[发明专利]一种短脉冲激光与连续激光复合破岩的实验装置及方法

说明书

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。

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。