激光碎巖技術(shù)的研究

黃開釗

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北武漢430074）

激光碎巖技術(shù)的研究

黃開釗*

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北武漢430074）

激光碎巖鉆井技術(shù)尚處于理論探索階段，是一項(xiàng)具有前瞻性的破巖新技術(shù)。通過(guò)研究激光碎巖機(jī)理，深入認(rèn)識(shí)了激光碎巖過(guò)程中可能出現(xiàn)的破壞形式（熱膨脹性破壞、熱熔性破壞、熱蒸發(fā)性破壞）。分析二次效應(yīng)和比能，間接找出了影響激光碎巖效率的因素（巖石的礦物成分、巖石的特性、入射激光的平均功率、氣流速度）。

激光碎巖；巖石性質(zhì)；材料導(dǎo)熱率

自20世紀(jì)60年代激光問(wèn)世以來(lái)，由于其具有高方向性、高亮度、高相干性以及單色性好的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。而激光碎巖鉆井技術(shù)是將激光技術(shù)與地球科學(xué)相結(jié)合的一種新的鉆探技術(shù)。目前，鉆探工程界主要運(yùn)用的是機(jī)械破巖法鉆井。該方法主要的缺點(diǎn)是鉆探設(shè)備復(fù)雜、工作周期長(zhǎng)、鉆進(jìn)效率受鉆探設(shè)備和地層條件的限制比較大，并且鉆探過(guò)程中鉆具磨損比較嚴(yán)重。有試驗(yàn)資料顯示[7]，激光功率密度為1200W/cm2、激光脈沖寬度為0.4s時(shí)，采用高速輔助氣流迅速吹走巖石碎屑以防止其融化，鉆進(jìn)速度最高可達(dá)0.50cm/s，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鉆井技術(shù)在深井（井深＞4572m）中的平均鉆進(jìn)速度（約0.04m/s）。另外激光碎巖技術(shù)屬于非接觸式鉆探技術(shù)，鉆進(jìn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)鉆頭磨耗以及鉆具磨損的情況。隨著大功率激光發(fā)射器的出現(xiàn)，激光碎巖技術(shù)在理論研究階段也有了突破性的進(jìn)展。本文將著重從理論上對(duì)激光碎巖鉆井技術(shù)展開討論。

1 激光碎巖機(jī)理

激光碎巖鉆井技術(shù)是指由激光發(fā)射器發(fā)射出的高能激光束作用于巖石表面并且使巖石發(fā)生破碎的一門新技術(shù)。激光發(fā)射器主要由激光工作介質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔等組成。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 激光發(fā)射器機(jī)構(gòu)示意圖

激光碎巖的基本原理是利用激光發(fā)射器受外界激發(fā)而產(chǎn)生的穩(wěn)定高能激光束直接作用于巖石表面，使巖石表面局部受熱膨脹破裂或受熱熔融、氣化，并形成氣、液、固三相混合物，最后利用輔助氣泵產(chǎn)生的高速氣流將混合物攜走和排出。激光碎巖的機(jī)理是：當(dāng)高能激光束的能量密度大于巖石的臨界密度后，巖石即發(fā)生破壞。

2 激光碎巖過(guò)程

高能激光束作用于巖石表面，局部巖石表面會(huì)出現(xiàn)三相混合物。受激光輻射的巖石會(huì)形成3個(gè)區(qū)域，從外到內(nèi)為：破壞區(qū)、過(guò)渡區(qū)、完整區(qū)。如圖2所示,為砂巖受激光作用后的狀態(tài)圖。

（1）破壞區(qū)：巖石在該區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生熱膨脹性破壞、熱熔性破壞以及熱蒸發(fā)性破壞等。Pankaj Sinha和Abhaas Gour經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射激光的功率在2kW以下時(shí)，巖石吸收的能量只能使巖石內(nèi)部發(fā)生小體積的熱膨脹性破碎，隨著功率的不斷增加，巖石內(nèi)部發(fā)生熱膨脹性破碎也越劇烈；當(dāng)入射激光的功率超過(guò)6kW時(shí)，巖石吸收的能量超過(guò)了巖石熔化所需的能量密度，此時(shí)巖石就開始熔化；進(jìn)一步增大入射功率巖石將主要發(fā)生熱熔性破壞，當(dāng)入射功率達(dá)到一定程度時(shí)，伴隨著熱熔性破壞，巖石也將發(fā)生熱蒸發(fā)性破壞。由于熱熔性破壞和熱蒸發(fā)性破壞的界限難以評(píng)估，目前還沒(méi)有辦法做出具體的研究。但是熔融狀態(tài)下的巖石將造成激光碎巖過(guò)程的重復(fù)進(jìn)行，進(jìn)而直接造成能量的額外損耗。因此，要提高激光碎巖效率有2個(gè)解決辦法：一是控制入射激光的平均功率在完成熱膨脹性破碎的功率范圍內(nèi)，二是優(yōu)化輔助氣泵的氣流速度，使之盡可能多而快地將破壞區(qū)的混合物排除。

圖2 砂巖受激光作用后的狀態(tài)圖

（2）過(guò)渡區(qū)：該區(qū)域是破壞區(qū)的熱能以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射的形式向巖石內(nèi)部傳遞所形成的。過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的巖石吸收熱能，雖然不能造成巖石發(fā)生大面積的體積破碎，但由于熱應(yīng)力的作用使巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而造成巖石強(qiáng)度的降低，這又為下一步激光直接作用于該區(qū)域巖石做了充分準(zhǔn)備，并且提高了激光碎巖效率。

（3）完整區(qū)：該區(qū)域內(nèi)的巖石由于其吸收的能量密度小于巖石臨界破壞密度而保持其原有的狀態(tài)。

激光碎巖過(guò)程就是這3個(gè)區(qū)域重復(fù)出現(xiàn)，并向巖石深部進(jìn)行破壞的過(guò)程。

3 激光碎巖的影響因素

激光碎巖是一個(gè)十分復(fù)雜的物理碎巖過(guò)程，因此影響激光碎巖的因素也多種多樣。可以從研究二次效應(yīng)和比能來(lái)間接考慮激光碎巖的影響因素。

二次效應(yīng)是指影響激光重復(fù)碎巖而造成能量的非必要損失。

比能是指巖石達(dá)到穩(wěn)定破壞狀態(tài)后，移除單位體積巖石需要的能量。Maurer(1980)[6]定義的比能計(jì)算式為：

式中：Es——比能，J/cm3;

dV/dt——破壞巖石體積對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；

P——激光入射的平均功率，W；

d——截面深度，cm；

w——截面寬度，cm；

v——破巖速度，cm/s。

由該式可以看出，比能受巖石的性質(zhì)、入射激光的平均功率等因素的影響。再結(jié)合二次效應(yīng)的影響因素，影響激光碎巖的因素可以綜合歸納成成幾點(diǎn)：巖石的礦物成分、巖石的特性、入射激光的平均功率以及排除混合物氣流的速度等。

（1）巖石的礦物成分。巖石的礦物成分對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生直接的影響，其影響主要表現(xiàn)在礦物成分的種類、礦物成分的含量以及礦物顆粒間的膠結(jié)狀態(tài)。試驗(yàn)研究表明，巖石中石英含量越高、顆粒膠結(jié)越致密，巖石的比能就越大，即巖石越不容易被破壞。

（2）巖石的特性。巖石的特性實(shí)際上是通過(guò)影響熱傳導(dǎo)率來(lái)間接影響激光碎巖速度的快慢的。各種材料的導(dǎo)熱率如表1所示。

表1 各種材料的導(dǎo)熱率

由表1分析可知，造成各種巖石導(dǎo)熱率不同的主要原因在于其孔隙度得不同，自然狀態(tài)下巖石塊中的大部分孔隙是被空氣所填充的。由表1可知，空氣是一種不良導(dǎo)體。巖石孔隙度越大，巖石的導(dǎo)熱率越小，即激光碎巖效率也越低。

（3）入射激光的平均功率。激光碎巖過(guò)程中能量主要是以輻射的形式傳遞到巖石表面，因而入射激光的平均功率是控制碎巖過(guò)程快慢的一個(gè)關(guān)鍵性因素。一方面，如果入射激光的平均功率很高，使巖石主要發(fā)生的熱熔性破碎，那么熔融狀態(tài)下的巖石將嚴(yán)重阻礙激光能量的傳遞，造成破壞區(qū)巖石的重復(fù)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過(guò)低會(huì)造成巖石發(fā)生小體積的破碎或者只能產(chǎn)生微裂紋而不呈現(xiàn)最佳碎巖狀態(tài)，這也將造成激光碎巖效率的降低。因此，入射激光的平均功率使巖石產(chǎn)生大體積破碎的范圍內(nèi)為最優(yōu)選擇。

（4）排除混合物氣流的速度。在以空氣而介質(zhì)的機(jī)械碎巖鉆進(jìn)過(guò)程中，空氣循環(huán)速度將會(huì)影響鉆進(jìn)速度以及井壁的穩(wěn)定性等，同理激光碎巖過(guò)程中排除混合物氣流的速度也是影響激光碎巖速度的關(guān)鍵因素之一。如果氣流的速度過(guò)低將無(wú)法正常排除破壞區(qū)的混合物，造成破壞區(qū)內(nèi)的巖石重復(fù)破碎；相反，如果氣流速度過(guò)高則會(huì)帶走巖石表面上部的大量熱能，造成入射激光能量的大量損失，從而不利于激光碎巖的進(jìn)行。合理的氣流速度應(yīng)該是既能保證破壞區(qū)混合物被充分?jǐn)y走和排出，又能保證鉆頭得到充分冷卻。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光碎巖鉆井技術(shù)是一項(xiàng)具有里程碑意義的鉆探新技術(shù)。我國(guó)鉆探技術(shù)有著悠久的歷史，宋代卓筒井鉆井工藝更被譽(yù)為世界的第五大發(fā)明。但近代以來(lái)由于我國(guó)的國(guó)情，我國(guó)的鉆探技術(shù)在很大程度上要落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)激光碎巖鉆探技術(shù)大多處于理論探索階段，我國(guó)更應(yīng)該抓住當(dāng)前有利時(shí)機(jī)，積極探索激光碎巖這項(xiàng)新技術(shù)。

雖然激光碎巖鉆井技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化階段，但凡事都不可能是一蹴而就的。筆者認(rèn)為可以參照熱熔巖輔助碎巖技術(shù)，通過(guò)研究激光輔助碎巖——將激光技術(shù)與現(xiàn)有的機(jī)械破巖鉆井技術(shù)相結(jié)合，逐步實(shí)現(xiàn)激光碎巖鉆井技術(shù)的實(shí)用化，并為最終激光碎巖鉆井技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

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表2 塔木察格盆地19合同區(qū)塊各地層不同巖性電阻值參數(shù)（單位：Ω·m）

通過(guò)對(duì)塔木察格盆地塔木察格坳陷19區(qū)塊各地層巖性剖面與測(cè)井電性關(guān)系的分析，總結(jié)出該地區(qū)繪圖參數(shù)選取的基本規(guī)律，從而避免單井阻值參數(shù)選取的隨意性。造成圖幅整改較多，浪費(fèi)人力和物力資源；上述方法已在很多井投入使用，單井成圖周期縮短了3d，錄井成果圖巖性剖面與電性曲線符合率可達(dá)80%以上，為確保成果資料優(yōu)質(zhì)率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

TD231

A

1004-5716(2015)12-0063-03

2014-12-29

黃開釗（1990-），男（漢族），湖北孝感人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：鉆探工藝。