激光辅助破岩的敏感性分析

激光辅助破岩的敏感性分析

现在，在地质和石油勘探中，大多数情况下，机器方法用于破碎岩石，即通过轴压和畸变（切割力）破碎岩石。该方法碎屑岩石效率低，钻孔时间短，因此有必要开发新的钻孔方法。激光束具有相干性好、指向性好(近于平行光)、单色性好、亮度高和聚光性能好等优点,光束密度可达109W/mm2,受如此高密度的光束照射时,岩石可在极短时间(1μs或1ms)内,在很小范围内出现急速升温和急速凝固的过程,使岩石受热后产生微裂隙并扩张、相变而引起颗粒分离,气体与水在空穴中扩张并最终导致岩石破碎[3~5]。依靠激光辅助破碎岩石,能够为后续的机械破岩创造有利条件。岩石可钻性作为衡量破碎岩石难易程度的一个综合指标,是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数,衡量钻井速度的主要依据。笔者采用高能量激光束照射岩石表面,然后采用PDC钻头进行机械钻进,研究岩石对激光照射的敏感性以及激光辅助破岩对机械钻井的影响,对提高深层岩石的钻井速度提供理论支持。1试验材料和方法1.1岩石可钻性级数采用可钻性测定仪,用直径31.75mm的微钻头在岩心上钻孔,记录钻深3mm的钻孔时间,换算成以2为底的对数来表示可钻性,所得值称可钻性级数。随着岩石可钻性级数增大,岩石可钻性降低。可钻性级数的计算公式可表示为:式中:Kd为可钻性级数;t为时间,s。1.2激光处理对岩石表面可钻性的影响试验材料为120mm×120mm×80mm的砂岩和花岗岩,采用DL-HL-T5000型CO2激光加工成套设备照射岩石表面,激光功率P=900W,作用时间t=4s,离焦量L=103mm。处理后采用kzx-1型多功能岩石可钻性测定仪对经过激光处理的岩石进行可钻性试验,评价激光处理对岩石可钻性的影响。可钻性试验采用PDC型钻头,钻进岩石深度为3mm,钻载压力为508N,试验后采用LEICAS6D三维体式显微镜观察岩石表面形貌。1.3图1:美国监狱警察-区试验采用以下方案对岩石表面进行激光表面照射处理,如图1所示。其中,第1圈直径为2.1cm,第2圈直径为3.3cm,第3圈直径为4.2cm(图1)。岩石的激光处理参数及所选加工方案见表1。2试验结果及分析2.1激光辅助岩石破碎效果2.2宏观形貌表征按照上述设计的岩石可钻性试验方案,砂岩和花岗岩经过PDC钻头钻进后的可钻性试验结果见表2。由表2可见,砂岩和花岗岩的可钻性级数与未做处理岩石相比都有所减小,说明岩石可钻性得到改善,更容易钻进。同时可见,未经处理的花岗岩的可钻性级数远高于砂岩,而激光照射后,与砂岩相比,花岗岩的可钻性级数显著降低,表明激光照辅助破碎花岗岩更有助于提高其钻进速度。图6所示为激光照射岩石经PDC钻头钻进后的表面宏观形貌。图7所示为未经激光照射岩石经机械钻进后的宏观形貌。由图7可见,砂岩和花岗岩的研磨表面较光滑,无塑性变形及剥落现象。图8所示为激光照射岩石经PDC钻头钻进后的宏观形貌。由图8可知,激光照射砂岩表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,钻孔周围未见塑性变形(图8(a))。激光照射花岗岩表面具有明显的磨损和滑擦痕迹(图8(b)),钻孔周围出现明显的裂纹及破碎现象,原始玻璃釉层出现明显的碎裂(图8(c))。3表面形貌及相关系数1)在给定工艺参数下,砂岩激光钻孔处理后表面分为灰色瓷釉层、白色热影响区和褐色热影响区3个区域;钻孔内部截面分为灰色瓷釉层和褐色热影响区2个区域。2)花岗岩经激光照射后表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,且在玻璃泡周围形成大面积起裂区,与砂岩相比,相同工艺参数下花岗岩激光钻孔深度明显降低,且在钻孔周围出现明显的裂纹。3)激光照射花岗岩后可钻性级数较未处理岩石明显降低,经PDC钻头钻进后,表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,钻孔周围出现明显的裂纹及破碎现象,原始玻璃釉层出现明显的碎裂。4)激光照射砂岩后可钻性变化不大,经PDC钻头钻进后,表面具有明显的磨损和滑擦痕迹,钻孔周围未见塑性变形。图2所示为给定工艺参数下砂岩激光钻孔处理后的表面形貌,由图2可知,钻孔后表面主要分为3个区域:灰色瓷釉层、白色热影响区和褐色热影响区。图3所示为砂岩激光钻孔处理后的截面形貌。由图3可知,钻孔内部截面主要分为2个区域:灰色瓷釉层和褐色热影响区。图4所示为花岗岩经激光照射后的表面形貌。由4图可知,激光照射后,花岗岩表面生成具有一定尺寸的透明玻璃泡,且在玻璃泡周围形成大面积起裂区。图5所示为花岗岩激光照射后的截面形貌。由图5可知,与砂岩相比(图3),花岗岩激光钻孔深度明显降低,且在钻孔周围出现明显的裂纹,如图5箭头所示。激光辅助