IPG高功率光纖激光器在巖石及泥土材料處理中的應用
高功率光纖激光（千瓦以上）在最近一兩年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，隨著價格的不斷下降，功率的不斷提高（現(xiàn)已經(jīng)達到5萬瓦，預計最近幾年之內(nèi)有望達到50萬瓦），其應用領域正在不斷擴大。從室內(nèi)裝修，天然氣井鉆探，深海新能源的獲取，到核電站日常維護等諸多領域得到廣泛的應用。
在過去的八年中，GTI（氣體開發(fā)技術研究所（美國））在使用高功率激光對巖石進行切割及粉碎等方面進行了深入的研究。最近又對天然氣井開采中使用高功率光纖激光進行了深入的概念研究，他們采用了IPG公司生產(chǎn)的5千瓦摻鐿光纖激光器，在大氣壓下及淺層近地表條件下進行了對硅酸鹽及碳酸鹽巖石的開鑿方面的多項實驗。實驗結果包括使用較低的能量在沙巖及石灰?guī)r上鉆孔，深度為300毫米。成功的激光巖石切割應用開啟了許多新的工業(yè)應用領域。
最初GTI使用了高功率軍用激光器并取得了很多技術層面上的成功，但由于價格昂貴，沒有辦法在商業(yè)領域中推廣。GTI把重心轉(zhuǎn)向使用商用激光器，研究結果表明，工業(yè)激光在巖石開鑿方面完全可以與現(xiàn)存機械方法達到效果相同的水平（能量水平），且具有更高的效率。
光纖激光在施工現(xiàn)場的應用方面明顯優(yōu)于任何其它種類的激光，包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳輸?shù)竭h程的目標。光纖激光超高的電光轉(zhuǎn)換效率（30%），良好的光束質(zhì)量，車載機動性及設備的穩(wěn)定性和免維護性等特點使得它在此類應用領域里成為最佳的選擇。
有很多高功率光纖的應用已經(jīng)在現(xiàn)場實用中得到認可。比如美軍在阿富汗成功使用安裝在悍馬吉普車上的2千瓦光纖激光進行遠程爆炸物清除。Edison焊接研究所設計的4千瓦混凝土鉆孔系統(tǒng)對處于美國加州地震帶上的醫(yī)院建筑物的加固工程中的成功應用等。
使用激光進行巖石去除所需能量的數(shù)據(jù)對比
以上圖表蘭色表示Berea沙石，而褐色表示石灰石，縱坐標為去除一個CC所需要的能量（KJ）。結果表明光纖是最有效的激光源，效果遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體及固體激光。
他們使用聚焦過的連續(xù)激光對普通采石場石灰石石料進行了穿透實驗，穿透深度>300毫米。穿孔主要是通過煅燒進行，在825 OC下CaO3分解為CaO和CO2。由于CaO的熔化溫度為2570OC，所以CaO難以變成流體。
同樣的穿透深度，他們對Berea沙石進行的實驗，其主要構成物為石英沙，SiO2, 他們觀察到的最節(jié)省能源的方法是進行高溫剝落，這只需要400-800 OC，在此溫度下，由于較高的溫度梯度造成的溫度應力會使得不同礦物質(zhì)形成不同的膨脹，從而導致顆粒間連接鍵的斷裂。
不同于石灰石，當Berea石英顆粒的溫度超過1610 OC時，就會熔解。這會導致光束的能量從剝落轉(zhuǎn)為熔解，使得切割效率大大降低！為了避免熔解的發(fā)生，可以通過改變能量的傳輸率及切割時間，而限制在巖石中的能量累積。
在Berea巖石中使用光纖激光進行打孔的實驗
在一塊300毫米見方的Berea石料上進行的實驗。鉆孔主要用于將鋼管嵌入吸滿液體的巖石中，生成石油、天然氣或水的生產(chǎn)通道。而傳統(tǒng)的機械方法會對巖石結構及流體管路造成不可修復的損壞。
實驗中他們使用了300微米的光纖，然后將其擴束為25毫米，75psig（517Kpa）的壓縮空氣通過6.35毫米的不銹鋼管噴嘴，其距離目標物25毫米。鏡頭及噴嘴都被固定在機器人的手臂上，并同時以22.6RPM的速度走25.4毫米的圓形軌跡。噴嘴隨著深度的增加不斷進行調(diào)整。根據(jù)以往的經(jīng)驗，他們將激光的功率設為3.2千瓦，以1分鐘連續(xù)發(fā)射激光為一個間隔，共發(fā)射6次，此時可以切入150毫米的深度，然后他們將實驗石塊翻轉(zhuǎn)過來，從另外一面用相同的方法打另外一半。結果是開鑿了一條300毫米的管道，這是至今為止使用激光在Berea上打孔的最高記錄，管道的直徑約為50毫米，總材料的移動量為210cc。
從兩面切割可以減小邊界效應，而他們也進行單面的穿透實驗，但存在邊界效應，包括當接近完全穿透時，能量消耗明顯加大，熱傳導特性也發(fā)生了變化。這些變化在以往的實驗中也有所觀察，并同樣品的幾何形狀及實驗設置有很大的關系。
結論展示
在所有的激光/巖石實驗中，特定能量（SE），單位體積所需能量（KJ/cc）是一個重要的參數(shù)。他們在切割以上300毫米的石料的SE值為5.5KJ/cc。整個剝落實驗所用的激光能量為1155KJ，或0.32KWh（千瓦小時）。在管道壁上沒有觀察到礦物質(zhì)熔化的痕跡，并且沒有觀測到任何損傷，這在傳統(tǒng)的鉆孔方式是做不到的！
前景展望
進一步的研究正在進行，包括結合液體噴射技術和超過2000psig的高壓實驗，下一步的實驗包括在孔中操作的設備原型、實驗室及野外現(xiàn)場施工使用。實驗的裝置將被集成于復雜的大型鉆井完整系統(tǒng)之中。其它使用激光在不同的地質(zhì)材料上的切割、鉆孔等的實驗結果將含蓋能源、礦產(chǎn)、軍事、國土安全、航天、建筑及搶險救災等諸多領域。
|