煤炭资源作为我国能源的压舱石和稳定器，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^[19-21]，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1300 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250~2500 W；双温双控激光水冷机控温范围为8~35℃；红外测温仪测温范围为0~926℃(低温)、926~2450℃(高温)，测温精度为±2℃；工业相机的最大分辨率为4 096×3 000像素，最大帧率为30帧。

图  1  试验设备系统

Figure  1.  Experimental equipment system

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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]。

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–可钻性试验组分别选取ø50 mm×100 mm、ø50 mm×50 mm的砂岩10块，此外，再选取2块尺寸为ø50 mm×100 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。

图  2  砂岩试样

Figure  2.  Sandstone specimens

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表  1  砂岩试样的物理参数

Table  1.  Physical parameters of sandstone specimens

密度 ρ/(g·cm−3)	泊松比 ν	抗压强度 σ/MPa	弹性模量 Ε/GPa	导热系数/ (W·m−1·K−1)	热膨胀系数/ ℃−1
2.45	0.11	127.80	27.32	4.963	32.66

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图  3  砂岩试样XRD图谱及矿物成分

Figure  3.  XRD pattern and mineral composition of sandstone specimens

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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10~50 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。

表  2  激光−力学试验组方案

Table  2.  Laser-mechanical test scheme

试样数量	试样尺寸/ (mm×mm)	激光 功率/kW	光斑 直径/mm	照射 时间 /s
10	50×100	1	4	10/20/30/40/50

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表  3  激光−可钻性试验组方案

Table  3.  Laser-drillability test scheme

试样 数量	试样 尺寸/ (mm×mm)	钻压/ kN	转速/ (r·min−1)	进尺/ mm	激光 功率/kW	光斑 直径/ mm	照射 时间/s
10	50×50	0.5	55	4	1	4	10/20/30/40/50

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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GCTS RTX-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(ν)及峰值应变(ε)等力学参数随激光照射时间的交互影响规律。

图  4  GCTS RTX-1000L岩石力学试验系统

Figure  4.  GCTS RTX-1000L rock mechanics test system

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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。

3   试验结果与分析

3.1   岩样损伤形貌

激光作用后的砂岩形貌特征如图5所示。图5a为试样端面裂纹形貌，在光斑中心出现了溶蚀孔洞，并在孔洞周围堆积透明状熔融物，随着激光作用时长的增加，洞外堆积的熔融物不断增多。熔融物外侧的岩石基质颜色显著变红，深色区域范围随着激光作用时长的增加而不断增大，直至趋于平衡状态。同时，激光作用后砂岩端面出现大量的裂纹，主要形式为以溶蚀孔洞为中心沿光斑径向展布，延伸至试样边缘。图5b为试样岩心轴线方向裂纹形貌，随着激光照射时间的增加，端面裂纹延伸的过程中纵向裂纹的开度和纵深在不断增大，激光作用30 s时的纵深与开度到达极限值，在垂向裂纹终点处出现“人”形分叉裂纹，裂纹条数也由1条扩展为3条。

图  5  激光辅助破岩岩样宏观裂纹形貌

Figure  5.  Macroscopic morphologies of cracks laser-assisted rock breaking specimens

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图6展示了不同激光照射时间下裂纹展布状态及裂纹面积，将砂岩裂纹照片导入专业计算软件经过二值化处理识别像素点后计算得出裂纹面积数据。如图6a所示，当激光作用时长10 s时，试样表面出现了2条裂纹，裂纹面积为6.78 mm²。当照射时间增加到20 s时，裂纹条数增加到了4条，裂纹面积增加至17.67 mm²。当照射时间增加到30和40 s时，裂纹面积分别增加到了19.78和28.54 mm²。激光照射时间增加到50 s，裂纹条数增长至5条，裂纹面积达到了36.85 mm²。从上述试验结果可知，随着照射时间的增加，激光能量持续输入到岩石内，为裂纹的萌生和扩展提供了能量，从而导致裂纹开度的变大和裂纹数量的增加，裂纹面积便不断增加，如图6b所示。

图  6  激光照射裂纹及裂纹面积变化曲线

Figure  6.  Laser irradiation time vs. cracking area

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3.2   温度场时空演变特征

图7a为激光照射50 s后试样的形貌特征，根据样品表面温度数值及试样形貌特征变化将其划分为热熔融区(Ⅰ)、高热影响区(Ⅱ)和低热影响区(Ⅲ)。图7b为试样横截面温升特征，随着照射时间的增加，试样的热反应区面积在逐渐增大服从高斯分布，温度由Ⅰ区向四周呈环状递减的分布规律。激光照射开始时熔融中心区的温度可瞬间超过926℃，Ⅱ、Ⅲ区周围温度相对较低，温度范围在室温−400℃左右，随着激光作用时长的增加，热量不断由Ⅰ区域向Ⅱ、Ⅲ区传递，直至激光作用时长为15 s时Ⅰ区影响范围趋于稳定。图7c为试样纵向空间温升特征，X–Y面为试样顶面，照射开始时激光与试样接触区温度较高，宏观表现为熔融穿孔。随着照射时间的增加，环向的热影响区不断向低温区传递热量，热影响区体积不断增加，照射15 s后几乎不增加。综上所述，随着激光照射时间的增加，岩样的横向与纵向热影响区面积在不断增加，在15 s时趋于稳定，此时，中心热熔融区的岩浆阻碍了激光的向下穿透，激光出射总能量一部分用于维持试样中心孔岩浆沸腾状态，另一部分激光能量通过岩样表面反射和空气对流换热耗散到空间环境中。当激光出射总能量与岩浆沸腾和对流换热消耗的总能量基本相持时，达到热平衡状态，温度变化趋于平稳，与文献[33-34]中的研究结论基本一致。

图  7  激光照射岩石后温度分布特征

Figure  7.  Temperature distribution characteristics after laser irradiation of sandstone

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3.3   力学参数演化特性

不同时长激光作用后砂岩应力–应变曲线如图8所示，可以发现激光未处理的砂岩试样压密阶段相对较短，弹性变形阶段与微裂纹发育和稳定扩展阶段相对较长，呈现出脆性破坏特征；随着激光作用时长的增加试样的压密阶段明显增长，这是由于激光热裂岩石产生了裂纹，张开性结构面需要更长的时间压密，同时，弹性变形阶段缩短。

图  8  激光照射后砂岩全应力–应变曲线

Figure  8.  Complete stress-strain curves of sandstones after laser irradiation

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进一步地，分析了不同激光作用时长下砂岩力学参数演化特征。随着激光照射时间的增加试样的抗压强度整体上呈现线性下降趋势，激光照射10、20、30、40和50 s后强度相对折减率分别为32.7%、12.6%、24.8%、19.1%、28.9%(图9a)。激光照射砂岩50 s后强度由128.10 MPa下降到32.55 MPa强度折减幅度可达74.60%，表明激光作用能有效降低岩石强度，从而促进岩石的高效破碎。随着激光照射时间的增加弹性模量整体呈下降趋势，激光照射50 s后弹性模量降幅可达92.8%，由21.85 GPa下降到1.58 GPa，表明经激光作用后，砂岩试样抵抗变形能力大幅降低(图9b)。值得注意的是，随激光照射时间的增加砂岩峰值应变也在逐级增加，说明激光照射作用使砂岩变形能力增强(图9c)，进而表明激光作用有助于砂岩从弹性状态向半塑性/塑性状态转变。

图  9  砂岩力学参数–激光作用时长演化特征

Figure  9.  Time evolution characteristics of mechanical parameters of sandstones vs. laser irradiation

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激光能量与力学性能曲线如图9d所示，此处所述的激光能量是激光的出射总能量，包括试样吸收的能量、试样反射能量及与空气对流换热损失的能量。随着能量的增大砂岩试样的抗压强度与弹性模量显著降低，说明激光能量对砂岩试样的强度折减有增益作用。试样的峰值应变随着激光能量的增加而增大，激光能量注入试样内部诱导并加剧裂纹的产生与扩展，促使试样峰值应变增大。

3.4   可钻性

在机械破岩过程中，破岩效率往往是决定工程经济可行性和工程进度安排的重要评价指标。开展激光–可钻性试验，定量分析激光照射作用对砂岩进尺速率(V)、破坏模式、失重比(η)等参数的变化特征，探明激光照射岩样后的钻进规律与影响因素。选取0~4.0 mm段进行分析，研究在不同激光照射时间下钻头的进尺规律。激光作用后砂岩机械进尺曲线如图10所示，激光未照射的砂岩试样钻进到4 mm耗时43.7 s，平均进尺速率V=0.09 mm/s；激光作用10、20、30、40、50 s砂岩试样钻进到4 mm分别耗时16.90、1.25、1.39、1.04、0.93 s，平均进尺速率分别为0.23、3.20、2.88、3.85、4.30 mm/s，试验结果表明激光照射对辅助钻进的增益作用十分明显，说明激光照射砂岩后的强度弱化有助于提升进尺速率。如图11所示，砂岩试样的裂纹面积与抗压强度共同影响钻头的进尺速率，裂纹面积与进尺速率呈现出正相关关系，随着裂纹面积的增加进尺速率整体上呈增大趋势，裂纹面积由0增至36.90 mm²，进尺速率由0.09 mm/s增至4.30 mm/s(图11a)。抗压强度与进尺速率呈现出负相关关系，进尺速度随抗压强度的增加而减小，当抗压强度大于80 MPa时进尺速率相对较低，抗压强度在80 MPa附近时进尺速率发生突变，进尺速率大幅提升，过该突变点后激光照射时长的改变对进尺速率的促进作用相对减小(图11b)。

图  10  PDC钻头进尺曲线

Figure  10.  Penetration curves of the PDC bit

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图  11  进尺速率影响曲线

Figure  11.  Influence curves of penetration rate

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钻头在贯入和切割岩石时会分别发生贯入破碎、剪切破碎和拉伸破碎，在相同钻压下，破碎岩屑质量和尺寸分布分别受岩石抗压强度、抗拉强度和切割比能的影响^[35]。砂岩试样经PDC钻头切削钻进后其破坏特征如图12a所示，随着照射时间的增加，岩屑的粒度、块度在不断增加，失重比也在不断增加。图12b按照失重比的变化幅度将失重曲线分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个阶段，Ⅰ阶段由于岩石强度较高钻头切割耗能较高，故破岩较难切削的岩屑质量较少，且粒度较小呈颗粒状碎屑；Ⅱ阶段岩石强度骤降切割耗能较少，故切削岩屑的质量与块度都较大；Ⅲ阶段其强度变化不大，最佳切割比能达极限值，试样的失重比变化相对平缓。激光作用后岩石的抗压强度降低切割耗能减少，使得钻头易于钻进与切削岩石试样，岩屑块度、尺寸和质量都增大。

图  12  激光−可钻性实验试验岩屑特征

Figure  12.  Detritus characteristics in the laser-drillability test

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如图11和图12所示，随着激光能量的增加砂岩试样的破裂体积、平均进尺速率、岩屑切削质量和岩屑块度不断增加直至趋于稳定，由于砂岩具有良好的导热性能，对温度变化敏感性较高^[36]，故激光能量注入到岩样表面后引起热应力变化，导致在岩样端面产生裂纹且裂纹开度与数量不断增大，直至热平衡状态。当激光作用20 s时砂岩的进尺速率大幅提高，失重比也显著增加，激光照射20 s后随着照射时间的增加砂岩的进尺速率与失重比增速较为缓慢。此时，若继续增加激光照射时间，大部分激光能量将会被耗散，有效作用于破岩的能量减少，故在激光照射20 s时经济效益最高，破岩成效最优。

综上所述，本文开展的室内试验初步验证了激光热裂岩石辅助高效钻进的潜力，有望为资源勘探领域带来革命性的变革，未来研究方向着重于激光辅助破岩技术与实际工程结合，全面评估该技术的可行性、适用性和经济性，确保其在实际工程应用中具备显著的优势。激光辅助破岩的成功应用，将为工程行业带来深远的影响，为深部空间与资源开发领域开辟新的前景。

4   结 论

a. 激光作用下，砂岩试样温度场呈高斯分布扩增直至热平衡状态，并呈现出显著的裂纹扩展现象，单轴抗压强度大幅弱化，降低幅值最高可达74.6%。同时，钻进试验结果表明，激光作用后砂岩进尺速率由0.09 mm/s增至4.30 mm/s，钻进速率大幅提升。

b. 综合激光作用后砂岩力学−钻进试验结果可知，砂岩强度和可钻性随着激光照射时间的增加，呈现出降低趋势，表明激光热裂岩石在钻井领域具备良好的应用前景。进一步地，激光作用后岩石变形能力增强，峰值应变大幅度提升，表明激光作用有助于促进岩石由弹性状态向半塑形/塑形状态转变，即激光致裂岩石具备防控岩爆灾害的可能性。

c. 本文仅依托室内平台开展了无围压约束条件下激光热裂砂岩可钻性及力学参数演化特征研究。推广应用至工程尺度时，仍需进一步开展不同围压条件、岩石类型、不同钻压、钻头类型及转速等多因素交互影响下激光弱化岩石研究，并进行工程尺度试验验证。