[發明專利]一種短脈沖激光與連續激光復合破巖的實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202011405136.2
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112539917A
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 康民強;李劍彬;鄧穎;蔣學君;陳遠斌;黃醒;董一方;周松;向祥軍;張帆;粟敬欽;朱啟華;鄭建剛;鄭奎興;陳波;鄭萬國
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: G01M11/00
• 分類號: G01M11/00
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 張明利

本發明涉及一種短脈沖激光與連續激光復合破巖的實驗裝置及方法，屬于油氣勘探開發鉆井提速技術領域，所述實驗裝置包括第一激光器、第二激光器和耦合組件，第一激光器用于輸出連續激光，第二激光器用于輸出與連續激光不同光軸的短脈沖激光，且短脈沖激光的輸出時間晚于連續激光的輸出時間，聚焦后的連續激光和短脈沖激光經耦合組件耦合合束至同一光軸形成復合激光并作用于巖石，本發明采用短脈沖激光和連續激光耦合形成復合激光，利用了熱效應和沖擊波力學效應，耦合作業，提高了破巖效率。

技術領域

本發明屬于油氣勘探開發鉆井提速技術領域，具體地說涉及一種短脈沖激光與連續激光復合破巖的實驗裝置及方法。

背景技術

隨著我國國民經濟的高速發展，國家對油氣資源的需求急劇增加，供需矛盾日益嚴峻。目前，我國油氣資源大量依賴進口，這不僅遏制了國民經濟的高速發展，而且嚴重威脅著國家能源安全。因此，必須加大我國油氣資源的勘探開發力度。

隨著常規油氣資源的日益枯竭，油氣勘探開發目的層由中淺層向深層、超深層和復雜難鉆地層快速延伸。深層鉆井作業普遍面臨硬度高、可鉆性差、地質結構復雜等問題，嚴重制約了鉆井速度的進一步提升。我國大部分尚未開發的油氣資源主要埋藏在非常規地層和復雜難鉆地層，如塔里木庫車山前地區白堊系目的層的強研磨性巖層機械鉆速不到0.7m/h，引進國外新鉆頭試驗也只有1m/h左右；川渝地區滄浪鋪組強研磨地層機械鉆速為(0.6～0.8)m/h，采用孕鑲鉆頭加渦輪鉆速也僅有1.4m/h。鉆速慢成為影響深井施工效率的最主要因素，增加了鉆井事故發生概率，延長了建井周期，極大增加了鉆井成本，延緩了油氣開發的進度。鉆井的核心任務是提速增效，提速的關鍵在于高效破巖。因此，開展高效破巖新方法、新理論、新技術的研究是當前油氣鉆井必須要解決的首要問題。

近年來，國內外研究人員通過應用鉆井提速新工具和研究提速新工藝，鉆井速度有了較大提升，但是一直沒有突破性進展。激光技術是20世紀60年代興起的一門多學科結合的科學技術，激光具有高亮度、高單色性、高方向性的特點，應用于材料加工具有無接觸加工、加工材料無選擇的特性，解決了許多常規方法無法解決或難以解決的難題。激光技術應用于油氣鉆井中將會給油氣鉆井技術帶來重大突破，被視為21世紀革命性技術，受到世界各國油氣工作者的重視。激光鉆井和激光機械聯合鉆井是當前鉆井技術的主要發展方向，激光鉆井是利用高能激光束直接作用于巖石表面，使巖石表面局部受熱而弱化、碎化直至熔融甚至達到汽化的狀態，然后利用高速輔助氣流將其清除，是一種非機械接觸式破巖方法。激光-機械聯合破巖利用激光輻射巖石表面引起巖石溫度梯度的產生，使巖石產生熱應力甚至萌生微裂紋，從而削弱巖石強度，隨后進行機械旋轉鉆進。相對于傳統的鉆井方法，激光鉆井和激光-機械聯合破巖鉆井技術在降低鉆井成本、提高鉆井速度和安全性等方面具有巨大的潛力，被認為是一種非常有前景的技術，可以為油氣工程技術帶來質的飛躍。

發明內容

發明人經過長期研究發現：在現有的激光鉆井和激光-機械聯合鉆井技術中，采用的激光為連續激光或脈沖激光，即激光為單一屬性。同時，在現有的技術條件下，對激光功率要求高，為工程應用增加了很大的難度。為了有效提高激光破巖的速度和激光能量的利用率，同時，減少對激光功率需求，降低工程化應用難度，發明人采用連續激光與短脈沖激光空間疊加復合的方法，研究復合激光與巖石作用機理，進而模擬復合激光在鉆井過程中的作用過程。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種短脈沖激光與連續激光復合破巖的實驗裝置，包括：

第一激光器，用于輸出連續激光；

第二激光器，用于輸出與連續激光不同光軸的短脈沖激光，且短脈沖激光的輸出時間晚于連續激光的輸出時間；

和耦合組件，所述連續激光經過第一聚焦組件傳輸至耦合組件，所述短脈沖激光經過第二聚焦組件傳輸至耦合組件，且第一聚焦組件、第二聚焦組件均可移動，聚焦后的連續激光和短脈沖激光經耦合組件耦合合束至同一光軸形成復合激光，所述復合激光直接作用于巖石。