激光碎岩技术的研究范文

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自20世纪60年代激光问世以来，由于其具有高方向性、高亮度、高相干性以及单色性好的特点而被广泛应用。而激光碎岩钻井技术是将激光技术与地球科学相结合的一种新的钻探技术。目前，钻探工程界主要运用的是机械破岩法钻井。该方法主要的缺点是钻探设备复杂、工作周期长、钻进效率受钻探设备和地层条件的限制比较大，并且钻探过程中钻具磨损比较严重。有试验资料显示[7]，激光功率密度为1200W/cm2、激光脉冲宽度为0.4s时，采用高速辅助气流迅速吹走岩石碎屑以防止其融化，钻进速度最高可达0.50cm/s，远高于传统钻井技术在深井（井深>4572m）中的平均钻进速度（约0.04m/s）。另外激光碎岩技术属于非接触式钻探技术，钻进过程中不会出现钻头磨耗以及钻具磨损的情况。随着大功率激光发射器的出现，激光碎岩技术在理论研究阶段也有了突破性的进展。本文将着重从理论上对激光碎岩钻井技术展开讨论。

1激光碎岩机理

激光碎岩钻井技术是指由激光发射器发射出的高能激光束作用于岩石表面并且使岩石发生破碎的一门新技术。激光发射器主要由激光工作介质、泵浦源和光学谐振腔等组成。其结构组成如图1所示。激光碎岩的基本原理是利用激光发射器受外界激发而产生的稳定高能激光束直接作用于岩石表面，使岩石表面局部受热膨胀破裂或受热熔融、气化，并形成气、液、固三相混合物，最后利用辅助气泵产生的高速气流将混合物携走和排出。激光碎岩的机理是：当高能激光束的能量密度大于岩石的临界密度后，岩石即发生破坏。

2激光碎岩过程

高能激光束作用于岩石表面，局部岩石表面会出现三相混合物。受激光辐射的岩石会形成3个区域，从外到内为：破坏区、过渡区、完整区。如图2所示,为砂岩受激光作用后的状态图。（1）破坏区：岩石在该区域内会发生热膨胀性破坏、热熔性破坏以及热蒸发性破坏等。PankajSinha和AbhaasGour经试验研究发现，当入射激光的功率在2kW以下时，岩石吸收的能量只能使岩石内部发生小体积的热膨胀性破碎，随着功率的不断增加，岩石内部发生热膨胀性破碎也越剧烈；当入射激光的功率超过6kW时，岩石吸收的能量超过了岩石熔化所需的能量密度，此时岩石就开始熔化；进一步增大入射功率岩石将主要发生热熔性破坏，当入射功率达到一定程度时，伴随着热熔性破坏，岩石也将发生热蒸发性破坏。由于热熔性破坏和热蒸发性破坏的界限难以评估，目前还没有办法做出具体的研究。但是熔融状态下的岩石将造成激光碎岩过程的重复进行，进而直接造成能量的额外损耗。因此，要提高激光碎岩效率有2个解决办法：一是控制入射激光的平均功率在完成热膨胀性破碎的功率范围内，二是优化辅助气泵的气流速度，使之尽可能多而快地将破坏区的混合物排除。（2）过渡区：该区域是破坏区的热能以热传导、热对流以及热辐射的形式向岩石内部传递所形成的。过渡区域内的岩石吸收热能，虽然不能造成岩石发生大面积的体积破碎，但由于热应力的作用使岩石内部产生微裂纹，进而造成岩石强度的降低，这又为下一步激光直接作用于该区域岩石做了充分准备，并且提高了激光碎岩效率。（3）完整区：该区域内的岩石由于其吸收的能量密度小于岩石临界破坏密度而保持其原有的状态。激光碎岩过程就是这3个区域重复出现，并向岩石深部进行破坏的过程。

3激光碎岩的影响因素

激光碎岩是一个十分复杂的物理碎岩过程，因此影响激光碎岩的因素也多种多样。可以从研究二次效应和比能来间接考虑激光碎岩的影响因素。二次效应是指影响激光重复碎岩而造成能量的非必要损失。由该式可以看出，比能受岩石的性质、入射激光的平均功率等因素的影响。再结合二次效应的影响因素，影响激光碎岩的因素可以综合归纳成成几点：岩石的矿物成分、岩石的特性、入射激光的平均功率以及排除混合物气流的速度等。（1）岩石的矿物成分。岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质将产生直接的影响，其影响主要表现在矿物成分的种类、矿物成分的含量以及矿物颗粒间的胶结状态。试验研究表明，岩石中石英含量越高、颗粒胶结越致密，岩石的比能就越大，即岩石越不容易被破坏。（2）岩石的特性。岩石的特性实际上是通过影响热传导率来间接影响激光碎岩速度的快慢的。各种材料的导热率如表1所示。由表1分析可知，造成各种岩石导热率不同的主要原因在于其孔隙度得不同，自然状态下岩石块中的大部分孔隙是被空气所填充的。由表1可知，空气是一种不良导体。岩石孔隙度越大，岩石的导热率越小，即激光碎岩效率也越低。（3）入射激光的平均功率。激光碎岩过程中能量主要是以辐射的形式传递到岩石表面，因而入射激光的平均功率是控制碎岩过程快慢的一个关键性因素。一方面，如果入射激光的平均功率很高，使岩石主要发生的热熔性破碎，那么熔融状态下的岩石将严重阻碍激光能量的传递，造成破坏区岩石的重复破碎，降低了能量的利用率；另一方面，如果入射激光的平均功率过低会造成岩石发生小体积的破碎或者只能产生微裂纹而不呈现最佳碎岩状态，这也将造成激光碎岩效率的降低。因此，入射激光的平均功率使岩石产生大体积破碎的范围内为最优选择。（4）排除混合物气流的速度。在以空气而介质的机械碎岩钻进过程中，空气循环速度将会影响钻进速度以及井壁的稳定性等，同理激光碎岩过程中排除混合物气流的速度也是影响激光碎岩速度的关键因素之一。如果气流的速度过低将无法正常排除破坏区的混合物，造成破坏区内的岩石重复破碎；相反，如果气流速度过高则会带走岩石表面上部的大量热能，造成入射激光能量的大量损失，从而不利于激光碎岩的进行。合理的气流速度应该是既能保证破坏区混合物被充分携走和排出，又能保证钻头得到充分冷却。

4结束语

激光碎岩钻井技术是一项具有里程碑意义的钻探新技术。我国钻探技术有着悠久的历史，宋代卓筒井钻井工艺更被誉为世界的第五大发明。但近代以来由于我国的国情，我国的钻探技术在很大程度上要落后于西方发达国家。当前世界各国对激光碎岩钻探技术大多处于理论探索阶段，我国更应该抓住当前有利时机，积极探索激光碎岩这项新技术。虽然激光碎岩钻井技术还没有达到实用化阶段，但凡事都不可能是一蹴而就的。笔者认为可以参照热熔岩辅助碎岩技术，通过研究激光辅助碎岩——将激光技术与现有的机械破岩钻井技术相结合，逐步实现激光碎岩钻井技术的实用化，并为最终激光碎岩钻井技术奠定基础。

作者：黄开钊 单位：中国地质大学<武汉>工程学院