激光破岩过程与机理分析

激光破岩过程与机理分析

20世纪初，旋转钻孔技术出版后，高效旋转钻孔机械破岩法取代了传统的单孔提升法，无疑是钻头技术史上的一次革命。随后出现的高压水射流辅助机械破岩技术极大地提高了破岩效率,使钻井成本显著降低。但是,已有实验早在20世纪70年代就有人提出激光钻井技术美国、俄罗斯、日本及伊朗等国早已开展对激光钻井技术的研究,而且取得了许多重大的进展1基本总结1.1激光开挖激光钻井1.2激光参数的影响比能是指岩石达到稳定破坏状态后,移除单位体积岩石需要的能量,比能越小,岩石越容易被破坏。通常将比能作为比较不同破岩方式效率的一个参考量。Maurer(1980)式中:EdVdt——破坏岩石体积对时间的导数;P——激光入射的平均功率,W;d——截面深度,cm;w——截面宽度,cm;v——破岩速度,cm/s。比能受岩石岩性、表面粗糙度、颜色、矿物颗粒胶结程度和激光参数等多种因素影响。岩石中石英含量越高、颗粒胶结越致密,岩石比能就越大。钻遇不同种类的岩石时,激光参数(平均功率、重复频率、脉冲宽度和作用时间等)不同,比能也不一样。砂岩的比能比泥岩大,而比石灰岩小。这对于大多数地层的钻进是非常有利的,因为钻遇普通地层岩石时,70%是泥岩剖面,而石灰岩剖面较少测出比能后,可以利用实验室数据或现场数据计算钻进速度式中:RPA——激光射束的截面积,cm1.3岩石截面和深度由比能的定义可知,在比能相同的条件下,破坏的岩石体积相同。而同样体积的岩石,其截面和深度并不唯一。这说明在同一比能下,无法准确判断被破坏岩石的截面和深度大小。因此,仅用比能来描述岩石的可钻性是不够的,为了解决这个问题,Maurer(1980)引入了比截面能的概念。比截面能式中:E1.4脉冲峰值与平均值的关系在用脉冲激光破岩时,岩石表面受到的光子辐射不是连续的。设单个脉冲的功率峰值为P实际上,脉冲峰值与平均值之间还存在如下关系:式中:P——激光平均功率,W;T由于脉冲重复频率为f,则激光在单位时间内的脉冲数N与f的关系为:N∙f=1。脉冲激光的各项参数如图1所示。1.5激光强度激光强度也称功率密度,是激光的功率峰值与射束截面积之比,其计算式为:式中:I——激光强度,W/cm1.6二效效果二次效应2激光破碎机2.1激光存在3种作用高能量激光作用于岩石表面时,岩石对激光光子存在3种作用:反射、散射及吸收,激光的能量就是以这3种方式被消耗掉的。激光与岩石的作用过程中的能量平衡方程可用下式式中:EEEEE2.2热破碎作用机理图2为激光破岩的实验装置图激光热破碎是指通过激光诱导在岩石内部产生热应力,热应力作用于岩石并在岩石熔化前将其破坏成碎片或颗粒。实验(1)热破碎区(左边区域):激光作用于岩石表面,当其功率较低时,大部分能量用于岩石热膨胀、产生裂缝以及分解矿物,此时比能较大;若增大激光入射的功率,则比能逐渐减小,在达到矿物熔化的临界点时,比能值达到最小,此时最有利于破岩。当高能激光作用于岩石表面时,岩石局部迅速受热膨胀,导致局部热应力升高,当热应力高于岩石的极限强度时,岩石就会发生热破碎。岩石表面存在的缺陷如微裂缝和孔隙等使其极限应力降低,因而会加剧这种热破碎作用。岩石的热破碎过程如图4所示(2)过渡区(中间区域):在矿物熔化的临界点附近,岩石能以热破碎方式被破坏,若其导热性能不好,热量不能及时释放出,导致岩石因局部过热而熔化,因而也能以熔化形式被破坏。所以,在过渡区可能同时存在岩石的热破碎及熔化这两种破坏形式。(3)熔化区(右边区域):如果功率继续增加,受岩石导热性的影响,若岩石从激光中吸收能量的速度高于能量从岩石中向外扩散的速度,使岩石吸收的能量超过了其释放的能量,一旦温度超过矿物的熔点,岩石就开始熔化,如图5所示由式(2)可知,高比功率和低比能可提高钻速,激光热破碎机理正好符合这一准则。因此,众多学者通过以上分析可以看出,以下方式有助于破岩:(1)将岩石靶区控制在激光的最优靶距的范围内,减少激光的发散,保证激光能量的集中;(2)激光传播介质的比热越小,导热和对流的能量损失就越小;(3)在岩石不熔化前提下,增加激光功率有助于岩石的热破碎;(4)岩石热破碎时,及时清离岩屑可以削弱二次效应。需要注意的是,好的岩石导热性能对激光破岩具有双重作用。一方面,对于导热性能好的岩石,如果其中含有孔隙水或其他流体,则流体能迅速吸收岩石的热能并气化膨胀,这一过程能增加裂缝和孔隙体积,使岩石受到的内压力增大,从而加速岩石的破坏。另一方面,导热性能越好,受辐射的岩石向周围环境传递热量的过程就越容易,从而使岩石自身的能量有所减少,若岩石吸收的激光能量未达到使其热破碎的阈值,则不利于岩石的破坏;反之,若岩石受辐射过强,则好的导热性能可让热量及时释放到周围环境中,从而有利于岩石的热破碎,且可避免岩石局部过热引起的熔化。2.3热应力的计算激光辐射作用于岩石时,岩石内部就会形成一个温度场式中:z——岩石表面到内部某点的法线距离,m;T——z处的温度,℃;I——激光强度,W/cmk——岩石的热导率,W/(m℃);——岩石的热扩散系数,mierfc——误差函数项的积分符号。得到岩石内部的温度分布后,就可计算激光诱导产生的热应力:式中:σ——热应力,MPa;α——线性热膨胀系数,E——岩石的杨氏模量,MPa;T——式(8)计算得到的温度,℃;υ——岩石的泊松比,无因次。由式(9)可知,温度越高,热导率越低,热应力就越大;线性热膨胀系数、杨氏模量及泊松比增大也会引起热应力增大。设计实验时,若已知岩石的极限强度,可由式(9)计算出岩石破坏的临界温度,再由式(8)反推出应该使用的最小激光强度。3岩性流体与激光相互作用的关系当岩石吸收的能量超过本身的破坏阈值时,就会发生一系列复杂的物理化学反应,如破碎和矿物分解、熔化及汽化等。含有地层流体(油、气或水)的岩石往往埋藏在高温高压的深层地下环境中,因此,激光与岩石的相互作用也受到多种外在因素的影响。研究激光与岩石相互作用的机理,不仅要考虑岩石本身的性质和所处的环境,也要考虑所使用的激光自身性质对破岩的影响。3.1能量变化的影响(1)岩石的热导率。粘土在激光辐射下易分解气化,导致体积膨胀压力增大。砂泥岩导热性能好,且含有粘土,而石灰岩的热导率较砂泥岩低且其中粘土和石英的含量也较低,所以导致砂泥岩比石灰岩更容易形成裂缝,因而砂泥岩更容易被破坏(2)裂缝。砂泥岩中往往含有裂缝或其他缺陷,地层流体充注于其中。在激光辐射作用下,泥岩温度升高使其中的流体气化,这一过程会造成能量损失,而流体气化后体积膨胀压力增大,又会进一步地促进裂缝的形成。可见,裂缝的存在也会引发二次效应,由此导致的能量损失同样不容忽视。(3)矿物组成。岩石的性质取决于其组成矿物的性质,矿物的物理性质及胶结方式决定了岩石的热物理性质,因而也影响到激光射束与岩石的相互作用。例如,当激光射束作用于碳酸盐岩时,二次效应非常显著。这是因为方解石受热后迅速脱水并消耗能量,而之后水的气化又会消耗一部分能量。于是,岩石吸收的能量就减小了,比能随之增大,从而需要消耗更多能量(4)胶结强度。胶结强度主要是通过影响岩石的导热性能来影响岩石与激光的相互作用。组成岩石的矿物颗粒之间胶结越强,岩石的热导率就越大。热应力达到岩石的极限强度后,如果岩石胶结不好,则其较差的导热性能使岩石吸收能量的速度大于能量从其中逸出的速度,因而岩石开始熔化,并消耗更多的能量,这不利于岩石的热破碎,且使破岩效率降低。3.2激光地层散射破岩作用机理(1)射束直径。由式(6)可知,在激光功率一定的情况下,射束直径越大,则激光强度越小,因而能量分布越分散,这样就不易使岩石因局部过热以致熔化。因此,增大激光作用截面可以降低比能,提高进尺速度。在钻井实验中,通常将多个射束部分重叠地排列成射束组,用来钻大尺寸井眼。(2)功率峰值、脉冲宽度及重复频率。由式(4)可知,激光的平均功率与功率峰值、脉冲宽度及重复频率成正比,一般是通过调节激光的重复频率来控制其平均功率。相同时间内,平均功率越高,作用于岩石的能量就越多,越有利于破岩。B.C.Gahan和RichardA.Parker等人(3)辐射时间。平均功率一定时,辐射时间越长,作用于岩石的能量就越多,岩石能够吸收的能量也就越多,因而有利于破岩。但是,如果辐射时间过长,一旦岩石的温度达到熔点,岩石就转而以熔化方式破坏,这会使比能值显著增加。实验(4)激光波长。激光波长影响激光在介质中的传递及激光在岩石表面的散射,波长越短,射束越不易发散。在目前的激光破岩实验中,使用的最长波长为10.6μm(二氧化碳激光)另外,黑体辐射与等离子屏蔽效应4面后受到破岩影响(1)激光破岩速度远高于传统的高压水射流辅助机械破岩,为提高钻井速度和节省成本,国内的钻井科研人员应加强对激光钻井理论与实践的研究,以促进我国钻井新技术的发展。(2)高能激光作用于岩石表面后可以通过热破碎、熔化及汽化3种方式对岩石进行破坏,前2种破岩方式对应着功率与比能关系图上的3个区域。破岩效率最高的是热破碎方式,所以应尽量使激光的功率与比能落在最佳热破碎区,