激光破岩技术发展现状及未来发展方向

牟海维，辛朋辉，罗伟

（1.东北石油大学电子科学学院，黑龙江大庆　163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江大庆　163318）

专论与综述

激光破岩技术发展现状及未来发展方向

牟海维1，2，辛朋辉1，罗伟1，2

（1.东北石油大学电子科学学院，黑龙江大庆163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江大庆163318）

近年来，深层油气田的开发需求逐渐增加，对钻井技术的要求也越来越高，传统的机械旋转钻井技术在钻探深层地质高硬度岩石时略显乏力。激光钻井技术以其成本低、效率高、安全性好、对地层伤害小等特点在钻井领域引起了广泛的关注。相关的理论和实验研究已经取得了一定的成果，本文总结了近年来激光破岩技术的理论和实验研究成果，展望其发展前景，并对该技术发展中亟待解决的问题作了简要介绍。

激光；破岩；钻井技术；熔化岩石；气化岩石

地下储藏的油气资源十分丰富，是支撑人类社会进步和发展的重要能量来源。随着长时间的开采，部分地区已探明的浅层地层中的油气资源已经得到了充分的开采。然而，深层地层高硬度岩石下蕴藏着丰富的油气资源，传统机械旋转钻井方式在高硬度的岩石钻探方面遇到了一定的困难，寻找一个节能、安全高效的破岩方法是目前研究中的一个热点。激光钻井的概念最早由麻省理工学院在1968年提出，他们对激光破岩过程进行了实验研究［1］。通过研究发现，激光器的类型和属性，激光功率的大小、曝光时间、弛豫时间、重复次数等因素都会对激光钻井效果产生巨大的影响。相比于其他的钻井方式，激光钻井在钻进效率、环境友好、安全性等方面具有明显的优势，激光钻井的渗透效率是传统钻井技术的8～100倍［2］，激光钻井在钻进过程中没有钻井液等其他化学物质的添加，产生的废物主要是岩石的碎片和熔化的液体，对环境影响较小，而且岩石熔化形成的液体会在钻孔周围井壁上形成保护层，有效的防止井壁内液体流入地层中，即保护周围地层和地下水质，又降低了井喷和井漏等严重事故的发生几率。国内外学者和公司都对其应用前景产生了浓厚的兴趣，并积极开展了多方面的理论和实验研究［3］。本文将对激光破岩的原理、国内外发展现状和激光破岩研究中需要解决的问题作简要的介绍。

1　激光钻井原理

激光钻井的基本原理是通过传输介质将高能激光束传输到岩石表面，高能激光与岩石发生热作用，以热碎裂、热熔化、热气化等方式将岩石变成易于清除的碎屑或者岩浆，利用气流或者其他辅助工具将岩石的碎屑或者岩浆清除，实现激光钻井的目的［4，5］。激光器类型、离焦量、曝光时间和照射次数等因素都会对激光破岩的效果产生影响，激光器类型对破岩的效率和效果产生影响，激光功率的大小会直接影响钻孔的深度，离焦量和曝光时间都会影响钻孔的深度和直径。

激光破岩的机制主要包括热碎裂、热熔化和热气化三种。

1.1热碎裂

固态岩石的内部晶体结构较为稳定，其内部导热性较差，这就给激光破岩的实现提供了客观的条件。利用激光对岩石的局部进行加热，在岩石表面没有达到熔点的情况下，岩石受热部分的温度急剧升高，导致受热部分的岩石与其周围部分产生较大的温度差，从而在岩石之间产生较大的热应力，在热应力超过岩石的破坏阈值时，岩石就会发生热碎裂。

假设岩石受到激光照射导致温度升高的部分与其周围的岩石产生了一个数值为ΔT的温度差，那么温度升高的部分与其周围的岩石就会产生热应力，岩石热应力的方程为：

其中：σij-应力；εij-应变项；δij-Kronecker Delta函数；λ-拉梅常数；G-剪切模量；β-热应力系数，其值由位移边界方程给出：

其中：α-岩石的热膨胀系数［6］。

岩石内部的微观晶体结构具有不均匀性，以岩石内部一个微小的单元为一个单位，分析这个单元受力后形变情况来分析岩石是否达到破碎的条件。样本单元在激光器加热的情况下，内部会产生拉伸应力和压缩应力，这两种力的大小直接决定单元能否发生形变。单元受热应力发生损伤情况用D来表示，当单元受到拉伸应力时：

其中：σtr-拉伸损伤残余强度；εt0-弹性极限拉应变；εtu-最大拉应变；E0-初始弹性模量［6］。当ε＜εt0时，晶体单元没有被破坏，岩石未发生形变；当εt0≤ε≤εtu时，单元处于弹性形变区，岩石处在即将要碎裂的临界状态；当ε＞εtu时，晶体单元完全被破坏，岩石发生形变，导致岩石碎裂。

因此，单元受到拉应力发生应变的关系为：

单元受到压缩应力时：

其中：σcr-剪切损伤残余强度；εc0-压应变弹性极限；E0-初始弹性模量［6］。当ε＜εc0时，岩石所受到的压力没有达到压应变弹性极限，晶体单元没有被破坏，岩石未发生形变；当ε≥εc0时，岩石受到的压力超出压应变弹性极限，晶体单元被破坏，岩石发生形变，发生碎裂。

单元受到压应力发生应变的关系为：

当激光提供的热应力场大于岩石破裂条件时，就可以在岩石表面产生裂纹，从而可以通过物理方法清除岩石，达到破岩的目的。

1.2热熔化

激光照射的岩石部分温度会升高，如果岩石的延展性较好，适当调整激光功率、离焦量、弛豫时间和照射次数等因素，如短时间内持续的照射或者多次照射就会导致岩石在发生碎裂之前局部温度达到熔点，发生熔化现象。

假设一束均匀分布功率为P0的激光照射到岩石上，熔化模型给出的岩石移除速度u为：

其中：ρ-岩石样本密度；C-岩石的比热容；S1-热核边界面；S2-岩石外表面；η-岩石对光的吸收率；T-岩石的绝对温度分布；Tm-岩石熔点；T0-岩石初始温度；K-热传导系数；M-熔化潜热；σ-斯特潘常数；▽T-温度梯度［7］。

通过公式（7）可以看出，激光熔化岩石的速度与岩石密度、比热容、岩石熔点等属性密切相关，给出岩石密度、比热容、岩石熔点、岩石初始温度、岩石潜热等条件就可以得到岩石移除速度u和比能量值（M+ CTm）ρ/η。其中比能量值即为熔化单位体积岩石所需要的能量。

相比于激光热碎裂破岩的方式，热熔化的方法存在以下几个缺点：（1）激光作用到熔化状态下的岩石会发生较为复杂的化学变化；（2）熔化的岩浆从钻孔处清除的难度较高；（3）没有被及时从孔径处清除的岩浆会吸收激光的能量。由于以上三点原因，热熔化破岩的实际效率要低于热碎裂。

1.3热气化

热气化是激光器发出的能量作用到固态或者液态的岩石上，让岩石从固态或者液态转化为气态排出的过程。相比于前面的两种情况，岩石受激光照射气化需要比较高的激光功率，较短的弛豫时间。激光气化岩石的优点是：将岩石转化为气态有效的避免了岩石碎屑或者岩浆在孔壁附近重凝的现象，其缺点也很明显，将岩石气化会消耗更多的能量，产生的气体会对辅助气流的风速、气压等因素造成一定的影响，从而导致钻井效率不高。

假设一束均匀分布功率为P0的激光照射在岩石上，气化模型给出的岩石移除速度u为：

其中：G-岩石气化潜热；Tg-岩石的气化温度；C-比热容；M-熔化潜热；其余变量与公式（7）中定义相同［7］。

从气化模型的公式可以看出，岩石气化模型与熔化模型的差别只是在比能量值部分中加入了G，比能量值变成（G+M+CTm）ρ/η，这也就导致了如果想要达到熔化岩石时的钻进速度就需要消耗更多的能量，所以以气化的方式移除岩石要比熔化的方式效率更低。

从以上三种激光钻井方式中可以看到，激光碎石的钻井方式对激光能量的利用效率是最高的，而且碎化的岩石没有发生复杂的化学变化，对环境较为友好［8，9］。

2　国内外激光钻井技术研究情况

2.1国外研究现状

美国在此领域的研究一直处于领先的地位，此外俄罗斯、加拿大以及日本等国家对激光破岩理论的研究相对较早。随着激光破岩技术的发展，伊朗等国也开展了深入的理论和实验研究，并且在激光射孔、激光破岩效率等方面取得了一定的成果。

1997-2003年，美国气体研究学会、科罗拉多矿业大学、美国能源部以及美国军队科研机构开展了广泛的激光钻井理论研究工作。美国和俄罗斯在2000年完成了室内情况下激光钻井破岩的可行性实验，实验结果显示针对不同的地层，激光破岩的速度是传统机械钻井速度的10～100倍［9］。Graves R M等认为激光能量转移到岩石中，一部分能量会发生反射和散射，一部分能量会被吸收，被岩石吸收的这部分能量会导致岩石吸收热量并且可能被破坏。美国的PHILLIPSE公司选择光纤作为传输氧碘化学激光器的能量，在现场做激光钻孔的试验，得到直径为25.4mm的孔，并且激光钻井10 h的工作量需要传统钻井技术10 d去完成［10］，证实了激光破岩技术的实用价值。

2004年，Gordon等从研究数据的角度对近几年研究数据进行整理表明，激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上钻出的孔越深。随后Z.Xu等在2005年对激光破岩物理过程进行建模，将整个激光破岩的过程结合成一个数值计算方法进行数值模拟，模拟结果表明：激光破岩过程中，适当的增加弛豫时间可以有效的防止对岩石同一个位置照射时间过长而导致岩石熔化［11］。

2009年，美国石油公司对一种新型的激光钻孔技术进行了现场试验，试验表明：激光钻孔孔壁周围岩石的渗透率变高，油气更容易进入井筒，该方法对地层破坏小。张恒以砂岩、页岩、灰岩为样本，选用Nd：YAG激光器对样本进行切割试验，得出以下几个结论：（1）激光照射时间增加，比能值在增长，说明在这个过程中，存在能量的二次消耗；（2）激光脉冲宽度的增加能减小比能，且影响较大，脉冲重现率也对比能有影响；（3）比能随着激光参数的改变而变化；（4）激光可以穿过水来破碎或者熔化岩石［12］。同年日本的Toshio等在50mm水深中对花岗岩钻出直径为50.8mm的小孔，证明了激光钻井在水下操作的可行性［13］。在这之后Keshavarzi.R等进行了激光钻孔和破碎岩石的试验，试验表明：高功率光纤激光器钻孔具有一定的优势，孔壁周围岩石的渗透率明显变高，水力压裂操作在强度变低的岩石中更容易操作［14］。在2013年，M.Bazargan等针对钻小孔这样一个钻井领域的难题，选择普通钻头辅助激光钻头，达到了钻小孔的目的［15］。

2.2国内研究现状

相比于国外在激光钻井领域的研究情况，国内专家在此领域研究起步较晚，但已经取得了较为明显的成果。

1997年，海彦合在假设岩石的物性不随温度而变化的情况下，推导出在激光作用下各向同性的半无限大岩石层内的剩余温度分布公式，并且得到了岩石内部剩余温度与激光作用岩石半径之间的曲线关系，为激光破岩的研究提供了理论基础［16］。从1998年开始，易先中等在激光钻孔技术方面做了深入的实验研究。他们在室内的条件下进行了试验，结果表明以砂岩和页岩为样本的情况下，激光钻孔的钻井速度可达到105m/h～115m/h，是传统钻井速度的10倍以上［17］。随后易先中在2002年开始对激光钻孔储层物性的研究进行了试验，试验表明激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，受到激光照射的岩石温度场发生剧烈变化，岩石内部结构发生改变，岩石的渗透率提高到4倍左右［17］。郑志远等研究了超短脉冲激光对岩石的烧蚀情况，他们通过超短脉冲激光照射干燥和浸水状态下的岩石样本发现岩石的种类，激光频率和曝光次数都对烧蚀效果有影响，浸水后的烧蚀效果好于干燥条件下的烧蚀效果［18］。易先中等在2005年通过实验研究了激光破岩时岩石内部温度场的特性以及激光碎岩的排屑机理。实验发现：岩浆如果不被及时的清除，会在岩石表面形成凝固层，岩石会有裂纹的出现。在激光能量以矩形脉冲的形式进行激光钻井时，岩石出现灼伤痕迹，井壁周围出现岩石碎屑堆积和熔化的岩石液体重新凝结现象［19］。

2008年，李密等对激光破岩理论进行了数值的模拟，模拟结果表明：岩石内部温度突变的位置能产生较大的热应力，采用带有多光阑的光斑能提高破岩速度，激光功率阈值随着岩石的碎化、熔化、气化依次上升，效率依次下降［7］。随后柯珂在这基础上，结合传热学和弹性力学基本理论进行了模拟，模拟结果表明：针对不同的岩石，激光破岩的机理是不同的，并且通过建立热应力模型的方式找到岩石裂缝初始区域［20］。

图1　改变离焦量和作用时间钻孔深度和直径的变化

2013年，李美艳等以砂岩为样本，给出700 W～1 000 W激光功率，离焦量83mm～108mm，作用时间1 s～5 s，进行了一系列的试验，得到一系列小孔（见图1），试验表明：离焦量和作用时间是影响钻孔直径和深度的重要因素，离焦量增大钻孔深度和直径先增大后减小，激光功率的增大钻孔直径略有减小，深度会增加［21，22］。

3　激光钻井技术未来主要研究的问题

虽然相比于传统钻井技术，激光破岩技术已经在理论和实验上被证明具有许多优势，但是其距离实际应用还需要解决一些重要的理论问题，概括起来包括以下几个方面［23-25］：

（1）激光破岩过程中，岩石的属性与能量吸收率之间有着怎样的关系。

（2）从已经研究出的成果中可以看出，激光破岩后井壁周围的岩石内部微观结构发生变化，从而导致渗透率和强度都发生了变化，但是激光具体怎样影响岩石内部的微观结构，还没有去深入的研究。

（3）岩石在碎化、熔化或者气化后产生废物的体积或者气压的变化都会与辅助气流相互作用，从而对排屑效果产生影响，这种影响机制还有待研究。

（4）在激光破岩的过程中，遇到强碱地、地势结构复杂等情况，激光钻井可能会污染环境等问题都有待研究。

（5）激光在远距离传输的情况下，如何保证传输效率是需要解决的一个重要问题。

4　总结

激光破岩技术在经过了过去几十年的发展，在激光破岩机理、清岩机理等方面都取得了一定的成果，但是这些研究还没有真正的应用到实际的生产中去检验它们的可行性。总之，激光破岩技术是一个值得深入研究的方向，此研究领域学科交叉性强，涉及面广，还有大量的问题有待研究和解决。大型激光器的小型化、激光钻井过程中如果发生井眼坍塌或者井喷、激光是否会破坏油气储层、激光钻井的成本等，这些问题都制约着激光钻井技术的发展和在实际生产中的应用。随着激光技术的发展和对于激光与岩石相互作用机理的深入研究，这些问题都能够获得解决，从而使激光钻井技术从实验室走向实际应用。

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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

高等学校教学研究项目，项目编号：DWJZW201405db；黑龙江省高等教育教学改革项目，项目编号：JG2014010639；黑龙江省留学归国人员科学基金资助项目，项目编号：LC2013C02；黑龙江省教育厅海外学人科研资助项目，项目编号：1253HQ014。