激光碎巖技術的研究

黃開釗

（中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北武漢430074）

激光碎巖技術的研究

黃開釗*

（中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北武漢430074）

激光碎巖鉆井技術尚處于理論探索階段，是一項具有前瞻性的破巖新技術。通過研究激光碎巖機理，深入認識了激光碎巖過程中可能出現的破壞形式（熱膨脹性破壞、熱熔性破壞、熱蒸發性破壞）。分析二次效應和比能，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；材料導熱率

自20世紀60年代激光問世以來，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而被廣泛應用。而激光碎巖鉆井技術是將激光技術與地球科學相結合的一種新的鉆探技術。目前，鉆探工程界主要運用的是機械破巖法鉆井。該方法主要的缺點是鉆探設備復雜、工作周期長、鉆進效率受鉆探設備和地層條件的限制比較大，并且鉆探過程中鉆具磨損比較嚴重。有試驗資料顯示[7]，激光功率密度為1200W/cm2、激光脈沖寬度為0.4s時，采用高速輔助氣流迅速吹走巖石碎屑以防止其融化，鉆進速度最高可達0.50cm/s，遠高于傳統鉆井技術在深井（井深＞4572m）中的平均鉆進速度（約0.04m/s）。另外激光碎巖技術屬于非接觸式鉆探技術，鉆進過程中不會出現鉆頭磨耗以及鉆具磨損的情況。隨著大功率激光發射器的出現，激光碎巖技術在理論研究階段也有了突破性的進展。本文將著重從理論上對激光碎巖鉆井技術展開討論。

1 激光碎巖機理

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

圖1 激光發射器機構示意圖

激光碎巖的基本原理是利用激光發射器受外界激發而產生的穩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生的高速氣流將混合物攜走和排出。激光碎巖的機理是：當高能激光束的能量密度大于巖石的臨界密度后，巖石即發生破壞。

2 激光碎巖過程

高能激光束作用于巖石表面，局部巖石表面會出現三相混合物。受激光輻射的巖石會形成3個區域，從外到內為：破壞區、過渡區、完整區。如圖2所示,為砂巖受激光作用后的狀態圖。

（1）破壞區：巖石在該區域內會發生熱膨脹性破壞、熱熔性破壞以及熱蒸發性破壞等。Pankaj Sinha和Abhaas Gour經試驗研究發現，當入射激光的功率在2kW以下時，巖石吸收的能量只能使巖石內部發生小體積的熱膨脹性破碎，隨著功率的不斷增加，巖石內部發生熱膨脹性破碎也越劇烈；當入射激光的功率超過6kW時，巖石吸收的能量超過了巖石熔化所需的能量密度，此時巖石就開始熔化；進一步增大入射功率巖石將主要發生熱熔性破壞，當入射功率達到一定程度時，伴隨著熱熔性破壞，巖石也將發生熱蒸發性破壞。由于熱熔性破壞和熱蒸發性破壞的界限難以評估，目前還沒有辦法做出具體的研究。但是熔融狀態下的巖石將造成激光碎巖過程的重復進行，進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，二是優化輔助氣泵的氣流速度，使之盡可能多而快地將破壞區的混合物排除。

圖2 砂巖受激光作用后的狀態圖

（2）過渡區：該區域是破壞區的熱能以熱傳導、熱對流以及熱輻射的形式向巖石內部傳遞所形成的。過渡區域內的巖石吸收熱能，雖然不能造成巖石發生大面積的體積破碎，但由于熱應力的作用使巖石內部產生微裂紋，進而造成巖石強度的降低，這又為下一步激光直接作用于該區域巖石做了充分準備，并且提高了激光碎巖效率。

（3）完整區：該區域內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。

激光碎巖過程就是這3個區域重復出現，并向巖石深部進行破壞的過程。

3 激光碎巖的影響因素

激光碎巖是一個十分復雜的物理碎巖過程，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和比能來間接考慮激光碎巖的影響因素。

二次效應是指影響激光重復碎巖而造成能量的非必要損失。

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

式中：Es——比能，J/cm3;

dV/dt——破壞巖石體積對時間的導數；

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、入射激光的平均功率等因素的影響。再結合二次效應的影響因素，影響激光碎巖的因素可以綜合歸納成成幾點：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。巖石的礦物成分對巖石的物理力學性質將產生直接的影響，其影響主要表現在礦物成分的種類、礦物成分的含量以及礦物顆粒間的膠結狀態。試驗研究表明，巖石中石英含量越高、顆粒膠結越致密，巖石的比能就越大，即巖石越不容易被破壞。

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

表1 各種材料的導熱率

由表1分析可知，造成各種巖石導熱率不同的主要原因在于其孔隙度得不同，自然狀態下巖石塊中的大部分孔隙是被空氣所填充的。由表1可知，空氣是一種不良導體。巖石孔隙度越大，巖石的導熱率越小，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程快慢的一個關鍵性因素。一方面，如果入射激光的平均功率很高，使巖石主要發生的熱熔性破碎，那么熔融狀態下的巖石將嚴重阻礙激光能量的傳遞，造成破壞區巖石的重復破碎，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低會造成巖石發生小體積的破碎或者只能產生微裂紋而不呈現最佳碎巖狀態，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生大體積破碎的范圍內為最優選擇。

（4）排除混合物氣流的速度。在以空氣而介質的機械碎巖鉆進過程中，空氣循環速度將會影響鉆進速度以及井壁的穩定性等，同理激光碎巖過程中排除混合物氣流的速度也是影響激光碎巖速度的關鍵因素之一。如果氣流的速度過低將無法正常排除破壞區的混合物，造成破壞區內的巖石重復破碎；相反，如果氣流速度過高則會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行。合理的氣流速度應該是既能保證破壞區混合物被充分攜走和排出，又能保證鉆頭得到充分冷卻。

4 結束語

激光碎巖鉆井技術是一項具有里程碑意義的鉆探新技術。我國鉆探技術有著悠久的歷史，宋代卓筒井鉆井工藝更被譽為世界的第五大發明。但近代以來由于我國的國情，我國的鉆探技術在很大程度上要落后于西方發達國家。當前世界各國對激光碎巖鉆探技術大多處于理論探索階段，我國更應該抓住當前有利時機，積極探索激光碎巖這項新技術。

雖然激光碎巖鉆井技術還沒有達到實用化階段，但凡事都不可能是一蹴而就的。筆者認為可以參照熱熔巖輔助碎巖技術，通過研究激光輔助碎巖——將激光技術與現有的機械破巖鉆井技術相結合，逐步實現激光碎巖鉆井技術的實用化，并為最終激光碎巖鉆井技術奠定基礎。

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表2 塔木察格盆地19合同區塊各地層不同巖性電阻值參數（單位：Ω·m）

通過對塔木察格盆地塔木察格坳陷19區塊各地層巖性剖面與測井電性關系的分析，總結出該地區繪圖參數選取的基本規律，從而避免單井阻值參數選取的隨意性。造成圖幅整改較多，浪費人力和物力資源；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80%以上，為確保成果資料優質率奠定了堅實的基礎。

TD231

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1004-5716(2015)12-0063-03

2014-12-29

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