激光鉆井技術(shù)教學(xué)課件PPT

1、（一）激光的重要特性 （二）激光直接破巖機(jī)理 （三）激光破巖的影響因素 （四）激光鉆頭的設(shè)計(jì) （五）激光鉆井的優(yōu)勢 激光鉆井技術(shù) 主要內(nèi)容 激光鉆井技術(shù)激光鉆井技術(shù) 引言 激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代在量子物理學(xué)、 光子光譜學(xué)及無線電電子技術(shù)基礎(chǔ)上興起 的一門多學(xué)科結(jié)合的科學(xué)技術(shù)。這種基于 受激輻射而獲得的特殊光具有一些重要的 特性，如亮度高、單色性方向性好等?；?于以上特點(diǎn)，為了發(fā)展快速鉆井技術(shù)，人 們積極推進(jìn)激光鉆井技術(shù)的研究。 一、激光的重要特性 目前已開發(fā)的幾種高能激光器目前已開發(fā)的幾種高能激光器 1h（df）激光器：氟化氫（h）和氟 化氘（d）激光器分別以波長 263um和354um之

2、間運(yùn)作。 2rf（激元）激光器：氟化氪激元激光 器以短脈沖方式工作在紫外波段，波長 .um。 3c02激光器：二氧化碳激光器以波長 106um運(yùn)作。 目前已開發(fā)的幾種高能激光器目前已開發(fā)的幾種高能激光器 4co激光器：一氧化碳激光器以波長 495um運(yùn)作。 5fel 激光器：游離電子激光器通過高能 量的電子運(yùn)作。 .d:yag 激光器：摻釹釔鋁石榴石激光 器以波長 .um運(yùn)作。 .coil激光器：美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的化 學(xué)氧碘激光器以波長 l3 15m運(yùn)作， 很容易在大氣中或光纖中傳輸。 化學(xué)氧碘激光器（）簡圖，化學(xué)和化學(xué)氧碘激光器（）簡圖，化學(xué)和 能量圖示能量圖示 實(shí)驗(yàn)裝置 二、激光直接破巖

3、機(jī)理 激光直接破巖的基本原理是，利用高高 能光束能光束使巖石基質(zhì)材料局部快速加熱局部快速加熱，由 固態(tài)瞬間相變到熱熔熱熔和汽化汽化狀態(tài)，并形成 氣液固多相混合物多相混合物，然后由高速輔助氣流 將其攜走和排除，以快速形成井眼。 圖圖1 1激光破巖裝置圖激光破巖裝置圖 激光直接破巖機(jī)理 激光 照射 加熱 在激光熱量接近而未達(dá) 到巖石的液化潛熱時 擊碎 巖石熱裂為松散碎片 在激光熱量達(dá)到或超過 巖石的液化潛熱時 巖石熔融為液態(tài) 巖石由固態(tài)直接或 間接變?yōu)闅鈶B(tài) 在激光熱量達(dá)到或超過 巖石的汽化潛熱時 熔化 蒸發(fā) 激光直接破巖的主要物理化學(xué)現(xiàn)象 比能：表示移除單位體積巖石所需要的能量。它 是比較不同破巖

4、方式效率的標(biāo)準(zhǔn)量之一，可表示為： 二次作用：泛指巖石開始熔化后，所有引起激光作用于巖 石能量損失的因素，它包括巖石礦物的重復(fù)熔化，井眼內(nèi) 礦物和氣體的分解、裂縫的形成等。 相關(guān)概念 比能 = 輸入能量強(qiáng)度 作用時間 穿透巖石深度 = 輸入能量 移除巖石的體積 激光輔助破巖技術(shù) 比能與激光平均功率的變化關(guān)系 巖石的熱裂 三、激光破巖的影響因素 帶有纖維光纜的激光三牙輪鉆頭帶有纖維光纜的激光三牙輪鉆頭 1 輸送激光到井底的纖維光纜 2 激光頭 (1)巖石性質(zhì) 巖石的熱導(dǎo)率：粘土在激光輻射 下易分解氣 化，導(dǎo)致體積膨脹壓力增 大。砂泥巖導(dǎo)熱性能好，且含 有粘土， 而石灰?guī)r的熱導(dǎo)率較砂泥巖低且其中粘

5、土和 石英的含量也較低，所以導(dǎo)致砂 泥巖比石灰?guī)r更容易 形成裂縫，因而 砂泥巖更容易被破壞。 (2)裂縫：砂泥巖中往往含有裂縫 或其他缺陷，地 層流體充注于其中。 在激光輻射作用下，泥巖溫度升 高使 其中的流體氣化，這一過程會造成能量 損失，而流 體氣化后體積膨脹壓力增 大，又會進(jìn)一步地促進(jìn)裂縫 的形成。 可見，裂縫的存在也會引發(fā)二次效應(yīng)， 由此導(dǎo) 致的能量損失同樣不容忽視。 (3)礦物組成：巖石的性質(zhì)取決于其組成礦物 的性 質(zhì)，礦物的物理性質(zhì)及膠結(jié)方式?jīng)Q定了 巖石的熱物理 性質(zhì)，因而也影響到激光射束 與巖石的相互作用。例 如，當(dāng)激光射束作用 于碳酸鹽巖時，二次效應(yīng)非常顯 著。這是因 為方解石

6、受熱后迅速脫水并消耗能量，而 之 后水的氣化又會消耗一部分能量。于是，巖 石吸收 的能量就減小了比能隨之增大，從而 需要消耗更多能量。 (4)膠結(jié)強(qiáng)度。膠結(jié)強(qiáng)度主要是通過影響巖石 的導(dǎo) 熱性能來影響巖石與激光的相互作用。 組成巖石的礦 物顆粒之間膠結(jié)越強(qiáng)，巖石的 熱導(dǎo)率就越大。熱應(yīng)力 達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度 后，如果巖石膠結(jié)不好，則其較差 的導(dǎo)熱性 能使巖石吸收能量的速度大于能量從其中逸 出的速度，因而巖石開始熔化，并消耗更多 的能量，這 不利于巖石的熱破碎，且使破巖 效率降低。 四、激光鉆頭設(shè)計(jì) 1 激光頭； 2 吸管(水眼) 3 壓力補(bǔ)償膜 4 儲油密封機(jī)構(gòu) 5 牙爪 6 止推面 7 軸承 8

7、 關(guān)閉狀態(tài) 9 鉆井時開啟狀態(tài) 10 牙爪(硬金屬保護(hù)層) 11 牙輪軸 12 牙齒 13 軸頸 14 滾珠 15 牙輪 16 齒距 激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭剖面圖激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭剖面圖 激光鉆頭設(shè)計(jì) 激光固定切削刃鉆頭激光固定切削刃鉆頭 1 api 標(biāo)準(zhǔn)銷釘連接 2 鉆桿 3 補(bǔ)償面 4 錐齒輪 5 鉆頭裝卸器槽 6 輪軸 7 金剛石爪墊 8 保徑齒排 9 切削齒 10 快門 11 焊縫 12 鋼心 13 硬質(zhì)合金胎體 14 抬肩 激光鉆頭設(shè)計(jì) 激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭井下結(jié)構(gòu)激光三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭井下結(jié)構(gòu) 1 外部鉆具；2 井下馬達(dá)；3 井壁 4 激光發(fā)生管；5 激光頭；6 三牙輪鉆頭 激光鉆頭的優(yōu)點(diǎn)

8、更快的機(jī)械鉆速； 鉆頭磨損小,鉆頭壽命長； 起下鉆次數(shù)減少； 可用于所有類型(水平井、 垂直井、定向井)的鉆井； 同一個激光發(fā)生裝置可 以多次重復(fù)利用。 與常規(guī)鉆井相比，激光鉆井具有如下潛在 優(yōu)勢： 1.激光鉆機(jī)重量輕，一輛拖車可運(yùn)到井場； 2.激光鉆井的井場很小，也許只有普通井場 的十分之一甚至更小； 3.激光能夠穿透各種類型的巖石，而且速度 很快，用常規(guī)鉆井方法需要100d才能鉆成 的井，用激光鉆 井也許只需10d時間； 五、激光鉆井的優(yōu)勢 4.激光鉆井不需要常規(guī)鉆頭和常規(guī)鉆柱，鉆 成的井眼小，激光將巖石熔化，在井壁形成 一種陶瓷樣的保 護(hù)層，無需下套管固井，因 此鉆井成本很低，也許只有常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的 十分之一甚至更低； 5.激光鉆井是一種清潔鉆井，激光擊碎、熔 化和蒸發(fā)巖石，鉆井中無鉆屑上返到地面， 對環(huán)境的影響微 乎其微； 激光鉆井技術(shù)的未來發(fā)展 激光鉆井技術(shù)由概念設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用還要 面臨以下幾個方面的挑戰(zhàn)： 1.在激光鉆井過程中，井筒中的氣體影響機(jī) 械鉆速，可能導(dǎo)致事故。 2.考慮到溫度和壓力的雙重影響，巖石應(yīng)力 增加了比能，高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致了溫度的擴(kuò)