yàn)控制影響，離焦量為98～103mm具有較佳的破巖效果。

圖4 致密砂巖破巖直觀效果圖

圖5 離焦量、照射時(shí)間對(duì)致密砂巖破巖影響

2．2 激光功率對(duì)破巖效果的影響

采用控制變量法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，保持離焦量不變 （93mm）的條件下，改變激光功率和照射時(shí)間，研究不同激光功率和照射時(shí)間對(duì)鉆孔和破巖的影響。

花崗巖試樣的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，花崗巖在受到激光照射后，在鉆孔上方形成了透明圓形泡狀體，隨著激光功率的增加和照射時(shí)間的延長(zhǎng)，玻璃釉的球徑呈增加的趨勢(shì)；同一功率條件下，隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，玻璃釉球徑逐漸增大，在功率一定的情況下，隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，激光的破巖效果先增加后降低；繼續(xù)增加照射時(shí)間，激光破巖效果沒(méi)有改善，而起翹和開(kāi)裂減少；與激光照射時(shí)間相比較，激光功率對(duì)破巖的影響不明顯，激光功率1000W時(shí)，產(chǎn)生孔徑最大，但激光功率為800W時(shí)，起翹和開(kāi)裂比較明顯，繼續(xù)增加激光功率，破巖效果降低。

致密砂巖試樣的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在激光功率500W和900W時(shí)，隨照射時(shí)間的增加，去巖量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，增加激光功率未能實(shí)現(xiàn)去巖量的增加。

圖6 功率和照射時(shí)間對(duì)花崗巖破巖的影響

圖7 功率和照射時(shí)間對(duì)致密砂巖破巖的影響

3 旋轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)分析

實(shí)際鉆井過(guò)程中，激光器實(shí)現(xiàn)輔助破巖裝置，可安裝于旋轉(zhuǎn)鉆柱或鉆頭中，其工作狀態(tài)為隨鉆柱或鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，因此激光器距離旋轉(zhuǎn)中心的距離 （Ho）以及轉(zhuǎn)速對(duì)破巖效果會(huì)造成影響。如圖1所示，試驗(yàn)中將巖石試樣安裝在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的卡盤(pán)上以轉(zhuǎn)速v勻速旋轉(zhuǎn)，調(diào)整激光頭距離旋轉(zhuǎn)中心的半徑Rn，試驗(yàn)在不同轉(zhuǎn)速以及半徑下的破巖效果。假設(shè)激光破巖縫寬為δ，縫深為S，則單位時(shí)間去巖量V為：

激光固定參量為離焦量＝93mm，功率＝700W，通過(guò)控制變量法，改變夾具所在平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度n和激光頭距離軸線(xiàn)的半徑Rn來(lái)觀察激光對(duì)巖石的作用，對(duì)花崗巖和致密砂巖試樣的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，對(duì)花崗巖而言，轉(zhuǎn)速50～100r／min、半徑10mm時(shí)單位時(shí)間去巖量較高。由圖9可以看出，對(duì)致密砂巖而言，轉(zhuǎn)速50r／min、半徑10mm時(shí)，單位時(shí)間去巖量較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)花崗巖和致密砂巖試樣的激光破巖試驗(yàn)，結(jié)果表明：2種巖石表現(xiàn)出了不同破巖效果，離焦量、功率、照射時(shí)間以及旋轉(zhuǎn)速度和半徑均對(duì)破巖效果具有較大影響。因此，優(yōu)選激光參數(shù)對(duì)破巖效果至關(guān)重要。由于試驗(yàn)量有限，未對(duì)激光照射后的巖性變化進(jìn)行分析，由此帶來(lái)的輔助破巖效果對(duì)參數(shù)的優(yōu)選存在影響。

圖8 不同轉(zhuǎn)速和半徑下花崗巖破巖效果

圖9 不同轉(zhuǎn)速和半徑下致密砂巖破巖效果

［1］徐依吉，周長(zhǎng)李，錢(qián)紅彬，等 ．激光破巖方法研究及在石油鉆井中的應(yīng)用展望 ［J］．石油鉆探技術(shù)，2010，38（4）：129～134．

［2］易先中，祁海鷹，余萬(wàn)軍，等 ．高能激光破巖的傳熱學(xué)特性研究 ［J］．光學(xué)與光電子技術(shù)，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］馬衛(wèi)國(guó)，楊增輝，易先中，等 ．國(guó)內(nèi)外激光鉆井破巖技術(shù)研究與發(fā)展 ［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（11）：11～17．