王玉丹，羅耀坤，文國軍，吳玲玲，官東林，姚 鄒

激光鉆進(jìn)煤巖技術(shù)的研究進(jìn)展

王玉丹1,2，羅耀坤1，文國軍1,2，吳玲玲1，官東林1，姚 鄒1,2

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2. 湖北省智能地質(zhì)裝備工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074)

激光鉆進(jìn)技術(shù)是一種極具潛力的創(chuàng)新技術(shù)，也是鉆探領(lǐng)域的研究熱點。作為一種非接觸式鉆進(jìn)技術(shù)，對破碎松軟巖層擾動破壞小，將激光鉆進(jìn)應(yīng)用于煤層氣定向鉆進(jìn)中可發(fā)揮出非常明顯的優(yōu)勢。梳理和總結(jié)了激光用于煤巖鉆進(jìn)的成孔機(jī)制、鉆進(jìn)效果的影響因素。在激光鉆進(jìn)過程中，激光與煤巖相互作用伴隨著復(fù)雜的理化作用，指出激光鉆進(jìn)煤巖主要的成孔機(jī)制是燒蝕成孔。從激光參數(shù)、巖石性質(zhì)、外部環(huán)境等方面闡述了影響激光鉆進(jìn)煤巖效果的因素，論述了激光鉆進(jìn)用于煤巖這一特定鉆進(jìn)對象的特殊現(xiàn)象和問題，指出煤巖在激光照射下，組分的揮發(fā)、熱解、升華、燒結(jié)和氧化構(gòu)成了煤巖在高溫下主要的熱燒蝕機(jī)制。從鉆進(jìn)機(jī)理、工藝、裝置等方面著手，建議加強(qiáng)激光鉆進(jìn)煤巖的多物理場耦合作用機(jī)制、鉆進(jìn)工藝、鉆進(jìn)裝置研制等適應(yīng)性研究，為激光用于煤巖的高質(zhì)高效鉆進(jìn)研究提供參考。

激光鉆進(jìn)；煤巖；燒蝕；循環(huán)氣體

隨著我國經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變，使用清潔能源已成為當(dāng)今社會的廣泛共識。而煤層氣作為清潔能源的典型代表，對其大規(guī)模開采和利用的重要性不言而喻。眾所周知，我國煤層氣資源十分豐富，煤層氣開發(fā)已逐步進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)階段，但是由于我國煤層構(gòu)造復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)煤層氣開發(fā)技術(shù)無法完全滿足產(chǎn)業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步發(fā)展需求[1]。

激光鉆進(jìn)技術(shù)因其鉆進(jìn)效率高，控向性能好，應(yīng)用氣體作為循環(huán)介質(zhì)不污染煤層，燒結(jié)孔壁強(qiáng)度高質(zhì)量好等多項優(yōu)勢可以全面有效地解決井下煤層氣水平孔鉆進(jìn)的現(xiàn)存難題，可望成為煤層氣定向鉆進(jìn)領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新技術(shù)。將激光鉆進(jìn)應(yīng)用于煤層氣控向鉆進(jìn)，實現(xiàn)煤層氣水平孔的激光智能定向鉆進(jìn)，對于推動煤層氣開發(fā)技術(shù)產(chǎn)生革命性改變，具有重要的科學(xué)意義和明顯的應(yīng)用價值。

本文旨在對激光鉆進(jìn)煤巖技術(shù)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行歸納，分析激光鉆進(jìn)煤巖原理，指出現(xiàn)有激光鉆進(jìn)技術(shù)用于煤巖需要關(guān)注的特殊現(xiàn)象和問題，并對需深入研究的內(nèi)容提出建議，為后續(xù)激光鉆進(jìn)煤巖技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考和指導(dǎo)。

1 激光鉆進(jìn)煤巖原理

在激光輻照下，煤巖吸收激光能量并轉(zhuǎn)換為熱能，局部溫度快速升高，并由于溫度梯度產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度后，巖石產(chǎn)生破裂；當(dāng)溫度升高到熔點時，巖石開始熔化為液態(tài)；繼續(xù)吸收熱量，溫度升高，巖石發(fā)生氣化。伴隨著煤巖隨溫度升高發(fā)生的物理狀態(tài)的相變，還有煤巖熱解焦化等化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物最終也會變成固、液、氣3種狀態(tài)。激光鉆進(jìn)煤巖的過程始終伴隨著急劇升溫引起的物理化學(xué)反應(yīng)。

激光鉆進(jìn)煤巖過程如圖1所示，S1為激光照射到煤巖上的光斑作用區(qū)域，S2為熱傳導(dǎo)所形成的熱影響區(qū)域。當(dāng)激光照射到煤巖上時，激光能量沉積于S1區(qū)域，煤巖吸收能量快速升溫，產(chǎn)生燒蝕孔。由于熱量的傳遞，燒蝕區(qū)周邊的煤巖受熱形成熱影響區(qū)S2，其中孔周由于焦化碳化等反應(yīng)，形成燒結(jié)區(qū)，燒結(jié)區(qū)后面溫度較低的區(qū)域，巖體力學(xué)性能削弱，形成弱化區(qū)。由于激光的功率密度極高，煤巖也是熱的不良導(dǎo)體，這個熱影響區(qū)并不大，通常都比燒蝕區(qū)S1小。燒蝕和熱沖擊可能產(chǎn)生一些粉末顆粒，通過循環(huán)氣體將其排出孔外。

煤巖快速升溫使得煤巖局部發(fā)生破碎、熔化和氣化，產(chǎn)生氣、液、固三相混合物，由高速循環(huán)氣體將巖屑攜出[2-3]，實現(xiàn)激光鉆進(jìn)的目的。激光破壞巖石的主要機(jī)制是熱裂、熔融以及燒蝕3種[4-6]，在激光鉆進(jìn)煤巖的過程中，這3種破壞機(jī)制都同時存在，但其主要依靠燒蝕破壞形成孔眼，即燒蝕成孔[7-8]。

2 激光鉆進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展

煤是一種固態(tài)巖石，將激光用于煤層定向鉆進(jìn)是在激光用于油氣鉆井研究大背景下的一個極具潛力的應(yīng)用方向。激光鉆進(jìn)經(jīng)歷了二十多年的研究，其研究成果可以為激光鉆進(jìn)煤巖技術(shù)提供思路和指導(dǎo)。因此，在論述激光鉆進(jìn)煤巖的進(jìn)展之前，先簡單概述激光鉆進(jìn)巖石的研究進(jìn)展。

激光鉆進(jìn)是一個涉及多學(xué)科的物理化學(xué)過程，包含巖石的相變、燒蝕、熱裂等多種熱力損傷與破壞現(xiàn)象。作為一個典型的時變、非線性過程，激光鉆進(jìn)的研究體系十分豐富，各國學(xué)者研究涵蓋的主要內(nèi)容有巖石在激光輻照下的力學(xué)性能和熱物理性能演變、巖石的破壞模式、在熱力加載下的破壞閾值、熱–力效應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)和試驗測試技術(shù)等。本節(jié)主要從鉆進(jìn)施工最關(guān)心的鉆進(jìn)效果方面，闡述影響激光鉆進(jìn)的因素。

激光鉆進(jìn)的過程主要是激光與巖石的相互作用，其鉆進(jìn)效果與激光參數(shù)、巖石性質(zhì)和環(huán)境載荷參數(shù)等密切相關(guān)，其中激光器參數(shù)以及照射時間、巖石相關(guān)的熱物理特性、外部循環(huán)氣體及圍壓作用都對激光鉆進(jìn)效果產(chǎn)生較大的影響。

2.1 激光性能參數(shù)對鉆進(jìn)效果的影響

2.1.1 激光功率

激光光斑直徑一定時，激光功率增大，其功率密度變大，單位時間內(nèi)沉積到巖樣的激光能量增多，鉆孔的孔深和直徑增加，去巖量增加使激光鉆進(jìn)的效率隨之提高。當(dāng)溫度達(dá)到礦物熔點時會產(chǎn)生熔融物質(zhì)，如果不能及時排出，隨著熔融物越來越多，吸收激光消耗額外的激光能量也越來越多，其比能相應(yīng)增加，因此，隨著激光功率增加，激光鉆進(jìn)巖石的比能值會先降低后增加[4]。B. C. Gahan等[9]在研究中找到了頁巖的比能最低點，即剝落區(qū)和熔融區(qū)的分界點，如圖2所示。

2.1.2 激光輻照時間

激光鉆進(jìn)巖石過程中，改變輻照時間而保持其他性能參數(shù)不變的情況下，可以發(fā)現(xiàn)激光輻照時間越長，巖石吸收能量越多，其溫度就越高。顯然，隨著輻照時間的增加，鉆孔深度和直徑都會加深和擴(kuò)大。巖石的去除量與照射時間正相關(guān)，但是超過某一時間節(jié)點后，去除效率將會降低甚至為零[10-12]。

2.1.3 激光光斑

激光光斑大小與鉆孔直徑直接相關(guān)。在一定的功率密度下，光斑越大則形成的孔徑越大。而光斑大小取決于巖樣表面距離激光頭的距離。當(dāng)離焦量為零時，激光聚焦于巖樣表面，此時光斑最小，功率密度最高。在相同激光功率下，激光光斑越小，其激光功率密度就會越大，輻照巖石時的溫升就越快，也就越容易破壞巖石。但功率密度達(dá)到一定的閾值后，巖樣表面產(chǎn)生等離子體，等離子體的屏蔽作用增強(qiáng)使鉆孔的深度和直徑都會隨之變淺或變小[13]。熱影響區(qū)的范圍則隨離焦量的增大而先擴(kuò)大后減小[14]。作者團(tuán)隊在高功率激光鉆進(jìn)煤巖實驗中發(fā)現(xiàn)，使用負(fù)離焦量鉆進(jìn)比正離焦量時的成孔效果更好。

2.1.4 激光頻率

利用脈沖激光進(jìn)行鉆進(jìn)巖石試驗時，脈沖頻率增加會導(dǎo)致鉆進(jìn)的比能值減小，巖石溫度穩(wěn)定增加[15-16]，脈沖激光周期性輻照巖樣表面，使巖樣局部及邊緣位置產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，巖石表面及內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并不斷發(fā)育，促進(jìn)巖石的熱破裂，提高鉆進(jìn)速度[17]。在一定范圍內(nèi)，頻率增加，在巖石受輻照部位聚集的能量也增加，使得鉆孔直徑增大[17-18]。通過比較超脈沖激光和連續(xù)激光在石灰?guī)r鉆孔的比能曲線(圖3)[19]，超脈沖激光鉆進(jìn)的比能一直都低于連續(xù)激光，但是隨著時間增加兩者的差距逐步減小直至基本消除。

2.1.5 激光入射角度

在激光鉆進(jìn)過程中，鉆孔的直徑與激光入射角度有關(guān)，通常隨入射角增大而增大，而鉆孔最大深度位于激光照射中心點[20]，隨著激光入射角度增大，鉆孔直徑和熱影響區(qū)都會增大，而鉆孔的深度則會隨之變小[21]。而在S. Toshimitsu等[22]的激光照射冰塊試驗中發(fā)現(xiàn)，入射角度越大，冰塊的融化速度越快。這也間接證明入射角度大，則鉆孔的熱影響區(qū)變大。

2.2 巖石屬性對鉆進(jìn)效果的影響

巖石的物質(zhì)構(gòu)成與分布，影響著巖石的各種物理化學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明，大部分巖樣彈性模量隨溫度的升高呈先下降后上升再下降的趨勢[23]；而煤試樣的泊松比隨溫度的升高呈先平緩上升后緩慢下降的趨勢[24]；高溫會使煤樣的力學(xué)性能降低，導(dǎo)致其更加容易被破壞，因此，在試驗中，孔口及巖樣表面會觀察到萌生的裂紋。

巖石的含水量會影響其力學(xué)性質(zhì)，而巖樣被高溫干燥后抗拉強(qiáng)度降低，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程產(chǎn)生較多的裂紋。巖石含水量不同，在鉆進(jìn)過程中水分蒸發(fā)所消耗的熱量也不同，含水量越多，所消耗的熱量也越多，照射區(qū)域的溫升速率則有一定程度的減小，達(dá)到熔點及氣化點的時間則加長。因此，巖樣的含水量越大，所形成的孔深和直徑就會越小[25-26]。

2.3 外部環(huán)境對鉆進(jìn)效果的影響

2.3.1 循環(huán)氣體

循環(huán)氣體主要用于排出激光鉆孔內(nèi)可能產(chǎn)生的三相巖屑。在實際激光鉆進(jìn)巖石過程中，可以考慮采用空氣、氮氣、氬氣、二氧化碳等氣體作為循環(huán)介質(zhì)。圖4顯示激光鉆進(jìn)砂巖與石灰?guī)r在4種不同循環(huán)氣體作用下比能值的大小[27]：對于砂巖而言，使用空氣做循環(huán)氣體時比能值最高，氬氣與氦氣做循環(huán)氣體時的比能值略低于使用氮氣時的比能值；對于石灰?guī)r而言，在氦氣循環(huán)下鉆進(jìn)比能值最高，其次是氬氣，在氮氣下比能值最低。而對于煤巖，使用空氣做循環(huán)氣體時比氮氣做循環(huán)氣體時，激光鉆孔的直徑更大[28]。

在激光鉆進(jìn)過程中，輔助氣體在高壓作用下，攜走三相混合產(chǎn)物，巖石熔融物和殘留物的存在會使得很大一部分能量被這部分殘留物吸收[29]，阻礙激光繼續(xù)直接作用于巖石。循環(huán)氣體的流速直接影響攜巖動能，流速過低時氣體難以攜帶孔底巖屑；流速過高會沖蝕鉆孔底部，因此，需要合理控制鉆進(jìn)過程中循環(huán)氣體的流速。

2.3.2 圍壓

井底孔眼一般都要承受地層圍巖產(chǎn)生的圍壓，在激光鉆進(jìn)過程中也需要考慮圍壓的影響。圍壓在一定程度上可以抑制煤巖微裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，阻礙微破裂的發(fā)生[30]。當(dāng)圍壓增加時，巖石強(qiáng)度會有一定程度的增大，一定范圍的圍壓可以抑制巖石的破裂。一定范圍的圍壓會抑制損傷區(qū)域的發(fā)展[31]，但是圍壓載荷過大，會導(dǎo)致巖石的拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，體積應(yīng)變會繼續(xù)擴(kuò)大。因此，高地應(yīng)力地區(qū)的激光鉆進(jìn)必須考慮孔眼在圍壓作用下的穩(wěn)定性問題[32]。

3 激光鉆進(jìn)煤巖的特殊現(xiàn)象和問題

上述影響激光鉆進(jìn)效果的激光性能、巖石屬性、外部環(huán)境等三因素中，大部分規(guī)律都是基于不同巖石樣本和不同激光器實驗得到的規(guī)律，雖然不能直接應(yīng)用或?qū)Ρ绕渲械牧炕瘮?shù)據(jù)，但破巖規(guī)律的大致趨勢是可以借鑒的?？傮w來說，盡管上述規(guī)律不是基于同種巖石的，但大部分規(guī)律是適用于所有巖石的，煤巖也同樣適用。然而，也必須注意到煤巖的一些獨特屬性，需要在研究中單獨考慮。

激光鉆進(jìn)用于不同的巖石材料，其成孔機(jī)制適用不同的熱損傷形態(tài)。對于強(qiáng)度較高的硬巖如花崗巖，巖石的損傷形態(tài)主要是熱裂或熔融損傷；強(qiáng)度較低的軟巖，熔融和燒蝕損傷形態(tài)更為常見。過去幾年中多次千瓦級激光鉆孔實驗表明，使用千瓦級激光照射煤巖表面，其升溫速率極高，在幾秒之內(nèi)可以迅速在巖樣表面產(chǎn)生燒蝕孔，孔周未見明顯的熔融態(tài)物質(zhì)，孔壁呈燒結(jié)焦炭狀。楊明軍等[7]利用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對激光鉆進(jìn)煤巖過程進(jìn)行仿真分析，建立考慮相變過程的激光鉆進(jìn)煤巖的數(shù)值仿真模型，研究表明激光輻照巖樣，光斑附近巖體升溫極快，鉆進(jìn)煤巖主要的成孔機(jī)制是燒蝕氣化成孔，而非激光鉆進(jìn)硬巖時的熱裂破巖成孔?？咨畈⒉浑S著輻照時間持續(xù)線性增長，在超過某個時間節(jié)點后，輻照時間對孔深的影響變小。

理論和實驗研究都充分支持將燒蝕破壞作為煤巖的主要破壞機(jī)制。在高溫和熱流條件下，煤巖除了會出現(xiàn)熱解和升華現(xiàn)象之外，還會有氧化、燒結(jié)現(xiàn)象。揮發(fā)、升華、熱解、燒結(jié)和氧化是煤巖在高溫下主要的熱燒蝕機(jī)制。

區(qū)別于現(xiàn)有研究中常見的花崗巖等有機(jī)物含量小的硬巖，煤巖有機(jī)物含量較大，激光鉆進(jìn)中發(fā)生的實驗現(xiàn)象和結(jié)果都與硬巖有很大差異。在砂巖、石灰?guī)r、花崗巖等的激光鉆進(jìn)實驗中，由于這些巖石以無機(jī)質(zhì)成分為主，很少會發(fā)生劇烈燃燒現(xiàn)象。但煤巖本身及其富含的其他有機(jī)成分在有氧環(huán)境中會發(fā)生燃燒等氧化反應(yīng)。為保證安全性，一般采用惰性氣體作為激光鉆進(jìn)煤巖的循環(huán)介質(zhì)以抑制其燃燒。

激光輻照煤巖時，孔眼的循環(huán)氣體中可能含有少部分空氣，其中的氧氣會引發(fā)燃燒，隨即在燃燒過程中被消耗掉。如果孔內(nèi)沒有足夠的氧氣補(bǔ)充，難以引發(fā)劇烈的燃燒。

楊玲芝等[28]針對激光破碎煤巖進(jìn)行了一系列實驗研究，研究表明，無論是采用氮氣還是空氣循環(huán)鉆進(jìn)，都能夠在煤層中順利實施激光鉆進(jìn)。由于燃燒效應(yīng)，空氣循環(huán)激光鉆進(jìn)鉆孔直徑比氮氣循環(huán)激光鉆進(jìn)鉆孔直徑和進(jìn)尺大，其實驗結(jié)果如圖5所示。在實際鉆進(jìn)過程中，從安全高效的角度出發(fā)，可選擇空氣與氮氣交變循環(huán)的鉆井工藝[3,28]。

圖5 不同循環(huán)氣體作用下激光鉆進(jìn)煤巖進(jìn)尺[28]

煤巖強(qiáng)度低易破碎，在復(fù)雜載荷下井筒完整性難以保證。在高溫下煤巖孔壁呈現(xiàn)燒結(jié)狀態(tài)，燒結(jié)物的致密度和厚度與孔壁的力學(xué)性能直接相關(guān)，對孔壁的穩(wěn)定性有直接影響，在激光鉆進(jìn)研究中必須考慮井壁組織形態(tài)和力學(xué)特性的問題。

4 建議和展望

激光鉆進(jìn)煤巖過程涉及多種因素、多個相變，伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化。煤巖作為一種燃料礦物，其強(qiáng)度較低，在鉆進(jìn)過程易發(fā)生燃燒，成孔的安全隱患較大。雖然，目前激光鉆進(jìn)巖石的研究較多，但其研究成果并不能完全套用。在激光鉆進(jìn)煤巖研究中，仍需要針對作用機(jī)理、鉆進(jìn)工藝以及煤層氣鉆進(jìn)適應(yīng)性等進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。在此，筆者總結(jié)了以下四點作為激光鉆進(jìn)煤巖后續(xù)研究建議：

a.探究激光鉆進(jìn)煤巖多物理場耦合作用機(jī)制 激光鉆進(jìn)煤巖是一個多物理場耦合作用的過程，涉及溫度場、流體動力場、應(yīng)力場等多個物理場之間的相互作用，通過探究激光鉆進(jìn)煤巖過程中的多物理場作用機(jī)制，了解此過程中的理化作用機(jī)理，有助于建立起激光能量與煤巖去除之間的聯(lián)系。

b. 量化不同因素對激光鉆進(jìn)煤巖效果的影響激光鉆進(jìn)煤巖過程中，涉及激光器、煤巖、循環(huán)介質(zhì)、地應(yīng)力等多種因素的影響，因此，需要對不同參數(shù)進(jìn)行正交試驗，確定影響激光鉆進(jìn)煤巖效率和孔眼質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為優(yōu)化設(shè)計出激光鉆進(jìn)煤巖的最佳參數(shù)組合打下基礎(chǔ)。

c.提煉激光鉆進(jìn)煤巖工藝 激光鉆進(jìn)煤巖過程伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，從現(xiàn)已開展的試驗來看，鉆進(jìn)過程中伴隨著煤巖的燃燒及粉塵的釋放，巖樣在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋甚至完全開裂，因此，需要對激光鉆進(jìn)煤巖鉆進(jìn)工藝進(jìn)行提煉及優(yōu)化，確定高能效比的激光工藝與適配的循環(huán)氣體工藝最優(yōu)組合策略，抑制煤層明火燃燒，使孔壁燒結(jié)層具有合適的厚度及強(qiáng)度，在熱應(yīng)力和地層應(yīng)力作用下保持孔眼的穩(wěn)定性，減少煤層鉆進(jìn)的安全隱患，實現(xiàn)高質(zhì)高效鉆進(jìn)。

d.研制煤層氣水平井激光鉆進(jìn)設(shè)備 雖然實驗室內(nèi)的激光鉆進(jìn)煤巖實驗取得了一些成果，但室內(nèi)實驗無法完全模擬井下地層狀態(tài)。激光鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)還處于空白階段，需要篩選適用于煤層氣水平井鉆進(jìn)試驗的激光設(shè)備及運動控制機(jī)構(gòu)等，盡快開展激光鉆進(jìn)設(shè)備的適應(yīng)性研究。

隨著高功率激光技術(shù)的迅速進(jìn)步以及傳統(tǒng)煤層氣定向鉆進(jìn)技術(shù)的弊端日益凸顯，激光鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤層氣定向鉆進(jìn)已經(jīng)具備了比過去更好的外部條件，因此，了解現(xiàn)有的研究成果，厘清激光、煤巖及流體之間相互作用機(jī)制，對激光鉆進(jìn)煤巖技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

[1] 孫茂遠(yuǎn). 對外合作開采煤層氣的昨天、今天和明天[N]. 中國能源報，2014-01-06(015). SUN Maoyuan. Yesterday，today and tomorrow of foreign cooperative exploitation of coalbed methane[N]. China Energy News，2014-01-06(015).

[2] 徐依吉，周長李，錢紅彬，等. 激光破巖方法研究及在石油鉆井中的應(yīng)用展望[J]. 石油鉆探技術(shù)，2010，38(4)：129–134. XU Yiji，ZHOU Changli，QIAN Hongbin，et al. The study of laser rock breaking method and its application in well drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques，2010，38(4)：129–134.

[3] 李可心. 激光破巖機(jī)理及影響因素的分析[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2017. LI Kexin. Analysis of mechanism and influencing factors of laser breaking rock[D]. Daqing：Northeast Petroleum University，2017.

[4] 史雅麗. 激光照射巖石溫度及熱裂特性變化研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2019. SHI Yali. Study on the variation of temperature field and thermal cracking characteristics for rock irradiated by fiber laser[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2019.

[5] ZHANG Yuwen，F(xiàn)AGHRI A. Vaporization，melting and heat conduction in the laser drilling process[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer，1999，42(10)：1775–1790.

[6] 李璐. 激光輔助鉆井破巖機(jī)理及可鉆性研究[D]. 青島：中國石油大學(xué)(華東)，2015. LI Lu. Mechanism of removing rock by laser and the study on drillability[D]. Qingdao：China University of Petroleum，2015.

[7] 楊明軍，王玉丹，文國軍，等. 激光輻照煤巖的熱效應(yīng)數(shù)值模擬分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(6)：217–222. YANG Mingjun，WANG Yudan，WEN Guojun，et al. Numerical simulation of thermal effects of laser irradiation on coal and rock[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(6)：217–222.

[8] 楊玲芝，文國軍，王玉丹，等. 激光鉆井技術(shù)在煤層氣定向鉆進(jìn)中的應(yīng)用探討[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(11)：127–131. YANG Lingzhi，WEN Guojun，WANG Yudan，et al. Application discussion on laser borehole drilling technology to directional drilling for coalbed methane[J]. Coal Science and Technology，2016，44(11)：127–131.

[9] GAHAN B C，PAKER R A，BATARSEH S，et al．Laser drilling：determination of energy required to remove rock[C]// Proceedings of SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Society of Petroleum Engineers，2001．

[10] AHMADI M，ERFAN M.R，TORKAMANY M J，et al. The effect of interaction time and saturation of rock on specific energy in ND：YAG laser perforating[J]. Optics and Laser Technology，2011，43(1)：226–231.

[11] 李士斌，李可心，張立剛. 激光功率和照射時長對激光破巖的影響[J]. 能源與環(huán)保，2017，39(3)：121–123. LI Shibin，LI Kexin，ZHANG Ligang. Influence of laser power and irradiation time for laser rock fragment[J]. China Energy and Environmental Protection，2017，39(3)：121–123.

[12] 辛朋輝. 激光破巖機(jī)理研究[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2017. XIN Penghui. Research on laser rock breaking mechanism[D]. Daqing：Northeast Petroleum University，2017.

[13] ROMOLI L，VALLINI R. Experimental study on the development of a micro-drilling cycle using ultrashort laser pulses[J]. Optics and Lasers in Engineering，2016，78：121–131

[14] RIVEIRO A，MEJIAS A，SOTO R，et al. CO2laser cutting of natural granite[J]. Optics and Laser Technology，2016，76：19–28.

[15] NG G K L，LI L. The effect of laser peak power and pulse width on the hole geometry repeatability in laser percussion drilling[J]. Optics and Laser Technology，2001，33(6)：393–402.

[16] POLUYANSKII S A，LYASHENKO E I，LYASHENKO I V，et al. Laser breakdown of rock[J]. Soviet Mining Science Ussr，1983，19(1)：59–63.

[17] TU J，PALEOCRASSAS A G，REEVES N，et al. Experimental characterization of a micro-hole drilling process with short micro-second pulses by a CW single-mode fiber laser[J]. Optics and Lasers in Engineering，2014，55：275–283.

[18] PASTRAS G，F(xiàn)YSIKOPOULOS A，STAVROPOULOS P，et al. An approach to modelling evaporation pulsed laser drilling and its energy efficiency[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，72：1227–1241.

[19] XU Z，REED C B，PARKER R A，et al. Laser rock drilling by a super-pulsed CO2laser beam[C]//Proceedings of the 21st International Congress on Application of Lasers and Electro-Optics，LIA，2002：160291．

[20] YAO K C，LIN J. The characterization of the hole-contour and plume ejection in the laser drilling with various inclination angles[J]. Optics and Laser Technology，2013，48：110–116.

[21] LI Meiyan，HAN Bin，ZHANG Shiyi，et al. Numerical simulation and experimental investigation on fracture mechanism of granite by laser irradiation[J]. Optics and Laser Technology，2018，106：52–60.

[22] TOSHIMITSU S，HAIK C，TOSHIHIRI S，et al. Studies of melting ice using CO2laser for ice drilling[J]. Cold Regions Science and Technology，2016，121：11–15.

[23] RAMONA G，BATARSEH S，RICHARD P，et al. Temperatures induced by high power lasers：Effects on reservoir rock strength and mechanical properties[C]//The SPE/ISRM Rock Mechanics Conference，Irving，USA，2002：78154.

[24] 孫留濤. 煤巖熱損傷破壞機(jī)制及煤田火區(qū)演化規(guī)律數(shù)值模擬研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2018.SUN Liutao. Study on the mechanism of thermal damage and numerical simulation for evolution of coalfield fire area[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2018.

[25] TSAI C H，LI C C. Investigation of underwater laser drilling for brittle substrates[J]. Journal of Materials Processing Technology，2009，209(6)：2838–2846.

[26] KOBAYASHI T，NAKAMURA M，OKATSU K，et al. Underwater laser drilling：drilling underwater Granite by CO2laser[C]//2008 Indian Oil and Gas Technical Conference and Exhibition，Mumbai，India，4-6 March，2008.

[27] SALEHI I A，GAHAN B C，SAMIH B. Laser drilling-drilling with the power of light[R/OL]. United States，Department of Energy，2007[2007-02-08]. https：//doi.org/10.2172/926665.

[28] 楊玲芝，文國軍，王玉丹，等. 激光破碎煤巖作用過程理論分析與實驗研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(5)：168–172. YANG Lingzhi，WEN Guojun，WANG Yudan，et al. Theoretical analysis and experimental research on breaking process of laser drilling in coal and rock[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(5)：168–172.

[29] ARRIZUBIETA I，LAMIKIZ A，MARTINEZ S，et al. Internal characterization and hole formation mechanism in the laser percussion drilling process[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2013，75：55–62.

[30] 邵黎明，房平亮．變圍壓條件下多孔煤巖應(yīng)力–應(yīng)變數(shù)值模擬研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(增刊1)：45–47. SHAO Liming，F(xiàn)ANG Pingliang. Numerical simulation research on relationship between stress and strain of porous gas coal and rock under different confining pressures[J]. Coal Science and Technology，2014，42(Sup.1)：45–47.

[31] SAN-ROMAN-ALERIGI D P，HAN Y，BATARSEH S I . Thermal and Geomechanical Dynamics of High Power Electromagnetic Heating of Rocks[C]//SPE Middle East Oil & Gas Show & Conference. 2017.

[32] HAN Yanhui，F(xiàn)ANG Yi，SAN-ROMAN-ALERIGI D P，et al. Thermal/mechanical interaction in laser perforation process：Numerical-model buildup and parametric study[J]. Society of Petroleum Engineers Journal，2019，24(5)：2097–2110.

Research progress of laser drilling technology in coal petrography

WANG Yudan1,2, LUO Yaokun1, WEN Guojun1,2, WU Lingling1, GUAN Donglin1, YAO Zou1,2

(1. School of Mechanical Engineering and Electronic Information, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China; 2. Hubei Intelligent Geological Equipment Engineering Technology Research Center, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

As an innovative technology with great potential in rock drilling, laser drilling has attracted great attention in research. Laser drilling is a non-contact drilling technology, which has little disturbance and damage to broken and soft formation. Thus, laser drilling can play a significant role in directional drilling of coalbed methane. This paper combs and summarizes the hole forming mechanism and influencing factors of drilling effect of laser drilling in coal petrograph. In the process of laser drilling, the interaction between laser and coal is accompanied by complex physical and chemical effects. It is pointed out that the main hole formation mechanism in coal petrography is laser ablation. The factors influencing the effect of laser drilling on coal petrography are stated from the aspects of laser parameters, rock properties and external environment. The special phenomena and problems of laser drilling on coal petrography are discussed, and comments are stated that the laser ablation involves volatilization, pyrolysis, sublimation, sintering and oxidation of coal components under laser irradiation. To promote the research of laser drilling in coal petrography, it is suggested to strengthen the adaptability study of multi-physical field coupling mechanism, drilling process and drilling device research of laser drilling in coal petrography.

laser drilling;coal petrography;laser ablation;purge gas

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TE21；TE249

A

1001-1986(2021)01-0297-06

2020-11-15；

2021-01-01

國家自然科學(xué)基金面上項目(41672155，41972325)；湖北省自然科學(xué)基金杰出青年基金項目(2018CFA092)

王玉丹，1974年生，女，湖北丹江口人，副教授，從事激光鉆進(jìn)技術(shù)、地質(zhì)裝備等研究.E-mail：wangyudan@cug.edu.cn

文國軍，1978年生，男，四川岳池人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事激光鉆進(jìn)、非開挖技術(shù)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域的研究. E-mail：wenguojun@cug.edu.cn

王玉丹，羅耀坤，文國軍，等. 激光鉆進(jìn)煤巖技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：297–302. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.033

WANG Yudan，LUO Yaokun，WEN Guojun，et al.Research progress of laser drilling technology in coal petrography[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：297–302. doi：10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.01.033

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)