激光破巖技術發展現狀及未來發展方向

牟海維，辛朋輝，羅偉

（1.東北石油大學電子科學學院，黑龍江大慶　163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術及儀器儀表工程研發中心，黑龍江大慶　163318）

專論與綜述

激光破巖技術發展現狀及未來發展方向

牟海維1，2，辛朋輝1，羅偉1，2

（1.東北石油大學電子科學學院，黑龍江大慶163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術及儀器儀表工程研發中心，黑龍江大慶163318）

近年來，深層油氣田的開發需求逐漸增加，對鉆井技術的要求也越來越高，傳統的機械旋轉鉆井技術在鉆探深層地質高硬度巖石時略顯乏力。激光鉆井技術以其成本低、效率高、安全性好、對地層傷害小等特點在鉆井領域引起了廣泛的關注。相關的理論和實驗研究已經取得了一定的成果，本文總結了近年來激光破巖技術的理論和實驗研究成果，展望其發展前景，并對該技術發展中亟待解決的問題作了簡要介紹。

激光；破巖；鉆井技術；熔化巖石；氣化巖石

地下儲藏的油氣資源十分豐富，是支撐人類社會進步和發展的重要能量來源。隨著長時間的開采，部分地區已探明的淺層地層中的油氣資源已經得到了充分的開采。然而，深層地層高硬度巖石下蘊藏著豐富的油氣資源，傳統機械旋轉鉆井方式在高硬度的巖石鉆探方面遇到了一定的困難，尋找一個節能、安全高效的破巖方法是目前研究中的一個熱點。激光鉆井的概念最早由麻省理工學院在1968年提出，他們對激光破巖過程進行了實驗研究［1］。通過研究發現，激光器的類型和屬性，激光功率的大小、曝光時間、弛豫時間、重復次數等因素都會對激光鉆井效果產生巨大的影響。相比于其他的鉆井方式，激光鉆井在鉆進效率、環境友好、安全性等方面具有明顯的優勢，激光鉆井的滲透效率是傳統鉆井技術的8～100倍［2］，激光鉆井在鉆進過程中沒有鉆井液等其他化學物質的添加，產生的廢物主要是巖石的碎片和熔化的液體，對環境影響較小，而且巖石熔化形成的液體會在鉆孔周圍井壁上形成保護層，有效的防止井壁內液體流入地層中，即保護周圍地層和地下水質，又降低了井噴和井漏等嚴重事故的發生幾率。國內外學者和公司都對其應用前景產生了濃厚的興趣，并積極開展了多方面的理論和實驗研究［3］。本文將對激光破巖的原理、國內外發展現狀和激光破巖研究中需要解決的問題作簡要的介紹。

1　激光鉆井原理

激光鉆井的基本原理是通過傳輸介質將高能激光束傳輸到巖石表面，高能激光與巖石發生熱作用，以熱碎裂、熱熔化、熱氣化等方式將巖石變成易于清除的碎屑或者巖漿，利用氣流或者其他輔助工具將巖石的碎屑或者巖漿清除，實現激光鉆井的目的［4，5］。激光器類型、離焦量、曝光時間和照射次數等因素都會對激光破巖的效果產生影響，激光器類型對破巖的效率和效果產生影響，激光功率的大小會直接影響鉆孔的深度，離焦量和曝光時間都會影響鉆孔的深度和直徑。

激光破巖的機制主要包括熱碎裂、熱熔化和熱氣化三種。

1.1熱碎裂

固態巖石的內部晶體結構較為穩定，其內部導熱性較差，這就給激光破巖的實現提供了客觀的條件。利用激光對巖石的局部進行加熱，在巖石表面沒有達到熔點的情況下，巖石受熱部分的溫度急劇升高，導致受熱部分的巖石與其周圍部分產生較大的溫度差，從而在巖石之間產生較大的熱應力，在熱應力超過巖石的破壞閾值時，巖石就會發生熱碎裂。

假設巖石受到激光照射導致溫度升高的部分與其周圍的巖石產生了一個數值為ΔT的溫度差，那么溫度升高的部分與其周圍的巖石就會產生熱應力，巖石熱應力的方程為：

其中：σij-應力；εij-應變項；δij-Kronecker Delta函數；λ-拉梅常數；G-剪切模量；β-熱應力系數，其值由位移邊界方程給出：

其中：α-巖石的熱膨脹系數［6］。

巖石內部的微觀晶體結構具有不均勻性，以巖石內部一個微小的單元為一個單位，分析這個單元受力后形變情況來分析巖石是否達到破碎的條件。樣本單元在激光器加熱的情況下，內部會產生拉伸應力和壓縮應力，這兩種力的大小直接決定單元能否發生形變。單元受熱應力發生損傷情況用D來表示，當單元受到拉伸應力時：

其中：σtr-拉伸損傷殘余強度；εt0-彈性極限拉應變；εtu-最大拉應變；E0-初始彈性模量［6］。當ε＜εt0時，晶體單元沒有被破壞，巖石未發生形變；當εt0≤ε≤εtu時，單元處于彈性形變區，巖石處在即將要碎裂的臨界狀態；當ε＞εtu時，晶體單元完全被破壞，巖石發生形變，導致巖石碎裂。

因此，單元受到拉應力發生應變的關系為：

單元受到壓縮應力時：

其中：σcr-剪切損傷殘余強度；εc0-壓應變彈性極限；E0-初始彈性模量［6］。當ε＜εc0時，巖石所受到的壓力沒有達到壓應變彈性極限，晶體單元沒有被破壞，巖石未發生形變；當ε≥εc0時，巖石受到的壓力超出壓應變彈性極限，晶體單元被破壞，巖石發生形變，發生碎裂。

單元受到壓應力發生應變的關系為：

當激光提供的熱應力場大于巖石破裂條件時，就可以在巖石表面產生裂紋，從而可以通過物理方法清除巖石，達到破巖的目的。

1.2熱熔化

激光照射的巖石部分溫度會升高，如果巖石的延展性較好，適當調整激光功率、離焦量、弛豫時間和照射次數等因素，如短時間內持續的照射或者多次照射就會導致巖石在發生碎裂之前局部溫度達到熔點，發生熔化現象。

假設一束均勻分布功率為P0的激光照射到巖石上，熔化模型給出的巖石移除速度u為：

其中：ρ-巖石樣本密度；C-巖石的比熱容；S1-熱核邊界面；S2-巖石外表面；η-巖石對光的吸收率；T-巖石的絕對溫度分布；Tm-巖石熔點；T0-巖石初始溫度；K-熱傳導系數；M-熔化潛熱；σ-斯特潘常數；▽T-溫度梯度［7］。

通過公式（7）可以看出，激光熔化巖石的速度與巖石密度、比熱容、巖石熔點等屬性密切相關，給出巖石密度、比熱容、巖石熔點、巖石初始溫度、巖石潛熱等條件就可以得到巖石移除速度u和比能量值（M+ CTm）ρ/η。其中比能量值即為熔化單位體積巖石所需要的能量。

相比于激光熱碎裂破巖的方式，熱熔化的方法存在以下幾個缺點：（1）激光作用到熔化狀態下的巖石會發生較為復雜的化學變化；（2）熔化的巖漿從鉆孔處清除的難度較高；（3）沒有被及時從孔徑處清除的巖漿會吸收激光的能量。由于以上三點原因，熱熔化破巖的實際效率要低于熱碎裂。

1.3熱氣化

熱氣化是激光器發出的能量作用到固態或者液態的巖石上，讓巖石從固態或者液態轉化為氣態排出的過程。相比于前面的兩種情況，巖石受激光照射氣化需要比較高的激光功率，較短的弛豫時間。激光氣化巖石的優點是：將巖石轉化為氣態有效的避免了巖石碎屑或者巖漿在孔壁附近重凝的現象，其缺點也很明顯，將巖石氣化會消耗更多的能量，產生的氣體會對輔助氣流的風速、氣壓等因素造成一定的影響，從而導致鉆井效率不高。

假設一束均勻分布功率為P0的激光照射在巖石上，氣化模型給出的巖石移除速度u為：

其中：G-巖石氣化潛熱；Tg-巖石的氣化溫度；C-比熱容；M-熔化潛熱；其余變量與公式（7）中定義相同［7］。

從氣化模型的公式可以看出，巖石氣化模型與熔化模型的差別只是在比能量值部分中加入了G，比能量值變成（G+M+CTm）ρ/η，這也就導致了如果想要達到熔化巖石時的鉆進速度就需要消耗更多的能量，所以以氣化的方式移除巖石要比熔化的方式效率更低。

從以上三種激光鉆井方式中可以看到，激光碎石的鉆井方式對激光能量的利用效率是最高的，而且碎化的巖石沒有發生復雜的化學變化，對環境較為友好［8，9］。

2　國內外激光鉆井技術研究情況

2.1國外研究現狀

美國在此領域的研究一直處于領先的地位，此外俄羅斯、加拿大以及日本等國家對激光破巖理論的研究相對較早。隨著激光破巖技術的發展，伊朗等國也開展了深入的理論和實驗研究，并且在激光射孔、激光破巖效率等方面取得了一定的成果。

1997-2003年，美國氣體研究學會、科羅拉多礦業大學、美國能源部以及美國軍隊科研機構開展了廣泛的激光鉆井理論研究工作。美國和俄羅斯在2000年完成了室內情況下激光鉆井破巖的可行性實驗，實驗結果顯示針對不同的地層，激光破巖的速度是傳統機械鉆井速度的10～100倍［9］。Graves R M等認為激光能量轉移到巖石中，一部分能量會發生反射和散射，一部分能量會被吸收，被巖石吸收的這部分能量會導致巖石吸收熱量并且可能被破壞。美國的PHILLIPSE公司選擇光纖作為傳輸氧碘化學激光器的能量，在現場做激光鉆孔的試驗，得到直徑為25.4mm的孔，并且激光鉆井10 h的工作量需要傳統鉆井技術10 d去完成［10］，證實了激光破巖技術的實用價值。

2004年，Gordon等從研究數據的角度對近幾年研究數據進行整理表明，激光照射時間和激光功率是決定激光破巖能否成功的主要因素，激光功率越大激光破巖的速度越快，而且在巖石上鉆出的孔越深。隨后Z.Xu等在2005年對激光破巖物理過程進行建模，將整個激光破巖的過程結合成一個數值計算方法進行數值模擬，模擬結果表明：激光破巖過程中，適當的增加弛豫時間可以有效的防止對巖石同一個位置照射時間過長而導致巖石熔化［11］。

2009年，美國石油公司對一種新型的激光鉆孔技術進行了現場試驗，試驗表明：激光鉆孔孔壁周圍巖石的滲透率變高，油氣更容易進入井筒，該方法對地層破壞小。張恒以砂巖、頁巖、灰巖為樣本，選用Nd：YAG激光器對樣本進行切割試驗，得出以下幾個結論：（1）激光照射時間增加，比能值在增長，說明在這個過程中，存在能量的二次消耗；（2）激光脈沖寬度的增加能減小比能，且影響較大，脈沖重現率也對比能有影響；（3）比能隨著激光參數的改變而變化；（4）激光可以穿過水來破碎或者熔化巖石［12］。同年日本的Toshio等在50mm水深中對花崗巖鉆出直徑為50.8mm的小孔，證明了激光鉆井在水下操作的可行性［13］。在這之后Keshavarzi.R等進行了激光鉆孔和破碎巖石的試驗，試驗表明：高功率光纖激光器鉆孔具有一定的優勢，孔壁周圍巖石的滲透率明顯變高，水力壓裂操作在強度變低的巖石中更容易操作［14］。在2013年，M.Bazargan等針對鉆小孔這樣一個鉆井領域的難題，選擇普通鉆頭輔助激光鉆頭，達到了鉆小孔的目的［15］。

2.2國內研究現狀

相比于國外在激光鉆井領域的研究情況，國內專家在此領域研究起步較晚，但已經取得了較為明顯的成果。

1997年，海彥合在假設巖石的物性不隨溫度而變化的情況下，推導出在激光作用下各向同性的半無限大巖石層內的剩余溫度分布公式，并且得到了巖石內部剩余溫度與激光作用巖石半徑之間的曲線關系，為激光破巖的研究提供了理論基礎［16］。從1998年開始，易先中等在激光鉆孔技術方面做了深入的實驗研究。他們在室內的條件下進行了試驗，結果表明以砂巖和頁巖為樣本的情況下，激光鉆孔的鉆井速度可達到105m/h～115m/h，是傳統鉆井速度的10倍以上［17］。隨后易先中在2002年開始對激光鉆孔儲層物性的研究進行了試驗，試驗表明激光破巖基本上是以熱碎裂、熔化和氣化的方式將巖石進行破壞，受到激光照射的巖石溫度場發生劇烈變化，巖石內部結構發生改變，巖石的滲透率提高到4倍左右［17］。鄭志遠等研究了超短脈沖激光對巖石的燒蝕情況，他們通過超短脈沖激光照射干燥和浸水狀態下的巖石樣本發現巖石的種類，激光頻率和曝光次數都對燒蝕效果有影響，浸水后的燒蝕效果好于干燥條件下的燒蝕效果［18］。易先中等在2005年通過實驗研究了激光破巖時巖石內部溫度場的特性以及激光碎巖的排屑機理。實驗發現：巖漿如果不被及時的清除，會在巖石表面形成凝固層，巖石會有裂紋的出現。在激光能量以矩形脈沖的形式進行激光鉆井時，巖石出現灼傷痕跡，井壁周圍出現巖石碎屑堆積和熔化的巖石液體重新凝結現象［19］。

2008年，李密等對激光破巖理論進行了數值的模擬，模擬結果表明：巖石內部溫度突變的位置能產生較大的熱應力，采用帶有多光闌的光斑能提高破巖速度，激光功率閾值隨著巖石的碎化、熔化、氣化依次上升，效率依次下降［7］。隨后柯珂在這基礎上，結合傳熱學和彈性力學基本理論進行了模擬，模擬結果表明：針對不同的巖石，激光破巖的機理是不同的，并且通過建立熱應力模型的方式找到巖石裂縫初始區域［20］。

圖1　改變離焦量和作用時間鉆孔深度和直徑的變化

2013年，李美艷等以砂巖為樣本，給出700 W～1 000 W激光功率，離焦量83mm～108mm，作用時間1 s～5 s，進行了一系列的試驗，得到一系列小孔（見圖1），試驗表明：離焦量和作用時間是影響鉆孔直徑和深度的重要因素，離焦量增大鉆孔深度和直徑先增大后減小，激光功率的增大鉆孔直徑略有減小，深度會增加［21，22］。

3　激光鉆井技術未來主要研究的問題

雖然相比于傳統鉆井技術，激光破巖技術已經在理論和實驗上被證明具有許多優勢，但是其距離實際應用還需要解決一些重要的理論問題，概括起來包括以下幾個方面［23-25］：

（1）激光破巖過程中，巖石的屬性與能量吸收率之間有著怎樣的關系。

（2）從已經研究出的成果中可以看出，激光破巖后井壁周圍的巖石內部微觀結構發生變化，從而導致滲透率和強度都發生了變化，但是激光具體怎樣影響巖石內部的微觀結構，還沒有去深入的研究。

（3）巖石在碎化、熔化或者氣化后產生廢物的體積或者氣壓的變化都會與輔助氣流相互作用，從而對排屑效果產生影響，這種影響機制還有待研究。

（4）在激光破巖的過程中，遇到強堿地、地勢結構復雜等情況，激光鉆井可能會污染環境等問題都有待研究。

（5）激光在遠距離傳輸的情況下，如何保證傳輸效率是需要解決的一個重要問題。

4　總結

激光破巖技術在經過了過去幾十年的發展，在激光破巖機理、清巖機理等方面都取得了一定的成果，但是這些研究還沒有真正的應用到實際的生產中去檢驗它們的可行性。總之，激光破巖技術是一個值得深入研究的方向，此研究領域學科交叉性強，涉及面廣，還有大量的問題有待研究和解決。大型激光器的小型化、激光鉆井過程中如果發生井眼坍塌或者井噴、激光是否會破壞油氣儲層、激光鉆井的成本等，這些問題都制約著激光鉆井技術的發展和在實際生產中的應用。隨著激光技術的發展和對于激光與巖石相互作用機理的深入研究，這些問題都能夠獲得解決，從而使激光鉆井技術從實驗室走向實際應用。

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Development status and future development of laser breaking technology

MOU Haiwei1，2，XIN Penghui1，LUO Wei1，2
（1.College of Electronic Science，Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China；2.Research and Development Center of Measurement Technology and Instrument and Meter Engineering of University and College in Heilongjiang Province，Daqing Heilongjiang 163318，China）

In recent years，the needs of exploiting the deep oil is gradually increasing，the requirement of the drilling efficiency is much higher when facing the deep ground hard rock，traditional mechanical drilling technique has reached it limitation.Laser drilling technology has been widely concerned as the next generation of drilling technology because of its low cost，high efficiency，safety，least damage to the formation and so on.Relevant theoretical and experimental studies have been made for certain situations，the prospect of laser drilling technology，recent progresses in the theories and experiments and the problems encounteredin the study are summarized in this paper.

laser；rock breaking；drilling technology；molten rock；gasification rock

TE242.9

A

1673-5285（2016）08-0001-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.001

2016-06-30

高等學校教學研究項目，項目編號：DWJZW201405db；黑龍江省高等教育教學改革項目，項目編號：JG2014010639；黑龍江省留學歸國人員科學基金資助項目，項目編號：LC2013C02；黑龍江省教育廳海外學人科研資助項目，項目編號：1253HQ014。