CN112539917A - 一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置及方法，属于油气勘探开发钻井提速技术领域，所述实验装置包括第一激光器、第二激光器和耦合组件，第一激光器用于输出连续激光，第二激光器用于输出与连续激光不同光轴的短脉冲激光，且短脉冲激光的输出时间晚于连续激光的输出时间，聚焦后的连续激光和短脉冲激光经耦合组件耦合合束至同一光轴形成复合激光并作用于岩石，本发明采用短脉冲激光和连续激光耦合形成复合激光，利用了热效应和冲击波力学效应，耦合作业，提高了破岩效率。

Description

一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置及方法

技术领域

本发明属于油气勘探开发钻井提速技术领域，具体地说涉及一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置及方法。

背景技术

随着我国国民经济的高速发展，国家对油气资源的需求急剧增加，供需矛盾日益严峻。目前，我国油气资源大量依赖进口，这不仅遏制了国民经济的高速发展，而且严重威胁着国家能源安全。因此，必须加大我国油气资源的勘探开发力度。

随着常规油气资源的日益枯竭，油气勘探开发目的层由中浅层向深层、超深层和复杂难钻地层快速延伸。深层钻井作业普遍面临硬度高、可钻性差、地质结构复杂等问题，严重制约了钻井速度的进一步提升。我国大部分尚未开发的油气资源主要埋藏在非常规地层和复杂难钻地层，如塔里木库车山前地区白垩系目的层的强研磨性岩层机械钻速不到0.7m/h，引进国外新钻头试验也只有1m/h左右；川渝地区沧浪铺组强研磨地层机械钻速为(0.6～0.8)m/h，采用孕镶钻头加涡轮钻速也仅有1.4m/h。钻速慢成为影响深井施工效率的最主要因素，增加了钻井事故发生概率，延长了建井周期，极大增加了钻井成本，延缓了油气开发的进度。钻井的核心任务是提速增效，提速的关键在于高效破岩。因此，开展高效破岩新方法、新理论、新技术的研究是当前油气钻井必须要解决的首要问题。

近年来，国内外研究人员通过应用钻井提速新工具和研究提速新工艺，钻井速度有了较大提升，但是一直没有突破性进展。激光技术是20世纪60年代兴起的一门多学科结合的科学技术，激光具有高亮度、高单色性、高方向性的特点，应用于材料加工具有无接触加工、加工材料无选择的特性，解决了许多常规方法无法解决或难以解决的难题。激光技术应用于油气钻井中将会给油气钻井技术带来重大突破，被视为21世纪革命性技术，受到世界各国油气工作者的重视。激光钻井和激光机械联合钻井是当前钻井技术的主要发展方向，激光钻井是利用高能激光束直接作用于岩石表面，使岩石表面局部受热而弱化、碎化直至熔融甚至达到汽化的状态，然后利用高速辅助气流将其清除，是一种非机械接触式破岩方法。激光-机械联合破岩利用激光辐射岩石表面引起岩石温度梯度的产生，使岩石产生热应力甚至萌生微裂纹，从而削弱岩石强度，随后进行机械旋转钻进。相对于传统的钻井方法，激光钻井和激光-机械联合破岩钻井技术在降低钻井成本、提高钻井速度和安全性等方面具有巨大的潜力，被认为是一种非常有前景的技术，可以为油气工程技术带来质的飞跃。

发明内容

发明人经过长期研究发现：在现有的激光钻井和激光-机械联合钻井技术中，采用的激光为连续激光或脉冲激光，即激光为单一属性。同时，在现有的技术条件下，对激光功率要求高，为工程应用增加了很大的难度。为了有效提高激光破岩的速度和激光能量的利用率，同时，减少对激光功率需求，降低工程化应用难度，发明人采用连续激光与短脉冲激光空间叠加复合的方法，研究复合激光与岩石作用机理，进而模拟复合激光在钻井过程中的作用过程。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，包括：

第一激光器，用于输出连续激光；

第二激光器，用于输出与连续激光不同光轴的短脉冲激光，且短脉冲激光的输出时间晚于连续激光的输出时间；

和耦合组件，所述连续激光经过第一聚焦组件传输至耦合组件，所述短脉冲激光经过第二聚焦组件传输至耦合组件，且第一聚焦组件、第二聚焦组件均可移动，聚焦后的连续激光和短脉冲激光经耦合组件耦合合束至同一光轴形成复合激光，所述复合激光直接作用于岩石。

进一步，所述短脉冲激光的脉冲宽度为皮秒(10ps-100ps)、纳秒(0.1ns-1000ns)或微秒(1-1000μs)。

进一步，所述耦合组件为双色镜或偏振片，不同的是，采用双色镜对连续激光和短脉冲激光进行波长合束，采用偏振片对连续激光和短脉冲激光进行偏振合束。

进一步，所述第一聚焦组件与第二聚焦组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光作用于岩石上的光斑位置及光斑尺寸，且短脉冲激光作用于岩石上的光斑尺寸不大于连续激光作用于岩石上的光斑尺寸。

进一步，所述第一聚焦组件包括聚焦透镜和平移台，所述聚焦透镜位于平移台上方，且平移台可沿着连续激光的传输路径移动。

进一步，所述连续激光经第一整形组件传输至第一聚焦组件，所述短脉冲激光经第二整形组件传输至第二聚焦组件，且第一整形组件与第二整形组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光的光斑形状，如圆光斑、矩形光斑或线光斑。

进一步，所述第一整形组件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均镀激光增透膜，且激光增透膜在激光光束波段透过率大于99％。

进一步，所述第一整形镜和第二整形镜均为柱透镜，且第一整形镜和第二整形镜垂直放置。

进一步，所述第一激光器为高功率光纤激光器，其输出接口为QBH/QD标准形式，输出光纤芯径大于100μm，连续激光的中心波长为1020-1100nm，且连续激光的功率大于1000W。

进一步，所述第一激光器为光纤耦合输出半导体激光器，其输出接口为QBH/QD标准形式，输出光纤芯径大于200μm，连续激光的中心波长为800nm-980nm，且连续激光的功率大于1000W。

进一步，所述连续激光经第一准直组件传输至第一整形组件，所述第一准直组件包括相对第一激光器的光轴固定的固定透镜组及可相对第一激光器的光轴移动的可动透镜组。

进一步，所述第二激光器为激光二极管泵浦重频脉冲固体激光器，其输出为空间光束，短脉冲激光的中心波长为1030nm-1064nm，所述短脉冲激光的重频大于等于1000Hz时，单脉冲能量大于10mJ，所述短脉冲激光的重频为500-1000Hz时，单脉冲能量大于100mJ，所述短脉冲激光的重频小于等于10Hz时，单脉冲能量大于500mJ。

进一步，所述短脉冲激光经扩束组件传输至第二整形组件，所述扩束组件包括至少两个沿第二激光器的光轴间隔设置的扩束透镜，且任一扩束透镜均可沿第二激光器的光轴移动。

进一步，所述第二激光器为调Q输出的光纤脉冲激光器，其输出为QBH/QD标准形式，输出光纤芯径大于200μm，短脉冲激光的中心波长为1020nm-1100nm，所述短脉冲激光的重频大于等于1000Hz，单脉冲能量大于10mJ。

进一步，所述短脉冲激光经第二准直组件传输至第二整形组件，所述第二准直组件与第一准直组件结构相同。

进一步，为了保证连续激光与短脉冲激光的波长不同，便于耦合，当第二激光器为光纤脉冲激光器时，第一激光器采用光纤耦合输出半导体激光器。

另，本发明还提供一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：所述第一激光器输出连续激光，且连续激光经第一聚焦组件传输至耦合组件处，并经耦合组件作用于岩石形成作用点，所述连续激光利用其热效应辐射岩石；

S2：当连续激光作用于岩石后，所述第二激光器输出短脉冲激光，且短脉冲激光经第二聚焦组件传输至耦合组件处，并经耦合组件耦合合束至与连续激光同一光轴形成复合激光，所述复合激光辐射并冲击岩石形成作用点；

S3：移动第一聚焦组件和第二聚焦组件，调节作用点与光束焦点的相对位置，进而调节连续激光、短脉冲激光在作用点的光斑尺寸；

S4：固定第一聚焦组件，持续移动第二聚焦组件，以持续调节短脉冲激光在作用点的光斑尺寸，强化破岩效果，在移动过程中，保证短脉冲激光在作用点的光斑尺寸不大于连续激光在作用点的光斑尺寸，直至实验结束。

进一步，采用所述实验装置钻井时，利用连续激光先作用于岩石表面，岩石吸收连续激光的能量后，使岩石表面局部受热而弱化、碎化直至熔融甚至达到汽化的状态，之后，短脉冲激光直接作用在弱化后的岩石表面，利用短脉冲激光冲击波力学效应对处于弱化状态的岩石进行冲击，促使岩石自动脱落，增加其去除效率，即复合激光充分利用了热效应和冲击波力学效应，耦合作业，提高了破岩效率。

进一步，采用所述实验装置钻井时，连续激光的功率不低于10000W。

进一步，采用所述实验装置与机械联合钻井时，利用连续激光辐射岩石表面，岩石吸收连续激光的能量后，使岩石表面局部受热，引起岩石温度梯度的产生，使岩石产生热应力甚至萌生微裂纹，与此同时，通过短脉冲激光的冲击力效应，增强裂纹产生效果，从而削弱岩石强度，为随后进行机械旋转钻井提高效率。

进一步，采用所述实验装置与机械联合钻井时，连续激光的功率不低于1000W。

本发明的有益效果是：

采用短脉冲激光和连续激光耦合形成复合激光，并作用于岩石，能够提升破岩效率，同时，聚焦透镜位于平移台，可通过调节聚焦透镜和平移台的位置，调节作用于岩石上的光斑尺寸，从而实现两路光束不同光斑尺寸的调节，灵活方便，兼容性强，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明实施例一对应的破岩效果图；

图3是本发明实施例二对应的破岩效果图。

附图中：1-第一激光器、2-第二激光器、3-耦合组件、4-岩石、5-第一整形组件、6-第二整形组件、7-第一准直组件、8-扩束组件、9-聚焦透镜、10-平移台。

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所示，一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，包括第一激光器1、第二激光器2和耦合组件3。其中，第一激光器1用于输出连续激光，所述连续激光依次经过第一整形组件5和第一聚焦组件。第二激光器2用于输出与连续激光不同光轴的短脉冲激光，所述短脉冲激光的脉冲宽度为皮秒(10ps-100ps)、纳秒(0.1ns-1000ns)或微秒(1-1000μs)，所述短脉冲激光依次经过第二整形组件6和第二聚焦组件，且短脉冲激光的输出时间晚于连续激光的输出时间。聚焦后的连续激光和短脉冲激光经耦合组件3耦合合束至同一光轴形成复合激光，所述复合激光直接作用于岩石4。

本实施例中，所述耦合组件3为双色镜，采用双色镜对连续激光和短脉冲激光进行波长合束，且其与水平面呈45°放置。其中，双色镜的前表面(邻近岩石4的表面)镀短脉冲激光波段45°全反射膜和连续激光波段高透射膜，其后表面(远离岩石4的表面)镀连续激光波段高透射膜。在其他一些实施例中，所述耦合组件3还可为偏振片，对连续激光和短脉冲激光进行偏振合束。

所述第一整形组件5与第二整形组件6的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光的光斑形状，如圆光斑、矩形光斑或线光斑。以第一整形组件5为例，其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均镀激光增透膜，且激光增透膜在激光光束波段透过率大于99％。本实施例中，所述第一整形镜和第二整形镜均为柱透镜，且第一整形镜和第二整形镜垂直放置。

所述第一聚焦组件与第二聚焦组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光作用于岩石4上的光斑位置(即作用点)及光斑尺寸，且短脉冲激光作用于岩石4上的光斑尺寸不大于连续激光作用于岩石4上的光斑尺寸，也就是说，短脉冲激光的光斑位于连续激光的光斑范围内。以第一聚焦组件为例，其包括聚焦透镜9和平移台10，所述聚焦透镜9位于平移台10上方，且平移台10可沿着连续激光的传输路径移动。同理，第二聚焦组件中的平移台可沿着短脉冲激光的传输路径移动，从而调节光斑尺寸。

利用所述短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置进行破岩时，包括如下步骤：

S1：所述第一激光器1输出连续激光，且连续激光经第一整形组件5、第一聚焦组件传输至耦合组件3处，并经耦合组件3作用于岩石4形成作用点，所述连续激光利用其热效应辐射岩石4。

S2：当连续激光作用于岩石4后，所述第二激光器2输出短脉冲激光，且短脉冲激光经第二整形组件6、第二聚焦组件传输至耦合组件3处，并经耦合组件3耦合合束至与连续激光同一光轴形成复合激光，所述复合激光辐射并冲击岩石4形成作用点。

S3：移动第一聚焦组件和第二聚焦组件，调节作用点与光束焦点的相对位置，进而调节连续激光、短脉冲激光在作用点的光斑尺寸。

S4：固定第一聚焦组件，持续移动第二聚焦组件，以持续调节短脉冲激光在作用点的光斑尺寸，在移动过程中，保证短脉冲激光在作用点的光斑尺寸不大于连续激光在作用点的光斑尺寸，直至实验结束。

本实施例中，采用所述实验装置钻井，利用连续激光先作用于岩石4表面，岩石吸收连续激光的能量后，使岩石4表面局部受热而弱化、碎化直至熔融甚至达到汽化的状态，之后，短脉冲激光直接作用在弱化后的岩石4表面，利用短脉冲激光冲击波力学效应对处于弱化状态的岩石4进行冲击，促使岩石4自动脱落，增加其去除效率，即复合激光充分利用了热效应和冲击波力学效应，耦合作业，提高了破岩效率。在此过程中，连续激光的功率不低于10000W。

结合深层超硬岩层主要有花岗岩、页岩和玄武岩等，本实施例选择具有代表性的花岗岩作为研究对象。采用本发明所述方法及现有技术(仅采用连续激光钻井)分别作用于同尺寸、同性质的花岗岩岩样，且作用时间相同。

所述第一激光器为高功率光纤激光器，所述第二激光器为激光二极管泵浦重频脉冲固体激光器，具体的，所述连续激光经第一准直组件7准直后输出平行光束，所述平行光束依次传输至第一整形组件5、第一聚焦组件和耦合组件3，所述第一准直组件7包括相对第一激光器1的光轴固定的固定透镜组及可相对第一激光器1的光轴移动的可动透镜组。所述短脉冲激光经扩束组件8传输至第二整形组件6、第一聚焦组件和耦合组件3，所述扩束组件包括至少两个沿第二激光器2的光轴间隔设置的扩束透镜，且任一扩束透镜均可沿第二激光器2的光轴移动。

连续激光的中心波长为1080nm，且连续激光的功率为10000W，连续激光作用于花岗岩岩样的光斑为圆光斑，直径为40mm，短脉冲激光的中心波长为1064nm，脉冲宽度为100ns，重频为50kHz，单脉冲能量为20mJ，短脉冲激光作用于花岗岩岩样的光斑为圆光斑，直径为30mm，其作用效果图如图2(b)所示。现有技术中连续激光的中心波长为1080nm，且连续激光的功率为10000W，圆光斑，直径为40mm，其作用效果图如图2(a)所示。由图2可以看出：在作用时间相同的前提下，图2(b)中花岗岩岩样的熔融效果明显优于图2(a)，也就是说，采用本发明所述实验装置的破岩效率更高。

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：

采用所述实验装置与机械联合钻井，利用连续激光辐射岩石4表面，岩石4吸收连续激光的能量后，使岩石4表面局部受热，引起岩石4温度梯度的产生，使岩石4产生热应力甚至萌生微裂纹，与此同时，通过短脉冲激光的冲击力效应，增强裂纹产生效果，从而削弱岩石4强度，为随后进行机械旋转钻井提高效率。在此过程中，连续激光的功率不低于1000W。

采用本发明所述实验装置与机械联合钻井、现有技术(采用连续激光与机械联合钻井)分别作用于同尺寸、同性质的花岗岩岩样，且作用时间相同。

所述第一激光器为光纤耦合输出半导体激光器，所述第二激光器为调Q输出的光纤脉冲激光器，具体的，所述连续激光依次经过第一准直组件7、第一整形组件5、第一聚焦组件和耦合组件3，所述短脉冲激光依次经过第二准直组件、第二整形组件6、第一聚焦组件和耦合组件3，其中，第二准直组件与第一准直组件7结构相同。连续激光的中心波长为915nm，且连续激光的功率为2000W，连续激光作用于花岗岩岩样的光斑为矩形光斑，尺寸为2mm*40mm，短脉冲激光的中心波长为1080nm，脉冲宽度为200ns，重频为20kHz，单脉冲能量为20mJ，短脉冲激光作用于花岗岩岩样的光斑为矩形光斑，尺寸为1.8mm*38mm，其作用效果图如图3(b)所示。现有技术中连续激光的中心波长为915nm，且连续激光的功率为2000W，矩形光斑，尺寸为2mm*40mm，其作用效果图如图3(a)所示。由图3可以看出：在作用时间相同的前提下，图3(b)中花岗岩岩样的破岩效果明显优于图3(a)，也就是说，采用本发明所述实验装置与机械联合钻井的破岩效率更高。

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)

1.一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，包括：

第一激光器，用于输出连续激光；

第二激光器，用于输出与连续激光不同光轴的短脉冲激光，且短脉冲激光的输出时间晚于连续激光的输出时间；

和耦合组件，所述连续激光经过第一聚焦组件传输至耦合组件，所述短脉冲激光经过第二聚焦组件传输至耦合组件，且第一聚焦组件、第二聚焦组件均可移动，聚焦后的连续激光和短脉冲激光经耦合组件耦合合束至同一光轴形成复合激光，所述复合激光直接作用于岩石。

2.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述第一激光器为高功率光纤激光器，其输出接口为QBH/QD标准形式，输出光纤芯径大于100μm，连续激光的中心波长为1020-1100nm，且连续激光的功率大于1000W。

3.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述第一激光器为光纤耦合输出半导体激光器，其输出接口为QBH/QD标准形式，输出光纤芯径大于200μm，连续激光的中心波长为800nm-980nm，且连续激光的功率大于1000W。

4.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述第二激光器为激光二极管泵浦重频脉冲固体激光器，其输出为空间光束，短脉冲激光的中心波长为1030nm-1064nm，所述短脉冲激光的重频大于等于1000Hz时，单脉冲能量大于10mJ，所述短脉冲激光的重频为500-1000Hz时，单脉冲能量大于100mJ，所述短脉冲激光的重频小于等于10Hz时，单脉冲能量大于500mJ。

5.根据权利要求1所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述第二激光器为调Q输出的光纤脉冲激光器，其输出为QBH/QD标准形式，输出光纤芯径大于200μm，短脉冲激光的中心波长为1020nm-1100nm，所述短脉冲激光的重频大于等于1000Hz，单脉冲能量大于10mJ。

6.根据权利要求2-5任一所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述耦合组件为双色镜或偏振片。

7.根据权利要求6所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述第一聚焦组件与第二聚焦组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光作用于岩石上的光斑位置及光斑尺寸，且短脉冲激光作用于岩石上的光斑尺寸不大于连续激光作用于岩石上的光斑尺寸。

8.根据权利要求7所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述第一聚焦组件包括聚焦透镜和平移台，所述聚焦透镜位于平移台上方，且平移台可沿着连续激光的传输路径移动。

9.根据权利要求8所述的一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置，其特征在于，所述连续激光经第一整形组件传输至第一聚焦组件，所述短脉冲激光经第二整形组件传输至第二聚焦组件，且第一整形组件与第二整形组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光的光斑形状。

10.一种采用短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：所述第一激光器输出连续激光，且连续激光经第一聚焦组件传输至耦合组件处，并经耦合组件作用于岩石形成作用点，所述连续激光利用其热效应辐射岩石；

S2：当连续激光作用于岩石后，所述第二激光器输出短脉冲激光，且短脉冲激光经第二聚焦组件传输至耦合组件处，并经耦合组件耦合合束至与连续激光同一光轴形成复合激光，所述复合激光辐射并冲击岩石形成作用点；

S3：移动第一聚焦组件和第二聚焦组件，调节作用点与光束焦点的相对位置，进而调节连续激光、短脉冲激光在作用点的光斑尺寸；

S4：固定第一聚焦组件，持续移动第二聚焦组件，以持续调节短脉冲激光在作用点的光斑尺寸，在移动过程中，保证短脉冲激光在作用点的光斑尺寸不大于连续激光在作用点的光斑尺寸，直至实验结束。

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