机械钻探作为当前主流的开采深层矿产资源的方式，其技术已经比较成熟。在面对深层坚硬岩层时由于机械磨损等原因会导致钻探成本升高、周期长。

　　利用高功率微波加热熔化岩石实现地下快速破岩是全新的钻探技术,具有潜在技术优势。

　　毫米波位于微波与远红外相交叠的范围,兼有两种波谱的特点。毫米波较激光波长更长,加热岩石形成的粉尘颗粒物因瑞利散射对波束传输影响小;毫米波频率高、波长短,因而在多数岩石介质中的微波穿透深度小，可以起到快速集中加热的效果。2014 年麻省理工学院 (MIT) 在其建立的28 GHz/10 kW 实验平台上开展了较为完整的毫米波钻探实验。

　　近日，中国科学院与中国科学技术大学的王修昌、王晓洁等科研人员基于140 GHz 高功率毫米波系统，开展了高功率毫米波能量加热穿透岩石的快速钻井技术研究，测量并分析岩石在微波电磁场下的介电损耗特性，采用多物理场耦合法定量模拟不同波束尺寸和入射功率下的岩石温度分布及烧蚀情况。

　　研究发现高功率短时间的微波加热方式可以有更高的加热效率,高功率回旋管输出的高斯毫米波波束会对不同岩石样品都有很好的加热效果。

　　毫米波能量不变时,随着波束束腰尺寸的增加,岩石表面烧蚀的面积增大，深度减小。当波束束腰尺寸不变时，随着毫米波功率密度的增加,岩石烧蚀的面积和深度都将变大。

　　通过对已有微波源的效率与系统功率传输过程中的能量损耗分析，发现140 GHz 高频毫米波能量可以高效地向井下远距离传输。将在实验室中对地下岩石样品进行实验，从数据角度进行毫米波地下深层岩石钻探的可行性研究。

　　这项研究得到了中科院战略先导科技专项、安徽省自然科学基金的资金支持，成果以《140 GHz 毫米波岩石钻探技术研究》为题于2021年6月11日在《微波学报》进行了网络首发。

140 GHz 高功率毫米波实验平台