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《高效钻井新理论新方法》——激光钻井１ 现代高能激光器的特征 一台激光器是一种电磁相干辐射的能源，把不同种类的能量（电的、化学的、热的、等等）转换为光能。相干性意味着电磁波传播过程在时间（时间相干性）和空间（空间相干性）上的相位相关。 　　时间相关性的后果之一是激光辐射的非常狭窄的光谱线，称为单色辐射。激光辐射的波长 λ 决定于激光器的放射性介质，范围从 0．lμm 到 103μm ，跨越光谱的紫外线的、可见的。红外线的和亚毫米的波段。 　　激光器能够以连续波（CW）的、单脉冲的和重复脉冲（RP）的方式运作。主要的能量参数对于 CW 激光器是输出功率 P ，对于单脉冲激光器是输出能量 E ，而对于以 RP 方式运作的激光器是平均功率 Ｐav 和脉冲能量 E 。 ? 一种脉冲激光的发射是如图5－l表示的，由一个固定时段内发生的有着相似特性的一串脉冲表示特性的。在这个图中，Pp 是指单脉冲的最大功率，也就是峰值功率；Wp 是单位时间内每个脉冲的宽度，Ｔ 是脉冲之间的时间，而Ｐav是在时段内的平均输出功率。 图5－l　表示不同参数的脉冲式激光器输出图①功率；②时间；③激光脉冲 　　对于脉冲式激光器，激光脉冲宽度（持续时间）Wp 能从 10－２秒变化下降至几个飞秒（ 10－１５秒）。激光器脉冲能量也用由脉冲能量与脉冲宽度的比值定义的峰值功率 Pp 来表征的： ????????????????????? Pp=E/Wp?????????????????????????? ?(1) 　　对于 RP 方式，平均功率是决定于激光器脉冲能量和脉冲重复率 R ： ????????????????????? R ＝1/T??????????????????????????? (2) 　　它是脉冲式发射的一个重要参数，也就是单位时间内的脉冲数。 ???????????????? Pav ＝ E/T＝ Pp· Wp/T???????????????? ?(3) 　　激光束也用散射角 θ（弧度）来表征，它能粗略地定义为未聚焦激光辐射光束直径（在远距离处）与高激光器距离的比值。最好的激光束散射角是由衍射极限 θdif 限制的: ?????????????? θdif＝ λ / D???????????????????????? (4) 　　式中 D 是激光器（或与激光器连接的光学系统）出口处的激光直径。 θ=0.1-0.01 mrad 被认为是高能激光器的特征。对于天然气井钻井和完井有实际意义的是低的光束散射角，因为首先，激光器系统能够安置在远高岩石破坏区的地方，而其次，激光束能够聚焦成具有衍射极限直径的非常小的光束。 　　激光辐射能够通过包括透镜和球面镜或抛物面镜的光学系统聚焦在岩石表面上咸一束其大小为： 　　　　　　　　　　　ｌ=θＦ　　　　　　　　　　　　　　　（5） 式中 Ｆ 是用光学是用光学系统的焦距。l 的最小尺寸是由ｌmin=λ限制的。 ? 聚焦在岩石表面的激光辐射是用能量密度来表征的： 　　　　　　　　　　　q=E/S　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6） ?式中 Ｓ≈l2。 　　认为重复脉冲发射比连续发射更好控制激光对岩石的作用，因为各个参数对岩石的影响是不同的。例如，长的脉冲（Wp 在 ms 数量级）和高的重复率有利于熔化，而短的脉冲（小 Wp ）和低的重复率有利于微裂缝的产生。 　　对于那些激光光束直径（照射点大小）是变化的实验，为了能获得有效的结论，最好是定义激光亮度 I（也叫功率密度），为峰值功率除以光束照射点大小： 　　　　　　　　　　I＝Pp／S　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7） 　　由于激光光的单色性质和聚焦成一小束大小的能力给出独特的优点，决定于能量或功率的密度可用来便岩石碎裂、熔融或汽化。 　　为了通过机械方法或热方法导致的应力破碎岩石，必须对岩石施加足够的功率，以至于导致的应力超过岩石的强度。类似地，当熔融岩石时，必须主产足够的热以产生超过岩石融化围内局部温度。一旦超过功率和能量的这些门限值，破碎或除去单位体积岩石所需要的能量数量几乎保持不变。这个能量参数，它是岩石破坏技术效率的一个量度，定义为比能（SE）。换言之，SE 定义为除去单位体积岩石所需的能量数量。 　　　SE（J／cc）=输人能量／除去体积 《高效钻井新理论新方法》——激光钻井２ 激光能量传输 　激光能量传输入岩石中有三种过程：　　１.　反射　　２.　散射　　３.　表面吸收　　一个人射电磁波的能量流（Ｅinc）是分为3部分：　　　　Einc =Erefl+Esc+Eabs　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）式中Erefl，Esc 和 Eabs相应地是该人射波能量流的反射、散射和吸收的各成分。