CN113898287A - 一种激光破岩方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光破岩方法及装置，该方法包括以下步骤：判断预先采集的岩石样品的化学成分；根据所述岩石样品的化学成分确定所述岩石样品的酸碱类型；根据所述岩石样品的酸碱类型配置相应的化学溶液；将所述化学溶液滴至所述岩石样品表面，使所述岩石样品和所述化学溶液充分接触；若所述岩石样品表面未出现裂纹，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹；利用激光器的高能激光束持续照射出现裂纹的所述岩石样品表面。本发明采用化学溶液对岩石样品进行裂纹预制，预制操作简单、制备时间短、经济成本低，可有效提高裂纹发育扩展的速度，进而提高激光破岩的效率，促进激光破岩技术在实际钻井中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程领域，具体涉及一种激光破岩方法及激光破岩装置。
背景技术
随着经济的快速发展，油气资源在社会发展中的作用愈发重要，但油气储量不足、开采难度增大等问题始终存在。目前，油气勘探及开发深度不断加大，而地层深、地质复杂、岩石硬度高且耐磨性强使得破岩技术面临巨大挑战。随着井身结构和井眼轨迹复杂程度的不断增加，施钻也变得非常困难，传统钻井方法的破岩效率和机械钻速大大降低，钻井的速度、质量和效益也随之下降。因此，开发高效的钻井破岩技术，已成为钻井工程领域面临的重要任务。
自20世纪60年代激光器被发明以来，激光技术快速发展，激光以其高能量密度、高单色性、高方向性、高亮度、相干性好等特点，在军事、医疗、信息、工业及工程等领域得到了广泛的应用。
近年来，激光器也被用来进行钻井破岩，即激光破岩。激光破岩是指利用大功率聚能激光束直接作用于岩石表面，使其局部骤然升温，岩石吸收激光辐射的能量后在内部产生热应力。热应力会促使岩石内部的微观裂纹发育成宏观裂纹，当热应力达到岩石的断裂极限强度时，岩石就会被破坏。若岩石吸收的能量超过其熔化破坏的阈值，则岩石温度升高到熔点以上，使岩石以熔融或气化的形式被破坏。岩石被破坏后形成的残余物由高速气流携带排出，因此可快速形成井眼。激光破岩避免了钻具的磨损，节省了更换钻具的时间及人工成本，钻进效率大幅提高；同时，激光照射时可在井眼周围形成坚固陶瓷釉面，可起到固井作用，降低钻井成本。
目前，随着大功率激光器的发展，工业用二氧化碳激光器、全固态激光器、光纤激光器等的输出功率均有大幅提升，并在激光破岩领域得到了较为广泛的应用，激光破岩技术在提升油气钻采中的应用前景也十分广阔。但现有技术中的激光破岩技术所需能量较大，所需成本过高，激光破岩效率也比较低。
发明内容
为了进一步提高激光破岩的效率，促进激光破岩技术的发展，使激光破岩技术在钻井领域获得更广泛的应用，本申请提供一种激光破岩方法，包括以下步骤：
判断预先采集的岩石样品的化学成分；
根据所述岩石样品的化学成分确定所述岩石样品的酸碱类型；
根据所述岩石样品的酸碱类型配置相应的化学溶液；
将所述化学溶液滴至所述岩石样品表面，使所述岩石样品与所述化学溶液充分接触；
若所述岩石样品表面未出现裂纹，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹；
利用激光器的高能激光束持续照射出现裂纹的所述岩石样品表面。
一实施例中，若所述岩石样品为酸性，则配置的化学溶液为碱溶液；若所述岩石样品为碱性，则配置的化学溶液为酸溶液。
一实施例中，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹，包括：增加滴至所述岩石样品表面化学溶液的量，使得所述岩石样品表面出现裂纹。
一实施例中，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹，包括：调整所述化学溶液的浓度，并将调整浓度后的化学溶液滴至所述岩石样品表面，使得所述岩石样品表面出现裂纹。
一实施例中，所述激光破岩方法还包括：
对所述岩石样品表面进行清洗，去除所述岩石样品表面沾染的污物。
一实施例中，使用丙酮对所述岩石表面进行清洗。
一实施例中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液；所述酸溶液为盐酸溶液。
本申请还提供一种激光破岩装置，包括：激光器、能量传输光纤、激光头及裂纹预制器；
所述能量传输光纤两端分别与所述激光器和激光头连接，所述激光头用于将所述激光器产生的高能激光束发射至待破碎的岩石样品表面；
所述裂纹预制器上开设有多个贯穿上下底面的通孔，所述裂纹预制器的下底面开设有用于套设所述岩石样品的容置空间；当向所述岩石样品表面滴入化学溶液时，所述裂纹预制器套设于所述岩石样品上，通过所述通孔将配置好的化学溶液滴至所述待破碎的岩石样品表面。
一实施例中，所述裂纹预制器的上底面开设有凹槽，所述通孔开设在所述凹槽中。
一实施例中，所述激光破岩装置还包括：工作台和固定台，所述固定台安装于所述工作台上；
所述固定台为圆台结构，所述固定台上底面设置一圈围挡，用于固定所述待破碎的岩石样品。
一实施例中，所述裂纹预制器由耐酸碱腐蚀的材料制成；所述固定台由耐酸碱腐蚀且耐高温的材料制成。
由上述内容可知，本发明提供的激光破岩方法及激光破岩装置，通过使用盐酸溶液或者氢氧化钠溶液对岩石样品进行裂纹预制，预制操作简单、制备时间短、经济成本低，可有效提高裂纹发育扩展的速度，进而提高激光破岩的效率，促进激光破岩技术在实际钻井中的应用；针对不同酸碱类型的岩石，可以采用不同浓度的盐酸或者是氢氧化钠溶液对宏观表面裂纹进行预制，以提高裂纹预制的效率；针对不同类型的岩石，可以在激光器的功率范围内选择最适合的激光功率进行激光破岩，从而保证激光破岩技术的高效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种激光破岩方法的流程图。
图2为本发明提供的另一种激光破岩方法的流程图。
图3为本发明提供的另一种激光破岩方法的流程图。
图4为本发明提供的激光破岩装置示意图。
图5为本发明提供的激光破岩装置的裂纹预制器的示意图。
图6为本发明提供的激光破岩装置的裂纹预制器的剖面图。
图7为本发明提供的激光破岩装置的裂纹预制器的俯视图。
图8为岩石样品表面的裂纹示意图。
附图标号：
1-激光器；2-能量传输光纤；3-激光头；4-岩石样品；5-固定台；6-工作台；7-烧杯；8-化学溶液；9-滴管；10-岩石样品表面裂纹；11-裂纹预制装置；12-通孔；13-固定台上底面凹槽；14-围挡。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请提供一种激光破岩方法，包括以下步骤：
S102：判断预先采集的岩石样品的化学成分；
S104：根据岩石样品的化学成分确定岩石样品的酸碱类型；
S106：根据岩石样品的酸碱类型配置相应的化学溶液；
S108：将化学溶液滴至岩石样品表面，使岩石样品与化学溶液充分接触；
若岩石样品表面产生裂纹，则执行步骤S112；若岩石样品表面未出现裂纹，则执行步骤S110。
S110：调整化学溶液使得所述岩石样品表面出现裂纹；
其中，调整化学溶液可以是该改变滴至岩石样品表面的化学溶液的量和/或改变滴至岩石表面的化学溶液的浓度；
S112：利用激光器的高能激光束持续照射出现裂纹的所述岩石样品表面。
由图1所示的流程可知，本申请在使用高能激光束照射岩石样品之前，根据岩石样品的化学成分配置相应的化学溶液，利用酸碱中和原理使岩石样品表面快速出现裂纹。此方法通过预先在岩石样品表面制备裂纹，后续使用高能激光束破岩的效率将大大提高，更有利于节约能源。
可以理解的是，将化学溶液滴至岩石样品表面后，可静置一段时间，如2～3分钟，使得岩石样品与化学溶液充分接触并发生化学反应，产生裂纹。
在一具体实施方式中，若岩石样品为酸性，则配置的化学溶液为碱溶液；若岩石样品为碱性，则配置的化学溶液为酸溶液。
在一具体实施方式中，碱溶液可以为氢氧化钠溶液；酸溶液可以为盐酸溶液。
在一具体实施方式中，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹，包括步骤S1101：增加滴至所述岩石样品表面化学溶液的量，使得所述岩石样品表面出现裂纹。如图2所示，若岩石样品表面未出现裂纹，则增加滴至岩石样品表面的化学溶液的量，使得岩石样品表面出现裂纹。
在一具体实施方式中，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹，包括步骤S1102：增加所述化学溶液的浓度，并将调整浓度后的化学溶液滴至所述岩石样品表面，使得所述岩石样品表面出现裂纹。如图3所示，若岩石样品表面未出现裂纹，则调整滴至岩石样品表面的化学溶液的浓度，再将调整浓度后的化学溶液滴至岩石样品表面使其出现裂纹。
可以理解的是，在实际应用中，若岩石样品表面依旧没有出现裂纹，可以仅增加滴至岩石样品表面的化学溶液的量，或仅改变滴至岩石样品表面的化学溶液的浓度，也可以既增加滴至岩石样品表面的化学溶液的量又改变化学溶液的浓度，本申请并不限制调整化学溶液的方法以及涉及多种调整方法时的调整顺序。
在一具体实施方式中，所述激光破岩方法还包括以下步骤：
对所述岩石样品表面进行清洗，去除所述岩石样品表面沾染的污物。
在对预先采集的岩石样品处理之前，先对岩石样品表面进行清洗，便于准确判断岩石样品的化学成分及酸碱类型，同时有利于提高后续使用化学溶液预制裂纹时的效率。
在一具体实施方式中，用于清洗岩石样品表面的溶液为丙酮。
本发明提供的激光破岩方法，通过使用盐酸溶液或者氢氧化钠溶液对岩石样品进行裂纹预制，预制操作简单、制备时间短、经济成本低，可有效提高裂纹发育扩展的速度，进而提高激光破岩的效率，促进激光破岩技术在实际钻井中的应用；针对不同酸碱类型的岩石，可以采用不同浓度的盐酸或者是氢氧化钠溶液对宏观表面裂纹进行预制，以提高裂纹预制的效率。
参见图4至图7，本申请还提供一种激光破岩装置，包括：激光器1、能量传输光纤2、激光头3及裂纹预制器11。
能量传输光纤2两端分别与激光器1和激光头3连接，激光头3用于将激光器1产生的高能激光束发射至待破碎的岩石样品4表面。
如图5和图6所示，裂纹预制器11上开设有多个贯穿上下底面的通孔12，当需要向岩石样品4表面滴加化学溶液时，可以将裂纹预制器11放置在岩石样品4上方，使用滴管9从烧杯7中吸取调制好的化学溶液8，并通过通孔12滴至岩石样品表面，使岩石样品4表面出现裂纹10。
在一具体实施方式中，裂纹预制器11的下底面开设有用于套设岩石样品4的容置空间，当需要向岩石样品4表面滴加化学溶液时，可直接将裂纹预制器11套设于岩石样品4上，防止裂纹预制器11从岩石样品4上掉落。
在一具体实施方式中，裂纹预制器11的上底面开设有凹槽13，通孔12开设在所述凹槽13中。
在一具体实施方式中，所述激光破岩装置还包括：固定台5和工作台6，固定台5安装于工作台6上；固定台5为圆台结构，固定台5的上底面设置一圈围挡14，用于固定所述待破碎的岩石样品，防止岩石样品从固定台5上掉落。
由于裂纹预制器11需要和化学溶液直接接触，因此裂纹预制器11由耐酸碱腐蚀的材料制成。
由于在对岩石样品4进行预制裂纹和激光照射的步骤是在固定台5上进行的，因此固定台5由耐酸碱腐蚀且耐高温的材料制成。
以下将以常见的花岗岩为例，结合图1至图8说明本申请的激光破岩方法及激光破岩装置。本具体实施例中，花岗岩岩石样品的尺寸为Φ50×50mm；激光器的功率范围为0-2kW。具体示例如下：
(1)利用丙酮，对预先采集的花岗岩岩石样品的表面进行清洗，洗掉岩石样品表面所沾染的污物。
(2)根据花岗岩的化学成分判断其酸碱类型。花岗岩岩石的主要成分为碳酸钙，故花岗岩的酸碱类型为碱性。
(3)根据花岗岩的酸碱类型配置相应的化学溶液。花岗岩为碱性碳酸盐，故可配置相应的酸溶液，如配置质量分数为6％的盐酸溶液。
(4)将预先采集花岗岩岩石样品放置于固定台上的合适位置并固定好。
(5)将裂纹预制器套设在花岗岩岩石样品表面，利用滴管将配置好的质量分数为6％的盐酸溶液沿裂纹预制器的通孔滴至岩石样品表面，静置2-3分钟，使盐酸溶液与花岗岩岩石样品充分接触并发生化学反应；
(6)若岩石样品表面未出现裂纹，则重复步骤(5)，以增加滴至岩石样品表面的盐酸溶液的量；和/或改变盐酸溶液的浓度后重新进行步骤(5)的操作，直至岩石样品表面出现裂纹。
(7)将激光器打开，用高能激光束持续照射出现裂纹的岩石表面，在高能激光热源的作用下，岩石内部产生热应力，促使岩石表面的裂纹快速发育扩展，以形成连续的热破碎效应。
本发明提供的激光破岩装置，用以实现本发明提供的激光破岩方法，通过使用盐酸溶液或者氢氧化钠溶液对岩石样品进行裂纹预制，预制操作简单、制备时间短、经济成本低，可有效提高裂纹发育扩展的速度，进而提高激光破岩的效率，促进激光破岩技术在实际钻井中的应用；针对不同酸碱类型的岩石，可以采用不同浓度的盐酸或者是氢氧化钠溶液对宏观表面裂纹进行预制，以提高裂纹预制的效率。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书权利要求限定的范围之内。
Claims (11)
1.一种激光破岩方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断预先采集的岩石样品的化学成分；
根据所述岩石样品的化学成分确定所述岩石样品的酸碱类型；
根据所述岩石样品的酸碱类型配置相应的化学溶液；
将所述化学溶液滴至所述岩石样品表面，使所述岩石样品与所述化学溶液充分接触；
若所述岩石样品表面未出现裂纹，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹；
利用激光器的高能激光束持续照射出现裂纹的所述岩石样品表面。
2.根据权利要求1所述的激光破岩方法，其特征在于，若所述岩石样品为酸性，则配置的化学溶液为碱溶液；若所述岩石样品为碱性，则配置的化学溶液为酸溶液。
3.根据权利要求1所述的激光破岩方法，其特征在于，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹，包括：增加滴至所述岩石样品表面化学溶液的量，使得所述岩石样品表面出现裂纹。
4.根据权利要求1或3所述的激光破岩方法，其特征在于，改变化学溶液的量和/或浓度，使得所述岩石样品表面出现裂纹，包括：调整所述化学溶液的浓度，并将调整浓度后的化学溶液滴至所述岩石样品表面，使得所述岩石样品表面出现裂纹。
5.根据权利要求1所述的激光破岩方法，其特征在于，还包括：
对所述岩石样品表面进行清洗，去除所述岩石样品表面沾染的污物。
6.根据权利要求5所述的激光破岩方法，其特征在于，使用丙酮对所述岩石表面进行清洗。
7.根据权利要求2所述的激光破岩方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钠溶液；所述酸溶液为盐酸溶液。
8.一种激光破岩装置，其特征在于，包括：激光器、能量传输光纤、激光头及裂纹预制器；
所述能量传输光纤两端分别与所述激光器和激光头连接，所述激光头用于将所述激光器产生的高能激光束发射至待破碎的岩石样品表面；
所述裂纹预制器上开设有多个贯穿上下底面的通孔，所述裂纹预制器的下底面开设有用于套设所述岩石样品的容置空间；当向所述岩石样品表面滴入化学溶液时，所述裂纹预制器套设于所述岩石样品上，通过所述通孔将配置好的化学溶液滴至所述待破碎的岩石样品表面。
9.根据权利要求8所述的激光破岩装置，其特征在于，所述裂纹预制器的上底面开设有凹槽，所述通孔开设在所述凹槽中。
10.根据权利要求8所述的激光破岩装置，其特征在于，还包括：工作台和固定台，所述固定台安装于所述工作台上；
所述固定台为圆台结构，所述固定台上底面设置一圈围挡，用于固定所述待破碎的岩石样品。
11.根据权利要求10所述的激光破岩装置，其特征在于，所述裂纹预制器由耐酸碱腐蚀的材料制成；所述固定台由耐酸碱腐蚀且耐高温的材料制成。
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- 2021-03-19 CN CN202110294637.6A patent/CN113898287B/zh active Active
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