光纤激光器在加工岩石和泥土材料方面显示了其潜力 - 文章

光纤激光器在加工岩石和泥土材料方面显示了其潜力

作者：Brian C. Gahan

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八年来，美国天然气技术协会(GTI)开展了利用高功率激光器来进行岩石的切割和破碎的工作。最近完成了一项为天然气井应用而进行的概念验证性研究，它利用了光纤激光器在大气和地下环境中穿透硅质和碳酸盐类型的岩石。研究结果包括了利用要求较低的能量来穿过砂岩和石灰岩，这改善了砂岩在孔道附近流体的流动特性，结果还包括对一个在地下压力条件下挖的模拟气井进行了钻孔。

GTI利用高功率军用激光器在初始的研究中取得了技术上的成功，而后，GTI转移了重心，开始利用市场上提供的工业激光器。研究结果确定，利用工业激光器切除岩石，其能量水平可以与现有的机械手段相媲美。1光纤激光器已经成为许多现场应用中首选的商业设备，这些应用包括了采矿，开挖隧道，切割，以及岩石和混凝土的钻孔。它们完全能够提供足够的功率来切割岩石，并利用光纤来对较远目标岩石进行精确定位。它们具有以下的优势：插座效率高，光束质量得到改善，入射能量要求较低，同时，整体体积更小，这就使得它们的灵活性和耐久性更好。此外，它们很少需要或者根本不需要维护。

利用激光来切除岩石的过程

用美国IPG Photonics公司(Oxford，麻萨诸塞州，www.ipgphotonics.com)的5.34kW掺镱光纤激光器得到的初始实验结果，给出了切除岩石所需的能量，并且与此前的激光器/岩石数据进行了对比。我们最感兴趣的是石灰岩和砂岩，因为在完井作业中，这两种类型是最常见的储集层目标岩石。研究结果得到，在这两种岩石类型的钻孔中，光纤激光器与其他激光器已有的数据相比效率更高(图1)。

图1：在激光/岩石相互作用实验中得到的最低的比能值。使用了COIL激光器、CO2,激光器、
Nd:YAG激光器和掺镱光纤激光器对贝雷砂岩（BG）和石灰岩（Ls）进行实验在比能（SE）最低时的结果。

使用聚焦了的连续(CW)激光输出，在采石场的石灰岩中，光束穿透了约12英寸。孔道是由于煅烧得到的，在约825℃时，CaO3发生热分解，变为CaO和CO2。流体的流量受到CaO的限制，因为CaO的熔点为2570°，无法熔化。

使用准直的连续激光光束在贝雷砂岩中也得到了类似的穿透深度，贝雷砂岩是一种主要由石英颗粒(SiO2)构成的沉积岩。在激光切割贝雷砂岩的过程中，观察到的能效最高的过程是热分裂过程，它发生在约400° - 800℃的时候5。激光光束导致温度梯度较高，相应产生的热应力和矿石的微分热膨胀破坏了颗粒和颗粒之间的连结。

与石灰岩不同，贝雷石英颗粒在温度超过时，会发生矿石熔化，由于剥离作用，将导致了对光束能量的重新定位，从而降低了切割效率。为了避免这种情况，岩石里的热积累效应可以通过改变到岩石表面的能量传递速率以及光束对岩屑的辐照时间来实现。能量传递速率可以通过平均测量功率或者辐照时间来控制。最佳的光束功率和辐照度在利用光纤激光处理贝雷时是预先给定的。

有效的去除岩屑对限制热积累效应也是很重要的。例如，以不同的几何图形方式来移动光束可以提高孔和光束的直径比，这就使得岩屑在离开孔时受到的辐照得到限制，或者根本不受到辐照。

利用光纤激光器在贝雷中钻孔

在一立方英尺贝雷砂岩中演示了可用的钻孔方案。钻孔过程很好的完成，它穿透了包围着充满流体的储集层岩石的钢井，为石油、天然气和水开出了一条通道。传统的钻孔方法由于对岩石结构和流体通道的不可逆破坏而存在着一定程度的流量限制。

在这个演示实验中，光束准直仪将从300微米的光纤射出的原始光束转变为直径为1.0英寸的准直光束。压力为75磅/平方英寸的压缩空气通过离目标岩石约1.0英寸处的0.25英寸不锈钢喷嘴装置来定向。光学元件和净化喷嘴都被置于机器手上，机器手运动轨迹为一个1.0英寸的圆，转速22.6转/分。随着洞的加深，净化喷嘴往里移动。

总的激光时间6.0分钟时，有1.0分钟的间隔，准直光束按此方式持续提供应用。光束功率为3.2KW，这是根据先前的研究中对此类岩石和光束大小所给出的最佳值。7当光束穿透到石块的一半长度时，光束被转向，这样，它可以从另一个方向来射入，从而在中间会合。得到的洞穿透了12英寸长的样品，据报道是目前为止在贝雷中得到的最深的孔道。6孔道的两边入口处直径约为2.0英寸，石块中部的直径为1.1英寸(如图2)。6得到的被移除物质的体积为210cc。

图2：激光产生的孔道的横截面。孔道长为12英寸，每个端面直径为2.0英寸。

从不同的端面进行切割可以降低边界效应的影响，同时很好的模拟了储集层无限大的情况。激光仅从一个方向辐照贝雷石块时，观测到了边界效应，包括了热扩散特性上的变化和能量消耗的增加，这是由于光束完全穿透的原因。6这个现象在过去的实验中曾被观测到，它很可能是由于实验设计和样品几何特性上的人为因素造成的。

结果说明：这里，对所有的激光/岩石辐照都确定了其比能(SE)，比能是去除单位质量的岩石所需的能量(KJ/cc)。在12英寸贝雷孔道实验中观测到的比能值为5.5 kJ/cc。使用的总激光能量为1155 kJ或者0.32 kWh。

从之前的实验观测到贝雷中的比能最小值范围从4.3到5.2 kJ/cc，表面辐照时间为0.5秒。8后来的测试包含了多个叠加在一起的0.5秒长的辐照，从而得到了更大，更深的孔(直径约1.0英寸，孔深约1.0英寸)，比能值从9.2到13 kJ/cc。

激光辐照前后的渗透性测量沿着与光束入射方向垂直的岩石表面进行，前后的结果比较没有得到任何结果。热转变区域从孔道壁沿着径向深入到岩石内约2.00mm处。7这说明，比能值小的时候，射入样品的大部分能量被有效的用于剥离作用，而不是对孔道附近的岩石特性产生热转变。

类似的比较在孔道对分的两边进行。结果表明，没有矿物熔化在孔道壁上。激光辐照后沿着井的渗透率读数有15%到30%的提高。7虽然对岩石流体流动特性的提高有限，但是激光钻孔的过程不会有明显的破坏，这对传统的打孔技术来说是一项显著的进步。

展望：目前在进行补充性的研究，包括流体清洗技术和现场的压力实验(超过2000磅/平方英寸)。随后的步骤包括了设计初始向下打井的原型工具，进行实验室与现场测试，以及在作业井中的地面下进行现场试验。从这项工作中预期得到的利益可能被整合到更为复杂的建井和完井应用中。土料的其他钻孔和切割应用可能很快的跨入其他行业，比如能源工业，矿业，军工，国家安全，航空，建筑和拆除行业。

Brian C. Gahan, P.E.,是气体技术研究所，探索制造中心 E&P技术发展部的经理。

联系方式：brian.gahan@gastechnology.org.

参考文献
1. Gahan, B.C., et al. 2003. "Lasers May Offer Alternative to Conventional Wellbore Perforation Techniques" GTI Document No. GTI-03/0153, GasTIPS, 9, 25-29.
2. Gahan, B.C., Shiner, B. "New High-Power Fiber Laser Enables Cutting-Edge Research," GasTIPS, 10, 29-31.
3. Denney, P.E., et al. 2004. "Laser Processing of Concrete Structures," 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electronics, San Francisco, CA, October 4-7.
4. Batarseh, S., et al. 2004. "Evaluation of High Power Ytterbium Fiber Lasers for Rock Cutting and Removal Applications," Paper 1402, 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electronics, San Francisco, CA, October 4-7.
5. Somerton, W.H. (1968), "Thermal properties and temperature-related behavior of rock/fluid systems," Elsevier Publishing, 258pp.
6. Batarseh, S.I., et al. (2004), "Deep hole penetration of rock for oil production using ytterbium fiber laser," Proceedings of the SPIE International Symposium High-Power Laser Ablation 2004, Taos, NM.
7. Gahan, B.C., et al. 2004. "Analysis of Efficient High-Power Fiber Lasers for Well Perforation," SPE Paper 90661, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, TX, September 26-29.
8. Gahan, B., et al. 2001. "Laser Drilling: Drilling with the Power of Light, Phase 1: Feasibility Study," DOE Topical Report, Cooperative Agreement No. DE-FC26-00NT40917.
9. Xu, Z., et al. 2003. "Application of High Powered Lasers to Drilling and Completing Deep Wells," Topical Report ANL/TD/TM03-02, DOE/NGOTP Contract Number 49066.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/29/2005)


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