激光破岩井壁岩石强度特性的变化规律

激光破岩是国际地球钻探科学领域的重大前瞻性基础理论课题，它的突破将为石油钻井、地质钻探和矿山工程等学科带来崭新的发展空间。本项目：（1）拟采用脉冲组合波形的新方案对岩样进行分组激光破岩实验和微观岩相分析，探索岩石晶格相变、孔眼生成及裂缝发育的特征，统计研究井壁表面釉化层的厚度和均匀性，建立釉化层厚度与激光能量、脉冲波形结构等参数之间定量关系的数学模型；（2）对岩样分组进行岩石强度特性的测试分析，研究岩石弹性模量、泊松比、内摩擦角和粘聚力等参数沿井壁轴向与径向变化的规律性；（3）温度场是引起岩石微观晶格和宏观强度特性变化的首要因素，通过对激光破岩温度场的数值模拟分析，构建描述岩石强度性能参数与温度场之间相互关系的数学模型，揭示出井壁岩石强度特性变化的内在规律。本项目是Graves R. M.等人研究的深入，将为评价激光破岩的井壁稳定性和钻深能力提供基础科学数据，有望获得国际领先的创新成果。

（1）在前期理论与实验研究的基础上，对激光破岩的热影响区和热核模型的概念进行了明确的定义；全面分析了热影响区岩石在固相-液相-气相三相骤变过程中的热能转换特征。研究认为，热核体内岩石气化所消耗的能量由岩石的熔化潜热、气化潜热和岩石加热等3项因素组成；在热核体柱状表面岩石向周边介质传热所损耗的能量方面，考虑到岩石的物性参数（如气化比热、岩石的密度、热传导系数等）随温度的变化特征，修正了早期将其简化为常量的假设，重新建立了激光破岩热影响区的热核模型。该模型考虑因素更全面和更科学，为后续探索提供了坚实的理论基础。（2）新研究表明，激光破岩的临界功率密度必须大于单位时间内光斑作用岩体完全气化所需要消耗的能量，该消耗的能量由岩体温升、熔化吸热和气体吸热等三项组成。井眼的面积越大所需要的破岩能量就越大；激光破岩的速度高低与激光器的功率大小成线性正比。（3）激光破岩的温度场是引起岩石微观晶格和宏观强度特性变化的首要因素。随着温度的增加，岩石的弹性模量、泊松比和剪切模量等机械物理性能参数呈下降趋势。例如温度从100℃上升到600℃，岩石的弹性模量降低42%、泊松比降低69.6%、剪切模量降低30%；而热膨胀系数增加80%。（4）利用激光破岩的热物理模型，对受激辐射的岩石的温度场和应力场进行研究。以砂岩为例，激光的光斑半径为25mm；功率密度为260W/cm2，均匀分布；材料内部无内热源，各处的初始温度为30℃；砂岩承受0～40MPa围压。研究表明：光斑作用区内砂岩的温度分布与激光束功率密度的分布趋势几乎完全一样；光斑中心的温度极高，超过岩石的气化温度，而在光斑的边缘，温度迅速下降至环境温度。这说明，激光破岩的井眼尺寸主要取决于光斑直径的大小。另外，激光作用区不同深度砂岩温度随激光加热时间的延长迅速增加。在激光破岩中，最大等效应力发生在光斑的热影响区，在光束的边缘等效应力逐渐下降。当围压为0MPa时，最大Mohr-Coulomb等效应力为1400MPa，是砂岩抗拉强度的50余倍，激光的能量足以在瞬间使砂岩发生热强度破坏。围压（或井深）的增加，对岩石内最大等效应力和最大等效应变的影响不大；当围压为40MPa，最大等效应力和等效应变分别增大0.6%和1.4%。这说明，激光作用下在岩体内产生的巨大热应力是岩石破坏的主要内因；另外，激光破岩的能力不受井深（或围压）因素的影响。