八年來，美國天然氣技術協會(hui) (GTI)開展了利用高功率激光器來進行岩石的切割和破碎的工作。最近完成了一項為(wei) 天然氣井應用而進行的概念驗證性研究，它利用了光纖激光器在大氣和地下環境中穿透矽質和碳酸鹽類型的岩石。研究結果包括了利用要求較低的能量來穿過砂岩和石灰岩，這改善了砂岩在孔道附近流體(ti) 的流動特性，結果還包括對一個(ge) 在地下壓力條件下挖的模擬氣井進行了鑽孔。 

GTI利用高功率軍(jun) 用激光器在初始的研究中取得了技術上的成功，而後，GTI轉移了重心，開始利用市場上提供的工業(ye) 激光器。研究結果確定，利用工業(ye) 激光器切除岩石，其能量水平可以與(yu) 現有的機械手段相媲美。1光纖激光器已經成為(wei) 許多現場應用中首選的商業(ye) 設備，這些應用包括了采礦，開挖隧道，切割，以及岩石和混凝土的鑽孔。它們(men) 完全能夠提供足夠的功率來切割岩石，並利用光纖來對較遠目標岩石進行精確定位。它們(men) 具有以下的優(you) 勢：插座效率高，光束質量得到改善，入射能量要求較低，同時，整體(ti) 體(ti) 積更小，這就使得它們(men) 的靈活性和耐久性更好。此外，它們(men) 很少需要或者根本不需要維護。

圖1：在激光/岩石相互作用實驗中得到的最低的比能值。使用了COIL激光器、CO2,激光器、Nd:YAG激光器和摻鐿光纖激光器對貝雷砂岩（BG）和石灰岩（Ls）進行實驗在比能（SE）最低時的結果。

    利用激光來切除岩石的過程 

用美國IPG Photonics公司(Oxford，麻薩諸塞州，www.ipgphotonics.com)的5.34kW摻鐿光纖激光器得到的初始實驗結果，給出了切除岩石所需的能量，並且與(yu) 此前的激光器/岩石數據進行了對比。我們(men) 最感興(xing) 趣的是石灰岩和砂岩，因為(wei) 在完井作業(ye) 中，這兩(liang) 種類型是最常見的儲(chu) 集層目標岩石。研究結果得到，在這兩(liang) 種岩石類型的鑽孔中，光纖激光器與(yu) 其他激光器已有的數據相比效率更高(圖1).

使用聚焦了的連續(CW)激光輸出，在采石場的石灰岩中，光束穿透了約12英寸。孔道是由於(yu) 煆燒得到的，在約825℃時，CaO3發生熱分解，變為(wei) CaO和CO2。流體(ti) 的流量受到CaO的限製，因為(wei) CaO的熔點為(wei) 2570°，無法熔化。 

使用準直的連續激光光束在貝雷砂岩中也得到了類似的穿透深度，貝雷砂岩是一種主要由石英顆粒(SiO2)構成的沉積岩。在激光切割貝雷砂岩的過程中，觀察到的能效最高的過程是熱分裂過程，它發生在約400° - 800℃的時候5。激光光束導致溫度梯度較高，相應產(chan) 生的熱應力和礦石的微分熱膨脹破壞了顆粒和顆粒之間的連結。 

與(yu) 石灰岩不同，貝雷石英顆粒在溫度超過時，會(hui) 發生礦石熔化，由於(yu) 剝離作用，將導致了對光束能量的重新定位，從(cong) 而降低了切割效率。為(wei) 了避免這種情況，岩石裏的熱積累效應可以通過改變到岩石表麵的能量傳(chuan) 遞速率以及光束對岩屑的輻照時間來實現。能量傳(chuan) 遞速率可以通過平均測量功率或者輻照時間來控製。最佳的光束功率和輻照度在利用光纖激光處理貝雷時是預先給定的。 

有效的去除岩屑對限製熱積累效應也是很重要的。例如，以不同的幾何圖形方式來移動光束可以提高孔和光束的直徑比，這就使得岩屑在離開孔時受到的輻照得到限製，或者根本不受到輻照。 

利用光纖激光器在貝雷中鑽孔 

在一立方英尺貝雷砂岩中演示了可用的鑽孔方案。鑽孔過程很好的完成，它穿透了包圍著充滿流體(ti) 的儲(chu) 集層岩石的鋼井，為(wei) 石油、天然氣和水開出了一條通道。傳(chuan) 統的鑽孔方法由於(yu) 對岩石結構和流體(ti) 通道的不可逆破壞而存在著一定程度的流量限製。 

在這個(ge) 演示實驗中，光束準直儀(yi) 將從(cong) 300微米的光纖射出的原始光束轉變為(wei) 直徑為(wei) 1.0英寸的準直光束。壓力為(wei) 75磅/平方英寸的壓縮空氣通過離目標岩石約1.0英寸處的0.25英寸不鏽鋼噴嘴裝置來定向。光學元件和淨化噴嘴都被置於(yu) 機器手上，機器手運動軌跡為(wei) 一個(ge) 1.0英寸的圓，轉速22.6轉/分。隨著洞的加深，淨化噴嘴往裏移動。 

總的激光時間6.0分鍾時，有1.0分鍾的間隔，準直光束按此方式持續提供應用。光束功率為(wei) 3.2KW，這是根據先前的研究中對此類岩石和光束大小所給出的最佳值。7當光束穿透到石塊的一半長度時，光束被轉向，這樣，它可以從(cong) 另一個(ge) 方向來射入，從(cong) 而在中間會(hui) 合。得到的洞穿透了12英寸長的樣品，據報道是目前為(wei) 止在貝雷中得到的最深的孔道。6孔道的兩(liang) 邊入口處直徑約為(wei) 2.0英寸，石塊中部的直徑為(wei) 1.1英寸(如圖2)。6得到的被移除物質的體(ti) 積為(wei) 210cc。 

從(cong) 不同的端麵進行切割可以降低邊界效應的影響，同時很好的模擬了儲(chu) 集層無限大的情況。激光僅(jin) 從(cong) 一個(ge) 方向輻照貝雷石塊時，觀測到了邊界效應，包括了熱擴散特性上的變化和能量消耗的增加，這是由於(yu) 光束完全穿透的原因。6這個(ge) 現象在過去的實驗中曾被觀測到，它很可能是由於(yu) 實驗設計和樣品幾何特性上的人為(wei) 因素造成的。

圖2：激光產(chan) 生的孔道的橫截麵。孔道長為(wei) 12英寸，每個(ge) 端麵直徑為(wei) 2.0英寸。

結果說明：這裏，對所有的激光/岩石輻照都確定了其比能(SE)，比能是去除單位質量的岩石所需的能量(KJ/cc)。在12英寸貝雷孔道實驗中觀測到的比能值為(wei) 5.5 kJ/cc。使用的總激光能量為(wei) 1155 kJ或者0.32 kWh。 

從(cong) 之前的實驗觀測到貝雷中的比能最小值範圍從(cong) 4.3到5.2 kJ/cc，表麵輻照時間為(wei) 0.5秒。8後來的測試包含了多個(ge) 疊加在一起的0.5秒長的輻照，從(cong) 而得到了更大，更深的孔(直徑約1.0英寸，孔深約1.0英寸)，比能值從(cong) 9.2到13 kJ/cc。 

激光輻照前後的滲透性測量沿著與(yu) 光束入射方向垂直的岩石表麵進行，前後的結果比較沒有得到任何結果。熱轉變區域從(cong) 孔道壁沿著徑向深入到岩石內(nei) 約2.00mm處。7這說明，比能值小的時候，射入樣品的大部分能量被有效的用於(yu) 剝離作用，而不是對孔道附近的岩石特性產(chan) 生熱轉變。 

類似的比較在孔道對分的兩(liang) 邊進行。結果表明，沒有礦物熔化在孔道壁上。激光輻照後沿著井的滲透率讀數有15%到30%的提高。7雖然對岩石流體(ti) 流動特性的提高有限，但是激光鑽孔的過程不會(hui) 有明顯的破壞，這對傳(chuan) 統的打孔技術來說是一項顯著的進步。

展望：目前在進行補充性的研究，包括流體(ti) 清洗技術和現場的壓力實驗(超過2000磅/平方英寸)。隨後的步驟包括了設計初始向下打井的原型工具，進行實驗室與(yu) 現場測試，以及在作業(ye) 井中的地麵下進行現場試驗。從(cong) 這項工作中預期得到的利益可能被整合到更為(wei) 複雜的建井和完井應用中。土料的其他鑽孔和切割應用可能很快的跨入其他行業(ye) ，比如能源工業(ye) ，礦業(ye) ，軍(jun) 工，國家安全，航空，建築和拆除行業(ye) 。