CN110596349A - 一种移动式激光破岩实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式激光破岩实验装置及方法，属于激光破岩应用技术领域，所述实验装置包括激光器、光束整形模块、搭载台、岩石座、第一旋转座和第二旋转座，本发明将搭载台和岩石座设为移动式，将第一旋转座或第二旋转座设为旋转式，充分模拟激光破岩作用过程，实现各种功能实验，灵活方便，兼容性强，自动化程度高，同时，通过将激光在岩石表面平移或旋转作用来研究激光与岩石作用机理，进而模拟激光机械钻井过程中的作用过程，实验简单，成本低。

Description

一种移动式激光破岩实验装置及方法

技术领域

本发明属于激光破岩应用技术领域，具体地说涉及一种移动式激光破岩实验装置及方法。

背景技术

在石油勘探和开采中，对于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。自20世纪初旋转钻井取代传统的顿钻钻井，实现石油钻井第一次革新以来，钻井方式一直并无较大变革，仅是通过利用新材料和改进结构设计来提高钻头的性能，以提高钻遇坚硬岩石地层时的钻速，但旋转钻进方式依然是依靠高钻压、高扭矩、高转速来增大机械钻速。

随着激光-机械钻井技术的提出，通过激光对岩石冲击损伤和热损伤，对岩石产生预破碎，使岩石的内应力得到一定的释放，降低岩石的强度，改善岩石的可钻性，再利用机械破岩，这就可以大大提高钻井破岩效率。这种方法不需要太大的激光能量，可以大幅降低激光能耗，同时又能显著提高破岩效率，降低钻井成本，满足现有的钻井工艺要求。激光-机械钻井无疑是未来钻井发展的方向，较之常规钻井具有无可比拟的优势，有望给钻井带来一场革命。

目前，激光-机械钻井技术应用于实际的石油开采钻井还存在较大的技术难度，主要还是在实验室进行模拟实验，然而人们对于激光破岩理论研究所需实验装置并不完备，现有的实验系统一般采用激光固定照射的方法，存在实验性能单一的缺点。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种移动式激光破岩实验装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种移动式激光破岩实验装置，包括：

激光器，其用于粉碎岩石，且激光器能够输出具有相同指向和聚焦特性的指示红光和激光；

光束整形模块，其用于对激光器输出的指示红光和激光进行整形，以调节作用于岩石表面指示红光、激光的光斑形状，且光束整形模块与激光器的激光头同光轴设置；

用于承载激光头和光束整形模块的搭载台，其能够沿着竖直方向和水平方向移动，用于调节作用于岩石表面指示红光、激光的光斑位置及光斑尺寸；

在实验过程中，所述指示红光、激光作用于岩石表面的移动轨迹呈直线或环形。

进一步，所述激光器与激光头通过激光传输光缆连接，且激光头与光束整形模块固定在搭载台上。

进一步，所述岩石远离激光头的一侧设有挡光屏，用于吸收激光。

进一步，所述搭载台由第一电机带动其沿着水平方向移动，且搭载台由第二电机带动其沿着竖直方向移动。

进一步，所述光束整形模块包括第一整形镜和第二整形镜，且第一整形镜和第二整形镜表面镀激光增透膜，且激光增透膜在激光光束波段透过率大于99％。

进一步，所述岩石位于岩石座上，所述岩石座在实验过程中带动岩石持续移动，且移动方向分别与搭载台的竖直移动方向、搭载台的水平移动方向相垂直。

进一步，所述岩石座由第三电机带动其移动，所述岩石座的移动速度为0.5mm/s到50mm/s。

进一步，所述岩石位于第一旋转座上，且第一旋转座带动岩石在垂直平面内旋转，所述第一旋转座的下方设有第一基座。

进一步，所述光束整形模块和激光头位于第二旋转座上，且第二旋转座带动光束整形模块、激光头在垂直平面内旋转。

另，本发明还提供一种移动式激光破岩实验装置的方法，包括如下步骤：

S1：激光器输出指示红光，搭载台移动，促使指示红光的光斑位于岩石左上角，记为初次位置，搭载台移动，调节作用于岩石表面的指示红光的光斑尺寸；

S2：关闭指示红光，激光器输出激光，激光通过光束整形模块变成整形光束并作用到岩石上，若达到激光作用于岩石表面的移动轨迹呈直线的实验目的，则执行步骤S3，若达到激光作用于岩石表面的移动轨迹呈环形的实验目的，则执行步骤S6；

S3：岩石座移动，岩石座由初始位置移动至极限位置，完成一组实验，执行步骤S4；

S4：关闭激光，开启指示红光，岩石座复位至初始位置，调节搭载台使得指示红光的光斑位于初次位置偏下方，调节指示红光的光斑尺寸，执行步骤S5；

S5：重复步骤S2至S4，直至按照设计完成不同参数的激光破岩实验；

S6：第一旋转座或第二旋转座旋转360°，完成一组实验，执行步骤S7；

S7：关闭激光，开启指示红光，调节搭载台使得指示红光的光斑位于初次位置偏下方，调节指示红光的光斑尺寸，执行步骤S8；

S8：重复步骤S6至S7，直至按照设计完成不同参数的激光破岩实验。

本发明的有益效果是：

将搭载台和岩石座设为移动式，将第一旋转座或第二旋转座设为旋转式，充分模拟激光破岩作用过程，实现各种功能实验，灵活方便，兼容性强，自动化程度高，同时，通过将激光在岩石表面平移或旋转作用来研究激光与岩石作用机理，进而模拟激光机械钻井过程中的作用过程，实验简单，成本低。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的整体结构示意图；

图2是图1所示整体结构的俯视图；

图3是本发明另一种实施方式的整体结构示意图；

图4是实施例二中激光作用于岩石表面的移动轨迹示意图。

附图中：10-实验台、11-搭载台、12-样品导轨、13-岩石座、14-挡光屏、20-激光器、21-激光传输光缆、22-激光头、30-光束整形模块、31-第一整形镜、32-第二整形镜、40-岩石、50-控制器、60-第一旋转座、70-第一基座、80-第二旋转座、90-第二基座。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1至图2所示，一种移动式激光破岩实验装置，包括激光器20、光束整形模块30、搭载台11、岩石座13和控制器50。

其中，激光器20用于粉碎岩石40，且激光器20能够输出具有相同指向和聚焦特性的指示红光和激光，指示红光功率低对人无害，且为可见光人眼可见，激光为连续激光或者脉冲激光。同时，所述激光器20与激光头22通过激光传输光缆21连接。

光束整形模块30用于对激光器20输出的指示红光和激光进行整形，以调节作用于岩石40表面指示红光、激光的光斑形状，且光束整形模块30与激光头22同光轴设置。所述光束整形模块30包括第一整形镜31和第二整形镜32，且第一整形镜31和第二整形镜32表面镀激光增透膜，且激光增透膜在激光光束波段透过率大于99％。优选的，所述第一整形镜31和第二整形镜32均为柱透镜，且第一整形镜31和第二整形镜32垂直放置。本实施例中，所述第一整形镜31为凹柱面镜，用于激光光束扩束，所述第二整形镜32为凸柱面镜，用于激光光束聚焦。同时，激光头22与光束整形模块30固定在搭载台11上，也就是说，搭载台11用于承载激光头22和光束整形模块30，其能够沿着竖直方向和水平方向移动，以调节作用于岩石40表面指示红光、激光的光斑位置及光斑尺寸。优选的，所述搭载台11由第一电机带动其沿着水平方向移动，且搭载台11由第二电机带动其沿着竖直方向移动。

若达到激光作用于岩石40表面的移动轨迹呈直线的实验目的，岩石40置于岩石座13上，在实验过程中，岩石座13带动岩石40沿着样品导轨12持续移动，且岩石座13的移动方向分别与搭载台11的竖直移动方向、搭载台11的水平移动方向相垂直。优选的，所述岩石座12由第三电机带动其移动，所述岩石座13的移动速度可调，且移动速度优选为0.5mm/s到50mm/s。此外，所述岩石40远离激光头22的一侧设有挡光屏14，挡光屏14为可耐强激光材料，放置于岩石40后方一定距离，用于吸收激光，防止激光对周边环境的危害。

为了提高实验装置的自动化，控制器50分别与激光器20、第一电机、第二电机和第三电机连接。具体的，一种采用移动式激光破岩实验装置的方法，包括如下步骤：

S1：将岩石40置于岩石座13上，通过控制器50控制激光器20输出指示红光，通过控制器50控制搭载台11沿着竖直方向移动，促使指示红光的光斑位于岩石40左上角，记为初次位置，通过控制器50控制搭载台11沿着水平方向移动，调节作用于岩石40表面的指示红光的光斑尺寸；

S2：关闭指示红光，激光器20输出激光，激光通过光束整形模块30变成整形光束并作用到岩石40上；

S3：通过控制器50控制岩石座13移动，岩石座13由初始位置移动至极限位置，完成一组实验；

S4：关闭激光，开启指示红光，岩石座13复位至初始位置，调节搭载台11在竖直方向的位置，使得指示红光的光斑位于初次位置偏下方，同时，调节指示红光的光斑尺寸；

S5：重复步骤S2至S4，直至按照设计完成不同参数的激光破岩实验。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

连续激光，激光功率为5000W，激光头输出光束直径d＝10mm，岩石座13移动速度5mm/s，光束整形模块到岩石表面工作距离为330mm，凹透镜焦长f₁＝-30mm，凸透镜焦长f₂＝300mm，岩石尺寸宽200mm、高200mm，激光作用于岩石40表面的移动轨迹如图4所示。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图3所示，当岩石40的重量较轻时，所述岩石40位于第一旋转座60上，且第一旋转座60带动岩石40在垂直平面内旋转，所述第一旋转60座的下方设有第一基座70。在其他一些实施例中，当岩石40的重量较轻时，所述光束整形模块30和激光头20位于第二基座90上，且第二基座90位于第二旋转座80上，第二旋转座80带动光束整形模块30、激光头20在垂直平面内旋转。优选地，第一旋转座60和第二旋转座80可分别通过旋转电机驱动，实现旋转。

若达到激光作用于岩石40表面的移动轨迹呈环形的实验目的，具体方法为：

S1：激光器20输出指示红光，搭载台11移动，促使指示红光的光斑位于岩石40左上角，记为初次位置，搭载台11继续移动，调节作用于岩石40表面的指示红光的光斑尺寸；

S2：关闭指示红光，激光器20输出激光，激光通过光束整形模块30变成整形光束并作用到岩石40上；

S3：第一旋转座60或第二旋转座80旋转360°，完成一组实验；

S4：关闭激光，开启指示红光，调节搭载台11使得指示红光的光斑位于初次位置偏下方，调节指示红光的光斑尺寸；

S5：重复步骤S3至S4，直至按照设计完成不同参数的激光破岩实验。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种移动式激光破岩实验装置，其特征在于，包括：

激光器，其用于粉碎岩石，且激光器能够输出具有相同指向和聚焦特性的指示红光和激光；

光束整形模块，其用于对激光器输出的指示红光和激光进行整形，以调节作用于岩石表面指示红光、激光的光斑形状，且光束整形模块与激光器的激光头同光轴设置；

用于承载激光头和光束整形模块的搭载台，其能够沿着竖直方向和水平方向移动，用于调节作用于岩石表面指示红光、激光的光斑位置及光斑尺寸；

在实验过程中，所述指示红光、激光作用于岩石表面的移动轨迹呈直线或环形。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述激光器与激光头通过激光传输光缆连接，且激光头与光束整形模块固定在搭载台上。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述岩石远离激光头的一侧设有挡光屏，用于吸收激光。

4.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于，所述搭载台由第一电机带动其沿着水平方向移动，且搭载台由第二电机带动其沿着竖直方向移动。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述光束整形模块包括第一整形镜和第二整形镜，且第一整形镜和第二整形镜表面镀激光增透膜，且激光增透膜在激光光束波段透过率大于99％。

6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述岩石位于岩石座上，所述岩石座在实验过程中带动岩石持续移动，且移动方向分别与搭载台的竖直移动方向、搭载台的水平移动方向相垂直。

7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述岩石座由第三电机带动其移动，所述岩石座的移动速度为0.5mm/s到50mm/s。

8.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述岩石位于第一旋转座上，且第一旋转座带动岩石在垂直平面内旋转，所述第一旋转座的下方设有第一基座。

9.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述光束整形模块和激光头位于第二旋转座上，且第二旋转座带动光束整形模块、激光头在垂直平面内旋转。

10.一种移动式激光破岩实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：激光器输出指示红光，搭载台移动，促使指示红光的光斑位于岩石左上角，记为初次位置，搭载台移动，调节作用于岩石表面的指示红光的光斑尺寸；

S2：关闭指示红光，激光器输出激光，激光通过光束整形模块变成整形光束并作用到岩石上，若达到激光作用于岩石表面的移动轨迹呈直线的实验目的，则执行步骤S3，若达到激光作用于岩石表面的移动轨迹呈环形的实验目的，则执行步骤S6；

S3：岩石座移动，岩石座由初始位置移动至极限位置，完成一组实验，执行步骤S4；

S4：关闭激光，开启指示红光，岩石座复位至初始位置，调节搭载台使得指示红光的光斑位于初次位置偏下方，调节指示红光的光斑尺寸，执行步骤S5；

S5：重复步骤S2至S4，直至按照设计完成不同参数的激光破岩实验；

S6：第一旋转座或第二旋转座旋转360°，完成一组实验，执行步骤S7；

S7：关闭激光，开启指示红光，调节搭载台使得指示红光的光斑位于初次位置偏下方，调节指示红光的光斑尺寸，执行步骤S8；

S8：重复步骤S6至S7，直至按照设计完成不同参数的激光破岩实验。