激光鉆井影響因素的分析

黃開釗

（中國地質(zhì)大學(xué)<武漢>工程學(xué)院，湖北武漢430074）

激光鉆井影響因素的分析

黃開釗*

（中國地質(zhì)大學(xué)<武漢>工程學(xué)院，湖北武漢430074）

激光鉆井是一種新型的破巖方式。與傳統(tǒng)的機(jī)械破巖相比，具有鉆速高、磨損小的特點(diǎn)。目前激光鉆井尚處于試驗(yàn)研究階段，而激光鉆井效率的高低主要受巖石表面溫度的影響，通過分析影響巖石表面溫度的因素可以間接找出影響激光鉆井的具體因素。主要從4個方面（激光發(fā)射裝置的參數(shù)、激光傳遞介質(zhì)、巖石的性質(zhì)、其它因素）具體分析了影響激光鉆井的原因。如在一定范圍內(nèi)提高入射激光的平均功率可提高破巖效率；而在同等條件下，不同的巖石因其性質(zhì)不同，其破巖效率也是不同的。

激光鉆井；激光頻率；焦距；導(dǎo)熱率；巖石性質(zhì)

激光鉆井技術(shù)是一種新型的破巖技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械破巖，其理論上以顯現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，室內(nèi)試驗(yàn)表明，在一種大功率激光測試條件下，1kW的激光束在4s內(nèi)切削2.722kg的砂巖，其速率比旋轉(zhuǎn)鉆井快10～100倍，并且由于激光鉆井屬于非接觸式破巖方法，所以不需要停鉆更替鉆頭，即激光鉆井效率更高。

激光鉆井是指利用高能激光束直接作用于巖石表面，使巖石表面局部受熱而發(fā)生破裂、熔化、氣化等形式的破壞，是一種新型的破巖技術(shù)。破巖機(jī)理［5］是指巖石受激光輻射后，傳遞到巖石內(nèi)部的能量是否能達(dá)到使巖石發(fā)生破壞的臨界能量，如果超過臨界能量，則巖石發(fā)生破壞，否則巖石不會發(fā)生破壞。

激光作用于巖石表面，巖石發(fā)生破壞的形式受多種因素的控制。但通過分析激光鉆井機(jī)理，激光鉆井是一個復(fù)雜的熱作用的過程［1］，其破巖效率的高低主要受溫度的影響。盡管破巖過程中影響溫度的因素很多，但由于激光鉆井過程是一個激光與巖石相互作用的過程，因此可以從以下4方面分別進(jìn)行激光鉆井影響因素的分析，即激光發(fā)射裝置的參數(shù)、激光傳遞介質(zhì)、巖石的性質(zhì)、其它因素。

與連續(xù)激光相比，短脈沖激光由于其入射激光參數(shù)的可調(diào)節(jié)性，短脈沖激光顯現(xiàn)出更大的優(yōu)越性，因此本文將針對短脈沖激光進(jìn)行破巖影響因素的分析。

1　激光發(fā)射裝置的參數(shù)

激光發(fā)射裝置主要由激光發(fā)射器、濾波片、聚焦鏡、放大器等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　激光鉆井裝置結(jié)構(gòu)示意圖

激光發(fā)射器的類型和功率的大小將直接影響入射激光平均功率的大??；濾波片的作用是改變激光的偏振狀態(tài)，以獲得目標(biāo)激光；反光鏡的原理在于改變激光路徑；激光聚焦組的目的主要是通過改變焦距以獲得不同強(qiáng)度的激光。

從激光發(fā)射裝置的機(jī)構(gòu)上看，激光發(fā)射裝置的參數(shù)主要包含入射激光的平均功率、入射激光的頻率與時間、入射激光的脈寬、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決定傳遞到巖石表面能量多少的因素之一。當(dāng)采用高功率的的入射激光時，巖石表面接受的能量多，傳遞到巖石內(nèi)部的熱能大，超過巖石的熔點(diǎn)溫度，使巖石發(fā)生熔化；當(dāng)采用低功率的入射激光時，巖石內(nèi)部的可能因熱應(yīng)力的產(chǎn)生而發(fā)生破裂。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：以砂巖為巖樣的條件下，當(dāng)入射激光的平均功率在3kW以下時，將產(chǎn)生少量的體積破碎，當(dāng)功率超過3kW時，將出現(xiàn)超過5cm深的孔洞，并且伴隨熔化現(xiàn)象的出現(xiàn)。

入射激光作用于巖石表面后，能量的傳遞是一個十分復(fù)雜的過程。在巖石表面將主要以熱輻射、熱反射的形式進(jìn)行能量耗散。能量耗散是不可避免的，應(yīng)盡可能地阻止能量耗散的發(fā)生以提高破巖效率。熔融狀態(tài)下的巖石會在巖石表面形成一個鏡面體，入射激光束的能量在此發(fā)生反射而被耗散，這將大大降低單位時間內(nèi)激光鉆井的效率。為此提出了2種可行的辦法：第一，將入射激光的平均功率盡可能地控制在使其發(fā)生破碎性破壞的范圍內(nèi)；第二，提高輔助氣流的速度，以合適的速度及時排出巖石表面的混合物。

1.2入射激光的頻率與作用時間

增大入射激光的頻率有助于提高破巖效率，其原因在于通過增大入射激光的頻率內(nèi)在的增加了作用于巖石表面最高溫度的循環(huán)頻率以及驅(qū)動激光振動波的強(qiáng)度。低頻時，時間間隔長，增加了冷卻時間，巖石只能發(fā)生微小破裂；高頻時，由于溫度的累積，巖石發(fā)生強(qiáng)破壞。

入射激光作用于巖石表面的時間越長，傳遞到巖石內(nèi)部的能量也越多，巖石發(fā)生的破壞也越劇烈，但比能也會增大。在滿足破巖的條件下，盡可能的將入射激光的作用時間控制在合理范圍內(nèi)。

1.3入射激光的脈寬

在一定范圍內(nèi)，入射激光的脈寬增大時，巖石更容易被破壞。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在以砂巖為巖樣的條件下，脈寬為2ms的入射激光與脈寬為1ms的入射激光相比，前者在單位面積內(nèi)積累的熱能是后者的2倍。因此，在合理的范圍內(nèi)，適當(dāng)增大脈寬也可以提高破巖效率。

1.4入射激光的焦距

改變?nèi)肷浼す獾慕咕?，將改變?nèi)肷浼す庾饔糜趲r石表面的強(qiáng)度，而光強(qiáng)又是與溫度相關(guān)的。激光通過聚焦后，焦點(diǎn)處溫度為最高。理論上若巖石處于焦點(diǎn)處，則其破巖效率最高，但事實(shí)上，考慮到二次效應(yīng)的影響，處于焦點(diǎn)處的巖石，由于巖石表面吸收的激光能量超過了巖石熔化所需的能量，此時熔融狀態(tài)的巖石將阻礙激光能量向巖石內(nèi)部傳遞。雖然高溫也可以將熔融狀態(tài)的巖石汽化，但汽化后的巖石造成周圍空氣密度的增大，同樣也將阻礙激光輻射到巖石表面。綜合分析，入射激光距離作用巖石表面的距離應(yīng)該控制在入射激光的焦距范圍內(nèi)，其實(shí)質(zhì)是將入射激光的能量密度控制在使巖石熔化所需的能量密度范圍內(nèi)。

2　激光傳遞介質(zhì)

激光傳遞介質(zhì)可以是氣體也可以是液體介質(zhì)，但室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)［7］，高能激光束在液體介質(zhì)中傳遞，會導(dǎo)致激光束周圍液體介質(zhì)的沸騰汽化。雖然液體沸騰后產(chǎn)生的空氣泡有利于排除巖石表面的混合物，但液體沸騰汽化需要消耗一部分能量。這要求更大功率的激光發(fā)射器。相比于液體傳遞介質(zhì)，氣體作為激光傳遞介質(zhì)則減少了傳遞過程中能量的大量損失。因此當(dāng)前室內(nèi)試驗(yàn)研究激光鉆井絕大多數(shù)采用的是氣體作為激光傳遞介質(zhì)。而一般空氣中含有氧氣，在激光鉆井過程中易造成“鉆頭”的氧化，因此常用惰性氣體作為激光傳遞介質(zhì)。

3　巖石的性質(zhì)

3.1巖石的導(dǎo)熱率

巖石的導(dǎo)熱率是影響激光鉆井的主要因素之一。巖石的結(jié)構(gòu)和成分是影響巖石導(dǎo)熱率的主要因素［12］，在致密的巖石中，礦物的性質(zhì)對巖石導(dǎo)熱率起主要控制作用；疏松多孔的巖石較致密的巖石，其導(dǎo)熱率更低。表1是幾種常見巖石的導(dǎo)熱率。

自然狀態(tài)下，巖石中的孔隙通常被水和空氣所填充，而水和空氣的存在將大大降低巖石的導(dǎo)熱率，并且同等條件下，水也將消耗更多的能量。因而在其它條件不變的情況下，激光鉆井過程中若遇到疏松多孔的巖層時，則相應(yīng)的應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其它的參數(shù)（如適當(dāng)提高入射激光的平均功率或增加入射激光頻率等）以適應(yīng)鉆遇地層的需要。

表1　水、空氣和幾種常見巖石的導(dǎo)熱率

3.2巖石的礦物成分

巖石的礦物成分對激光鉆井的影響十分顯著。各種巖石因礦物成分的不同，其比能也有所不同。石英的熔化溫度為19000C，巖石中石英含量越高，巖石的比能越大，巖石越不易被破壞。

在激光破壞頁巖過程中，主要發(fā)生的是熱裂性破碎、熔化、汽化破壞；而在激光破壞石灰?guī)r過程中，不會發(fā)生熔化破壞，這主要是由石灰?guī)r的性質(zhì)決定的。石灰?guī)r由CaCO3組成，在8250C時會分解為CaO和CO2，并且CaO的熔點(diǎn)約為25700C，在激光鉆井過程中一般不會達(dá)到這個溫度［5］。石灰?guī)r受激光作用后發(fā)生分解的方程式如下：

CaCO3=CaO+CO2

因此，同等狀態(tài)條件下，破壞頁巖所消耗的能量較石灰?guī)r更高。

3.3巖石的膠結(jié)狀態(tài)

巖石的膠結(jié)狀態(tài)實(shí)際上與巖石的導(dǎo)熱率有關(guān)［5］，巖石的礦物顆粒之間膠結(jié)狀態(tài)越好，巖石的導(dǎo)熱率越大，破壞巖石過程中額外損失的能量也越少。

4　其它因素

除了上述影響因素之外，一些其它因素對激光鉆井也有顯著影響。

室內(nèi)試驗(yàn)常以高速氣流輔助排除巖粉和巖屑。在激光鉆井過程中若輔助氣流的速度過慢將阻礙巖屑和巖粉的排除，未充分排除的巖屑和巖粉混合在巖石上部，吸收激光能量，造成能量的額外損失，進(jìn)一步降低破巖效率；如果氣流速度過快，則會過早的帶走一部分巖石表面所積累的熱能，這也會造成激光鉆井效率的降低；理想的氣流速度是既能充分排除巖石表面的混合物，又不造成巖石表面的熱量被大量帶走。

機(jī)械破巖過程中適當(dāng)?shù)你@壓可以提高鉆進(jìn)速度［9］，同樣，激光鉆井過程中，適當(dāng)?shù)膲毫σ部梢蕴岣咂茙r效率。激光鉆井過程中將目標(biāo)區(qū)域以上設(shè)計(jì)成半密封區(qū)，利用氣體介質(zhì)受熱膨脹形成局部壓力來提高破巖效率。其示意圖如圖2所示。

圖2　半密封區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

5　結(jié)論

（1）激光鉆井過程中，通過優(yōu)化脈沖激光的各種參數(shù)（入射激光的平均功率、入射激光的平均功率、入射激光的作用時間、入射激光的脈寬、入射激光的焦距等）可以大大提高激光鉆井效率。

（2）與液體作為激光的傳遞介質(zhì)相比較，氣體作為激光傳遞介質(zhì)具有能量耗散小的特點(diǎn)。

（3）研究巖石性質(zhì)對激光鉆井的影響，最主要的是要研究影響巖石導(dǎo)熱率的因素，通過分析巖石導(dǎo)熱率可以改變其它參數(shù)來滿足不同巖層破巖的要求。

（4）輔助氣流的速度對激光鉆井也有重要的影響，合理的氣流速度是一方面能夠充分排除混合物，另一方面又不造成激光能量的損失。

（5）激光鉆井過程中，適當(dāng)?shù)你@壓也可提高破巖效率，若將目標(biāo)區(qū)域以上設(shè)計(jì)成半密閉區(qū)，可利用氣體受熱膨脹所產(chǎn)生的壓力提高破巖效率。

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TE249

A

1004-5716（2016）01-0087-04

2015-01-16

黃開釗（1990-），男（漢族），湖北安陸人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)工程在讀碩士研究生，研究方向：鉆掘設(shè)備、機(jī)具與材料。