激光破岩技术研究进展

为探明激光破岩机制及其应用价值,对目前国内外有关激光破岩技术的研究成果进行归纳总结。首先,介绍激光和激光辅助破岩技术,初步认识激光破岩机制;其次,从试验、理论和仿真这3个方面入手,总结激光破岩技术的研究方法,其中试验最能直观反映激光与岩石作用过程,观察破岩效果,但其难以实时监测和获取激光照射岩石过程中温度场和应力场等变化规律,而数值仿真方法则能获得试验难以或不可能测量的详细特征信息,从而为深入研究激光破岩机制提供有效指导;随后,基于前述研究方法,以激光钻孔为例,从激光参数、岩石性质和工作环境与方式3方面出发,全面系统地分析激光破岩的重要影响因素;最后,讨论激光破岩在隧道掘进领域的研究现状以及未来的发展方向。研究结果表明,激光破岩技术可以较好地应用于隧道掘进领域,极大提高隧道掘进效率,但目前有关激光辅助隧道掘进的研究尚处于实验室研究阶段,缺乏系统的研究设备和评判指标,后续应着重考虑完善激光辅助掘进设备破岩研究体系,系统、全面地进行激光辅助挖掘设备破岩研究。

激光破岩技术的研究现状及进展

激光破岩技术是应用光学领域的重要研究方向,它是集合了多相态、多耦合、多尺度的复杂高温、高压物理与化学过程。为了厘清激光破岩研究中的核心难点,给研究者提供有效的理论参考和趋向信息,本文对激光破岩技术的研究概况进行了分析总结。首先明确了激光破岩机理;之后分别从石油井下作业用激光器、激光破岩影响因素、激光破岩的温度场相变传热、物理力学性质以及激光破岩应用可行性等方面对国内外激光破岩技术研究进行了总结分析,指出了现阶段所取得的创新成果和不足;最后阐明了激光破岩技术的优点和发展趋势。研究结果表明,激光破岩技术可在现场配套设施研发、多影响因素评价、多场耦合作用机制和井下适用性理论体系研究等方向着力突破。

激光功率和照射时长对激光破岩的影响

随着石油勘探深度的增加,为了提高钻井速度,缩短钻井周期,对激光破岩技术进行了研究。采用控制变量法,进行了激光功率和照射时长对激光破岩效率影响的研究。研究结果表明,随着激光功率的增大,钻孔深度先缓慢增大,后迅速增大;随着激光功率的增大,钻孔直径会增大;随照射时长的增加,钻孔深度先增大,后趋于平缓;随照射时长的增加,钻孔直径增大。激光功率和照射时长是影响激光破岩的重要参数,为了得到高钻速,需设计合理的激光参数,这对进一步了解和研究激光技术以及激光技术在石油钻井行业的应用具有重大意义。

激光破岩温度应力数学模型的建立与实验研究

激光破岩是一种全新的破岩方法。现有对激光破岩数学模型的研究大多为传热学方面。在激光与岩石的作用过程中,其岩石内部温度应力能够使岩石形成裂缝,加速岩石的破碎。在调研现代激光破岩技术研究的基础上,通过传热学的基本理论和前人已经建立的激光破岩数值传热模型,根据弹性力学基本理论,建立了激光破岩的温度应力模型,得出激光与岩石作用时岩石内部裂缝形成的初始区域。并通过激光破岩实验,实际观察了激光破岩的物理现象,针对不同类型的岩石进行了中低能量激光破岩实验,研究了激光对不同种类的岩石作用时的作用机理,提出激光破岩机理会根据岩石的种类的不同而不同,而并不是一成不变的,并对其进行了分类阐述。

激光破岩在干热岩地热能开发中的应用探讨

干热岩是地热资源的主要储存形式,储量大、分布广。干热岩开发主要基于增强型地热系统(EGS)进行发电,但至今仍没有商业化EGS系统,原因是尚未形成成熟的干热岩钻井技术体系,钻井周期长、成本高,开发高效破岩技术从而降低钻井成本,是干热岩开发的关键。面对硬质岩层不断出现钻井新技术,其中激光破岩被认为是最有效的手段,可以解决常规钻井方法所面临的问题,并大大提高钻井效率。而与现有的传统油气钻井领域中的新方法和新技术结合应用,是加速推动激光破岩技术应用的一条途径。创新性提出一种基于鱼骨状多分支水平井的开采方案及其钻完井途径,通过构建“主井+分支井+射孔”水平井井网,并采用常规机械钻井、激光钻井、激光射孔和水力压裂分阶段实施,获得大体积高效人工热储层。将激光破岩技术应用于干热岩地热开发,目前还面临井下高温环境对光学系统的挑战、激光高效作用岩石工艺的实现以及钻井测量等问题,后续仍需进行深入的技术研究。

激光破岩试验及激光技术在石油工程中的应用

针对激光技术在石油工程技术领域的应用,国内学者开展了大量理论研究,为了验证理论分析和激光破岩实际效果,搭建了激光试验系统,开展了硅质砂岩岩样激光直线扫描及定点打孔试验,分析得出激光破岩效果与激光光束参数、扫描速度、光斑尺寸及岩屑清理等因素相关。根据激光扫描和打孔试验结果,有针对性地提出了气体钻井激光辅助破岩和激光射孔2方面应用,并重点从激光光源优选、高能激光远距离传输及井下适应性3个方面分析了激光应用需要解决的关键技术。所得结论对激光技术在石油工程领域应用具有重要的指导意义。

激光破岩机理及其影响因素分析

激光破岩是一种新型非接触式物理破岩方法,其破岩速度远高于传统的高压水射流辅助机械破岩方法。介绍了激光破岩的相关概念,详细地分析了激光破岩的物理过程及破岩机理,论证了岩石热破碎是效率最高的破岩方式,并介绍了激光与岩石相互作用过程中岩石内部的温度与应力的分布。最后,结合岩石和激光的性质,解释了岩石物理性质(热导率、裂缝、矿物组成和胶结强度)和激光特性(射束直径、平均功率、辐射时间和激光波长)对激光破岩的影响。

高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成“类爆炸坑”,产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底,吸收了孔底处大部分的激光能量,抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀,随着激光持续辐照,岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4.5 kW的激光水平辐照10 s后,岩样的单轴抗压强度从63.31 MPa降低至42.36 MPa,其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4.5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95.03%,比能增加15.3%,证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。

面向钻井提速的激光破岩机理研究进展

激光破岩技术在油气开采、矿业挖掘等方面具有很大潜力,然而现阶段有关激光破岩的多数研究还处于理论与实验探索阶段。高能激光钻井破岩是一项涉及光学、材料、力学等学科的复杂技术,需要对激光与岩石作用过程中的物理化学变化、岩石力学性质、激光参数等问题进行研究,在实际应用之前有许多难题需要解决。本文针对激光与岩石作用机理,对近年来的相关研究成果在多方面进行了归纳总结。现阶段对激光破岩机理的研究仍在不断进行,其中数值仿真、实验研究是研究激光破岩的主要方式。此外,本文还总结了激光破岩的应用研究进展,并分析了未来激光破岩的发展趋势。

激光破岩技术影响因素的研究进展

激光破岩技术是利用高能量激光实现地层复杂岩性岩石高效可控破坏的一种新型的钻井技术,在石油、天然气开采以及矿业挖掘方面极具发展潜力。然而,目前关于激光破岩技术的研究还处于室内实验和理论探索阶段,在工业应用之前还存在诸多难点。着眼于激光与岩石相互作用过程涉及的对象,总结了近年来关于影响激光破岩效果的研究成果,分析梳理了激光参数、岩石性质、激光传递介质、工作环境这四方面因素的影响机制,对现存问题和今后的研究方向提出了建议。众多的研究表明,不同类型的影响因素对激光破岩的作用机制不同,且影响因素众多。量化激光破岩多因素影响机制,筛选关键影响因素,协调多因素共同作用,是实现激光高效破岩技术应用的重要课题。

激光破岩耦合场仿真分析

激光破岩过程中激光与岩石相互作用的过程涉及到复杂的三维非稳定传热学问题,利用能量守恒原理,得到了激光破岩的传热方程;基于热应力理论和广义胡克定律,得到激光破岩的应力分布求解公式。通过建立激光破岩的三维有限元模型,对光斑直径为0.2 mm的5种不同功率的高斯激光源与砂岩的相互作用过程进行了直接耦合数值仿真分析。研究发现,在设定条件下,对于强度较大的岩石,激光破岩过程中起主要作用的是激光的气化作用;而对于强度较小的岩石,起主要作用的是热应力引起的破碎。

激光射孔破岩机理及应用前景展望

激光是20世纪中期的一项新型科学技术。经过多年的发展,激光器的类型、工艺参数等都取得了巨大的突破,激光技术在各个行业的使用越来越广泛、成熟。由于传统的井下射孔技术存在着诸多不足,所以国内外学者将激光技术应用于井下射孔进行了探究,并获得了相关理论分析成果和实验参数研究结果。

激光辅助破岩试验研究

为了探索激光破碎岩石的规律和效果,设计了激光辅助破岩系统,进行了激光破岩试验研究。试验岩样为花岗岩和致密砂岩,在地面大气状态下分别对2种岩样进行了试验,测试了离焦量、激光功率、激光照射时间、钻头转速等对激光破岩效果的影响。试验结果表明,岩石的物理、化学性质影响激光破岩效果,针对岩性进行激光参数的优化有助于提升激光破岩效果。

激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究

目前浅部易开采煤炭资源逐渐枯竭,传统钻进技术在深层煤炭资源勘探开发时往往面临破岩效率低、钻进成本高和环境污染等问题。因此,亟需引入新型辅助钻井破岩技术破解此类难题。聚焦于新型激光辅助破岩技术,以坚硬砂岩为研究对象,系统开展了不同时长激光作用后砂岩的力学、可钻性试验,旨在探究激光作用下坚硬砂岩温度场时空演变特性、砂岩表面裂纹的扩展特征及力学参数和钻进效率。结果表明,随着激光作用时间的增加,砂岩表面裂纹由2条逐渐扩展为5条,裂纹面积由6.78 mm^(2)增加到36.85 mm^(2);温度场的演化特征符合高斯分布规律,由热熔融区向低热区呈环状递减,激光照射15 s后达到热平衡,温度场演化趋于稳定;激光照射50 s后砂岩抗压强度、弹性模量降幅最高分别可达74.6%、92.7%,轴向峰值应变从0.52%不断增加到1.65%,表明岩石经激光作用后呈现由弹性状态向半塑性/塑性状态转变的趋势;激光作用50 s后砂岩进尺速率由0.09 mm/s增加到4.30 mm/s,失重比由2.73%增加到27.36%;合理设置激光参数有助于提高破岩效率与降低钻进成本,在照射20 s时砂岩进尺速率和失重比增幅最大,此时可达到更快更经济的破岩目的;研究初步论证了激光辅助破岩技术的高效性与可行性,为深部高效破岩钻进技术提供理论基础。

激光与机械联合破岩钻具气路的流固耦合分析

为适应当前复杂深部地层的钻井需求,结合商用激光技术迅速广泛发展及与能源开发行业的融合趋势,展开了激光与机械联合破岩原理试验研究并研制了原理试验钻具。该钻具采用了实施性和经济性较好的气体保护隔离方案。针对原理试验钻具气路设计的合理性,采用CFD-DEM方法进行流固耦合分析,验证了现有试验用空气压缩机所供高速压缩气流对促进钻屑的循环及保护光学镜组模块的作用。仿真分析结果表明:当直径为2-6 mm随机分布的岩屑颗粒以均值为20 m/s正态分布速度逸出时,相对无气体作用工况,当有0.6 MPa高速压缩气流作用于试验钻具后,5 s结束时刻环空返屑效率提高2倍,阻碍激光传输的岩屑颗粒减少1/3,证明该气路设计对加速岩屑循环和保护光学元件具有积极作用。研究方法与结果对激光破岩中光学模块保护及岩屑移运相关研究具有一定的参考价值。

矿井下连续波激光点燃瓦斯的研究

根据激光破岩产生的温度分布和热爆炸的经典理论，推导出井下气体的点火温度与激光功率和瓦斯浓度的关系．在几种岩石和不同瓦斯浓度下进行了数值计算．给出矿井下应用连续波激光的功率阈值．

激光钻井技术研究进展与展望

采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重,需经常更换钻头,钻井周期长,成本高。而激光钻井技术可大大提高钻井速度,缩短钻井周期。综述了国内外激光钻井技术在激光/岩石/流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学2大基础学科中的研究成果。指出了激光钻井技术面临的诸多问题,深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素。提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术,并阐述了激光辅助破岩技术的原理,为激光钻井技术的发展指明了研究方向。

激光照射花岗岩热裂规律及力学性质试验研究

硬岩隧道掘进慢、成本高是传统机械破岩难以突破的瓶颈,亟需新型高效破岩技术.激光辅助破岩是一种非接触式破岩方法,激光功率、离焦距离和照射时间是影响破岩的重要参数.采用标准圆柱花岗岩试样进行了不同激光照射参数下的破岩试验,研究了温度、比能、热裂效能、强度、组分和裂隙等变化规律.结果表明,激光照射引起岩样表面温度骤升,且温度沿径向迅速衰减,光束附近岩石表面温度梯度高达1200℃/mm.激光照射岩石的射孔速率为0.1~0.7 mm/s,比能为38~151 kJ/cm^(3),热裂效能为459~2680 J/cm^(3).激光照射后岩样抗压强度最大降幅达69%,且岩样组分、矿物胶结及微观结构均发生显著变化,岩样内部裂隙发育、连通性好.激光辅助破岩有助于提高硬岩隧道的掘进效率.

激光钻井技术研究展望

主要介绍了目前在石油领域具有实用价值的七种激光技术。为了保证最高效的钻井应对激光器的类型进行选择。激光深井破岩中高温岩屑运移的多相流动理论和激光钻井破岩中的安全性与环境保护,还有待深入研究。激光钻井的优点主要体现在机械钻速比传统的机械钻速高很多,极大地减少了钻井成本。对激光钻井未来发展所面临的挑战和研究重点做了分析与展望,认为在未来激光钻井研究中,主要应考虑以下五个方面:复杂的地层条件、井眼的清洗和异常压力的控制、井筒中气体对机械钻速的影响、温度和压力的双重影响、斩波脉冲和连续波脉冲的选择。