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1、（一）激光的重要特性（二）激光直接破岩机理（三）激光破岩的影响因素 （四）激光钻头的设计（五）激光钻井的优势激光钻井技术主要内容激光钻井技术激光钻井技术引言 激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学及无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术。这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性，如亮度高、单色性方向性好等。基于以上特点，为了发展快速钻井技术，人们积极推进激光钻井技术的研究。一、激光的重要特性目前已开发的几种高能激光器目前已开发的几种高能激光器1H（DF）激光器：氟化氢（H）和氟化氘（D）激光器分别以波长263um和354um之间运作。2rF（激元）激光器：氟化氪
2、激元激光器以短脉冲方式工作在紫外波段，波长.um。3C02激光器：二氧化碳激光器以波长106um运作。目前已开发的几种高能激光器目前已开发的几种高能激光器4CO激光器：一氧化碳激光器以波长495um运作。5FEL激光器：游离电子激光器通过高能量的电子运作。.d:YAG激光器：掺钕钇铝石榴石激光器以波长.um运作。.COIL激光器：美国空军研究实验室的化学氧碘激光器以波长l315m运作，很容易在大气中或光纤中传输。化学氧碘激光器（）化学氧碘激光器（）简图简图，化学和，化学和能量能量图图示示实验装置 二、激光直接破岩机理激光直接破岩的基本原理是，利用高高能光束能光束使岩石基质材料局部快速加热局部快
3、速加热，由固态瞬间相变到热熔热熔和汽化汽化状态，并形成气液固多相混合物多相混合物，然后由高速辅助气流将其携走和排除，以快速形成井眼。图图1 1激光破岩装置图激光破岩装置图激光直接破岩机理激光照射加热在激光热量接近而未达到岩石的液化潜热时击碎岩石热裂为松散碎片在激光热量达到或超过岩石的液化潜热时岩石熔融为液态岩石由固态直接或间接变为气态在激光热量达到或超过岩石的汽化潜热时熔化蒸发激光直接破岩的主要物理化学现象比能：表示移除单位体积岩石所需要的能量。它是比较不同破岩方式效率的标准量之一，可表示为：二次作用：泛指岩石开始熔化后，所有引起激光作用于岩石能量损失的因素，它包括岩石矿物的重复熔化，井眼内矿
4、物和气体的分解、裂缝的形成等。相关概念激光辅助破岩技术比能与激光平均功率的变化关系岩石的热裂三、激光破岩的影响因素 带有有纤维光光缆的激光三牙的激光三牙轮钻头1 输送激光到井底的纤维光缆2 激光头(1)岩石性质岩石的热导率：粘土在激光辐射下易分解气 化，导致体积膨胀压力增大。砂泥岩导热性能好，且含 有粘土，而石灰岩的热导率较砂泥岩低且其中粘土和 石英的含量也较低，所以导致砂泥岩比石灰岩更容易 形成裂缝，因而砂泥岩更容易被破坏。(2)裂缝：砂泥岩中往往含有裂缝或其他缺陷，地 层流体充注于其中。在激光辐射作用下，泥岩温度升 高使其中的流体气化，这一过程会造成能量损失，而流 体气化后体积膨胀压力增大
5、，又会进一步地促进裂缝 的形成。可见，裂缝的存在也会引发二次效应，由此导 致的能量损失同样不容忽视。(3)矿物组成：岩石的性质取决于其组成矿物的性 质，矿物的物理性质及胶结方式决定了岩石的热物理 性质，因而也影响到激光射束与岩石的相互作用。例 如，当激光射束作用于碳酸盐岩时，二次效应非常显 著。这是因为方解石受热后迅速脱水并消耗能量，而 之后水的气化又会消耗一部分能量。于是，岩石吸收 的能量就减小了比能随之增大，从而需要消耗更多能量。 (4)胶结强度。胶结强度主要是通过影响岩石的导 热性能来影响岩石与激光的相互作用。组成岩石的矿 物颗粒之间胶结越强，岩石的热导率就越大。热应力 达到岩石的极限强
6、度后，如果岩石胶结不好，则其较差 的导热性能使岩石吸收能量的速度大于能量从其中逸 出的速度，因而岩石开始熔化，并消耗更多的能量，这 不利于岩石的热破碎，且使破岩效率降低。四、激光钻头设计1 激光头；2 吸管(水眼) 3 压力补偿膜4 储油密封机构 5 牙爪6 止推面7 轴承8 关闭状态9 钻井时开启状态10 牙爪(硬金属保护层)11 牙轮轴12 牙齿13 轴颈14 滚珠15 牙轮 16 齿距激光三牙激光三牙轮旋旋转钻头剖面剖面图激光钻头设计激光固定切削刃激光固定切削刃钻头1 API 标准销钉连接2 钻杆3 补偿面4 锥齿轮5 钻头装卸器槽6 轮轴7 金刚石爪垫8 保径齿排9 切削齿10 快门1
7、1 焊缝12 钢心13 硬质合金胎体14 抬肩激光钻头设计激光三牙激光三牙轮旋旋转钻头井下井下结构构1 外部钻具；2 井下马达；3 井壁4 激光发生管；5 激光头；6 三牙轮钻头激光钻头的优点更快的机械钻速；钻头磨损小,钻头寿命长；起下钻次数减少；可用于所有类型(水平井、垂直井、定向井)的钻井；同一个激光发生装置可以多次重复利用。与常规钻井相比，激光钻井具有如下潜在优势：1.激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场；2.激光钻井的井场很小，也许只有普通井场的十分之一甚至更小；3.激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快，用常规钻井方法需要100d才能钻成的井，用激光钻 井也许只需10d时间；五、激光
8、钻井的优势4.激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶瓷样的保 护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低，也许只有常规旋转钻井的十分之一甚至更低；5.激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面，对环境的影响微 乎其微；激光钻井技术的未来发展激光钻井技术由概念设计到实际应用还要面临以下几个方面的挑战：1.在激光钻井过程中，井筒中的气体影响机械钻速，可能导致事故。2.考虑到温度和压力的双重影响，岩石应力增加了比能，高的热导率导致了温度的扩散，温度的扩散引起孔隙度和渗透率的变化，从而导致了岩石强度的下降。3.在激光的作用下，所有岩石的杨氏模量、剪 切模量、体积模量和联合模量减小。4.对斩波脉冲和连续波脉冲的选择，结合岩石的破碎机理设计气体泄压系统和激光束传递系统，研究激光、钻井液之间的相互关系。
