趙海峰，楊紫怡，梁 為，鐘駿兵

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095)

中國(guó)深部煤層氣資源豐富，埋深小于2 000 m 的煤層氣地質(zhì)資源量為30.05×1012m3，其中埋深大于1 000 m的深部煤層氣資源量為18.71×1012m3，占比63 %[1]，隨著淺層煤層氣資源的衰竭，深部煤層氣將是未來(lái)勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域[2-3]。然而，深部煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，具有非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層物性差、地應(yīng)力大的特點(diǎn)[4-5]，且在煤層氣開發(fā)過(guò)程中，鉆井液引發(fā)的濾失、黏土礦物水化膨脹以及與地層離子相互作用導(dǎo)致的沉淀和水鎖效應(yīng)等問(wèn)題，可能對(duì)深部煤儲(chǔ)層造成污染[6-7]。目前常用的解堵方式有常規(guī)酸化解堵、熱化學(xué)解堵、二氧化氯解堵等，但這些解堵方式主要為化學(xué)解堵，易對(duì)地層造成二次傷害。現(xiàn)有的超聲波解堵技術(shù)雖然避免了二次傷害，但也通常存在電源功率不夠大、脈沖時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[8]。而激光熱裂解堵技術(shù)作為一種純物理解堵方式，不僅實(shí)現(xiàn)了近井地帶的全方位解堵，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況調(diào)節(jié)激光頻率與功率，做到強(qiáng)度和范圍可調(diào)可控，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

激光熱裂巖石技術(shù)是通過(guò)激光設(shè)備發(fā)射出的能量光束照射在礦石的外表面[9-11]，在此期間，被照射的物質(zhì)由于各個(gè)位置上存在溫度差異而產(chǎn)生熱應(yīng)力，在這種力的作用下巖石會(huì)發(fā)生破裂，如果激光持續(xù)照射，巖石的表面溫度就會(huì)越來(lái)越高，隨后就會(huì)發(fā)生相變破壞，常見的有熔化、氣化現(xiàn)象。相比其他破巖技術(shù)，激光照射在巖石上的溫度瞬間變高，能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)巖石造成破裂，同時(shí)能通過(guò)機(jī)械設(shè)備調(diào)控自由地改變激光照射的方向，能夠很好地解決近井污染所造成的地層滲透率下降問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全井眼解堵[12-14]。因此，開展深部煤層激光熱裂近井解堵機(jī)理研究，分析不同激光參數(shù)對(duì)深部煤層裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律，對(duì)深部煤層氣高效開發(fā)，解決近井污染，提高煤層氣產(chǎn)量具有重要意義。

對(duì)于激光熱裂巖石技術(shù)的研究多數(shù)是利用各種室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段進(jìn)行的。由實(shí)驗(yàn)得出，激光作用在強(qiáng)度較小的巖石上時(shí)，主要破巖機(jī)理為溫度梯度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力[15]，而作用在強(qiáng)度較大的巖石上時(shí)，主要破巖機(jī)理為激光對(duì)巖石的相變作用，同時(shí)不可忽視熱應(yīng)力的作用[16]。激光破裂巖石時(shí)，在很短時(shí)間內(nèi)，受激光照射的巖石中心發(fā)生破裂，與氣化的時(shí)間相近。因巖石礦物成分的熱學(xué)差異，導(dǎo)致激光照射后局部形成熱應(yīng)力，當(dāng)溫度升高所產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)巖石中成分最小的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使得礦物中裂縫擴(kuò)展[17]。Xia Ming[18]基于離散元顆粒法提出了一種熱-力耦合顆粒模型，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，巖石在加熱條件下更易形成微裂紋。Li Qin 等[19]創(chuàng)新性地提出了一種基于離散元法的激光破巖模型，能夠反映巖石在激光作用下的開裂過(guò)程。

激光破裂巖石機(jī)理的研究主要集中基于離散元方法的熱-力耦合模型的頁(yè)巖、砂巖、碳酸鹽巖、花崗巖等研究，而對(duì)于煤層破壞機(jī)理的研究鮮有報(bào)道。同時(shí)，上述研究過(guò)程中將外邊界設(shè)定為自由邊界，尚未考慮地應(yīng)力的影響。實(shí)際儲(chǔ)層中，地應(yīng)力對(duì)裂縫的起裂和擴(kuò)展有重要影響。因此，筆者基于擴(kuò)展有限元法，將三向地應(yīng)力融入到“熱-力”耦合模型中，進(jìn)而開展深部煤層激光熱裂近井解堵機(jī)理研究，分析激光熱裂深部煤層過(guò)程中激光功率、頻率、照射時(shí)間和距離等工藝參數(shù)對(duì)裂縫長(zhǎng)度、數(shù)量等熱裂特性的影響規(guī)律，以優(yōu)選出可形成復(fù)雜縫網(wǎng)的最佳激光參數(shù)，為深部煤層激光熱裂近井解堵技術(shù)提供理論支撐。

1 激光破巖數(shù)值仿真模型

儲(chǔ)層是一個(gè)曲面，激光放到井筒下照射儲(chǔ)層時(shí)，因激光半徑小、儲(chǔ)層大，可將該曲面簡(jiǎn)化為一個(gè)二維平面，則激光照射下其吸收熱量的方式是面吸收，現(xiàn)場(chǎng)采用的也是高斯激光，視為照射在煤層中心，由此建立二維高斯熱源模型(圖1)。

圖1 二維高斯熱源Fig.1 A 2D Gaussian heat source

1.1 激光熱源模型

激光熱源視為面熱源。激光模型表達(dá)式如下：

激光照射時(shí)，照射的中心位置形成光斑，使煤吸收能量，表面溫度上升，隨后發(fā)生熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度快速下降，因此煤表面的溫度與時(shí)間有關(guān)。考慮到煤受熱輻射的影響不大，因此忽略這個(gè)因素。激光照射煤層發(fā)生溫度變化的過(guò)程中，將空氣之間的對(duì)流作用當(dāng)作邊界條件，則只需要考慮煤層中熱傳導(dǎo)。結(jié)合傅里葉定律與能量守恒定律推導(dǎo)熱傳導(dǎo)方程：

控制方程和邊界條件、初始條件一起，組成對(duì)傳熱過(guò)程的完整數(shù)學(xué)描述，從而使控制方程有相應(yīng)的定解[20]。初始條件為激光照射前煤層的溫度，設(shè)定為室溫25℃。第一類邊界條件是煤層邊界上的溫度，這是瞬時(shí)非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題；第二類邊界條件是激光的熱流密度；第三類邊界條件為煤層附近空氣之間的表面對(duì)流傳熱系數(shù)和附近環(huán)境的溫度。

1.2 熱固耦合模型

激光熱裂煤層是煤層形變和熱量交換、發(fā)生破壞的溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合過(guò)程。

1.2.1 熱固耦合控制方程

考慮位移、溫度變化時(shí)的靜力平衡方程[21-22]為：

考慮熱對(duì)流和力學(xué)能量的溫度場(chǎng)控制方程為：

式(4)-式(6)構(gòu)成了激光熱裂巖石的熱彈性力學(xué)非線性方程組。

1.2.2 破壞準(zhǔn)則

深部煤層裂縫擴(kuò)展存在兩種主導(dǎo)形式。一種是常規(guī)的壓裂裂縫，沿著最大主應(yīng)力方向延伸，形成張開型裂縫(Ⅰ型)，屬于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則。激光熱裂煤層產(chǎn)生的裂縫表現(xiàn)出不同的行為，并不嚴(yán)格遵循最大主應(yīng)力方向延伸，而是在各個(gè)方向都有可能擴(kuò)展。這導(dǎo)致裂縫面同時(shí)受到拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用，使得激光熱裂巖石的裂縫可以被視為一種張開型裂縫和剪切型裂縫(Ⅱ型)的復(fù)合型裂紋。因此，對(duì)于激光熱裂巖石的裂縫延伸，選擇最大主應(yīng)力準(zhǔn)則尤為重要。

當(dāng)巖石應(yīng)力狀態(tài)滿足最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，即巖石所受周向拉應(yīng)力的最大值達(dá)到臨界值時(shí)，巖石開始發(fā)生破裂。主應(yīng)力表達(dá)式為：

最大主應(yīng)力為：

當(dāng) σmax大于允許應(yīng)力時(shí)，裂縫在垂直于最大拉應(yīng)力方向開始擴(kuò)展，即：

則裂縫開裂角 θc為：

2 基于擴(kuò)展有限元法的激光照射煤層數(shù)值模擬

為研究不同激光照射參數(shù)對(duì)煤層裂縫長(zhǎng)度、數(shù)量的影響規(guī)律，借助ABAQUS 有限元軟件建立“熱-力”耦合模型，并利用ABAQUS 軟件中自帶的子程序，采用FORTRAN 語(yǔ)言完成高斯激光熱源模型建立，改變激光相關(guān)參數(shù)，如激光功率、頻率、照射時(shí)間、照射距離，從而實(shí)現(xiàn)激光照射巖石的溫度場(chǎng)仿真分析。

由于沒(méi)有公開發(fā)表的深層煤熱裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本節(jié)引用了花崗巖致裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[23]，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖石在激光照射下的溫度變化和熱裂特性。

2.1 物理模型及花崗巖參數(shù)

基于傳熱學(xué)基本理論，使用ABAQUS 有限元軟件對(duì)煤層進(jìn)行建模，從而模擬激光照射下煤層溫度場(chǎng)。由于激光熱裂煤層過(guò)程涉及的影響因素較多，因此，需要對(duì)激光與花崗巖、深部煤層的模型以及之間的作用進(jìn)行簡(jiǎn)化，作出以下假設(shè)：

(1)巖石是均勻各向同性的；

(2)巖石內(nèi)部無(wú)其他應(yīng)力，不考慮激光照射過(guò)程的相變；

(3)激光熱源為高斯熱源，不考慮外界的熱輻射；

(4)不考慮熱裂解伴隨的氣化過(guò)程。

2.2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

煤層模型尺寸設(shè)置為50 mm×50 mm，激光工藝參數(shù)見表1。在激光照射中心處 進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提高模型的準(zhǔn)確度，采用用戶自定義程序在煤層模型上加載不同功率、頻率的激光熱源，并在不同的照射時(shí)間、照射距離對(duì)煤層表面進(jìn)行照射。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法的可行性，采取模擬600 W 的激光功率照射?50 mm×50 mm 的花崗巖圓柱體，模型簡(jiǎn)化為二維模型，花崗巖物理參數(shù)見表2。

表2 花崗巖物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of the granite

2.3.1 形貌對(duì)比

600 W 激光功率照射花崗巖的形貌，花崗巖在激光照射下產(chǎn)生寬度較為明顯的裂紋，形成的4 條主裂縫由照射中心向外延伸，貫穿巖心，激光熱熔化與熱氣化形成的6.52 mm 孔洞對(duì)次生裂縫的縫長(zhǎng)和數(shù)量都有促進(jìn)作用，數(shù)模中形成3 條類似貫穿裂縫(圖2)。

圖2 激光功率600 W 的花崗巖實(shí)驗(yàn)與模型形貌Fig.2 Experimental and model morphology of granite under laser power of 600 W

2.3.2 縫 長(zhǎng)

圖3 為激光功率600 W 照射時(shí)花崗巖數(shù)值模型中縫長(zhǎng)隨時(shí)間變化趨勢(shì)，其縫長(zhǎng)在照射時(shí)間15 s 時(shí)為22.27 mm，圖2a 中花崗巖熱裂實(shí)驗(yàn)所得裂縫為21.75 mm，二者縫長(zhǎng)大致相符。

圖3 激光功率600 W 時(shí)縫長(zhǎng)隨激光照射時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.3 Fracture length varying with laser irradiation time under laser power of 600 W

3 影響因素與結(jié)果分析

為定量分析激光照射參數(shù)對(duì)煤層溫度場(chǎng)的影響，利用本文第二節(jié)建立的模型，基于韓城礦區(qū)深層煤樣巖石力學(xué)參數(shù)，采用有限元ABAQUS 建立“熱-力”耦合模型，探究激光功率、照射煤層距離、照射時(shí)間、頻率等各因素下煤層溫度場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律。

3.1 激光功率

不同激光功率下煤層發(fā)生裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力變化分析顯示：激光照射中心始終是應(yīng)力最大處，并且應(yīng)力關(guān)于激光照射中心呈對(duì)稱分布；隨著激光照射時(shí)間增加，中心處逐漸產(chǎn)生裂紋并向外延伸，且裂紋數(shù)隨著激光功率的增大而增多(圖4)。這是因?yàn)榧す鈳r體表面散熱較快，形成較大的溫差，使巖體內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，在其表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)煤層的最終抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤層開裂。隨著激光功率的升高，煤層各點(diǎn)的溫度梯度也增大，裂縫數(shù)也隨之增多。

圖4 不同激光功率煤層發(fā)生裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力云圖Fig.4 Contour maps showing stress during fracture propagation in coal seams under different laser power

不同激光功率照射煤層所形成的裂縫數(shù)量分布顯示：初始激光功率為400 W 時(shí)，裂縫條數(shù)為10 條，將激光功率增加到1 000 W 后，裂縫條數(shù)增加至37 條(圖5)。其原因可歸結(jié)為煤自身吸熱增能和跨溫度梯度致裂。(1)在激光破裂煤層的過(guò)程中，激光功率增大意味著有更多的能量用于熔化煤體，直接致裂煤層且裂縫長(zhǎng)度增加。(2)由于激光照射區(qū)域吸收激光能量的速度大于向四周傳遞能量的速度，因此激光照射區(qū)域與非照射區(qū)域形成極大的溫度梯度，熱應(yīng)力增大，破壞煤體結(jié)構(gòu)，使得激光熱裂產(chǎn)生的裂紋條數(shù)增多。

圖5 不同激光功率下煤層裂縫數(shù)量分布Fig.5 Fracture number distribution of coal seams under different laser power

可見，當(dāng)激光照射面積保持不變時(shí)，隨著激光功率的增加，激光強(qiáng)度也會(huì)增加[27]。因此，煤層單位時(shí)間吸收的激光能量越大，就越有利于裂縫的擴(kuò)展和隨后的煤層的破碎。所以，實(shí)際激光致裂增透過(guò)程中，可適當(dāng)增加激光照射功率。

不同激光功率下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化趨勢(shì)顯示激光功率由400 W 增大到1 000 W 時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展時(shí)間由0.9 s 縮短到0.3 s(圖6)。這是因?yàn)榧す庵铝训脑頌闊釕?yīng)力導(dǎo)致煤層破碎，其他條件不變時(shí)，激光功率增大使得煤體從激光中吸收的能量增多，被照射區(qū)域的溫度升高，激光能量沿徑向傳導(dǎo)，一部分能量用于直接熔化煤體，一部分使得煤體表面的能量密度增大，從而產(chǎn)生的熱應(yīng)力增大，越先達(dá)到破裂條件，裂紋擴(kuò)展的長(zhǎng)度也就越大[15]。

圖6 不同激光功率下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化趨勢(shì)Fig.6 Variations of fracture lengths under different laser power

3.2 激光照射時(shí)間

600 W 時(shí)不同激光照射時(shí)間下煤層裂縫數(shù)量變化為由照射時(shí)間1 s 時(shí)的24 條增加到15 s 時(shí)的36 條(圖7)，說(shuō)明隨著照射時(shí)間的增加還會(huì)產(chǎn)生新的次生裂縫，這是因?yàn)榧す獠粩嗾丈湓诿簩由?，煤層表面吸收的激光能量也增大，表面溫度急劇升高，極大的溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力使其破裂。不僅如此，被照射區(qū)域也會(huì)向周圍傳遞熱量，使煤層表面升溫區(qū)域增大，促使新裂縫的產(chǎn)生。

圖7 不同激光照射時(shí)間下煤層裂縫數(shù)量分布Fig.7 Fracture number distribution of coal seams under different laser irradiation times

相同功率不同激光照射時(shí)間下裂紋都在0.4 s 時(shí)發(fā)生擴(kuò)展，說(shuō)明600 W 功率激光照射0.4 s 后，溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力才超過(guò)煤層的極限抗拉強(qiáng)度。裂縫在1～5 s時(shí)間內(nèi)由1.52 mm 擴(kuò)展到10.38 mm，在10～15 s 內(nèi)裂紋長(zhǎng)度從30.46 mm 擴(kuò)展至57.6 mm(圖8)。出現(xiàn)以上情況的原因是激光照射煤層是一個(gè)急劇升溫的過(guò)程，激光照射的時(shí)間延長(zhǎng)，在一定程度上增加了激光能量的輸出，而煤層會(huì)不斷吸收激光光束能量，所以時(shí)間越長(zhǎng)，激光照射中心點(diǎn)的溫度越高，初始的激光照射時(shí)間為1 s時(shí)中心點(diǎn)溫度為928℃，時(shí)間增加到15 s 后溫度高達(dá)3 543℃，而在煤層表面各處熱學(xué)性質(zhì)基本相同，熱量傳導(dǎo)并未有很大區(qū)別，溫度梯度由于熱傳導(dǎo)的進(jìn)行而減小，裂縫擴(kuò)展速度減慢，并且能夠明顯看出，激光照射時(shí)間的增大更多的是在原有裂縫的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，并不會(huì)大幅度增加裂縫數(shù)量。

圖8 不同激光照射時(shí)間下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trends of fracture length under different laser irradiation times

3.3 激光照射距離

激光照射距離指發(fā)出激光的頭部到巖石照射面的距離。當(dāng)照射距離為6、8 cm 時(shí)裂縫只是延伸，并未形成新的裂縫，而當(dāng)照射距離為10 cm 時(shí)，裂縫增至29 條，照射距離為12 cm 時(shí)又減少至14 條(圖9)。這是因?yàn)檎丈渚嚯x影響煤層照射面的光斑直徑，進(jìn)而影響照射能量和裂縫數(shù)量。當(dāng)照射距離過(guò)遠(yuǎn)，煤層表面的激光能量密度較小，使得煤層吸收的能量太少，煤層熱破碎反應(yīng)的強(qiáng)度降低[28]，裂縫數(shù)減少，因此，在激光熱裂煤層的過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)調(diào)控照射距離。

圖9 不同激光照射距離下煤層裂縫數(shù)量分布Fig.9 Fracture number distribution of coal seams under different laser irradiation distances

隨著照射距離增大，激光破巖時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，照射距離由6 cm 增加至8 cm 時(shí)，煤層開始破裂時(shí)間由0.30 s增加至0.52 s(圖10)。其原因是：(1)激光照射距離越長(zhǎng)，煤層所吸收的能量越少，煤層上形成的溫度梯度越小，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力也越低，在不考慮煤層熔化與氣化的條件下，熱應(yīng)力是影響煤層破裂的最主要因素[15]。(2)激光照射距離越大，巖石破裂所需時(shí)間越長(zhǎng)，縫長(zhǎng)越短，但照射距離增大導(dǎo)致照射光斑面積增大，能量與之前相比不夠集中，因此形成的裂縫數(shù)量多但縫長(zhǎng)短。這進(jìn)一步表明，采用激光破裂煤層開發(fā)煤層氣的過(guò)程中，需要合理控制激光照射煤層的距離。

圖10 不同激光照射距離下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化趨勢(shì)Fig.10 Variation trends of fracture length under different laser irradiation distances

3.4 激光頻率

根據(jù)不同激光頻率下煤層裂縫數(shù)量情況分析顯示：隨著激光頻率增加，裂縫數(shù)量由42 條降低為10 條(圖11)。

圖11 不同激光頻率下煤層裂縫數(shù)量分布Fig.11 Fracture number distribution of coal seams under different laser frequencies

隨著激光頻率的增大，煤層發(fā)生破裂的時(shí)間逐漸減小，當(dāng)激光頻率為10、100、1 000、10 000 Hz 時(shí)，煤層破裂時(shí)間為1.30、0.58、0.30、0.28 s(圖12)。其原因是激光頻率增大，激光在一定時(shí)間內(nèi)照射在煤層上的次數(shù)增多，煤層單位面積吸收的能量增大，煤層溫差增大使其產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于煤層的最大抗拉強(qiáng)度，煤層發(fā)生裂縫擴(kuò)展。裂紋長(zhǎng)度也隨著激光頻率的增大而逐漸增大，由10 Hz 時(shí)8.57 mm 增加為10 000 Hz 時(shí)的24.4 mm。

圖12 不同激光頻率下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化趨勢(shì)Fig.12 Variation trends of fracture length under different laser frequencies

3.5 激光參數(shù)相關(guān)性分析

對(duì)激光功率、照射時(shí)間、照射距離、頻率與產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、裂縫長(zhǎng)度的相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，在影響裂縫數(shù)量的因素中，激光功率和照射時(shí)間的關(guān)聯(lián)性尤為突出，分別為0.957 和0.992，明顯高于照射距離和激光頻率的影響(圖13)。而在影響裂縫長(zhǎng)度的因素中，激光功率、照射時(shí)間和照射距離均展現(xiàn)出較高的相關(guān)性。因此，激光功率與照射時(shí)間對(duì)激光熱裂產(chǎn)生裂縫的影響最為顯著。在工程應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整這2 個(gè)參數(shù)以優(yōu)化裂縫的形成。

圖13 激光參數(shù)與裂縫長(zhǎng)度、裂縫數(shù)量的相關(guān)性Fig.13 Correlations of laser parameters with fracture length and number

4 大功率激光熱裂參數(shù)優(yōu)化

4.1 深層煤巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試

常用的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法有兩種：一是取心后在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，但是缺點(diǎn)是巖心獲取困難且成本高。二是通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者給出的經(jīng)驗(yàn)公式，代入測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算獲得整個(gè)井段的力學(xué)參數(shù)。本文采用第一種方式。實(shí)驗(yàn)采用陜西韓城采氣管理區(qū)河西區(qū)塊的深層煤樣，煤層深度2 200 m，以焦煤、瘦煤、貧煤、無(wú)煙煤為主，顯微組分以鏡質(zhì)組為主。巖樣平均滲透率0.324 8×10-3μm2，微裂隙發(fā)育，應(yīng)力敏感性強(qiáng)，近井表皮污染更敏感。

首先通過(guò)取心設(shè)備取半徑25 mm 的圓柱形試樣，再通過(guò)巖心切磨機(jī)將試樣的2 個(gè)面切磨至完整一致，得到的巖樣的長(zhǎng)度與直徑的比值大于1.5，最后同時(shí)放入烘箱中烘干(圖14)。

圖14 部分試驗(yàn)小巖心Fig.14 Some small cores used in experiments

煤的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試采用ZTR-1000 巖石力學(xué)三軸應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)(圖15)。該裝置可以改變圍壓以及軸壓大小從而獲取多組參數(shù)，參數(shù)可以由所得系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)曲線計(jì)算可得。

圖15 ZTR-1000 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試設(shè)備Fig.15 ZTR-1000 rock mechanical parameter experimental system

共做了12 組巖心的三軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)，取其平均值，所得的物理參數(shù)見表3。

表3 煤樣物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of coal samples

4.2 激光參數(shù)優(yōu)化

前文模擬得出激光功率和照射時(shí)間對(duì)熱裂效果影響最大，但模擬方案最大激光功率為1 000 W，遠(yuǎn)低于現(xiàn)場(chǎng)的高功率激光熱裂。因此，本節(jié)模擬高功率激光熱裂，優(yōu)選出激光熱裂近井污染煤層范圍的最佳功率與照射時(shí)間。由于鉆井液造成的近井污染區(qū)域在2 m 內(nèi)，因此，建立的煤層模型尺寸為5 m×5 m，激光功率設(shè)置為10、15、20、25 kW。

激光功率為10 kW 與15 kW 時(shí)裂縫數(shù)量并未發(fā)生很大改變，原因是此時(shí)并未達(dá)到臨界功率，激光能量被煤層吸收大部分用于裂縫的擴(kuò)展，剩余激光能量難以對(duì)次生裂縫的萌生產(chǎn)生影響，而在功率增大到20 kW 以及25 kW 時(shí)，裂縫數(shù)量由8 條急劇增至36 條(圖16)。在工程應(yīng)用中，應(yīng)控制激光功率高于臨界功率，以獲取更優(yōu)的開采效果。

圖16 不同激光功率下煤層裂縫數(shù)量分布Fig.16 Fracture number distribution of coal seams under different laser power

在10 kW 激光功率下煤層裂縫開始擴(kuò)展的時(shí)間為454 s，而15、20、25 kW 時(shí)其時(shí)間分別為250、200、198 s，與之對(duì)應(yīng)的裂縫長(zhǎng)度分別為1.04、1.54、2.18、3.58 m，符合小功率煤層裂縫擴(kuò)展規(guī)律。由于近井污染區(qū)域在2 m 范圍內(nèi)，因此最佳激光功率為20 kW。當(dāng)激光功率為20 kW 時(shí)，照射時(shí)間2 280 s 后裂縫長(zhǎng)度無(wú)顯著增加，因此，激光照射的最佳時(shí)間為2 280 s(圖17)。

圖17 不同激光功率下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度變化趨勢(shì)Fig.17 Variation trends of fracture length under different laser power

5 結(jié)論

a.激光照射熱裂煤層是使煤層表面存在溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致煤層破裂。相比其他破巖技術(shù)，激光照射在巖石上的溫度瞬間增加，能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)巖石造成破裂，同時(shí)能通過(guò)機(jī)械設(shè)備調(diào)控自由地改變激光照射的方向，形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

b.數(shù)值模擬結(jié)果表明，裂縫數(shù)量與激光功率、激光照射煤層的時(shí)間呈正相關(guān)，與激光頻率呈負(fù)相關(guān)，隨激光照射煤層距離的增大呈先增大后減小。裂縫長(zhǎng)度與激光功率、照射煤層時(shí)間以及激光頻率呈正相關(guān)，與照射煤層距離呈負(fù)相關(guān)。激光功率和照射時(shí)間對(duì) 裂縫數(shù)量和裂縫長(zhǎng)度的影響高于其他參數(shù)，因此在工程應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先調(diào)整激光功率和照射時(shí)間以優(yōu)化裂縫的形成。

c.根據(jù)大功率數(shù)值模擬結(jié)果，激光熱裂近井污染煤層范圍的最佳激光功率為20 kW，最佳激光照射時(shí)間為2 280 s。相較于水力壓裂，激光熱裂煤層能形成更加復(fù)雜的裂縫，但形成的裂縫長(zhǎng)度更小。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮到激光從井口到井下的長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)激光的大功率、長(zhǎng)距離傳輸是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的難點(diǎn)所在。為了實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的推廣，需要進(jìn)一步開展高功率激光長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)以及激光熱裂與壓裂配套技術(shù)的研究。

符號(hào)注釋

A為材料的熱吸收系數(shù)；c為巖石的比熱容系數(shù)，kJ/(kg·K)；Fi為體力在i方向上的分量；f(t)為邊界隨時(shí)間變化的溫度值，K；G為剪切模量，Pa；h為兩者之間的熱對(duì)流系數(shù)，W/(m2·K)；k為煤的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；K′為體積模量；KI、KII分別為Ⅰ型裂紋、Ⅱ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子；-K′αTTi為激光照射煤層所形成的熱應(yīng)力項(xiàng)；n為邊界一點(diǎn)的外法線；P、P0分別為激光功率和激光熱源，W；q為熱源密度，W/m2；q(t)為邊界隨時(shí)間變化的熱流密度值，W/m2；R為激光半徑，m；r為裂紋尖端到裂紋中心的距離，m，r=const 為裂縫縫高固定；t為激光熱源掃描時(shí)間，s；T、T0、T1分別為初始溫度和煤的表面溫度和室溫，K；Tf為流體溫度，K；Ti為溫度在i方向的分量，K；Tw為壁面溫度，K；ui(i=x,y)為位移在i方向上的分量；u、v、w分別為溫度沿3 個(gè)方向分布的距離，m；V為激光熱源掃描速度，m/s；下標(biāo)w為壁面條件下；x為任一點(diǎn)與激光照射中心的橫軸距離，m；y為任一點(diǎn)與激光照射中心的縱軸距離，m；x0、y0為激光中心坐標(biāo)；αT為煤層的熱膨脹系數(shù)，℃；?2為拉普拉斯算子，；εT為由溫度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成的應(yīng)變；θ為井壁上發(fā)生拉伸破裂的位置角，(°)；θc為裂縫開裂角，(°)；ν為泊松比；ρ為煤密度，kg/m3；σmax、σmin分別為最大、最小主應(yīng)力，Pa；σx、σy分別為x、y方向上的正應(yīng)力，Pa；σxy為剪切應(yīng)力，Pa。