半導體激光輔助花崗巖鉆孔的研究

蔡錦達，鹿文凱

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

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半導體激光輔助花崗巖鉆孔的研究

蔡錦達，鹿文凱

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

為了研究在激光輔熱作用下影響花崗巖鉆孔深度的相關(guān)參數(shù)。采用500 W半導體激光器對花崗巖進行加熱后鉆孔處理，研究了氣壓大小、激光功率、光斑大小、鉆頭類型對鉆孔深度的影響。實驗結(jié)果表明，激光功率是影響鉆孔深度的重要參數(shù)，且鉆孔深度隨激光功率的增加而增加；在功率達到峰值，氣壓大小為0.05 MPa，光斑直徑略大于鉆頭直徑，采用鎢鋼刀片進行鉆孔時可獲得最大鉆孔深度。

半導體激光；巖石加熱；鉆孔深度；相關(guān)參數(shù)

鉆探工程是油田開采中重要的一項工程，而現(xiàn)階段的油層大多埋藏較深，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，尤其是存在較為堅硬的巖層比如花崗巖，因此鉆井技術(shù)是石油鉆探過程中重要的環(huán)節(jié)[1]。由于巖石本身力學特性較為復(fù)雜，破巖的難度相對較大，鉆孔普遍存在鉆速較慢、成本高、周期長等問題[2]。利用激光的高能量密度，可靠性高的特點，已成為應(yīng)用于各個領(lǐng)域的研究工作[3-5]。國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)對激光輔助破巖鉆井的實驗進行了一些初步的研究[6-10]。闡述了激光與巖石相互作用機理，通過激光對巖石表面進行加熱使之發(fā)生開裂破碎，然后用鉆頭對力學特性改變的巖石進行機械破巖，并對巖石的可鉆行進行評價。本文通過半導體激光器加熱花崗巖的同時用鉆頭進行破巖鉆孔，利用半導體激光器結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)，指向性好、亮度高和聚光性能好等優(yōu)點，研究了激光功率，光斑大小，氣壓大小，鉆頭類型等參數(shù)對鉆孔深度的影響。

1 激光與巖石相互作用原理

當高能激光作用于巖石表面時，巖石對激光存在3種作用：反射、散射及吸收，激光的能量在這3種方式下被消耗掉。激光與巖石的作用過程中的能量平衡方程用式(1)[11]表示

Ein=Eref+Esca+Eabs

(1)

式中，Ein為激光入射到巖石表面的能量；Eref為巖石反射出的能量；Esca為巖石散射的能量；Eabs為巖石吸收的能量。 取決于激光的各項參數(shù)，如激光強度、光束直徑、照射時間等；Eref、Esca和Eabs取決于巖石自身的性質(zhì)，如表面粗糙度和顏色等。激光照射在巖石表面時一部分能量由于反射和散射而損失，這部分能量不能對巖石形成破壞，只有被巖石吸收的能量才能破壞巖石[12]。

激光對巖石的熱破壞包含一個從熱破碎到熔化的過程。激光的熱破碎是指巖石在吸收激光的熱量之后在巖石內(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。一旦巖石受熱達到其熔點，巖石就會熔化，轉(zhuǎn)而以熔化方式被破壞[13-14]。

2 試驗材料及方法

本文采用的實驗材料為花崗巖，尺寸為200 mm×200 mm×30 mm,激光鉆孔實驗是在一個簡易的試驗平臺上進行的。整個試驗裝置包括巖石夾具、500 W半導體激光器、聚焦光學系統(tǒng)、電鉆、運動平臺等部分組成。在研究激光輔助花崗巖鉆孔的實驗中，鉆孔深度可作為衡量激光輔助鉆孔效果的重要指標?？自缴?，說明鉆孔的效果越好。因此，在進行實驗時主要是通過在不同實驗條件下，鉆孔深度的不同來衡量各激光參數(shù)對破巖鉆孔效率的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 氣壓大小對鉆孔深度的影響

(1)本實驗是為了研究氣壓大小對鉆孔深度的影響。激光的輸出功率為200 W，氣壓大小分別為0.05 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa，鉆頭采用直徑為6 mm的鎢鋼鉆，光斑大小為7 mm，巖石樣品為花崗巖面板。不同氣壓下重復(fù)3次，實驗測量鉆孔深度如表1所示。

表1 鉆孔深度隨氣壓大小的變化規(guī)律

圖1 實驗中在不同氣壓下激光輔助鉆孔的宏觀形貌

本次試驗的主要目的是在激光功率、光斑大小、鉆頭類型相同的情況下，研究氣壓大小對鉆孔深度的影響，激光加熱使光斑處的巖石融化然后通過鉆頭將軟化掉的巖石刮除，通過改變氣壓大小來改變鉆頭的沖擊力。測量數(shù)據(jù)如表1所示，隨著氣壓的增加，鉆孔的深度有相應(yīng)的增加但增量并不明顯。由圖1實驗中不同氣壓下激光輔助鉆孔的宏觀形貌可看出，圖1(a)中在0.05 MPa的氣壓下鉆頭能將熔化的巖石完全刮除，且底部比較光滑，鉆孔效果較好；圖1(b)中0.1 MPa時孔周圍存在少量玻璃釉物質(zhì)，底部刮除比較干凈，巖石出現(xiàn)斷裂破壞較為嚴重；圖1(c)中0.2 MPa時孔周圍存在少量玻璃釉物質(zhì)，孔洞相對比較光滑。由此可推斷，氣壓的大小對鉆孔深度的影響較小，且較低的氣壓即可滿足鉆孔要求。

3.2 激光功率對鉆孔深度的影響

本實驗是為了研究激光功率對鉆孔深度的影響。試驗中，激光的輸出功率范圍為0～360 W。鉆頭采用6 mm鎢鋼鉆頭，光斑大小為7 mm，對鉆頭施加的壓力為0.05 MPa，在實驗中，分別采用0 W，70 W，130 W，200 W，250 W，360 W不同功率的激光照射，依次測量鉆孔深度，得出不同激光功率對鉆孔深度的影響。

圖2所示是常溫狀態(tài)下和不同功率下花崗巖在半導體激光輔助鉆孔后的宏觀形貌。圖2(a)為常溫下鉆孔時間為4 min時的鉆孔狀況(鉆孔過程為間斷進行)，推動鉆頭的壓力約為0.05 MPa，在此條件下的鉆孔深度僅達到了4 mm，鉆孔表面比較光滑，沒有塑形變形和斷裂現(xiàn)象。在鉆孔過程中鎢鋼鉆頭表面發(fā)熱嚴重，鉆頭在4 min時已產(chǎn)生裂紋，巖石孔中是氧化和磨損留下的黑色痕跡。圖2(b)中可看出，當激光功率為70 W時，鉆孔深度為2.5 mm，此時鉆頭能夠很容易地將鉆孔中融化的巖石完全刮除，且此時鉆孔的表面出現(xiàn)了明顯破裂，未出現(xiàn)塑性變形；圖2(c)是激光功率為130 W時鉆孔的外觀形貌，鉆孔深度為4.2 mm，孔內(nèi)的玻璃釉物質(zhì)未能被完全刮除，同時巖石的表面發(fā)生開裂；圖2(d)是激光功率為200 W時鉆孔的外觀形貌，鉆孔深度為6.8 mm，深度逐漸增加，孔壁上存在玻璃釉物質(zhì)；圖2(e)是激光功率為250 W時鉆孔的外觀形貌，鉆孔深度為10.9 mm，孔壁上存在玻璃釉物質(zhì)，且孔的底部相對干凈；圖2(f)是激光功率為360 W時鉆孔的外觀形貌，鉆孔深度為20 mm，此時鉆孔深度得到了明顯增加，同時孔內(nèi)玻璃釉物質(zhì)明顯增加。由不同功率下鉆孔深度繪制曲線如圖3所示，隨著激光功率的增大，鉆孔深度得到了明顯的增加。由此可見，功率是影響鉆孔深度的重要參數(shù)。與常溫狀態(tài)下鉆孔狀況，即圖2(a)作比較，在激光加熱的條件下，鉆孔效率得到了明顯的提高且鉆頭未出現(xiàn)斷裂或損壞延長了鉆頭的使用壽命。

圖2 不同功率下激光輔助花崗巖鉆孔的宏觀形貌

圖3 激光功率對鉆孔深度的影響

3.3 光斑大小對鉆孔深度的影響

本實驗是為了研究光斑大小對鉆孔深度的影響。試驗中，激光的輸出功率為200 W。鉆頭采用6 mm鎢鋼鉆頭，通過調(diào)節(jié)聚焦鏡的位置將光斑的大小分別設(shè)置為6 mm，7 mm和8 mm。對鉆頭施加的壓力為0.05 MPa，分別進行3次鉆孔實驗，依次測量鉆孔深度，得出不同光斑大小對鉆孔深度的影響。

表2 鉆孔深度隨鉆頭類型的變化規(guī)律

試驗的主要目的是在激光功率、鉆頭類型和氣壓相同的情況下，研究光斑大小對鉆孔深度的影響。實驗過程同上，采用不同大小的光斑加熱鉆孔后測量鉆孔深度的數(shù)據(jù)如表2所示。從3組實驗數(shù)據(jù)中可看出，當光斑大小為Φ7時，鉆孔效果最好。光斑大小為Φ6和Φ8時鉆孔深度相差不大。由此可知當激光的光斑略大于鉆頭的直徑時，鉆頭的鉆孔效果最佳，當激光的光斑過小時由于融化掉的巖石區(qū)域過小，使鉆頭不能快速將融化掉的巖石刮除掉，影響鉆孔的深度。當激光的光斑過大時導致激光的能量密度降低，從而使鉆孔深度降低。即當光斑大小略大于鉆頭大小時，鉆孔的效果最佳。

3.4 鉆頭類型對鉆孔深度的影響

本實驗是為了研究鉆頭類型對鉆孔深度的影響。試驗中，激光的輸出功率200 W。光斑的大小為7 mm，對鉆頭施加的壓力為0.05 MPa，使用的鉆頭包括麻花鉆(Φ6×150)、鎢鋼鉆(Φ6x×150)、鎢鋼刀片(1.5×6×150)。進行多組實驗，測量不同鉆頭下的鉆孔深度，得出鉆頭類型對鉆孔深度及鉆孔質(zhì)量的影響。

表3 鉆孔深度隨鉆頭類型的變化規(guī)律

圖4 不同鉆頭類型下激光輔助花崗巖鉆孔的宏觀形貌

本次試驗的主要目的是在激光功率，光斑大小，氣壓相同的情況下，研究鉆頭類型對鉆孔深度的影響。實驗過程同上，3組測量數(shù)據(jù)如表3所示，采用麻花鉆時鉆孔深度最淺，鎢鋼鉆鉆孔深度相對較深，鎢鋼刀片鉆孔深度明顯增加。說明采用鎢鋼刀片能更為有效的提高鉆孔深度。圖4為不同鉆頭類型下激光輔助花崗巖鉆孔的宏觀形貌。圖4(a)是在普通麻花鉆鉆孔的情況下，孔的底部存在較多玻璃釉物質(zhì)，說明麻花鉆不能有效地將底部融化掉的巖石刮除掉。鉆頭頂部出現(xiàn)了軟化且磨損嚴重，鉆頭的壽命明顯降低。圖4(b)是在鎢鋼鉆鉆孔的情況下，孔底部融化掉的巖石基本被刮除，四周存在少量的玻璃釉物質(zhì)，鎢鋼鉆頭出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。由此推斷可能鉆孔的深度受到刀具結(jié)構(gòu)的影響。圖4(c)采用鎢鋼刀片條鉆孔，孔深明顯增加，說明鉆頭的類型和材質(zhì)對鉆孔深度的影響較大。此時在鉆孔周圍存在大量熔化的玻璃釉物質(zhì)，這是由于隨著鉆孔深度的增加，孔內(nèi)部大量的玻璃釉物質(zhì)從底部被刮除，當溫度下降時，玻璃釉物質(zhì)會在鉆孔周圍迅速凝固。

4 結(jié)束語

(1)采用半導體激光輔助花崗巖鉆孔過程中，激光功率是影響鉆孔深度的重要影響因素，隨著激光功率的增加鉆孔深度得到明顯的增加；適當?shù)墓獍咧睆?、氣壓大小、鉆頭類型對于提高鉆孔深度具有重要意義;(2)激光照射后，開始時花崗巖表面會出現(xiàn)透明的玻璃泡，隨后在鉆孔的內(nèi)部會生成玻璃釉物質(zhì)，同時巖石由于熱膨脹會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象;(3)由于半導體激光器具有較高的能量密度，成本相對較低，且可以通過整形技術(shù)取得萬瓦以上的功率，在高溫加熱鉆孔中具有較大的優(yōu)勢和潛力。在深井油田的鉆井過程中，尤其是對較硬巖層的鉆探工程中，在鉆頭滿足要求，運用半導體激光器加熱巖石的情況下，功率越高鉆孔深度越明顯且鉆井效率可得到顯著提高。

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Preliminary Research of Granite Drilling Assisted by Diode Laser

CAI Jinda，LU Wenkai

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In this paper, in order to study related parameters of effecting drilling hole depth of granite. The granite is drilled after heating by Semiconductor laser device whose maximum power is 500 W, the work studied the infl-uence of pressure size, laser power, spot size, bit type on the depth of borehole. The results showed that the laser power in the drilling depth is an important parameter. With the increase of laser power, the depth of borehole has been significantly increased. When laser power is peak, pressure size is 0.05 MPa, spot size is slightly bigger than the diameter of the drill bit, drill bit type is tungsten steel blade. Drilling depth is maximum.

diode laser; heating rock; drilling depth; correlation parameters

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.050

2016- 02- 22

蔡錦達(1963-)，男，教授，碩士生導師。研究方向：機電一體化。鹿文凱(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：機電一體化。

TN248；TE 249

A

1007-7820(2016)12-183-04