謝慧，周燕，董懷榮，羅熙 （中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營257017）

目前在我國，激光技術還未應用于輔助鉆井工程領域，相關研究也以理論研究為主。因此筆者希望從試驗入手，獲得第一手資料，做一些基礎研究，為提供一種與機械鉆進結合的激光輔助氣體鉆井系統(tǒng)的技術方案奠定基礎。1997～2004年美國阿貢國家實驗室做了大量激光破巖的試驗［1］，包括早期的化學氧化碘激光器 （coil）激光試驗、釔鋁石榴石晶體脈沖式激光器試驗、多束激光試驗等研究。2010年，日本用二氧化碳脈沖激光器 （最大輸出功率5kW）分別在凈水和膨潤土質量分數為4%的膨潤土溶液淹沒條件下對花崗巖進行了破巖試驗［2，3］。國內江漢石油學院的易先中進行了激光破巖機理與射孔技術以及激光破巖的排屑機理與溫度場特性研究方面的研究［4］。

1 試驗介紹

該試驗將激光照射在花崗巖和致密砂巖上，根據巖石的變化來確定工藝參數對激光破巖的影響，并控制激光功率、離焦量，激光照射時間等參數，來研究激光破巖的最優(yōu)條件。激光輔助破巖系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗材料分別為120mm×120mm×70mm花崗巖和致密砂巖，采用DL－HL5000W橫流CO2激光系統(tǒng)對2種巖石進行破巖效果研究。試驗過程中，研究離焦量、轉速以及激光器的功率3種參數對破巖效果的影響，參數設置如表1。

圖1 激光破巖系統(tǒng)示意圖

表1 激光輔助破巖試驗參數設置表

2 破巖效果分析

2．1 離焦量對破巖效果的影響

在試驗中，以花崗巖和致密砂巖試樣為試驗對象，在恒定700W激光功率下研究不同照射時間和離焦量對鉆孔和破巖的影響。

對花崗巖試樣，鉆孔和破巖直觀效果如圖2所示。當離焦量為83mm和93mm時，在鉆孔正上方形成透明圓形泡狀體，隨著激光照射時間增加，透明泡的直徑變大；當離焦量保持不變的情況下，隨著照射時間增多，逐漸出現裂紋并伴有起翹現象；在離焦量大于等于98mm時，鉆孔附近出現白色斑和透明狀玻璃釉。照射時間對花崗巖試樣去巖量的影響如圖3所示，從圖3可以看出，離焦量等于98mm時去巖量隨照射時間的增加呈遞增趨勢，而離焦量大于98mm時去巖量隨照射時間的增加出現了波動。

圖2 花崗巖破巖直觀效果圖

圖3 離焦量、照射時間對花崗巖破巖的影響

對致密砂巖試樣，鉆孔和破巖直觀效果如圖4所示。激光照射所產生的鉆孔與花崗巖呈現出截然不同的效果，鉆孔內壁較光滑，孔周為白色，熱影響區(qū)在離焦量較小時有明顯的紅色圓環(huán)，隨離焦量與照射時間的增加，紅色圓環(huán)逐漸消失，孔周白色揮發(fā)粉末聚集區(qū)范圍增加。照射時間對致密砂巖試樣去巖量的影響如圖5所示，隨照射時間的增加，不同離焦量的去巖量均呈現遞增趨勢，排除試驗控制影響，離焦量為98～103mm具有較佳的破巖效果。

圖4 致密砂巖破巖直觀效果圖

圖5 離焦量、照射時間對致密砂巖破巖影響

2．2 激光功率對破巖效果的影響

采用控制變量法來進行試驗，保持離焦量不變 （93mm）的條件下，改變激光功率和照射時間，研究不同激光功率和照射時間對鉆孔和破巖的影響。

花崗巖試樣的試驗結果如圖6所示。從圖6可以看出，花崗巖在受到激光照射后，在鉆孔上方形成了透明圓形泡狀體，隨著激光功率的增加和照射時間的延長，玻璃釉的球徑呈增加的趨勢；同一功率條件下，隨著照射時間的延長，玻璃釉球徑逐漸增大，在功率一定的情況下，隨著照射時間的延長，激光的破巖效果先增加后降低；繼續(xù)增加照射時間，激光破巖效果沒有改善，而起翹和開裂減少；與激光照射時間相比較，激光功率對破巖的影響不明顯，激光功率1000W時，產生孔徑最大，但激光功率為800W時，起翹和開裂比較明顯，繼續(xù)增加激光功率，破巖效果降低。

致密砂巖試樣的試驗結果如圖7所示。從圖7可以看出，在激光功率500W和900W時，隨照射時間的增加，去巖量呈現出增加的趨勢，增加激光功率未能實現去巖量的增加。

圖6 功率和照射時間對花崗巖破巖的影響

圖7 功率和照射時間對致密砂巖破巖的影響

3 旋轉破巖試驗分析

實際鉆井過程中，激光器實現輔助破巖裝置，可安裝于旋轉鉆柱或鉆頭中，其工作狀態(tài)為隨鉆柱或鉆頭旋轉鉆進，因此激光器距離旋轉中心的距離 （Ho）以及轉速對破巖效果會造成影響。如圖1所示，試驗中將巖石試樣安裝在由電機驅動的卡盤上以轉速v勻速旋轉，調整激光頭距離旋轉中心的半徑Rn，試驗在不同轉速以及半徑下的破巖效果。假設激光破巖縫寬為δ，縫深為S，則單位時間去巖量V為：

激光固定參量為離焦量＝93mm，功率＝700W，通過控制變量法，改變夾具所在平臺的轉動速度n和激光頭距離軸線的半徑Rn來觀察激光對巖石的作用，對花崗巖和致密砂巖試樣的試驗結果分別如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，對花崗巖而言，轉速50～100r／min、半徑10mm時單位時間去巖量較高。由圖9可以看出，對致密砂巖而言，轉速50r／min、半徑10mm時，單位時間去巖量較高。

4 結 語

通過對花崗巖和致密砂巖試樣的激光破巖試驗，結果表明：2種巖石表現出了不同破巖效果，離焦量、功率、照射時間以及旋轉速度和半徑均對破巖效果具有較大影響。因此，優(yōu)選激光參數對破巖效果至關重要。由于試驗量有限，未對激光照射后的巖性變化進行分析，由此帶來的輔助破巖效果對參數的優(yōu)選存在影響。

圖8 不同轉速和半徑下花崗巖破巖效果

圖9 不同轉速和半徑下致密砂巖破巖效果

［1］徐依吉，周長李，錢紅彬，等 ．激光破巖方法研究及在石油鉆井中的應用展望 ［J］．石油鉆探技術，2010，38（4）：129～134．

［2］易先中，祁海鷹，余萬軍，等 ．高能激光破巖的傳熱學特性研究 ［J］．光學與光電子技術，2005，3（1）：11～13．

［3］Kobayashi T，Nakamura M，Okatsu K，et al．Underwater laser drilling：drilling underwater granite by CO2laser［J］ ．SPE113177，2008．

［4］馬衛(wèi)國，楊增輝，易先中，等 ．國內外激光鉆井破巖技術研究與發(fā)展 ［J］．石油礦場機械，2008，37（11）：11～17．