激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究.pdf
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1、激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究杨磊1,2,杨本高1,2,刘军军1,2,周雪敏3,谢晶1,2,王晨4,郭辰辰4,高明忠1,2,3(1.四川大学 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;2.四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065;3.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;4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013)摘要: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
2、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 mm2增加到 36.85 mm2;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
3、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;破岩效率中图分类号:O532+.25;P634 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)08-0171-10Drillabilityandmechanicalparamete
4、rsoflaserhotcrackingsandstonesYANG Lei1,2,YANG Bengao1,2,LIU Junjun1,2,ZHOU Xuemin3,XIE Jing1,2,WANG Chen4,GUO Chenchen4,GAO Mingzhong1,2,3(1.State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China
5、;2.College of Water Resource&Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China;3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;4.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijin
6、g 100013,China)Abstract:Over recent years,shallow coal resources that can be easily mined have been gradually exhausted.As a result,conventional drilling techniques tend to face challenges such as low rock-breaking efficiency,high drilling costs,and en-vironmental pollution in the exploration and ex
7、ploitation of deep coal resources.Therefore,there is an urgent need to in-troduce a new auxiliary rock-breaking technique for drilling.Focusing on the new laser-assisted rock-breaking techno-logy,this study systematically conducted mechanical and drillability tests on sandstones after laser irradiat
8、ion for differ-ent durations,aiming to explore the temporal and spatial evolution of the temperature field of hard sandstones,thepropagation of cracks on the sandstone surfaces,and the mechanical parameters and drilling efficiency of sandstones un-der laser irradiation.The results are as follows.(1)
9、With an increase in laser irradiation time,the number of cracks on thesandstone surface gradually increased from two to five,with the cracking area increasing from 6.78 mm2 to 36.85 mm2.收稿日期:2023-06-21;修回日期:2023-07-24基金项目:煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室开放基金项目(2021-CMCU-KFZD001);四川省自然科学基金重大项目(2023NSFSC0004)第一作者
10、:杨磊,1999 年生,男,四川泸州人,硕士,研究方向为岩土工程.E-mail:yanglei_通信作者:杨本高,1997 年生,男,安徽马鞍山人,博士,研究方向为岩土工程.E-mail: 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023杨磊,杨本高,刘军军,等.激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究J.煤田地质与勘探,2023,51(8):171180.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0367YANG Lei,YANG Bengao,LIU Junjun,et a
11、l.Drillability and mechanical parameters of laser hot cracking sandstonesJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(8):171180.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0367(2)The evolution of the temperature field exhibited the Gaussian distribution,presenting a circular decrement from thehot-melt zone to the low-h
12、eat zone.After 15 s of laser irradiation,the thermal equilibrium was reached,with the evolu-tion of the temperature field tending to be stabilized.(3)After 50 s of laser irradiation,the compressive strength andelastic modulus of sandstones decreased by up to 74.6%and 92.7%,respectively,and the axial
13、 peak strain increasedfrom 0.52%to 1.65%.These results indicate that sandstones shifted from an elastic state to a semiplastic/plastic stateafter laser irradiation.(4)After 50 s of laser irradiation,the penetration rate of sandstones increased from 0.09 mm/s to4.30 mm/s,and the weight loss ratio inc
14、reased from 2.73%to 27.36%.(5)Appropriately setting laser parameters couldimprove rock-breaking efficiency and reduce drilling costs.The penetration rate and weight loss ratio of sandstones in-creased the most after 20 s of laser irradiation,when fast and economical rock-breaking could be achieved.T
15、his studypreliminarily demonstrates the efficiency and feasibility of the laser-assisted rock-breaking technique,thus providing atheoretical basis for efficient rock-breaking in deep drilling.Keywords:drilling rock-breaking;sandstone;laser-assisted rock breaking;rock-breaking efficiency 煤炭资源作为我国能源的压
16、舱石和稳定器,对于我国经济社会发展具有巨大的经济和战略意义1-3。但随着浅部易开采煤炭资源的逐渐枯竭,煤炭资源开发已逐渐向深层进军,在钻探技术上也面临诸多挑战4-7。传统钻井技术在面对复杂难钻地层和非常规地层时面临进尺速率低、钻井成本高和破岩效率低等难题8-12。新型辅助钻井破岩技术的研发具有现实意义,其中,激光辅助破岩技术因破岩效率高、进尺速率高及环境友好等优点,被认为是一种极具潜力的钻井技术13-18。诸多学者在激光辅助破岩技术领域开展了一些有价值的研究,主要聚焦于破岩机理、裂纹发育规律和激光参数优化等方面。破岩机理方面,激光辅助破岩技术是利用激光的高能量生成局部热应力从而弱化岩石19-2
17、1,并加剧裂隙扩展进而破碎岩石的方法,具有能量集中、破岩效率高及非物理式接触等优势22-23。郭辰光等24开展了激光辐照热裂破岩正交试验研究,分析了激光功率、作用时间及作用距离对激光辐照热裂破岩温度变化及岩石形貌损伤的影响规律,表明激光作用下岩石生成的局部热应力有效弱化了岩石强度,诱导并加剧了岩石裂纹生成与扩展;R.A.Ndeda 等25研究表明,当激光作用产生的热应力超过岩石内部矿物强度时,微观上会导致矿物滋生裂纹,宏观上则呈现为岩石的开裂和剥落;Li Qin 等26研究表明,激光作用下熔化区温度最高,损伤表现为阶梯状断裂,而损伤区 和 热 影 响 区 的 损 伤 形 式 主 要 为 裂 纹
18、 开 裂;Kuang Lianfei 等27采用激光辐照开裂法,研究了不同功率、不同直径、不同移动速度的激光作用对花岗岩裂纹分布的影响,研究表明,裂纹角和两端裂纹面积与激光参数有关,且裂纹主要赋存于由于激光束产生的开槽切口周围;Guo Chenguang 等28研究表明,当激光功率为 1 300 W、扫描速度为 6.7 mm/s、辐射距离为 51.6 mm 时,激光破岩效率最高,能耗最低;李美艳等29在不同介质条件下采用高功率密度激光照射花岗岩和砂岩,激光处理后岩石可钻性级数显著降低;Deng Rong 等30建立了矩形和圆形激光点扫描破岩物理模型,评价两种激光光斑扫描对岩石的破岩效果,研究表
19、明可钻性分别下降 16%和 10%,矩形光斑的破岩效果优于圆形光斑。综上所述,学者已从激光辅助破岩的试验和基础理论研究入手,开展了激光照射后岩石强度折减、裂纹扩展规律和最优激光参数设计等研究工作,并取得了大量有价值的成果。然而,值得注意的是,现阶段对激光照射岩石后联合机械钻头进行钻进的研究鲜有报道,目前理论研究与工程应用关联度仍相对较低。因此,拟以坚硬砂岩为研究对象,系统开展激光照射热裂破岩试验研究,从激光作用下砂岩温度场分布特征、激光作用后砂岩力学参数以及可钻性 3 个角度出发,综合分析激光照射时间对砂岩机械破岩效率的影响规律,力争为激光辅助硬岩高效钻进破碎理论与技术提供依据和借鉴。1试验设
20、备1.1试验系统及组成激光弱化硬岩试验装置系统可模拟开展工程原位环境下激光辅助钻进试验,并实时监测钻孔温度演化规律及裂纹发育特征,可实现不同激光功率作用下岩石表面升温破裂全过程实时捕捉,如图 1a 所示。该系统主要由 JPT-QCW-R-B-W-2000/2500-52 准连续光纤激光器、CCV-030AATL49-B-2500 双温双控激光水冷 机、PIX Connect-MA-E2020-05-A 红 外 测 温 仪、A7A20CU30 工业相机、保护气体罐(氮气)等组成。准连续光纤激光器功率范围为 2502 500 W;双温双控激光水冷机控温范围为 835;红外测温仪测温范围为 0926
21、(低 温)、9262 450(高 温),测 温 精 度为2;工业相机的最大分辨率为 4 0963 000 像素,最大帧率为 30 帧。172 煤田地质与勘探第 51 卷可钻性试验采用西南石油大学可钻性试验设备系统,该系统具有测试地层钻井工况下岩石可钻性的功能,采用动静闭环伺服控制,可实时采集钻进数据以曲线形式呈现31,如图 1b 所示。本次试验采用 PDC 微钻头,该钻头是用压板将两块直径 13.3 mm 的 PDC 复合片对称夹在钻头体上组合而成,组装后的 PDC 微钻头外径为 32 mm,复合片安装的后倾角和侧倾角分别为 20和 5。仪器设备系统其余部分参数具体介绍请参见文献 32。操作台
22、水冷机 CCV保护气体罐监视器升降台试样激光头补光灯PIXFFICLDIC通风口红外成像面阵相机检测激光处理连续光纤激光器激光监测系统温湿度控制台激光监测系统可钻性试验机试样台升降控制台传力轴试样排屑通道+钻头PDC 钻头液压控制系统试样压头力轴PDC微钻头排屑通道钻速钻压试样台(a)激光辅助破岩设备系统(b)可钻性试验设备系统图 1 试验设备系统Fig.1 Experimental equipment system 1.2试验样品砂岩试样采自河南省焦作市,呈棕黄色,质地均匀(图 2)。试样的质量、密度、泊松比、抗压强度、弹性模量、导热系数和热膨胀系数等基本物理参数见表 1。激光力学与激光可钻
23、性试验组分别选取50 mm100 mm、50 mm50 mm 的砂岩 10 块,此外,再选取 2 块尺寸为50 mm100 mm 的未处理砂岩设为对照组。根据 XRD 试验结果分析,试样石英质量分数为 84.3%、黏土矿物质量分数为 15.7%,黏土矿物主要为高岭石、伊利石等,如图 3 所示。2试验方法设置激光功率 P=1 kW,光斑直径=4 mm,设置5 个照射时间梯度,变量间隔t=10 s,照射范围为1050 s,激光力学、激光钻进试验组分别用 10 s 的时间梯度处理,结果见表 2 和表 3。50 mm100 mm 50 mm50 mm图 2 砂岩试样Fig.2 Sandstone sp
24、ecimens第 8 期杨磊等:激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究 173 2.1激光力学试验将处理后的激光力学试验组试样分别在 GCTSRTX-1000L 岩石力学试验系统上开展单轴压缩试验,如图 4 所示,分析砂岩试样的单轴抗压强度(UCS)、弹性模量(E)、泊松比()及峰值应变()等力学参数随激光照射时间的交互影响规律。2.2激光可钻性试验将处理后的激光可钻性试验组试样放置在可钻性试验机上进行试验,试验使用 PDC 微型钻头进行试样的机械钻进,钻压为 0.5 kN,钻速为 55 r/min,进尺最大深度为 4 mm。表1砂岩试样的物理参数Table1Physicalparameters
25、ofsandstonespecimens密度/(gcm3)泊松比抗压强度/MPa弹性模量/GPa导热系数/(Wm1K1)热膨胀系数/12.450.11127.8027.324.96332.66 表2激光力学试验组方案Table2Laser-mechanicaltestscheme试样数量试样尺寸/(mmmm)激光功率/kW光斑直径/mm照射时间/s10501001410/20/30/40/50 表3激光可钻性试验组方案Table3Laser-drillabilitytestscheme试样数量试样尺寸/(mmmm)钻压/kN转速/(rmin1)进尺/mm激光功率/kW光斑直径/mm照射时间/s
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