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 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 電子信息工程系 博18級

2） 梁華慶 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 電子信息工程系

3） 趙   昆 中國石油大學（北京）新能源與材料學院 材料系

文章簡介：

在這項研究中，我們利用激光感生電壓（LIV）技術監(jiān)測油頁巖的穿孔過程。由于激光的能量超過了油頁巖的帶隙，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。LIV信號的峰值取決于穿孔時間。我們通過雙指數(shù)函數(shù)很好地擬合電壓波形。整個穿孔過程可以分為兩個不同的階段，分別對應于表面剝落和巖石穿刺過程。結果表明，LIV技術可以用于表征油頁巖的穿孔過程。

研究背景：

自20世紀初以來，旋轉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)的鉆探技術中，鉆頭安裝在鉆桿的末端，并且通過鉆頭的旋轉進行鉆孔。為了有效地開發(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，激光鉆孔實現(xiàn)了在巖石鉆孔過程中巖石與鉆頭之間沒有接觸。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，相互作用時間和圍壓都可能導致比能（SE）和滲透率（ROP）的增加，并且激光脈沖持續(xù)時間和發(fā)射次數(shù)也影響了激光射孔。

在過去的幾十年中，激光技術已被證明是評估原油資源，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，油頁巖中的自由電子被激活，這會產(chǎn)生電子-空穴對。當偏壓超過油頁巖的帶隙能（Eg）時，會產(chǎn)生帶間躍遷和光激發(fā)載流子。光的吸收和電子-空穴對或激子的產(chǎn)生都有助于產(chǎn)生激光感應電壓（LIV）現(xiàn)象，該現(xiàn)象被用于分析油頁巖的熱解過程和產(chǎn)油量。LIV效應在很大程度上取決于激光功率，脈沖頻率，脈沖寬度，材料的類型和性質。同時，激光輸入，激光切割速度，光學性能和材料組成等輸入工藝參數(shù)也會影響LD特性。在這項工作中，我們通過激光感生電壓（LIV）響應監(jiān)測油頁巖的穿孔過程

研究方法：

圖1 實驗裝置示意圖

油頁巖樣品采集自中國吉林省樺甸市。樣品的幾何形狀為10 mm×2 mm，厚度為1 mm，如圖1（a）所示。在油頁巖樣品的表面上，我們設置了四個尺寸為1 mm×2 mm的Ag電極，并隔開3 mm。實驗設備的示意圖如圖1（b）所示。我們通過KrF準分子激光器（248 nm）來測量油頁巖的LIV響應，并使用輸入阻抗為1MΩ的示波器進行記錄。實驗過程中，激光輻射在內(nèi)部兩個電極的中心。激光脈沖的頻率為1 Hz，能量為73.9 mJ。

實驗結果：

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

圖3 不同時間點的LIV的波形擬合。

圖4 擬合參數(shù)隨隨時間Td的變化。

當高功率激光照射到油頁巖上時，可能會發(fā)生不同的反應過程，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，分別對應剝落和穿孔的兩個過程。隨著穿孔深度的增加，激光功率密度逐漸降低，導致破壞率降低。當Td大約為2700 s時，樣品被完全分為兩部分。此時，VP1和VP2 保持穩(wěn)定。

作者簡介

張善哲，博士，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院控制理論與控制工程專業(yè)。研究方向：油氣光學探測技術、信號檢測與處理。聯(lián)系方式：Email：zhangshanzhe0910@163.com

梁華慶，教授，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院電子信息工程系，博士生導師，校級品牌課教師，中國電子教育學會信息與電子學科研究生教育委員會理事。主要研究方向：微弱信號檢測與處理、測控技術與石油儀器、油田自動化。主持國家科技重大專項子課題、北京市自然基金以及油田企業(yè)的橫向項目30多項，獲國家發(fā)明專利授權6件，計算機軟件著作權10余項，獲省部級技術發(fā)明一等獎1項，部級優(yōu)秀教學成果二等獎1項、三等獎1項。發(fā)表論文50余篇，其中被SCI、EI檢索30余篇。聯(lián)系方式：Email：hqliang@cup.edu.cn