CN112145176B - 用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，应用于一种激光钻机设备上；所述方法包括：S101：根据岩层情况调整激光器工艺参数和气体工艺参数；S102：根据待扩大的割缝宽度和岩石特性，设定激光钻头摆动的幅度和频率；S103：所述激光钻头沿着待扩大的割缝轨迹运动，激光钻头在摆动时熔融气化岩层形成凹槽，同时激光钻头以方波形式自摆动，使摆动所产生的凹槽重叠或者接触，达到扩宽割缝的目的；重复步骤S101‑S103，直至完成割缝扩大。本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提出的技术方案采用激光钻头的自摆动来扩宽割缝宽度，可实现任意轨迹的钻进，激光钻进对地层扰动小，钻进岩石效率高，不引入钻井液对地层无污染。
Description
技术领域
本发明涉及激光钻进工艺技术领域，尤其涉及一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法。
背景技术
激光钻进与机械钻进的成孔机制完全不同，需要重新建立不同于常规机械钻进的成孔工艺。激光钻孔的孔眼直径主要由激光束的光斑直径决定，而地质钻探或资源开采等钻进工程中的井眼直径通常远大于激光束的光斑直径，在尺度上相差一到两个数量级。通过激光束定点照射形成的孔径通常难以满足钻进井眼直径要求。本申请提供一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的摆动式切割工艺方法，可以克服激光点照射孔径不够大的问题，形成满足钻进要求的大宽度割缝。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法。
所述一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，应用于一种激光钻机设备上，所述激光钻机设备包括：激光器、激光头运动控制装置、激光钻头、气体循环系统及辅助装置；
所述一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，包括以下步骤：
S101：根据岩层情况调整激光器工艺参数和气体工艺参数；
S102：根据待扩大的割缝宽度和岩石特性，设定激光钻头摆动的幅度和频率；
S103：所述激光钻头沿着待扩大的割缝轨迹运动，激光钻头在摆动时熔融气化岩层形成凹槽，同时激光钻头以待扩大的割缝轨迹为中心线进行摆动，使来回摆动所产生的凹槽重叠或者接触，达到扩宽割缝的目的；其中，激光钻头以方波的形式自摆动为“自转”，激光钻头沿待扩大的割缝轨迹运动为“公转”；
S104：重复步骤S101-S103，直至完成割缝扩大。
进一步地，每执行一次S101-S103，完成一定的钻孔进尺，直到达到割缝的钻进深度要求，即不再重复。
进一步地，所述激光头运动装置为多自由度机械臂或多坐标轴滑台执行件；
所述激光器，通过光纤与激光钻头连接，激光器产生激光束，通过光纤传送至激光头运动装置上的激光钻头；
所述激光钻头安装在机械臂或者滑台执行件末端，工作面范围自由覆盖，从而在空间任意运动；通过控制柜或控制面板控制机械臂或者滑台执行件，进而控制所述激光头运动装置的运动；
所述机械臂或者滑台执行件安装在一个可调节高度的移动底座上；
所述气体循环装置，主要起清孔作用，通过气路管道输送高压循环气体到激光钻头钻出的孔内，并将钻孔的产物排出孔外，以去除钻孔过程中的杂质或者散热；
所述辅助装置包括安全防护措施。
进一步地，步骤S101中，所述激光器工艺参数具体包括：激光功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间、调制频率；
所述气体工艺参数具体包括：高压循环气体的气体种类和气体压力、流速、气体循环装置吹出的气体与激光束同轴或旁轴、射流方向、环绕方式。
进一步地，激光钻头的自摆动幅度和频率需根据待扩大的割缝宽度和岩石特性合理设定，确保待扩大的割缝宽度内的岩石均被激光熔融烧蚀。
进一步地，激光头运动控制装置自带控制系统；步骤S103中，激光头运动控制装置自带的控制系统控制所述激光钻头按照待扩大的割缝的轨迹运动，以扩宽割缝。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提出的技术方案采用激光钻头的自摆动来扩宽割缝宽度，可实现任意轨迹的钻进，激光钻进对地层扰动小，钻进岩石效率高，不引入钻井液对地层无污染等。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法的原理示意图；
图2为本发明实施例中一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，应用于一种激光钻机设备上，包括激光钻头摆动轨迹1和激光钻头沿割缝运动轨迹2(如图1所示)。
高能激光照射岩层，可使岩层温度瞬时升高至熔点或气化点甚至更高，岩石因此破碎、融化或气化，通过循环气体将钻进产物排出，从而形成孔洞。
在进行激光钻井时，激光钻头射出高能激光，能够瞬间熔融气化岩石，在循环气体作用下排出激光钻进产物，在岩体上形成孔洞。使激光钻头沿着待扩大的割缝轨迹运动，同时激光钻头以方波的形式摆动；激光钻头摆动的轨迹为方波，且方波的振幅为a，频率为h；a和h均为预设值，根据激光的光斑直径和岩层特性设定，保证待扩宽割缝范围内的岩石均被熔融气化，即可逐步扩大割缝宽度。
所述激光钻机设备包括：激光器、激光头运动控制装置、激光钻头、气体循环系统及辅助装置；
所述激光头运动装置为多自由度机械臂或多坐标轴滑台执行件；
所述激光器，通过光纤与激光钻头连接，激光器产生激光束，通过光纤传送至激光头运动装置上的激光钻头；
所述激光钻头安装在机械臂或者滑台执行件末端，工作面范围自由覆盖，从而在空间任意运动；通过控制柜或控制面板控制机械臂或者滑台执行件，进而控制所述激光头运动装置的运动；
所述机械臂或者滑台执行件安装在一个可调节高度的移动底座上；
所述气体循环装置，主要起清孔作用，包括气路管道、高压喷嘴和气泵；高压喷嘴的出气口与激光钻头钻出孔的位置相配合，气泵通过气路管道与高压喷嘴连接，通过气路管道输送高压循环气体到激光钻头钻出的孔内，并将钻孔的产物排出孔外，以去除钻孔过程中的杂质或者散热。
所述辅助装置包括安全防护措施。
请参考图2，图2为本发明实施例中一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法流程图；所述一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，具体包括以下步骤：
S101：根据岩层情况调整激光器工艺参数和气体工艺参数；确保钻进的排出物(岩层碎屑等)能够被顺利排出；
S102：根据待扩大的割缝宽度和岩石特性，设定激光钻头摆动的幅度和频率；
S103：所述激光钻头沿着待扩大的割缝轨迹运动，激光钻头在摆动时熔融气化岩层形成凹槽，同时激光钻头以待扩大的割缝轨迹为中心线进行摆动，使来回摆动所产生的凹槽重叠或者接触，达到扩宽割缝的目的；其中，激光钻头以方波的形式自摆动为“自转”，激光钻头沿待扩大的割缝轨迹运动为“公转”；
S104：重复步骤S101-S103，直至完成割缝扩大。每执行一次S101-S103，完成一定的钻孔进尺，只到达到割缝的钻进深度要求，即不再重复。
所述激光器工艺参数具体包括：激光功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间、调制频率(脉冲激光有调制频率)等；
所述气体工艺参数具体包括：高压循环气体的气体种类和气体压力、流速、气体循环装置吹出的气体与激光束同轴或旁轴、射流方向(采用旁轴时有射流方向的设定)、环绕方式(围绕激光钻头转着吹或者定点吹)等。
所述激光器工艺参数通过激光器自带的控制系统设定，所述气体工艺参数通过气体循环系统自带的控制系统设定。
激光钻头的自摆动幅度和频率需根据待扩大的割缝宽度和岩石特性合理设定，确保待扩大的割缝宽度内的岩石均被激光熔融烧蚀。
所述激光钻机设备的各子系统(激光器、激光头运动控制装置、气体循环系统及辅助装置)各自带有控制系统；步骤S103中，激光头运动控制装置自带的控制系统控制所述激光钻头按照待扩大的割缝的轨迹运动，以扩宽割缝。
步骤S103中，在激光钻头运动过程中，所述气体循环系统通过气体管道将高压气体输送至气体喷嘴，气体喷嘴喷出的高压气体用于去除钻孔过程中的岩屑及气体、液体等产物，并对孔壁起到冷却作用。
本发明的有益效果是：本发明提出的技术方案采用激光钻头的自摆动来扩宽割缝宽度，可实现任意轨迹的钻进，激光钻进对地层扰动小，钻进岩石效率高，不引入钻井液对地层无污染等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，应用于一种激光钻机设备上，其特征在于：所述激光钻机设备包括：激光器、激光头运动控制装置、激光钻头、气体循环系统及辅助装置；
所述一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，包括以下步骤：
S101：根据岩层情况调整激光器工艺参数和气体工艺参数；
S102：根据待扩大的割缝宽度和岩石特性，设定激光钻头摆动的幅度和频率；
S103：激光头运动控制装置控制所述激光钻头沿着待扩大的割缝轨迹运动，激光钻头在摆动时熔融气化岩层形成凹槽，同时激光钻头以待扩大的割缝轨迹为中心线进行摆动，使来回摆动所产生的凹槽重叠或者接触，达到扩宽割缝的目的；其中，激光钻头以方波的形式自摆动为“自转”，激光钻头沿待扩大的割缝轨迹运动为“公转”；在激光钻头运动过程中，气体循环系统通过气体管道将高压气体输送至气体喷嘴，所述气体喷嘴喷出的高压气体去除钻孔过程中的岩屑、气体和液体，并对孔壁起到冷却作用；
S104：重复步骤S101-S103，直至完成割缝扩大，每执行一次S101-S103，完成一定的钻孔进尺，直到达到割缝的钻进深度要求，即不再重复。
2.如权利要求1所述的一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，其特征在于：所述激光头运动装置为多自由度机械臂或多坐标轴滑台执行件；
所述激光器，通过光纤与激光钻头连接，激光器产生激光束，通过光纤传送至激光头运动装置上的激光钻头；
所述激光钻头安装在机械臂或者滑台执行件末端，工作面范围自由覆盖，从而在空间任意运动；通过控制柜或控制面板控制机械臂或者滑台执行件，进而控制所述激光头运动装置的运动；
所述机械臂或者滑台执行件安装在一个可调节高度的移动底座上；
所述气体循环系统，起清孔作用，通过气路管道输送高压循环气体到激光钻头钻出的孔内，并将钻孔的产物排出孔外，以去除钻孔过程中的杂质或者散热；
所述辅助装置包括安全防护措施。
3.如权利要求1所述的一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，其特征在于：步骤S101中，所述激光器工艺参数具体包括：激光功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间、调制频率；
所述气体工艺参数具体包括：高压循环气体的气体种类和气体压力、流速、气体循环装置吹出的气体与激光束同轴或旁轴、射流方向、环绕方式。
4.如权利要求1所述的一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，其特征在于：激光钻头的自摆动幅度和频率需根据待扩大的割缝宽度和岩石特性合理设定，确保待扩大的割缝宽度内的岩石均被激光熔融烧蚀。
5.如权利要求1所述的一种用于激光切割岩土扩大割缝宽度的方波式切割工艺方法，其特征在于：激光头运动控制装置自带控制系统；步骤S103中，激光头运动控制装置自带的控制系统控制所述激光钻头按照待扩大的割缝的轨迹运动，以扩宽割缝。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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