СПОСОБ ЛАЗЕРНО-МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК E21B7/14 E21C37/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использован в сейсмических районах для бурения отверстий в бетонных зданиях с целью их укрепления стяжками и в опасных отвесных участках горной породы, для бурения тонких диагностических глубоких отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ, для бурения в стенке скважины локальных боковых отверстий в окружающей породе.

Уровень техники

Известны способы бурения горных пород на основе использования лазерного излучения [Копылов В.Е. Бурение? Интересно! М.: Недра, 1981, 160 с], а также резки [Patent US 4568814 (Feb.4,1986)] и поверхностной обработки [Patent US 7521001 В2 (Арr.21,2009)] бетона лазером. Согласно патенту РФ 2416708 от 09.04.2009 г. при бурении твердых горных пород их разрушение осуществляют путем воздействия лазерным лучом, который фокусируют на забой скважины по периметру забоя, разупрочняя нагревом приповерхностный слой породы, после чего отделяют от забоя разупрочненный слой термостойкими резцами при вращении буровой коронки и удаляют с забоя. Разупрочнение происходит за счет термических напряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности забоя. В патенте РФ 2436926 от 12.02.2010 г. при бурении твердых горных пород разупрочнение слоев твердых горных пород забоя осуществляют путем воздействия на него лазерным излучением, транспортируемым на забой скважины по волоконно-оптическому кабелю, который соединяет съемник лазерного излучения с цилиндрической буровой коронкой. Кабель располагают и закрепляют на колонковой трубе до цилиндрической буровой коронки, то есть облучают поверхность забоя также по его периметру при вращении коронки. Разупрочнение слоя твердых горных пород забоя происходит за счет термических напряжений, возникающих при быстром нагреве материала забоя. Разупрочненную твердую горную породу снимают без значительных усилий термостойкими резцами при вращении колонковой трубы, оснащенной цилиндрической коронкой. Продукты разрушения удаляют с забоя сжатым воздухом, который транспортируют через вертлюг, штангокабель и колонковую трубу от компрессора, установленного на платформе.

Наиболее близким к предлагаемому решению является раскрытый в патенте РФ 2449105 от 22.11.2010 г. способ бурения гранитных блоков и бетонных стен, в котором разогрев горной породы забоя до температуры, обеспечивающей разупрочнение поверхностной прослойки, осуществляют непосредственно лазерными лучами, которые фокусируют через внутреннюю полость вала электродвигателя, полость вала планетарного редуктора и полость шнековой трубы от лазерного устройства, установленного в верхней части электродвигателя, на верхнюю торцевую часть забоя. К лазерному устройству энергию подают от лазера по волоконному кабелю, выполненному из стекловолокна. Вращением распределяют воздействие лазерной энергии на всю площадь забоя. Разупрочненную поверхностную прослойку свободно снимают крестообразно расположенными термостойкими резцами при вращении шнекового инструмента и удаляют с забоя.

Действительно, при лазерном облучении поверхности материала возможно разрушение приповерхностного слоя. При непосредственном контакте лазерного излучения с породой в результате его поглощения материалом тепло выделяется в тонком поверхностном слое (порядка 1-2 мкм) и вглубь материала распространяется посредством механизма теплопроводности. За счет большой скорости выделения тепла в тонком слое (намного превышающей скорость распространения тепла вглубь материала процессом его теплопроводности) создается большой градиент температуры под поверхностью. Вызываемые температурным градиентом механические напряжения могут превысить предел прочности материала и разрушить его. Разрушенный (по выражению авторов разупрочненный) слой может быть легко снят механическим способом.

Недостатком указанных способов бурения является как неспособность обеспечения высокой скорости бурения и тем самым увеличения производительности бурения, так и необходимость использования больших мощностей лазерного излучения. Область локализации и величина градиента температуры в приповерхностном слое тесным образом связаны с величиной плотности мощности лазерного излучения: чем больше плотность мощности излучения, тем больше скорость нагрева поверхности материала и тоньше занимаемая градиентом температуры зона, тем больше величина возникающих механических напряжений и больше вероятность разрушения материала. Механические напряжения в приповерхностном слое забоя в условиях градиента температуры возникают только в упругохрупком состоянии материала, которое сохраняется при температурах ниже его температуры плавления. При нагреве возникают напряжения сжатия на поверхности и напряжения растяжения в глубине под поверхностью материала. Так как предел прочности материала на растяжение намного ниже, чем на сжатие, то в первую очередь предел прочности будет превышен в глубине материала, под его поверхностью, что проявится в разрушении материала в виде отслаивания поверхностных фрагментов, термосколов на поверхности или шелушения поверхности. При этом твердость материала отделяемых фрагментов и забоя остается прежней, что не избавляет от необходимости использования дорогостоящих коронок для бурения твердых пород. Кроме того, в диапазоне параметров существующего экспериментального окна нагрев поверхности забоя до температуры ниже температуры плавления породы происходит за весьма короткое время (секунды и даже доли секунд), что сопровождается малой глубиной прогрева и, следовательно, малой толщиной приповерхностного слоя подвергающегося воздействию возникающих термомеханических напряжений. В процессе бурения по прототипу материал в зоне забоя будет непрерывно разогреваться в связи с тем, что с механически удаляемыми фрагментами материала не полностью уносится выделенное в материале забоя тепло. Неуклонный рост температуры в забое расширяет область локализации градиента температуры в материале забоя, уменьшая с течением времени бурения вероятность разрушения приповерхностного слоя, и кроме того, может привести к расплавлению материала, меняя условия бурения. Все это сводит на нет ожидаемые авторами упомянутых выше патентов преимущества бурения с использованием лазерного излучения, в частности, на возможное увеличение скорости бурения и в результате на увеличение производительности бурения. Скорость и производительность бурения в этом случае практически будет определяться эффектом фрикционного воздействия резцов на породу, что также не позволит избавиться от необходимости использования дорогостоящих коронок для бурения твердых пород. Поскольку термические напряжения создаются только в условиях перепада температуры, то не существует как таковой «температуры, обеспечивающей разупрочнение поверхностной прослойки». Величина возникающих напряжений зависит только от скорости нагрева поверхности забоя (перепада температуры), а не от абсолютного значения температуры ее нагрева. К недостаткам способа следует отнести также неудачную схему доставки лазерного излучения на забой фокусировкой его на поверхность забоя от лазерного устройства, расположенного на верху сверлильного инструмента. Если используется фокусирующий объектив, то требуется постепенная его перефокусировка по мере углубления отверстия для стабилизации условий бурения. Если используется коллиматор, то из-за неизбежного дифракционного расплывания размера пучка излучения будут меняться условия облучения. Все это приводит к ограничению глубины отверстия. Облучение всей площади забоя сразу предопределяет применение мощных лазеров, существующие мощности которых в этом случае ограничивают диаметр отверстий. Используемый в патенте для передачи лазерного излучения от лазера к лазерному устройству волоконный кабель, выполненный из стекла, не способен передавать большие мощности излучения из-за недопустимо высокого поглощения излучения и низкой прочности стекла. При превышении температуры плавления материала механические напряжения в приповерхностном слое релаксируют (исчезают) и появляется расплав, требующий своего удаления.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является повышение производительности бурения отверстий в кремнеземсодержащих материалах путем увеличения толщины приповерхностного слоя забоя отверстия с механически ослабленным материалом за счет привлечения в процесс бурения дополнительных механизмов как разупрочнения приповерхностного слоя материала, так и разрушения его структуры, и уменьшение энергоемкости процесса бурения за счет использования меньшего размера пятна облучения и в результате лазерного излучения меньшей мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе бурения гранитных блоков и бетонных стен лазерное излучение на забой отверстия доставляют посредством оптического волокна из кварца диаметром 0.2 ± 1 мм. Оптическое волокно размещают без возможности вращения с зазором в трубке по оси внутренней полости инструмента сверления так, что его излучающий торец не доходит до торцевой поверхности резцов ребристой коронки на расстояние h≤d_o/[2tg(arcsinNA)], где d₀ - диаметр полости ребристой коронки, NA - числовая апертура оптического волокна. В кольцевой зазор между поверхностью оптического волокна и внутренней поверхностью трубки подают охранный поток газа в направлении забоя для охлаждения оптического волокна и защиты его излучающего торца от частиц разрушенного материала. Забой облучают лазерным пучком с пятном излучения на поверхности забоя, диаметр которого меньше внешнего диаметра ребристой коронки на величину (0.6÷2)Δ. Здесь Δ=(20÷35)/q -толщина термически ослабленного слоя материала (см), q=P(l-R)(l-p) - плотность поглощенного материалом лазерного излучения (Вт/см), Р - плотность мощности падающего лазерного излучения (Вт/см²), R - коэффициент отражения от поверхности материала, р - тепловые потери излучением от нагретого материала. Для этого перед облучением торцевую поверхность инструмента сверления устанавливают на расстоянии L=[D-d₀-(0.6÷2)Δ]/[2tg(arcsinNA)] от поверхности забоя, где D - внешний диаметр ребристой коронки. Бурение производят циклически. В каждом цикле поверхность забоя облучают в течение времени t=(45000÷130000)/q² (с), обеспечивающего нагрев поверхности забоя до температур в диапазоне температур плавления и кипения материала. Затем охлаждают хладагентом в течение 1-15 с с коэффициентом теплообмена 300÷3000 Вт/м²·град., после чего инструмент сверления перемещают в направлении забоя до касания торцевыми резцами ребристой коронки поверхности забоя. Прилагая продольные усилия, механически измельчают термически ослабленный материал забоя на глубину Δ. Шлам принудительно удаляют из забоя. В завершение цикла инструмент сверления отодвигают от поверхности забоя на расстояние L. После этого циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Для охлаждения поверхности забоя с указанным значением коэффициента теплообмена используют либо поток газокапельной смеси либо интенсивный поток газа. Шлам из зоны забоя могут удалять потоком газа.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов.

На фиг. 2 показано расположение рабочего торца инструмента сверления относительно поверхности материала в момент воздействия лазерного излучения.

На фиг.3 показаны распределения температуры по глубине бетона для разных моментов времени при облучении лазерным излучением с разной плотностью поглощенной мощности.

На фиг.4,а,б приведены радиальное распределение интенсивности излучения на выходе волокна в плоскости, отстоящей от его торца на расстояние 30 мм (а), и вид кратера (б).

На фиг.5,а,б приведены фотографии стенда (а), на котором проводилась отработка способа лазерно-механического бурения бетона, и наконечника ребристой коронки в момент выхода на поверхность бетона (б).

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов. Устройство содержит лазерный излучатель 1, оптическое волокно 2, газовую систему 3, трубки подачи газа 4 и 5, редукционный клапан 6, обратный клапан 7, газовый дроссельный клапан 8, резервуар с водой 9, насос 10, трубку подачи воды 11, водяной дроссельный клапаны 12, манометры 13 и 14, смеситель 15, инструмент для сверления 16, составленный из звеньев колонковых труб с ребристой коронкой 17 на рабочем торце, электродвигатель 18, регулятор вращательной нагрузки 19, цилиндрический редуктор 20, механизм возвратно-поступательной подачи инструмента сверления 21, регулятор осевой нагрузки 22, станочный патрон 23 для зажатия инструмента сверления, систему отсасывания 24, кольцевые каналы 25 и 26, систему управления 27.

Предварительно торец сверлильного инструмента устанавливают на заданное (расчетное) расстояние L от поверхности материала (фиг.2) для формирования на ней пятна излучения необходимого диаметра. Способ бурения с помощью приведенного устройства реализуют по заданной программе системой управления 27. Открывают газовую систему 3 и включают систему отсасывания 24, тем самым формируют поток газа, движущийся из газовой системы 3 через редукционный клапан 6 по кольцевому каналу 25 вокруг оптического волокна 2 в зону забоя 28 и далее по кольцевому зазору вокруг инструмента сверления 16 в систему отсасывания 24. Расход газа регулируют редукционным клапаном 6. Этим газовым потоком обеспечивают охлаждение оптического волокна и защиту его выходного торца от частиц разрушаемого материала. После чего включают лазер 1 и лазерное излучение заданной длительности и плотности (определяются расчетом) по магистральному оптическому волокну 2 направляют в зону забоя 28, формируя на его поверхности заданный диаметр пятна излучения. С течением времени в пределах длительности импульса излучения поверхность забоя нагревается до заданного значения температуры (определяется расчетом), при этом наличие в зоне забоя слабого охранного потока газа вокруг оптического волокна практически не оказывает вредного влияния на эффективность нагрева. В момент окончания лазерного импульса на забой 28 подают в течение заданного периода времени (определяется расчетом) поток хладагента из смесителя 15 по кольцевому каналу 26, образованному зазором между внешней поверхностью трубки 4 и поверхностью полости инструмента сверления 16. В качестве хладагента используют или газ или газокапельную смесь. В обоих случаях газ из газовой системы 3 через дроссельный клапан 8 по трубке 5 направляют в смеситель 15, где его используют либо непосредственно для охлаждения забоя либо для формирования газокапельной смеси. В последнем случае жидкость из резервуара 9 насосом 10 по трубке 11 через водяной дроссельный клапан 12 подают в смеситель 15. Подачу жидкости в смеситель дозируют дроссельным клапаном 12. Давление газа и жидкости контролируют манометрами 13 и 14. Распределение воздуха между трубками 4 и 5 регулируют редукционным клапаном 6, обратным клапаном 7 и дроссельным клапаном 8. В случае охлаждения поверхности забоя газом сильный поток его подают из газовой системы 3 через клапан 8 в смеситель 15 при закрытом клапане 12 по кольцевому каналу 26 на забой 28. При этом срабатывает клапан 7 и давление газа в каналах 25 и 26 выравнивается, усиливая поток газа в канале 25 вокруг оптического волокна и тем самым повышая защиту его излучающего торца от частиц разрушаемого материала. Для более интенсивного охлаждения забоя в качестве хладагента используют поток газокапельной смеси, для чего включают систему подачи жидкости. Из резервуара 9 жидкость с помощью дроссельного клапана 12 впрыскивают в смеситель 15 в течение заданного периода времени (определяется расчетом). В течение длительности этого периода чисто газовый поток после смесителя превращается в поток газокапельной смеси, который движется в том же направлении. Период времени, в течение которого жидкость впрыскивают в смеситель 15, характеризуется повышенной эффективностью охлаждения поверхности забоя. В момент достижения поверхностью забоя заданной температуры подачу жидкости в смеситель 15 прекращают, а подачу газа продолжают. Инструмент сверления 16 приближают к поверхности забоя до ее касания торцевыми резцами ребристой коронки 17, прикладывают продольное усилие и начинают процесс механического измельчения термически ослабленного материала на заданную глубину (определяется расчетом). Необходимое вращение инструмента сверления 16 обеспечивают механическим приводом, состоящим из электродвигателя 18, цилиндрического редуктора 20 со станочным патроном 23 на выходном валу. Выходной вал цилиндрического редуктора изготовлен полым. Продолжающий действовать во время механической обработки газовый поток является движущей силой для удаления измельченного коронкой материала (шлама) из зоны забоя через канал, образованный зазором между внешней поверхностью инструмента сверления 16 и поверхностью отверстия в материале, и далее в систему отсасывания 24. После чего инструмент сверления 16 отодвигают назад от новой поверхности забоя на заданное расстояние L. Затем циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Полый вал редуктора позволяет продольно перемещать инструмент сверления 16 по мере углубления отверстия в обрабатываемый материал и наращивать его длину промежуточными колонковыми звеньями. Величина предельно допустимых вращательных и продольных усилий, прикладываемых к сверлильному инструменту, регулируют муфтами 19 и 22 соответственно.

В отличие от прототипа предлагаемый способ бурения кремнеземсодержащих материалов состоит из периодически повторяющейся последовательности трех воздействий на забой - лазерного облучения забоя, периода интенсивного охлаждения забоя и периода механического измельчения ослабленного материала с принудительным удалением шлама из зоны забоя. То есть бурение проводят циклически и в каждом цикле забой облучают лазерным излучением импульсно, что позволяет прецизионно управлять температурой нагрева поверхности забоя.

В отличие от прототипа лазерное излучение доставляют на забой отверстия посредством оптического волокна из кварца диаметром 0.2÷1 мм, способного передавать мощное лазерное излучение. Кварц наряду с малым поглощением излучения обладает высокой прочностью и теплоустойчивостью. Оптическое волокно размещают по оси полости инструмента сверления в трубке с зазором без возможности его вращения так, чтобы его выходной торец располагался вблизи, но не дальше расстояния h от торцевой поверхности коронки, при котором выходящий из волокна расходящийся пучок излучения начинает диафрагмироваться отверстием коронки (фиг.2). Это расстояние зависит от числовой апертуры оптического волокна NA и диаметра отверстия коронки d₀ и легко показать, что оно равно h≤d_o/[2tg(arcsinNA)].

В отличие от прототипа в предлагаемом способе в процесс бурения введен период охлаждения забоя, который предоставляет дополнительные рычаги для возможного ослабления прочности материала. Во-первых, при охлаждении нагретой поверхности от температур области упругохрупкого состояния материала, возникающие под действием градиента температуры уже на самой поверхности растягивающие напряжения, также могут превысить предел прочности материала и разрушить его в виде трещинообразования на поверхности. Это увеличивает вероятность еще большей степени разупрочнения поверхностного слоя материала забоя. При охлаждении же от температур выше температуры плавления происходит затвердевание расплава в виде образования хрупкой остеклованной массы с трещиноватой поверхностью в случае большой интенсивности охлаждения, что значительно ослабляет ее.

Во-вторых, практически все горные породы и искусственные строительные материалы (гранит, бетон, керамика и т.д.) содержат кремнезем. В частности, бетон получается в результате затвердевания смеси вяжущего материала (цемент), воды и заполнителей в виде мелких и крупных частиц (песок, гравий, гранитный щебень). Поскольку кремнезем SiO₂ входит в состав щебня и гравия, составляет основу кварцевого песка, является одной из составляющих цемента, то суммарное содержание его в бетоне составляет примерно 80-90%. Поэтому состояние нагреваемого бетона решающим образом будет определяться температурными изменениями структуры кремнезема. При низких температурах нагрева имеет место одно из структурных превращений кремнезема, приводящее к разрушению его структуры. При переходе через температуру 573°C происходит обратимое превращение низкотемпературного β-кварца в высокотемпературный α-кварц с изменением объема кристалла, что вызывает резкое увеличение внутренних напряжений в точке перехода. В отличие от случая нагрева, при переходе через эту температуру в процессе охлаждения возникающие напряжения приводят к растрескиванию кристаллов кремнезема. Материал становится настолько ослабленным, что крошится под действием небольших усилий пальцев. Таким образом, введенный в процесс бурения период охлаждения нагретых выше 600°C кремнеземсодержащих материалов (бетон, гранит и т.д.) позволяет использовать фазовый механизм ослабления их структуры и дополнительно увеличить толщину снимаемого механическим способом слоя ослабленного материала, тем самым увеличивая производительность бурения.

Оценим долю дополнительного углубления отверстия за счет механического снятия ослабленного фазовым механизмом слоя забоя на основе анализа геометрических размеров зон материала с разным агрегатным состоянием при нагреве до области температур, охватывающей как упругохрупкое, так и размягченное состояния бетона. Согласно расчетам, при облучении температура на поверхности забоя будет иметь значение, пропорциональное времени воздействия этого облучения t:

$$T(o,t)-T_o=(2q/\lambda )\sqrt{}(at)(1/\sqrt{\pi }),\text{ (1)}$$

здесь Т - температура на поверхности (см), Т₀ - исходная температура материала, q=P(l-R)(l-p) - плотность теплового потока (поглощенной мощности, Вт/см²), Р - плотность мощности лазерного излучения (Вт/см²), R - коэффициент отражения от поверхности коэффициент теплопроводности материала (Вт/см∙град.), а - коэффициент температуропроводности материала (см²/с), t - время, отсчитываемое от начала облучения (с).

Время нагрева поверхности до заданного значения температуры для выбранного значения плотности теплового потока рассчитывается по формуле:

$$t={\left[(\sqrt{\pi }\cdot T\cdot \lambda )/(2\sqrt{a}\cdot q)\right]}^2\text{. (2)}$$

При достижении на поверхности температуры плавления (для кремнезема для секундных времен выдержек 2000°С) на ней начинает образовываться область расплава. Для бетона со значениями λ=0.01 Вт/см·град., а=48.10^-4 см²/с это значение температуры достигается облучением в течение:

$$t\approx 65417/q^2,c.\text{ (3)}$$

Толщина слоя Z*_осл между тепловым фронтом с температурой плавления 2000°C на поверхности и тепловым фронтом с температурой ослабления 600°C в глубине материала равна:

$$Z^{*}{}_{осл}=20.11/q,см.\text{ (4)}$$

Как видим, толщина слоя обратно пропорциональна плотности тепловой мощности.

Если же расплав при распространении волны плавления вглубь тела не удаляется, температура расплава растет вследствие продолжающегося поглощения на границе расплав - пар. Если интенсивность падающего излучения достаточно велика, температура возрастает до точки кипения. Время облучения, требуемое для нагрева поверхности бетона до температуры кипения кремнезема 2800°C, составляет:

$$t\approx 128217/q^2,c.\text{ (5)}$$

В этом случае толщина расплавленного слоя Z*_распл, то есть расстояние между тепловыми фронтами с температурой кипения 2800°C на поверхности и температурой плавления 2000°C в глубине материала, согласно расчетам описывается выражением:

$$Z^{*}{}_{распл}=8.88/q,см\text{, (6)}$$

а толщина слоя между тепловыми фронтами с температурой плавления 2000°C под расплавом и температурой ослабления 600°C в глубине твердого материала в этом случае будет описываться выражением:

$$Z^{*}{}_{осл}=25.65/q,см\text{. (7)}$$

Следовательно, полная толщина термически ослабленного слоя может составлять величину Z=34.53/q. Отметим, что наличие примесей в бетоне может уменьшать значения температур плавления и кипения кремнезема.

На фиг.3 показаны расчетные распределения температуры прогрева бетона по глубине в различные моменты времени для разных плотностей мощности поглощенного материалом излучения. Пунктирные линии обозначают зависимости для плотности поглощенной мощности 100 Вт/см³, а сплошные - для 350 Вт/см² в моменты времени 0.5 с (кривая 1), 1с (2), 6.5с (3), 12.8с (4) и 6с (5). На фиг.3 горизонтальными линиями отмечены значения температуры разупрочнения структуры кремнезема (600°C, нижняя линия), температуры его плавления для секундных времен выдержек (2000°C, средняя линия) и температуры кипения (2800°C, верхняя линия). Набор полученных зависимостей позволяет проводить анализ геометрических размеров зон материала с разным агрегатным состоянием, которые для крайних точек диапазона критических температур 2000-2800°C рассчитываются по формулам (3-7).

Так, при воздействии плотностью тепловой мощности 350 Вт/см² нагрев поверхности до температуры кипения кремнезема 2800°C достигается за t=128217/350²≈1 с (кривая 2), а при плотности 100 Вт/см² - t=65417/100²~12.8 с (кривая 4). При этом глубина расположения теплового фронта с температурой 600°C от поверхности равна ~1 мм и ~3.5 мм соответственно (точки пересечения кривых 2 и 4 с нижней горизонтальной прямой). Толщина расплавленного слоя для указанных режимов составляет Z^* _распл=8.88/350~0.2 мм и Z_распл=8.88/100~0.9 мм соответственно (точки пересечения кривых 2, 4 средней горизонтальной прямой, слой между температурами 2800°С 2000°С). Следовательно, в этом режиме нагрева выдувом расплава отверстие может углубиться всего на ~0.2 мм и ~0.9 мм. При охлаждении же поверхности забоя после лазерного облучения расплав превращается в затвердевшую остеклованную массу той же толщины (при интенсивном охлаждении с растрескавшейся поверхностью). Материал под ней в слое с температурами нагрева между значениями 2000°C и 600°C (толщиной Z^* _осл=25.65/350~0.8 мм и Z*_осл=25.65/100~2.6 мм соответственно) при остывании ослабляется по объему за счет разрушения кристаллов кремнезема. Остеклованная хрупкая прослойка, лежащая на ослабленной подложке, механически легко крошится и удаляется вместе с ослабленным слоем материала. Глубина получаемого отверстия при этом увеличивается на толщину этой подложки (на ~0.8 мм и ~2.6 мм соответственно), то есть за цикл обработки достигается углубление в 3.5-4 раза больше предыдущего случая (согласно расчетам по формулам (6) и (7) увеличивается в [Z_распл+Z_осл]/ Z_распл=34.53/8.88≈3.9 раза). При увеличении времени воздействия плотностью тепловой мощности 350 Вт/см² до 6 с (кривая 5) за счет испарения образуется кратер глубиной ~1.4 мм (глубина приповерхностного слоя материала с температурой выше 2800°C) со слоем расплавленного материала толщиной ~0.5 мм на поверхности кратера (слой материала между температурами 2000-2800°C). Потенциально ослабленная зона материала находится под расплавом в слое толщиной ~1.5 мм (слой между температурами 600-2000°C). В этом случае за счет испарения материала и выдува расплава образуется отверстие глубиной примерно 1.9 мм, которая может быть дополнительно увеличена механическим удалением ослабленного при охлаждении слоя на величину ~1.5 мм (почти в 2 раза) и общее углубление отверстия за цикл в этом случае составит примерно 3.4 мм. Как видим, введение в процедуру лазерного бурения периода охлаждения позволяет увеличить глубину отверстия за цикл обработки в несколько раз. Механически измельченный ослабленный материал (шлам) удаляют с забоя потоком газа.

Так как тепло распространяется по материалу и в поперечном направлении от теплового источника, то вокруг периметра пятна излучения также возникает слой термически ослабленного в результате охлаждения материала. То есть предоставляется возможность использовать режущую коронку большего диаметра, чем диаметр лазерного пятна на забое, что увеличивает объем удаляемого материала и соответственно производительность бурения (фиг.1). Величина этого превышения над диаметром пятна в идеальном случае равна удвоенной толщине 2Δ механически удаляемого слоя в продольном направлении Δ=[Z^* _распл ⁺Z^* _осл] (при равенстве условий распространения тепла в различных направлениях). Однако из-за неизбежного естественного теплообмена забоя с окружающей средой толщина термически возмущенной зоны с заданной краевой изотермой в поперечном направлении будет меньше, чем в продольном направлении. Особенно заметна эта разница на дневной поверхности входа инструмента в материал, на которой согласно расчетам толщина термически возмущенной периферической зоны вокруг пятна излучения примерно в 3 раза меньше толщины термически возмущенной продольной зоны Δ. По мере углубления отверстия влияние окружающей среды резко уменьшается и толщина периферической термически ослабленной зоны увеличивается, стремясь к продольному значению Δ. Легко показать, что при учете толщины ослабленной периферической зоны (0.6÷2)Δ для формирования уменьшенного диаметра пятна излучения на поверхности забоя торец ребристой коронки инструмента сверления должен находиться от нее на расстоянии L=[D-d_o-(0.6÷2)A]/[2tg(arcsinNA)], где D-внешний диаметр ребристой коронки.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе бурения облучают только центральную часть площади забоя. Пучок меньшего диаметра на оси предполагаемого отверстия за счет испарения материала формирует кратер с характерным суживающимся в продольном направлении радиальным профилем, близким к форме радиального распределения плотности энергии в пучке излучения. Для примера, на фиг.4 приведен профиль распределения интенсивности выходящего из волокна излучения в плоскости, отстоящей от его торца на расстоянии 30 мм (фиг.4,а) и вид кратера (фиг.4,б). В процессе охлаждения в материале вокруг затвердевшего кратера образуется зона материала с ослабленной структурой. В направлении оси кратера и внедряется вращающаяся режущая коронка большего диаметра, легко разрушая с торца наклонные хрупкие слои материала разной прочности. Ослабленный вокруг периметра пятна излучения материал позволяет использовать для бурения обычно применяемые для бурения мягких пород ребристые коронки, которые обеспечивают зазоры между сверлильным инструментом и стенкой отверстия, а также обеспечивают хорошую очистку стенки отверстия от шлака, делая ее проницаемой. Последнее качество является очень важным фактором для ряда применений. Например, проницаемость поверхности отверстия важна в нефтегазовой отрасли для повышения эффективности вскрытия скважин бурением в их стенке локальных боковых отверстий в окружающей породе (цементированный агрегат, песчаник, сланец и др.).

Реализация условий для фазового механизма ослабления структуры кремнеземсодержащих материалов требует охлаждения их до температур ниже 150°C (согласно данным экспериментов) в течение разумного времени, хотя бы в течение времени, затрачиваемого на лазерный нагрев, то есть в пределах 1-13 с согласно выше приведенным примерам расчета (формулы 3 и 5). Известно, что скорость снижения температуры материала в процессе охлаждения тесным способом связана с интенсивностью теплоотвода от поверхности, которая, в свою очередь, определяется величиной коэффициента теплоотдачи α. Оценим уровень величины коэффициента теплоотдачи, обеспечивающий необходимый съем тепла от поверхности забоя в процессе охлаждения в условиях поставленной задачи. Для достижения максимального эффекта от ослабления структуры мы должны охладить нагретый поверхностный слой глубиной равной глубине залегания слоя с температурой 600°C, то есть в пределах 1÷3.5 мм согласно вышеприведенным примерам расчета. Чтобы убрать тепловую энергию из забоя толщиной h=l÷3.5 мм для понижения его температуры от исходного значения T₁=2000-2800°C до значения Т₂=150°C в течение времени t=l-43 c, необходимо обеспечить следующую плотность теплового потока от поверхности:

$$Q=\text{ρ}ch(T_1-T_2)/t,\text{ (8)}$$

где ρ - плотность и с - теплоемкость материала.

С другой стороны, количество отводимого от забоя тепла W с начальным температурным напором δТ=1980-2780°C (разностью между исходной температурой забоя и температурой хладагента Т_охл=20°C) можно вычислить с помощью уравнения Ньютона:

$$W=\alpha S(T_1-T_{охл}),\text{ (9)}$$

где S - площадь поверхности забоя. Приравнивая плотности Q по формуле (8) и W/S из формулы (9), получим выражение для оценки требуемой величины коэффициента теплоотдачи α=ρch(T₁-T₂)/[t(T₁-T_охл)]. Подставляя значения для бетона ρ=2.2 г/см³ и с=0.88 Дж/(г∙град.), получаем следующие величины коэффициента теплообмена, которые мы должны обеспечить хладагентом на поверхности забоя для реализации заданных скоростей охлаждения:

- при охлаждении нагретой до 2000°С поверхности α=1800 Вт/м²∙град для q=350 Вт/см² и 556 Вт/м²∙град для q=100 Вт/см²;

- при охлаждении нагретой до 2800°C поверхности α=1845 Вт/м²∙град для q=350 Вт/см² и 500 Вт/м²∙град для q=100 Вт/см².

Таким образом, оценки показывают, что для снижения температуры поверхности забоя до температуры 150°C за время 1-13 с достаточным является обеспечение теплоотвода от нее со значением коэффициента теплообмена в диапазоне 500-2000 Вт/м²∙град. в зависимости от режима бурения. Разные хладагенты обеспечивают и различные значения коэффициента теплообмена на поверхности материала, что проявляется в разном количестве отводимого тепла. Так, для воздушного с протоком охлаждения значения коэффициентов теплообмена на поверхности составляют величины до 500-600 Вт/м²∙град. Значения коэффициентов теплообмена на поверхности величиной до 5000 Вт/м²∙град. также могут быть реализованы с помощью воздушного потока, если в нем распылять жидкость соответствующей температуры. Капли жидкости при оседании на поверхность забоя интенсивно забирают тепло, особенно в процессе ее испарения. При этом эффект турбулентности потока газокапельной смеси способствует быстрому протеканию процесса охлаждения поверхности забоя и увеличению эффективности теплосъема с нее. Воздушно-капельное охлаждение с использованием воды отработано нами экспериментально для управления температурой поверхности материала.

На первый взгляд введение в процедуру лазерного бурения пассивных циклов охлаждения и механического измельчения материала уменьшает производительность комбинированного лазерно-механического метода по сравнению с активным высокотемпературным методом на основе испарения и плавления. Это действительно справедливо в области температур нагрева поверхности, намного превышающих температуру кипения материала. Однако согласно расчетам лазерно-механический метод бурения по производительности приближается по величине к высокотемпературному значению и даже превышает его в случае использования режимов, обеспечивающих наибольшую толщину расплавленного слоя. Так, при нагреве поверхности до температуры кипения кремнезема 2800°C при воздействии пятном излучения диаметром 6 мм с плотностью тепловой мощности 100 Вт/см² глубина залегания теплового фронта с температурой 600°С равна ~3.5 мм и объемная скорость удаления материала составляет -395 см /(час·кВт) при диаметре коронки 10 мм и ~575 см /(час·кВт) при диаметре коронки 12 мм (поперечные размеры ослабленной зоны допускают такой размер). Без использования этапа охлаждения объемная скорость удаления материала только выдувом расплава из отверстия диаметром 6 мм для данного режима почти в два раза меньше и составляет ~250 см³/(час∙кВт). Данные анализа четко указывают на необходимость оптимизации режимов лазерно-механической обработки для достижения максимальной производительности бурения. Определено, что в области температур нагрева поверхности 2000-2800°C производительность этого метода превышает величину производительности для чисто высокотемпературного метода бурения, применение которого чревато закупоркой отверстия шлаками в случае его большой глубины. Вне указанной области температур производительность комбинированного метода бурения падает.

Экспериментальная отработка способа лазерно-механического бурения производилась на стенде, фотография которого приведена на фиг.3,а. Вся конструкция устройства бурения может крепиться к стене, полу или потолку с помощью анкера. В качестве исследуемых элементов строительных конструкций использовались блоки размером 300×150×120 из бетона марки 300. Использовался волоконный лазер YLR-500 с длиной волны излучения 1.06 мкм. Излучение в зону обработки доставлялось с помощью магистрального оптического волокна диаметром 400 мкм с охлаждаемым оптическим разъемом. Мощность лазерного излучения на выходном торце магистрального волокна длиной 15 м составляла 490 Вт. Диаметр лазерного пятна на поверхности забоя был равным 6 мм. Внешний диаметр ребристой коронки был равен 10 мм. В каждом цикле бурения забой облучался лазерным излучением в течение 6 с, после чего охлаждался сильным воздушным потоком в течение 10 с. Механическое измельчение материала забоя на расчетную глубину проводилось в течение 15-25 с с одновременным удалением шлама из зоны забоя потоком воздуха. По мере удлинения отверстия периодически надставлялись колонковые звенья. На фиг.3,б показан наконечник ребристой коронки в момент выхода на поверхность бетона. Отметим, что оптимальная форма торцевой части коронки соответствует контуру теплового фронта с температурой 600°C - крайнего значения температуры нагрева материала для реализации механизма теплового ослабления его структуры.

Только предложенный лазерно-механический метод бурения обеспечил возможность получения в бетоне глубоких отверстий диаметром 10 мм и длиной до 10 м.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения различных отверстий. Для этого лазерное излучение на забой отверстия доставляют посредством оптического волокна из кварца диаметром 0.2-1 мм. Оптическое волокно размещают без возможности вращения с зазором в трубке по оси внутренней полости инструмента сверления. При этом излучающий торец оптического волокна не доходит до торцевой поверхности резцов ребристой коронки на расстояние h≤d_o/[2tg(arcsinNA)], где d₀ - диаметр полости ребристой коронки, NA - числовая апертура оптического волокна. В кольцевой зазор между поверхностью оптического волокна и внутренней поверхностью трубки подают охранный поток газа в направлении забоя, а забой облучают лазерным пучком с пятном излучения на поверхности забоя, диаметр которого меньше внешнего диаметра ребристой коронки на величину (0.6÷2)Δ, где Δ=(20÷35)/q - толщина термически ослабленного слоя материала (см), q=P(l-R)(l-ρ) - плотность поглощенного материалом лазерного излучения (Вт/см²), Р - плотность мощности падающего лазерного излучения (Вт/см²), R - коэффициент отражения от поверхности материала, ρ - тепловые потери излучением от нагретого материала. Для этого перед облучением торцевую поверхность сверлильного инструмента устанавливают на расстояние L=[D-d_o-(0.6÷2)Δ]/[2tg(arcsinNA)] от поверхности забоя, где D - внешний диаметр ребристой коронки. Бурение производят циклически. В каждом цикле поверхность забоя облучают в течение времени t=(45000÷130000)/q² (с), обеспечивающего нагрев поверхности забоя до температур в диапазоне температур плавления и кипения материала. Затем поверхность забоя охлаждают хладагентом в течение 1-15 с с коэффициентом теплообмена 300÷5000 Вт/м²·град., после чего сверлильный инструмент перемещают в направлении забоя до касания торцевыми резцами ребристой коронки поверхности забоя. Прилагая продольные усилия, механически измельчают термически ослабленный материал забоя на глубину Δ с одновременным принудительным удалением шлама из зоны забоя. После чего сверлильный инструмент отодвигают от поверхности забоя на расстояние L. Циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Обеспечивается производительность бурения кремнеземсодержащих материалов и получение тонких глубоких отверстий в них. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов путем лазерного облучения забоя отверстия через внутреннюю полость инструмента сверления и механического удаления термически разупрочненного материала, отличающийся тем, что лазерное излучение на забой отверстия доставляют посредством оптического волокна из кварца диаметром 0.2÷1 мм, которое размещают без возможности вращения с зазором в трубке по оси внутренней полости инструмента сверления так, что излучающий торец оптического волокна не доходит до торцевой поверхности резцов ребристой коронки на расстояние:
h≤d_o/[2tg(arcsinNA)],
где d₀ - диаметр полости ребристой коронки;
NA - числовая апертура оптического волокна,
в кольцевой зазор между поверхностью оптического волокна и внутренней поверхностью трубки подают охранный поток газа в направлении забоя для охлаждения оптического волокна и защиты его излучающего торца от частиц разрушаемого материала забоя, после этого забой облучают лазерным пучком с пятном излучения на поверхности забоя, диаметр которого меньше внешнего диаметра ребристой коронки на величину:
(0.6÷2)Δ, где
Δ=(20÷35)/q -толщина термически ослабленного слоя материала (см);
q=P(l-R)(l-ρ) - плотность поглощенного материалом лазерного излучения (Вт/см²);
Р - плотность мощности падающего лазерного излучения (Вт/см²);
R - коэффициент отражения от поверхности материала;
ρ - тепловые потери излучением от нагретого материала,
для чего перед облучением торцевую поверхность инструмента сверления устанавливают на расстоянии:
L=[D-d_o-(0.6÷2)Δ]/[2tg(arcsinNA)] от поверхности забоя,
где D - внешний диаметр ребристой коронки,
а бурение производят циклически, в каждом цикле поверхность забоя облучают в течение времени t=(45000÷130000)/q² (с), обеспечивающего нагрев поверхности забоя до температур в диапазоне температур плавления и кипения материала, затем поверхность забоя охлаждают хладагентом в течение 1-15 с с коэффициентом теплообмена 300÷5000 Вт/м^2∙град., после чего инструмент сверления перемещают в направлении забоя до касания торцевыми резцами ребристой коронки поверхности забоя, прилагают продольные усилия, механически измельчают термически ослабленный материал забоя на глубину Δ и шлам принудительно удаляют из забоя, затем инструмент сверления отодвигают от поверхности забоя на расстояние L, после чего циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия.

2. Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов по п.1, отличающийся тем, что поверхность забоя охлаждают потоком газокапельной смеси.

3. Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов по п.1, отличающийся тем, что поверхность забоя охлаждают интенсивным потоком газа.

4. Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов по п.1, отличающийся тем, что шлам из зоны забоя удаляют потоком газа.

5. Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов по пп.2-4., отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух, а в качестве жидкости - воду.