論文題目：Characterizing the laser drilling process of oil shale using laser-induced voltage

錄用期刊：Optics and Laser Technology (2020, JCR Q1)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106478

作者列表：

1） 張善哲 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系 博18級(jí)

2） 梁華慶 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系

3） 趙   昆 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 材料系

文章簡(jiǎn)介：

在這項(xiàng)研究中，我們利用激光感生電壓（LIV）技術(shù)監(jiān)測(cè)油頁(yè)巖的穿孔過(guò)程。由于激光的能量超過(guò)了油頁(yè)巖的帶隙，從而產(chǎn)生了載流子，并引起了帶間躍遷。因此，在施加偏置電壓的情況下發(fā)生了LIV響應(yīng)。LIV信號(hào)的峰值取決于穿孔時(shí)間。我們通過(guò)雙指數(shù)函數(shù)很好地?cái)M合電壓波形。整個(gè)穿孔過(guò)程可以分為兩個(gè)不同的階段，分別對(duì)應(yīng)于表面剝落和巖石穿刺過(guò)程。結(jié)果表明，LIV技術(shù)可以用于表征油頁(yè)巖的穿孔過(guò)程。

研究背景：

自20世紀(jì)初以來(lái)，旋轉(zhuǎn)鉆井已成為石油工業(yè)中主要的油井生產(chǎn)方法。在傳統(tǒng)的鉆探技術(shù)中，鉆頭安裝在鉆桿的末端，并且通過(guò)鉆頭的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆孔。為了有效地開(kāi)發(fā)能源，鉆探行業(yè)迫切需要一種新的射孔方法。與傳統(tǒng)的鉆孔方法相比，激光鉆孔實(shí)現(xiàn)了在巖石鉆孔過(guò)程中巖石與鉆頭之間沒(méi)有接觸。激光鉆探（LD）被研究為在天然氣和石油深井中鉆探的重要方法。在LD工藝中，射孔參數(shù)在操縱深度方面起著中心作用，例如，相互作用時(shí)間和圍壓都可能導(dǎo)致比能（SE）和滲透率（ROP）的增加，并且激光脈沖持續(xù)時(shí)間和發(fā)射次數(shù)也影響了激光射孔。

在過(guò)去的幾十年中，激光技術(shù)已被證明是評(píng)估原油資源，特別是非常規(guī)油氣資源屬性的合適手段。在激光脈沖作用下，油頁(yè)巖中的自由電子被激活，這會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。當(dāng)偏壓超過(guò)油頁(yè)巖的帶隙能（Eg）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生帶間躍遷和光激發(fā)載流子。光的吸收和電子-空穴對(duì)或激子的產(chǎn)生都有助于產(chǎn)生激光感應(yīng)電壓（LIV）現(xiàn)象，該現(xiàn)象被用于分析油頁(yè)巖的熱解過(guò)程和產(chǎn)油量。LIV效應(yīng)在很大程度上取決于激光功率，脈沖頻率，脈沖寬度，材料的類(lèi)型和性質(zhì)。同時(shí)，激光輸入，激光切割速度，光學(xué)性能和材料組成等輸入工藝參數(shù)也會(huì)影響LD特性。在這項(xiàng)工作中，我們通過(guò)激光感生電壓（LIV）響應(yīng)監(jiān)測(cè)油頁(yè)巖的穿孔過(guò)程

研究方法：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

油頁(yè)巖樣品采集自中國(guó)吉林省樺甸市。樣品的幾何形狀為10 mm×2 mm，厚度為1 mm，如圖1（a）所示。在油頁(yè)巖樣品的表面上，我們?cè)O(shè)置了四個(gè)尺寸為1 mm×2 mm的Ag電極，并隔開(kāi)3 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖如圖1（b）所示。我們通過(guò)KrF準(zhǔn)分子激光器（248 nm）來(lái)測(cè)量油頁(yè)巖的LIV響應(yīng)，并使用輸入阻抗為1MΩ的示波器進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光輻射在內(nèi)部?jī)蓚€(gè)電極的中心。激光脈沖的頻率為1 Hz，能量為73.9 mJ。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2（a）選定時(shí)間的油頁(yè)巖的LIV響應(yīng)；（b）VP1和|VP2|隨時(shí)間Td的變化；（c）TP1和 TP2隨時(shí)間Td的變化；（d）電壓的變化量ΔV（ΔV= VP1 - VP2）和時(shí)間ΔT（ΔT= TP2 - TP1）的關(guān)系。

圖3 不同時(shí)間點(diǎn)的LIV的波形擬合。

圖4 擬合參數(shù)隨隨時(shí)間Td的變化。

當(dāng)高功率激光照射到油頁(yè)巖上時(shí)，可能會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)過(guò)程，包括熱剝落，汽化或熔化。Td1之前的VP1和VP2的下降速率高于Td1之后的VP1和VP2的下降速率，分別對(duì)應(yīng)剝落和穿孔的兩個(gè)過(guò)程。隨著穿孔深度的增加，激光功率密度逐漸降低，導(dǎo)致破壞率降低。當(dāng)Td大約為2700 s時(shí)，樣品被完全分為兩部分。此時(shí)，VP1和VP2 保持穩(wěn)定。

作者簡(jiǎn)介

張善哲，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)。研究方向：油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理。聯(lián)系方式：Email：[email protected]

梁華慶，教授，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程系，博士生導(dǎo)師，校級(jí)品牌課教師，中國(guó)電子教育學(xué)會(huì)信息與電子學(xué)科研究生教育委員會(huì)理事。主要研究方向：微弱信號(hào)檢測(cè)與處理、測(cè)控技術(shù)與石油儀器、油田自動(dòng)化。主持國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子課題、北京市自然基金以及油田企業(yè)的橫向項(xiàng)目30多項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)6件，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，獲省部級(jí)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文50余篇，其中被SCI、EI檢索30余篇。聯(lián)系方式：Email：[email protected]