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光纖激光器在加工巖石和泥土材料方面顯示了其潛力

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光纖激光器在加工巖石和泥土材料方面顯示了其潛力

八年來(lái)，美國天然氣技術(shù)協(xié)會(huì )(GTI)開(kāi)展了利用高功率激光器來(lái)進(jìn)行巖石的切割和破碎的工作。最近完成了一項為天然氣井應用而進(jìn)行的概念驗證性研究，它利用了光纖激光器在大氣和地下環(huán)境中穿透硅質(zhì)和碳酸鹽類(lèi)型的巖石。研究結果包括了利用要求較低的能量來(lái)穿過(guò)砂巖和石灰巖，這改善了砂巖在孔道附近流體的流動(dòng)特性，結果還包括對一個(gè)在地下壓力條件下挖的模擬氣井進(jìn)行了鉆孔。

GTI利用高功率軍用激光器在初始的研究中取得了技術(shù)上的成功，而后，GTI轉移了重心，開(kāi)始利用市場(chǎng)上提供的工業(yè)激光器。研究結果確定，利用工業(yè)激光器切除巖石，其能量水平可以與現有的機械手段相媲美。1光纖激光器已經(jīng)成為許多現場(chǎng)應用中首選的商業(yè)設備，這些應用包括了采礦，開(kāi)挖隧道，切割，以及巖石和混凝土的鉆孔。它們完全能夠提供足夠的功率來(lái)切割巖石，并利用光纖來(lái)對較遠目標巖石進(jìn)行精確定位。它們具有以下的優(yōu)勢：插座效率高，光束質(zhì)量得到改善，入射能量要求較低，同時(shí)，整體體積更小，這就使得它們的靈活性和耐久性更好。此外，它們很少需要或者根本不需要維護。

利用激光來(lái)切除巖石的過(guò)程

用美國IPG Photonics公司(Oxford，麻薩諸塞州，www.ipgphotonics.com)的5.34kW摻鐿光纖激光器得到的初始實(shí)驗結果，給出了切除巖石所需的能量，并且與此前的激光器/巖石數據進(jìn)行了對比。我們最感興趣的是石灰巖和砂巖，因為在完井作業(yè)中，這兩種類(lèi)型是最常見(jiàn)的儲集層目標巖石。研究結果得到，在這兩種巖石類(lèi)型的鉆孔中，光纖激光器與其他激光器已有的數據相比效率更高(圖1)。


圖1：在激光/巖石相互作用實(shí)驗中得到的最低的比能值。使用了COIL激光器、CO2,激光器、
Nd:YAG激光器和摻鐿光纖激光器對貝雷砂巖（BG）和石灰巖（Ls）進(jìn)行實(shí)驗在比能（SE）最低時(shí)的結果。

使用聚焦了的連續(CW)激光輸出，在采石場(chǎng)的石灰巖中，光束穿透了約12英寸�？椎朗怯捎陟褵玫降�，在約825℃時(shí)，CaO3發(fā)生熱分解，變?yōu)镃aO和CO2。流體的流量受到CaO的限制，因為CaO的熔點(diǎn)為2570°，無(wú)法熔化。

使用準直的連續激光光束在貝雷砂巖中也得到了類(lèi)似的穿透深度，貝雷砂巖是一種主要由石英顆粒(SiO2)構成的沉積巖。在激光切割貝雷砂巖的過(guò)程中，觀(guān)察到的能效最高的過(guò)程是熱分裂過(guò)程，它發(fā)生在約400° - 800℃的時(shí)候5。激光光束導致溫度梯度較高，相應產(chǎn)生的熱應力和礦石的微分熱膨脹破壞了顆粒和顆粒之間的連結。

與石灰巖不同，貝雷石英顆粒在溫度超過(guò)時(shí)，會(huì )發(fā)生礦石熔化，由于剝離作用，將導致了對光束能量的重新定位，從而降低了切割效率。為了避免這種情況，巖石里的熱積累效應可以通過(guò)改變到巖石表面的能量傳遞速率以及光束對巖屑的輻照時(shí)間來(lái)實(shí)現。能量傳遞速率可以通過(guò)平均測量功率或者輻照時(shí)間來(lái)控制。最佳的光束功率和輻照度在利用光纖激光處理貝雷時(shí)是預先給定的。

有效的去除巖屑對限制熱積累效應也是很重要的。例如，以不同的幾何圖形方式來(lái)移動(dòng)光束可以提高孔和光束的直徑比，這就使得巖屑在離開(kāi)孔時(shí)受到的輻照得到限制，或者根本不受到輻照。

利用光纖激光器在貝雷中鉆孔

在一立方英尺貝雷砂巖中演示了可用的鉆孔方案。鉆孔過(guò)程很好的完成，它穿透了包圍著(zhù)充滿(mǎn)流體的儲集層巖石的鋼井，為石油、天然氣和水開(kāi)出了一條通道。傳統的鉆孔方法由于對巖石結構和流體通道的不可逆破壞而存在著(zhù)一定程度的流量限制。

在這個(gè)演示實(shí)驗中，光束準直儀將從300微米的光纖射出的原始光束轉變?yōu)橹睆綖?.0英寸的準直光束。壓力為75磅/平方英寸的壓縮空氣通過(guò)離目標巖石約1.0英寸處的0.25英寸不銹鋼噴嘴裝置來(lái)定向。光學(xué)元件和凈化噴嘴都被置于機器手上，機器手運動(dòng)軌跡為一個(gè)1.0英寸的圓，轉速22.6轉/分。隨著(zhù)洞的加深，凈化噴嘴往里移動(dòng)。

總的激光時(shí)間6.0分鐘時(shí)，有1.0分鐘的間隔，準直光束按此方式持續提供應用。光束功率為3.2KW，這是根據先前的研究中對此類(lèi)巖石和光束大小所給出的最佳值。7當光束穿透到石塊的一半長(cháng)度時(shí)，光束被轉向，這樣，它可以從另一個(gè)方向來(lái)射入，從而在中間會(huì )合。得到的洞穿透了12英寸長(cháng)的樣品，據報道是目前為止在貝雷中得到的最深的孔道。6孔道的兩邊入口處直徑約為2.0英寸，石塊中部的直徑為1.1英寸(如圖2)。6得到的被移除物質(zhì)的體積為210cc。


圖2：激光產(chǎn)生的孔道的橫截面�？椎篱L(cháng)為12英寸，每個(gè)端面直徑為2.0英寸。

從不同的端面進(jìn)行切割可以降低邊界效應的影響，同時(shí)很好的模擬了儲集層無(wú)限大的情況。激光僅從一個(gè)方向輻照貝雷石塊時(shí)，觀(guān)測到了邊界效應，包括了熱擴散特性上的變化和能量消耗的增加，這是由于光束完全穿透的原因。6這個(gè)現象在過(guò)去的實(shí)驗中曾被觀(guān)測到，它很可能是由于實(shí)驗設計和樣品幾何特性上的人為因素造成的。

結果說(shuō)明：這里，對所有的激光/巖石輻照都確定了其比能(SE)，比能是去除單位質(zhì)量的巖石所需的能量(KJ/cc)。在12英寸貝雷孔道實(shí)驗中觀(guān)測到的比能值為5.5 kJ/cc。使用的總激光能量為1155 kJ或者0.32 kWh。

從之前的實(shí)驗觀(guān)測到貝雷中的比能最小值范圍從4.3到5.2 kJ/cc，表面輻照時(shí)間為0.5秒。8后來(lái)的測試包含了多個(gè)疊加在一起的0.5秒長(cháng)的輻照，從而得到了更大，更深的孔(直徑約1.0英寸，孔深約1.0英寸)，比能值從9.2到13 kJ/cc。

激光輻照前后的滲透性測量沿著(zhù)與光束入射方向垂直的巖石表面進(jìn)行，前后的結果比較沒(méi)有得到任何結果。熱轉變區域從孔道壁沿著(zhù)徑向深入到巖石內約2.00mm處。7這說(shuō)明，比能值小的時(shí)候，射入樣品的大部分能量被有效的用于剝離作用，而不是對孔道附近的巖石特性產(chǎn)生熱轉變。

類(lèi)似的比較在孔道對分的兩邊進(jìn)行。結果表明，沒(méi)有礦物熔化在孔道壁上。激光輻照后沿著(zhù)井的滲透率讀數有15%到30%的提高。7雖然對巖石流體流動(dòng)特性的提高有限，但是激光鉆孔的過(guò)程不會(huì )有明顯的破壞，這對傳統的打孔技術(shù)來(lái)說(shuō)是一項顯著(zhù)的進(jìn)步。

展望：目前在進(jìn)行補充性的研究，包括流體清洗技術(shù)和現場(chǎng)的壓力實(shí)驗(超過(guò)2000磅/平方英寸)。隨后的步驟包括了設計初始向下打井的原型工具，進(jìn)行實(shí)驗室與現場(chǎng)測試，以及在作業(yè)井中的地面下進(jìn)行現場(chǎng)試驗。從這項工作中預期得到的利益可能被整合到更為復雜的建井和完井應用中。土料的其他鉆孔和切割應用可能很快的跨入其他行業(yè)，比如能源工業(yè)，礦業(yè)，軍工，國家安全，航空，建筑和拆除行業(yè)。

Brian C. Gahan, P.E.,是氣體技術(shù)研究所，探索制造中心 E&P技術(shù)發(fā)展部的經(jīng)理。

聯(lián)系方式：brian.gahan@gastechnology.org.

參考文獻
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發(fā)布人：駿凱電子2008/5/10 10:18:002857 發(fā)布時(shí)間：2008/5/10 10:18:00 此新聞已被瀏覽:2857次