激光破巖過程與機(jī)理分析

激光破巖過程與機(jī)理分析

20世紀(jì)初，旋轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)出版后，高效旋轉(zhuǎn)鉆孔機(jī)械破巖法取代了傳統(tǒng)的單孔提升法，無疑是鉆頭技術(shù)史上的一次革命。隨后出現(xiàn)的高壓水射流輔助機(jī)械破巖技術(shù)極大地提高了破巖效率,使鉆井成本顯著降低。但是,已有實(shí)驗(yàn)早在20世紀(jì)70年代就有人提出激光鉆井技術(shù)美國、俄羅斯、日本及伊朗等國早已開展對激光鉆井技術(shù)的研究,而且取得了許多重大的進(jìn)展1基本總結(jié)1.1激光開挖激光鉆井1.2激光參數(shù)的影響比能是指巖石達(dá)到穩(wěn)定破壞狀態(tài)后,移除單位體積巖石需要的能量,比能越小,巖石越容易被破壞。通常將比能作為比較不同破巖方式效率的一個參考量。Maurer(1980)式中:EdVdt——破壞巖石體積對時間的導(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。比能受巖石巖性、表面粗糙度、顏色、礦物顆粒膠結(jié)程度和激光參數(shù)等多種因素影響。巖石中石英含量越高、顆粒膠結(jié)越致密,巖石比能就越大。鉆遇不同種類的巖石時,激光參數(shù)(平均功率、重復(fù)頻率、脈沖寬度和作用時間等)不同,比能也不一樣。砂巖的比能比泥巖大,而比石灰?guī)r小。這對于大多數(shù)地層的鉆進(jìn)是非常有利的,因?yàn)殂@遇普通地層巖石時,70%是泥巖剖面,而石灰?guī)r剖面較少測出比能后,可以利用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)或現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算鉆進(jìn)速度式中:RPA——激光射束的截面積,cm1.3巖石截面和深度由比能的定義可知,在比能相同的條件下,破壞的巖石體積相同。而同樣體積的巖石,其截面和深度并不唯一。這說明在同一比能下,無法準(zhǔn)確判斷被破壞巖石的截面和深度大小。因此,僅用比能來描述巖石的可鉆性是不夠的,為了解決這個問題,Maurer(1980)引入了比截面能的概念。比截面能式中:E1.4脈沖峰值與平均值的關(guān)系在用脈沖激光破巖時,巖石表面受到的光子輻射不是連續(xù)的。設(shè)單個脈沖的功率峰值為P實(shí)際上,脈沖峰值與平均值之間還存在如下關(guān)系:式中:P——激光平均功率,W;T由于脈沖重復(fù)頻率為f,則激光在單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)N與f的關(guān)系為:N?f=1。脈沖激光的各項參數(shù)如圖1所示。1.5激光強(qiáng)度激光強(qiáng)度也稱功率密度,是激光的功率峰值與射束截面積之比,其計算式為:式中:I——激光強(qiáng)度,W/cm1.6二效效果二次效應(yīng)2激光破碎機(jī)2.1激光存在3種作用高能量激光作用于巖石表面時,巖石對激光光子存在3種作用:反射、散射及吸收,激光的能量就是以這3種方式被消耗掉的。激光與巖石的作用過程中的能量平衡方程可用下式式中:EEEEE2.2熱破碎作用機(jī)理圖2為激光破巖的實(shí)驗(yàn)裝置圖激光熱破碎是指通過激光誘導(dǎo)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱應(yīng)力作用于巖石并在巖石熔化前將其破壞成碎片或顆粒。實(shí)驗(yàn)(1)熱破碎區(qū)(左邊區(qū)域):激光作用于巖石表面,當(dāng)其功率較低時,大部分能量用于巖石熱膨脹、產(chǎn)生裂縫以及分解礦物,此時比能較大;若增大激光入射的功率,則比能逐漸減小,在達(dá)到礦物熔化的臨界點(diǎn)時,比能值達(dá)到最小,此時最有利于破巖。當(dāng)高能激光作用于巖石表面時,巖石局部迅速受熱膨脹,導(dǎo)致局部熱應(yīng)力升高,當(dāng)熱應(yīng)力高于巖石的極限強(qiáng)度時,巖石就會發(fā)生熱破碎。巖石表面存在的缺陷如微裂縫和孔隙等使其極限應(yīng)力降低,因而會加劇這種熱破碎作用。巖石的熱破碎過程如圖4所示(2)過渡區(qū)(中間區(qū)域):在礦物熔化的臨界點(diǎn)附近,巖石能以熱破碎方式被破壞,若其導(dǎo)熱性能不好,熱量不能及時釋放出,導(dǎo)致巖石因局部過熱而熔化,因而也能以熔化形式被破壞。所以,在過渡區(qū)可能同時存在巖石的熱破碎及熔化這兩種破壞形式。(3)熔化區(qū)(右邊區(qū)域):如果功率繼續(xù)增加,受巖石導(dǎo)熱性的影響,若巖石從激光中吸收能量的速度高于能量從巖石中向外擴(kuò)散的速度,使巖石吸收的能量超過了其釋放的能量,一旦溫度超過礦物的熔點(diǎn),巖石就開始熔化,如圖5所示由式(2)可知,高比功率和低比能可提高鉆速,激光熱破碎機(jī)理正好符合這一準(zhǔn)則。因此,眾多學(xué)者通過以上分析可以看出,以下方式有助于破巖:(1)將巖石靶區(qū)控制在激光的最優(yōu)靶距的范圍內(nèi),減少激光的發(fā)散,保證激光能量的集中;(2)激光傳播介質(zhì)的比熱越小,導(dǎo)熱和對流的能量損失就越小;(3)在巖石不熔化前提下,增加激光功率有助于巖石的熱破碎;(4)巖石熱破碎時,及時清離巖屑可以削弱二次效應(yīng)。需要注意的是,好的巖石導(dǎo)熱性能對激光破巖具有雙重作用。一方面,對于導(dǎo)熱性能好的巖石,如果其中含有孔隙水或其他流體,則流體能迅速吸收巖石的熱能并氣化膨脹,這一過程能增加裂縫和孔隙體積,使巖石受到的內(nèi)壓力增大,從而加速巖石的破壞。另一方面,導(dǎo)熱性能越好,受輻射的巖石向周圍環(huán)境傳遞熱量的過程就越容易,從而使巖石自身的能量有所減少,若巖石吸收的激光能量未達(dá)到使其熱破碎的閾值,則不利于巖石的破壞;反之,若巖石受輻射過強(qiáng),則好的導(dǎo)熱性能可讓熱量及時釋放到周圍環(huán)境中,從而有利于巖石的熱破碎,且可避免巖石局部過熱引起的熔化。2.3熱應(yīng)力的計算激光輻射作用于巖石時,巖石內(nèi)部就會形成一個溫度場式中:z——巖石表面到內(nèi)部某點(diǎn)的法線距離,m;T——z處的溫度,℃;I——激光強(qiáng)度,W/cmk——巖石的熱導(dǎo)率,W/(m℃);——巖石的熱擴(kuò)散系數(shù),mierfc——誤差函數(shù)項的積分符號。得到巖石內(nèi)部的溫度分布后,就可計算激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的熱應(yīng)力:式中:σ——熱應(yīng)力,MPa;α——線性熱膨脹系數(shù),E——巖石的楊氏模量,MPa;T——式(8)計算得到的溫度,℃;υ——巖石的泊松比,無因次。由式(9)可知,溫度越高,熱導(dǎo)率越低,熱應(yīng)力就越大;線性熱膨脹系數(shù)、楊氏模量及泊松比增大也會引起熱應(yīng)力增大。設(shè)計實(shí)驗(yàn)時,若已知巖石的極限強(qiáng)度,可由式(9)計算出巖石破壞的臨界溫度,再由式(8)反推出應(yīng)該使用的最小激光強(qiáng)度。3巖性流體與激光相互作用的關(guān)系當(dāng)巖石吸收的能量超過本身的破壞閾值時,就會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),如破碎和礦物分解、熔化及汽化等。含有地層流體(油、氣或水)的巖石往往埋藏在高溫高壓的深層地下環(huán)境中,因此,激光與巖石的相互作用也受到多種外在因素的影響。研究激光與巖石相互作用的機(jī)理,不僅要考慮巖石本身的性質(zhì)和所處的環(huán)境,也要考慮所使用的激光自身性質(zhì)對破巖的影響。3.1能量變化的影響(1)巖石的熱導(dǎo)率。粘土在激光輻射下易分解氣化,導(dǎo)致體積膨脹壓力增大。砂泥巖導(dǎo)熱性能好,且含有粘土,而石灰?guī)r的熱導(dǎo)率較砂泥巖低且其中粘土和石英的含量也較低,所以導(dǎo)致砂泥巖比石灰?guī)r更容易形成裂縫,因而砂泥巖更容易被破壞(2)裂縫。砂泥巖中往往含有裂縫或其他缺陷,地層流體充注于其中。在激光輻射作用下,泥巖溫度升高使其中的流體氣化,這一過程會造成能量損失,而流體氣化后體積膨脹壓力增大,又會進(jìn)一步地促進(jìn)裂縫的形成。可見,裂縫的存在也會引發(fā)二次效應(yīng),由此導(dǎo)致的能量損失同樣不容忽視。(3)礦物組成。巖石的性質(zhì)取決于其組成礦物的性質(zhì),礦物的物理性質(zhì)及膠結(jié)方式?jīng)Q定了巖石的熱物理性質(zhì),因而也影響到激光射束與巖石的相互作用。例如,當(dāng)激光射束作用于碳酸鹽巖時,二次效應(yīng)非常顯著。這是因?yàn)榉浇馐軣岷笱杆倜撍⑾哪芰?而之后水的氣化又會消耗一部分能量。于是,巖石吸收的能量就減小了,比能隨之增大,從而需要消耗更多能量(4)膠結(jié)強(qiáng)度。膠結(jié)強(qiáng)度主要是通過影響巖石的導(dǎo)熱性能來影響巖石與激光的相互作用。組成巖石的礦物顆粒之間膠結(jié)越強(qiáng),巖石的熱導(dǎo)率就越大。熱應(yīng)力達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度后,如果巖石膠結(jié)不好,則其較差的導(dǎo)熱性能使巖石吸收能量的速度大于能量從其中逸出的速度,因而巖石開始熔化,并消耗更多的能量,這不利于巖石的熱破碎,且使破巖效率降低。3.2激光地層散射破巖作用機(jī)理(1)射束直徑。由式(6)可知,在激光功率一定的情況下,射束直徑越大,則激光強(qiáng)度越小,因而能量分布越分散,這樣就不易使巖石因局部過熱以致熔化。因此,增大激光作用截面可以降低比能,提高進(jìn)尺速度。在鉆井實(shí)驗(yàn)中,通常將多個射束部分重疊地排列成射束組,用來鉆大尺寸井眼。(2)功率峰值、脈沖寬度及重復(fù)頻率。由式(4)可知,激光的平均功率與功率峰值、脈沖寬度及重復(fù)頻率成正比,一般是通過調(diào)節(jié)激光的重復(fù)頻率來控制其平均功率。相同時間內(nèi),平均功率越高,作用于巖石的能量就越多,越有利于破巖。B.C.Gahan和RichardA.Parker等人(3)輻射時間。平均功率一定時,輻射時間越長,作用于巖石的能量就越多,巖石能夠吸收的能量也就越多,因而有利于破巖。但是,如果輻射時間過長,一旦巖石的溫度達(dá)到熔點(diǎn),巖石就轉(zhuǎn)而以熔化方式破壞,這會使比能值顯著增加。實(shí)驗(yàn)(4)激光波長。激光波長影響激光在介質(zhì)中的傳遞及激光在巖石表面的散射,波長越短,射束越不易發(fā)散。在目前的激光破巖實(shí)驗(yàn)中,使用的最長波長為10.6μm(二氧化碳激光)另外,黑體輻射與等離子屏蔽效應(yīng)4面后受到破巖影響(1)激光破巖速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的高壓水射流輔助機(jī)械破巖,為提高鉆井速度和節(jié)省成本,國內(nèi)的鉆井科研人員應(yīng)加強(qiáng)對激光鉆井理論與實(shí)踐的研究,以促進(jìn)我國鉆井新技術(shù)的發(fā)展。(2)高能激光作用于巖石表面后可以通過熱破碎、熔化及汽化3種方式對巖石進(jìn)行破壞,前2種破巖方式對應(yīng)著功率與比能關(guān)系圖上的3個區(qū)域。破巖效率最高的是熱破碎方式,所以應(yīng)盡量使激光的功率與比能落在最佳熱破碎區(qū),