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激光照射花岗岩抗拉强度及孔隙分布研究

建井技术 2024年第4期45卷 88-94,74页

作者：吴波刘林郁东旭王建州王义江江西赣禹工程建设有限公司江西南昌330038 深地科学与工程云龙湖实验室江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

激光辅助破岩技术有助于提高超硬、超深地层资源的开采效率。采用控制变量法开展了激光热裂花岗岩试验,分析了温度、射孔参数、比能、热裂效能、抗拉强度和孔隙分布等变化规律。结果表明,激光照射下花岗岩表面温度超过1000℃;花岗岩射... 详细信息

激光辅助破岩技术有助于提高超硬、超深地层资源的开采效率。采用控制变量法开展了激光热裂花岗岩试验,分析了温度、射孔参数、比能、热裂效能、抗拉强度和孔隙分布等变化规律。结果表明,激光照射下花岗岩表面温度超过1000℃;花岗岩射孔直径、深度和射孔速率随照射参数呈非线性变化,最大射孔直径、深度和速率分别为10.0mm、12.0mm和2.70mm/s;花岗岩最大比能和热裂效能分别为87.8kJ/cm^(3)和39.5kJ/cm^(3)。激光照射后花岗岩单轴破坏模式为脆性破坏,抗拉强度最大降幅为74.11%。激光照射导致岩石内部中小孔隙连通形成大孔隙,并最终导致岩石断裂。

关键词：激光辅助破岩温度分布热裂效能抗拉强度核磁共振

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激光照射花岗岩热裂规律及力学性质试验研究

中国矿业大学学报 2023年第4期52卷 701-712页

作者：王义江郁东旭王泽桂褚召祥赵光思周国庆中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 深地科学与工程云龙湖实验室江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

硬岩隧道掘进慢、成本高是传统机械破岩难以突破的瓶颈,亟需新型高效破岩技术.激光辅助破岩是一种非接触式破岩方法,激光功率、离焦距离和照射时间是影响破岩的重要参数.采用标准圆柱花岗岩试样进行了不同激光照射参数下的破岩试验,研... 详细信息

硬岩隧道掘进慢、成本高是传统机械破岩难以突破的瓶颈,亟需新型高效破岩技术.激光辅助破岩是一种非接触式破岩方法,激光功率、离焦距离和照射时间是影响破岩的重要参数.采用标准圆柱花岗岩试样进行了不同激光照射参数下的破岩试验,研究了温度、比能、热裂效能、强度、组分和裂隙等变化规律.结果表明,激光照射引起岩样表面温度骤升,且温度沿径向迅速衰减,光束附近岩石表面温度梯度高达1200℃/mm.激光照射岩石的射孔速率为0.1~0.7 mm/s,比能为38~151 kJ/cm^(3),热裂效能为459~2680 J/cm^(3).激光照射后岩样抗压强度最大降幅达69%,且岩样组分、矿物胶结及微观结构均发生显著变化,岩样内部裂隙发育、连通性好.激光辅助破岩有助于提高硬岩隧道的掘进效率.

关键词：花岗岩激光辅助破岩热裂效能抗压强度裂隙分布

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激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究

煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 171-180页

作者：杨磊杨本高刘军军周雪敏谢晶王晨郭辰辰高明忠四川大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室四川成都610065 四川大学水利水电学院四川成都610065 深圳大学广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室广东深圳518060 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013

目前浅部易开采煤炭资源逐渐枯竭,传统钻进技术在深层煤炭资源勘探开发时往往面临破岩效率低、钻进成本高和环境污染等问题。因此,亟需引入新型辅助钻井破岩技术破解此类难题。聚焦于新型激光辅助破岩技术,以坚硬砂岩为研究对象,系统开... 详细信息

目前浅部易开采煤炭资源逐渐枯竭,传统钻进技术在深层煤炭资源勘探开发时往往面临破岩效率低、钻进成本高和环境污染等问题。因此,亟需引入新型辅助钻井破岩技术破解此类难题。聚焦于新型激光辅助破岩技术,以坚硬砂岩为研究对象,系统开展了不同时长激光作用后砂岩的力学、可钻性试验,旨在探究激光作用下坚硬砂岩温度场时空演变特性、砂岩表面裂纹的扩展特征及力学参数和钻进效率。结果表明,随着激光作用时间的增加,砂岩表面裂纹由2条逐渐扩展为5条,裂纹面积由6.78 mm^(2)增加到36.85 mm^(2);温度场的演化特征符合高斯分布规律,由热熔融区向低热区呈环状递减,激光照射15 s后达到热平衡,温度场演化趋于稳定;激光照射50 s后砂岩抗压强度、弹性模量降幅最高分别可达74.6%、92.7%,轴向峰值应变从0.52%不断增加到1.65%,表明岩石经激光作用后呈现由弹性状态向半塑性/塑性状态转变的趋势;激光作用50 s后砂岩进尺速率由0.09 mm/s增加到4.30 mm/s,失重比由2.73%增加到27.36%;合理设置激光参数有助于提高破岩效率与降低钻进成本,在照射20 s时砂岩进尺速率和失重比增幅最大,此时可达到更快更经济的破岩目的;研究初步论证了激光辅助破岩技术的高效性与可行性,为深部高效破岩钻进技术提供理论基础。

关键词：钻探破岩砂岩激光辅助破岩破岩效率

激光辐射下岩石性能变化规律及高效破岩方法研究

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激光辐射下岩石性能变化规律及高效破岩方法研究

作者：罗文婵中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

随着我国经济的快速发展,对石油天然气能源的需求日益增加。作为油气勘探开采的关键技术环节,钻井作业的效率及质量直接决定了油气资源的开发效率。相较于传统机械钻井的方式来说,激光辅助破岩减少了钻具的磨损,局部高能输入使岩石更易... 详细信息

随着我国经济的快速发展,对石油天然气能源的需求日益增加。作为油气勘探开采的关键技术环节,钻井作业的效率及质量直接决定了油气资源的开发效率。相较于传统机械钻井的方式来说,激光辅助破岩减少了钻具的磨损,局部高能输入使岩石更易破碎,并可熔化硬质岩层,钻进效率大幅提高。本文通过研究破岩过程中不同类型岩石、流体介质与热能间的相互作用机制,分析激光工艺参数对破岩效果的影响规律,甄选出破岩效率最高的激光工艺参数。利用abaqus进行激光破岩全工艺过程数值模型仿真,探究激光破岩热响应及热应力的分布规律。通过金相显微镜下观察及XRD衍射实验探究激光作用下岩石宏微观形貌及物相成分的变化,探究不同破坏机制作用下岩石抗压强度变化,结合岩石物性参数、物相变化与裂纹扩展机制深入分析温度变化对岩石峰值强度的影响机理,揭示造成岩石力学性质劣化的根本原因。结合量纲法与实验数据研究比能与钻进速度间的数值关系,探究高效破岩的实现方法。主要的研究结论如下:(1)以花岗岩为样品优选出的工艺条件为:激光功率1800W,离焦量10mm,作用时间7s和激光功率2000W,离焦量5mm,作用时间4s。对花岗岩和砂岩进行全面试验,综合几个破岩效果的指标来看当激光功率为1800～2000W,离焦量为5mm、作用时间为4～8s时既能保证足够的钻孔深度,又能保证破岩过程中较低的比能和较高的钻进速度。(2)径向及轴向上距中心越近的结点温度越高,距光斑中心较远的结点温度变化趋势不明显。在激光照射的前2s温度上升的速率较快,温升速率随着激光作用时间的增加而不断减小。在光斑边缘处由较大的温度梯度产生有较大的热应力,光斑边缘向外应力值下降较快。当功率为600W,离焦量为15mm,激光辐照时长持续10s时,砂岩主要的破坏方式是激光热作用造成的熔化及气化。(3)在激光热作用下岩石内矿物成分及晶体结构发生了变化。花岗岩熔融体区内存在较多的玻璃质非晶相,还有硅酸盐矿物分解产生的二氧化硅。在石灰岩的激光辐照区边界和花岗岩、砂岩的热影响区有约200μm的孔隙,矿物晶粒体积膨胀、高温脱水反应及水蒸气逸出等因素均导致了裂隙的发育,微裂纹汇集形成的宏观断裂面是造成岩石力学性能劣化的根本原因。同时微裂隙的形成使岩石的孔隙度及渗透率增大,有利于地层油气的储集。(4)由于热应力及热反应破坏作用,在不同的激光打孔方案下三个岩石试件的抗压强度均小于花岗岩原样品的抗压强度139.47MPa,且造岩矿物对不同温度范围的敏感性规律不同,岩样的峰值强度随着打孔个数的增加先增加后减小,由于矿物成分熔融和石英成分的增加,方案2的岩石样品的力学性能相比方案1有所提升;峰值应变随着打孔个数的增加而增大,岩石的延性增强。(5)比能随着激光钻进速度的增加先呈增长趋势,在到达极大值后缓慢下降,最后逐渐平缓,保持在较低水平。结合v–P辅助曲线与(?)–v曲线可以确定能产生钻进速度的激光功率阈值,并且能确定保持低比能、高转速的激光功率的范围。经过液体浸泡过的岩石要比干燥岩石的比能大,且水浸岩石比油浸岩石的比能大;水浸岩石的激光钻进速度最小,干燥岩石的钻进速度最大。保持岩石干燥,去除岩石内的水分有助于破岩效率的提升。

关键词：激光辅助破岩温度应力场岩石性能微观组织

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激光钻井技术研究进展与展望

石油机械 2016年第7期44卷 7-11页

作者：张世一韩彬李美艳王勇孙嘉楠国家采油装备工程技术研究中心中国石油大学(华东)机电工程学院

采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重,需经常更换钻头,钻井周期长,成本高。而激光钻井技术可大大提高钻井速度,缩短钻井周期。综述了国内外激光钻井技术在激光/岩石/流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学2大基础学科中... 详细信息

采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重,需经常更换钻头,钻井周期长,成本高。而激光钻井技术可大大提高钻井速度,缩短钻井周期。综述了国内外激光钻井技术在激光/岩石/流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学2大基础学科中的研究成果。指出了激光钻井技术面临的诸多问题,深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素。提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术,并阐述了激光辅助破岩技术的原理,为激光钻井技术的发展指明了研究方向。

关键词：激光钻井激光破岩破岩效率激光辅助破岩