Лазерный способ разрушения горных пород
Примером одного из наиболее эффективных источников концентрированной энергии является оптический квантовый генератор — лазер, излучение которого в высокой степени монохроматично [51].
Предположение о возможности получения монохроматического излучения впервые было высказано А. Эйнштейном. Фундаментальные исследования советских физиков Н. Г. Басова, А. М. Прохорова, а также американского физика Ч. Таунса, выполненные в 60-е годы, позволили сформулировать условия, необходимые для создания лазера.
В состав типичной лазерной установки входят лазерная головка, система охлаждения, оптическая система для фокусировки и наблюдения, рабочий стол, датчик параметров излучения, датчик параметров технологического процесса, программирующее устройство. В лазерную головку установки входят активный элемент, система накачки, резонатор.
‘ В нашей стране проведены значительные научные исследования по разработке технологических лазеров мощностью до 10 кВт. Наибольшие мощности достигнуты в С02-лазерах, используюших для возбуждения рабочей среды электрический разряд в потоке газа. Применение молекулярного газа для генерации лазерного излучения позволило увеличить КПД процесса, а с помощью конвективного охлаждения повышен уровень энерговкладов.
Уникальные свойства электроионизационных С02-лазеров— возможность прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения с КПД = 30 % и др. — ставят их на одно из первых мест в области практического применения в технике. В последнее время появились перспективы создания передвижных лазерных установок, так как современные промышленные авиационные компрессоры, используемые в лазерных технологических установках, обеспечивают необходимые расходы и степени сжатия газа при малых собственных габаритных размерах.
С появлением технологических лазеров накапливаются сведения [4, 51] о воздействии лучистой энергии на горные породы. В указанных выше работах исследовалось изменение прочностных свойств горных пород при лазерном облучении в зависимости от минералогического их состава, строения кристаллической решетки, связей между кристаллами, внутренних дефектов кристаллов, теплофизических констант пород, скорости нагревания и других факторов.
При лазерном воздействии на горную породу создаются условия ее объемного нагрева. Ослабляются слои горной породы, лежащие на несколько сантиметров ниже поверхности. Создаются благоприятные условия для скола вышележащего слоя породы с минимальным расходом энергии. С увеличением скорости перемещения луча лазера удельный расход энергии разрушения повышается.
Лазеры можно также использовать для снижения сопротивляемости породы механическому разрушению путем предварительного нагрева, т. е. при термомеханическом бурении [4, 51]. Прочность пород в зависимости от их свойств и параметров нагрева может быть снижена до 2—50 раз [42, 58]. Наиболее эффективно воздействие лазерного излучения на кварц, микроклин, олигоклаз, ортоклаз, т. е. минералы из группы каркасных силикатов, в которых при облучении резко снижается механическая прочность.
В 1982 г. появились публикации [51], предлагающие модель лазерной резки горных пород при бурении. Лазерный резак является основным элементом лазерной обработки бурящейся скважины. Разработанная модель лазерной резки горных пород позволяет увязать такие важные с технологической точки зрения факторы, как глубина резов и скорость резки, с мощностью и радиусом лазерного луча.
Анализ зарубежной научно-технической литературы [51] и патентного фонда США, ФРГ, Франции, Великобритании указывает на интерес, проявляемый этими странами к использованию лазерной технологии при бурении.
При действии лазерного луча порода, находящаяся в кольцевом пространстве, испаряется, а порода в центре забоя частично разрушается за счет теплового удара. Последующее воздействие гидромонитора на оставшийся столбик породы разрушает его полностью. Описанный процесс проводят циклично. Вынос шлама происходит под воздействием давлений, возникающих при испарении породы лазером, и жидкости, подаваемой гидромониторной установкой.
Патент № 4090572 (США, 1976 г.) «Способ и устройство для лазерного бурения скважин в горных породах» предполагает решение проблемы фокусирования лазерного луча, направленного вертикально относительно поверхности Земли по траектории, обеспечивающей кольцевую выработку породы. Кольцевая выработка, получающаяся за счет испарения породы лазерным лучом, должна составлять очень малую часть объема, образующего ствол скважины. Чередующееся действие лазерного луча и потока жидкости на забой приводит не только к образованию кольцевой выработки за счет испарения породы, но и к извлечению сердцевины породы в виде кусков или обломков керна цилиндрической формы. Учитывая ограниченные мощности существующих в настоящее время лазеров, предлагается устройство, использующее несколько лазеров, симметрично расположенных относительно общего центра и обеспечивающее их работу в пульсирующем режиме.
Имея такие достоинства, как использование дешевой электроэнергии весьма высокой концентрации и малую энергоемкость процесса, лазерный способ разрушения горных пород при бурении имеет и недостатки: высокую стоимость снаряда,’большие затраты энергии на превращение воды в пар при водопритоках в скважине, необходимость высококвалифицированного обслуживания. Исходя из этого ограничивается область возможного применения лазерной техники в геологоразведочной отрасли использованием ее для:
— спектрального анализа кернового материала с целью определения содержания химических элементов;
— бескернового бурения с применением геофизических методов анализа буримых пород или с передачей спектра испаряемых пород на поверхность;
— упрочнения стенок скважины с помощью луча лазера;
— передачи энергии на забой и последующего преобразования в другие виды энергии;
— управления процессом бурения;
— контроля трассы направленного бурения скважин.