论文题目：Characterizing the laser drilling process of oil shale using laser-induced voltage

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

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

作者列表：

1） 张善哲 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子信息工程系 博18级

2） 梁华庆 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子信息工程系

3） 赵   昆 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料系

文章简介：

在这项研究中，我们利用激光感生电压（LIV）技术监测油页岩的穿孔过程。由于激光的能量超过了油页岩的带隙，从而产生了载流子，并引起了带间跃迁。因此，在施加偏置电压的情况下发生了LIV响应。LIV信号的峰值取决于穿孔时间。我们通过双指数函数很好地拟合电压波形。整个穿孔过程可以分为两个不同的阶段，分别对应于表面剥落和岩石穿刺过程。结果表明，LIV技术可以用于表征油页岩的穿孔过程。

研究背景：

自20世纪初以来，旋转钻井已成为石油工业中主要的油井生产方法。在传统的钻探技术中，钻头安装在钻杆的末端，并且通过钻头的旋转进行钻孔。为了有效地开发能源，钻探行业迫切需要一种新的射孔方法。与传统的钻孔方法相比，激光钻孔实现了在岩石钻孔过程中岩石与钻头之间没有接触。激光钻探（LD）被研究为在天然气和石油深井中钻探的重要方法。在LD工艺中，射孔参数在操纵深度方面起着中心作用，例如，相互作用时间和围压都可能导致比能（SE）和渗透率（ROP）的增加，并且激光脉冲持续时间和发射次数也影响了激光射孔。

在过去的几十年中，激光技术已被证明是评估原油资源，特别是非常规油气资源属性的合适手段。在激光脉冲作用下，油页岩中的自由电子被激活，这会产生电子-空穴对。当偏压超过油页岩的带隙能（Eg）时，会产生带间跃迁和光激发载流子。光的吸收和电子-空穴对或激子的产生都有助于产生激光感应电压（LIV）现象，该现象被用于分析油页岩的热解过程和产油量。LIV效应在很大程度上取决于激光功率，脉冲频率，脉冲宽度，材料的类型和性质。同时，激光输入，激光切割速度，光学性能和材料组成等输入工艺参数也会影响LD特性。在这项工作中，我们通过激光感生电压（LIV）响应监测油页岩的穿孔过程

研究方法：

图1 实验装置示意图

油页岩样品采集自中国吉林省桦甸市。样品的几何形状为10 mm×2 mm，厚度为1 mm，如图1（a）所示。在油页岩样品的表面上，我们设置了四个尺寸为1 mm×2 mm的Ag电极，并隔开3 mm。实验设备的示意图如图1（b）所示。我们通过KrF准分子激光器（248 nm）来测量油页岩的LIV响应，并使用输入阻抗为1MΩ的示波器进行记录。实验过程中，激光辐射在内部两个电极的中心。激光脉冲的频率为1 Hz，能量为73.9 mJ。

实验结果：

图2（a）选定时间的油页岩的LIV响应；（b）VP1和|VP2|随时间Td的变化；（c）TP1和 TP2随时间Td的变化；（d）电压的变化量ΔV（ΔV= VP1 - VP2）和时间ΔT（ΔT= TP2 - TP1）的关系。

图3 不同时间点的LIV的波形拟合。

图4 拟合参数随随时间Td的变化。

当高功率激光照射到油页岩上时，可能会发生不同的反应过程，包括热剥落，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，分别对应剥落和穿孔的两个过程。随着穿孔深度的增加，激光功率密度逐渐降低，导致破坏率降低。当Td大约为2700 s时，样品被完全分为两部分。此时，VP1和VP2 保持稳定。

作者简介

张善哲，博士，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院控制理论与控制工程专业。研究方向：油气光学探测技术、信号检测与处理。联系方式：Email：zhangshanzhe0910@163.com

梁华庆，教授，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院电子信息工程系，博士生导师，校级品牌课教师，中国电子教育学会信息与电子学科研究生教育委员会理事。主要研究方向：微弱信号检测与处理、测控技术与石油仪器、油田自动化。主持国家科技重大专项子课题、北京市自然基金以及油田企业的横向项目30多项，获国家发明专利授权6件，计算机软件著作权10余项，获省部级技术发明一等奖1项，部级优秀教学成果二等奖1项、三等奖1项。发表论文50余篇，其中被SCI、EI检索30余篇。联系方式：Email：hqliang@cup.edu.cn