王玉丹，罗耀坤，文国军，吴玲玲，官东林，姚 邹

激光钻进煤岩技术的研究进展

王玉丹1,2，罗耀坤1，文国军1,2，吴玲玲1，官东林1，姚 邹1,2

(1. 中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074； 2. 湖北省智能地质装备工程技术研究中心，湖北 武汉 430074)

激光钻进技术是一种极具潜力的创新技术，也是钻探领域的研究热点。作为一种非接触式钻进技术，对破碎松软岩层扰动破坏小，将激光钻进应用于煤层气定向钻进中可发挥出非常明显的优势。梳理和总结了激光用于煤岩钻进的成孔机制、钻进效果的影响因素。在激光钻进过程中，激光与煤岩相互作用伴随着复杂的理化作用，指出激光钻进煤岩主要的成孔机制是烧蚀成孔。从激光参数、岩石性质、外部环境等方面阐述了影响激光钻进煤岩效果的因素，论述了激光钻进用于煤岩这一特定钻进对象的特殊现象和问题，指出煤岩在激光照射下，组分的挥发、热解、升华、烧结和氧化构成了煤岩在高温下主要的热烧蚀机制。从钻进机理、工艺、装置等方面着手，建议加强激光钻进煤岩的多物理场耦合作用机制、钻进工艺、钻进装置研制等适应性研究，为激光用于煤岩的高质高效钻进研究提供参考。

激光钻进；煤岩；烧蚀；循环气体

随着我国经济与社会发展理念的转变，使用清洁能源已成为当今社会的广泛共识。而煤层气作为清洁能源的典型代表，对其大规模开采和利用的重要性不言而喻。众所周知，我国煤层气资源十分丰富，煤层气开发已逐步进入规模化生产阶段，但是由于我国煤层构造复杂多样，传统煤层气开发技术无法完全满足产业规模的进一步发展需求[1]。

激光钻进技术因其钻进效率高，控向性能好，应用气体作为循环介质不污染煤层，烧结孔壁强度高质量好等多项优势可以全面有效地解决井下煤层气水平孔钻进的现存难题，可望成为煤层气定向钻进领域的前沿创新技术。将激光钻进应用于煤层气控向钻进，实现煤层气水平孔的激光智能定向钻进，对于推动煤层气开发技术产生革命性改变，具有重要的科学意义和明显的应用价值。

本文旨在对激光钻进煤岩技术现有的研究成果进行归纳，分析激光钻进煤岩原理，指出现有激光钻进技术用于煤岩需要关注的特殊现象和问题，并对需深入研究的内容提出建议，为后续激光钻进煤岩技术的进一步研究提供参考和指导。

1 激光钻进煤岩原理

在激光辐照下，煤岩吸收激光能量并转换为热能，局部温度快速升高，并由于温度梯度产生热应力，当热应力超过岩石的抗拉强度后，岩石产生破裂；当温度升高到熔点时，岩石开始熔化为液态；继续吸收热量，温度升高，岩石发生气化。伴随着煤岩随温度升高发生的物理状态的相变，还有煤岩热解焦化等化学反应，其产物最终也会变成固、液、气3种状态。激光钻进煤岩的过程始终伴随着急剧升温引起的物理化学反应。

激光钻进煤岩过程如图1所示，S1为激光照射到煤岩上的光斑作用区域，S2为热传导所形成的热影响区域。当激光照射到煤岩上时，激光能量沉积于S1区域，煤岩吸收能量快速升温，产生烧蚀孔。由于热量的传递，烧蚀区周边的煤岩受热形成热影响区S2，其中孔周由于焦化碳化等反应，形成烧结区，烧结区后面温度较低的区域，岩体力学性能削弱，形成弱化区。由于激光的功率密度极高，煤岩也是热的不良导体，这个热影响区并不大，通常都比烧蚀区S1小。烧蚀和热冲击可能产生一些粉末颗粒，通过循环气体将其排出孔外。

煤岩快速升温使得煤岩局部发生破碎、熔化和气化，产生气、液、固三相混合物，由高速循环气体将岩屑携出[2-3]，实现激光钻进的目的。激光破坏岩石的主要机制是热裂、熔融以及烧蚀3种[4-6]，在激光钻进煤岩的过程中，这3种破坏机制都同时存在，但其主要依靠烧蚀破坏形成孔眼，即烧蚀成孔[7-8]。

2 激光钻进技术研究进展

煤是一种固态岩石，将激光用于煤层定向钻进是在激光用于油气钻井研究大背景下的一个极具潜力的应用方向。激光钻进经历了二十多年的研究，其研究成果可以为激光钻进煤岩技术提供思路和指导。因此，在论述激光钻进煤岩的进展之前，先简单概述激光钻进岩石的研究进展。

激光钻进是一个涉及多学科的物理化学过程，包含岩石的相变、烧蚀、热裂等多种热力损伤与破坏现象。作为一个典型的时变、非线性过程，激光钻进的研究体系十分丰富，各国学者研究涵盖的主要内容有岩石在激光辐照下的力学性能和热物理性能演变、岩石的破坏模式、在热力加载下的破坏阈值、热–力效应的数值模拟技术和试验测试技术等。本节主要从钻进施工最关心的钻进效果方面，阐述影响激光钻进的因素。

激光钻进的过程主要是激光与岩石的相互作用，其钻进效果与激光参数、岩石性质和环境载荷参数等密切相关，其中激光器参数以及照射时间、岩石相关的热物理特性、外部循环气体及围压作用都对激光钻进效果产生较大的影响。

2.1 激光性能参数对钻进效果的影响

2.1.1 激光功率

激光光斑直径一定时，激光功率增大，其功率密度变大，单位时间内沉积到岩样的激光能量增多，钻孔的孔深和直径增加，去岩量增加使激光钻进的效率随之提高。当温度达到矿物熔点时会产生熔融物质，如果不能及时排出，随着熔融物越来越多，吸收激光消耗额外的激光能量也越来越多，其比能相应增加，因此，随着激光功率增加，激光钻进岩石的比能值会先降低后增加[4]。B. C. Gahan等[9]在研究中找到了页岩的比能最低点，即剥落区和熔融区的分界点，如图2所示。

2.1.2 激光辐照时间

激光钻进岩石过程中，改变辐照时间而保持其他性能参数不变的情况下，可以发现激光辐照时间越长，岩石吸收能量越多，其温度就越高。显然，随着辐照时间的增加，钻孔深度和直径都会加深和扩大。岩石的去除量与照射时间正相关，但是超过某一时间节点后，去除效率将会降低甚至为零[10-12]。

2.1.3 激光光斑

激光光斑大小与钻孔直径直接相关。在一定的功率密度下，光斑越大则形成的孔径越大。而光斑大小取决于岩样表面距离激光头的距离。当离焦量为零时，激光聚焦于岩样表面，此时光斑最小，功率密度最高。在相同激光功率下，激光光斑越小，其激光功率密度就会越大，辐照岩石时的温升就越快，也就越容易破坏岩石。但功率密度达到一定的阈值后，岩样表面产生等离子体，等离子体的屏蔽作用增强使钻孔的深度和直径都会随之变浅或变小[13]。热影响区的范围则随离焦量的增大而先扩大后减小[14]。作者团队在高功率激光钻进煤岩实验中发现，使用负离焦量钻进比正离焦量时的成孔效果更好。

2.1.4 激光频率

利用脉冲激光进行钻进岩石试验时，脉冲频率增加会导致钻进的比能值减小，岩石温度稳定增加[15-16]，脉冲激光周期性辐照岩样表面，使岩样局部及边缘位置产生较大的热应力，岩石表面及内部产生裂隙并不断发育，促进岩石的热破裂，提高钻进速度[17]。在一定范围内，频率增加，在岩石受辐照部位聚集的能量也增加，使得钻孔直径增大[17-18]。通过比较超脉冲激光和连续激光在石灰岩钻孔的比能曲线(图3)[19]，超脉冲激光钻进的比能一直都低于连续激光，但是随着时间增加两者的差距逐步减小直至基本消除。

2.1.5 激光入射角度

在激光钻进过程中，钻孔的直径与激光入射角度有关，通常随入射角增大而增大，而钻孔最大深度位于激光照射中心点[20]，随着激光入射角度增大，钻孔直径和热影响区都会增大，而钻孔的深度则会随之变小[21]。而在S. Toshimitsu等[22]的激光照射冰块试验中发现，入射角度越大，冰块的融化速度越快。这也间接证明入射角度大，则钻孔的热影响区变大。

2.2 岩石属性对钻进效果的影响

岩石的物质构成与分布，影响着岩石的各种物理化学性质。研究结果表明，大部分岩样弹性模量随温度的升高呈先下降后上升再下降的趋势[23]；而煤试样的泊松比随温度的升高呈先平缓上升后缓慢下降的趋势[24]；高温会使煤样的力学性能降低，导致其更加容易被破坏，因此，在试验中，孔口及岩样表面会观察到萌生的裂纹。

岩石的含水量会影响其力学性质，而岩样被高温干燥后抗拉强度降低，导致钻进过程产生较多的裂纹。岩石含水量不同，在钻进过程中水分蒸发所消耗的热量也不同，含水量越多，所消耗的热量也越多，照射区域的温升速率则有一定程度的减小，达到熔点及气化点的时间则加长。因此，岩样的含水量越大，所形成的孔深和直径就会越小[25-26]。

2.3 外部环境对钻进效果的影响

2.3.1 循环气体

循环气体主要用于排出激光钻孔内可能产生的三相岩屑。在实际激光钻进岩石过程中，可以考虑采用空气、氮气、氩气、二氧化碳等气体作为循环介质。图4显示激光钻进砂岩与石灰岩在4种不同循环气体作用下比能值的大小[27]：对于砂岩而言，使用空气做循环气体时比能值最高，氩气与氦气做循环气体时的比能值略低于使用氮气时的比能值；对于石灰岩而言，在氦气循环下钻进比能值最高，其次是氩气，在氮气下比能值最低。而对于煤岩，使用空气做循环气体时比氮气做循环气体时，激光钻孔的直径更大[28]。

在激光钻进过程中，辅助气体在高压作用下，携走三相混合产物，岩石熔融物和残留物的存在会使得很大一部分能量被这部分残留物吸收[29]，阻碍激光继续直接作用于岩石。循环气体的流速直接影响携岩动能，流速过低时气体难以携带孔底岩屑；流速过高会冲蚀钻孔底部，因此，需要合理控制钻进过程中循环气体的流速。

2.3.2 围压

井底孔眼一般都要承受地层围岩产生的围压，在激光钻进过程中也需要考虑围压的影响。围压在一定程度上可以抑制煤岩微裂纹的持续扩展，阻碍微破裂的发生[30]。当围压增加时，岩石强度会有一定程度的增大，一定范围的围压可以抑制岩石的破裂。一定范围的围压会抑制损伤区域的发展[31]，但是围压载荷过大，会导致岩石的拉应变转变为压应变，体积应变会继续扩大。因此，高地应力地区的激光钻进必须考虑孔眼在围压作用下的稳定性问题[32]。

3 激光钻进煤岩的特殊现象和问题

上述影响激光钻进效果的激光性能、岩石属性、外部环境等三因素中，大部分规律都是基于不同岩石样本和不同激光器实验得到的规律，虽然不能直接应用或对比其中的量化数据，但破岩规律的大致趋势是可以借鉴的。总体来说，尽管上述规律不是基于同种岩石的，但大部分规律是适用于所有岩石的，煤岩也同样适用。然而，也必须注意到煤岩的一些独特属性，需要在研究中单独考虑。

激光钻进用于不同的岩石材料，其成孔机制适用不同的热损伤形态。对于强度较高的硬岩如花岗岩，岩石的损伤形态主要是热裂或熔融损伤；强度较低的软岩，熔融和烧蚀损伤形态更为常见。过去几年中多次千瓦级激光钻孔实验表明，使用千瓦级激光照射煤岩表面，其升温速率极高，在几秒之内可以迅速在岩样表面产生烧蚀孔，孔周未见明显的熔融态物质，孔壁呈烧结焦炭状。杨明军等[7]利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对激光钻进煤岩过程进行仿真分析，建立考虑相变过程的激光钻进煤岩的数值仿真模型，研究表明激光辐照岩样，光斑附近岩体升温极快，钻进煤岩主要的成孔机制是烧蚀气化成孔，而非激光钻进硬岩时的热裂破岩成孔。孔深并不随着辐照时间持续线性增长，在超过某个时间节点后，辐照时间对孔深的影响变小。

理论和实验研究都充分支持将烧蚀破坏作为煤岩的主要破坏机制。在高温和热流条件下，煤岩除了会出现热解和升华现象之外，还会有氧化、烧结现象。挥发、升华、热解、烧结和氧化是煤岩在高温下主要的热烧蚀机制。

区别于现有研究中常见的花岗岩等有机物含量小的硬岩，煤岩有机物含量较大，激光钻进中发生的实验现象和结果都与硬岩有很大差异。在砂岩、石灰岩、花岗岩等的激光钻进实验中，由于这些岩石以无机质成分为主，很少会发生剧烈燃烧现象。但煤岩本身及其富含的其他有机成分在有氧环境中会发生燃烧等氧化反应。为保证安全性，一般采用惰性气体作为激光钻进煤岩的循环介质以抑制其燃烧。

激光辐照煤岩时，孔眼的循环气体中可能含有少部分空气，其中的氧气会引发燃烧，随即在燃烧过程中被消耗掉。如果孔内没有足够的氧气补充，难以引发剧烈的燃烧。

杨玲芝等[28]针对激光破碎煤岩进行了一系列实验研究，研究表明，无论是采用氮气还是空气循环钻进，都能够在煤层中顺利实施激光钻进。由于燃烧效应，空气循环激光钻进钻孔直径比氮气循环激光钻进钻孔直径和进尺大，其实验结果如图5所示。在实际钻进过程中，从安全高效的角度出发，可选择空气与氮气交变循环的钻井工艺[3,28]。

图5 不同循环气体作用下激光钻进煤岩进尺[28]

煤岩强度低易破碎，在复杂载荷下井筒完整性难以保证。在高温下煤岩孔壁呈现烧结状态，烧结物的致密度和厚度与孔壁的力学性能直接相关，对孔壁的稳定性有直接影响，在激光钻进研究中必须考虑井壁组织形态和力学特性的问题。

4 建议和展望

激光钻进煤岩过程涉及多种因素、多个相变，伴随着复杂的物理化学变化。煤岩作为一种燃料矿物，其强度较低，在钻进过程易发生燃烧，成孔的安全隐患较大。虽然，目前激光钻进岩石的研究较多，但其研究成果并不能完全套用。在激光钻进煤岩研究中，仍需要针对作用机理、钻进工艺以及煤层气钻进适应性等进行系统深入研究。在此，笔者总结了以下四点作为激光钻进煤岩后续研究建议：

a.探究激光钻进煤岩多物理场耦合作用机制 激光钻进煤岩是一个多物理场耦合作用的过程，涉及温度场、流体动力场、应力场等多个物理场之间的相互作用，通过探究激光钻进煤岩过程中的多物理场作用机制，了解此过程中的理化作用机理，有助于建立起激光能量与煤岩去除之间的联系。

b. 量化不同因素对激光钻进煤岩效果的影响激光钻进煤岩过程中，涉及激光器、煤岩、循环介质、地应力等多种因素的影响，因此，需要对不同参数进行正交试验，确定影响激光钻进煤岩效率和孔眼质量的关键因素，为优化设计出激光钻进煤岩的最佳参数组合打下基础。

c.提炼激光钻进煤岩工艺 激光钻进煤岩过程伴随着复杂的物理化学变化，从现已开展的试验来看，钻进过程中伴随着煤岩的燃烧及粉尘的释放，岩样在热应力作用下产生裂纹甚至完全开裂，因此，需要对激光钻进煤岩钻进工艺进行提炼及优化，确定高能效比的激光工艺与适配的循环气体工艺最优组合策略，抑制煤层明火燃烧，使孔壁烧结层具有合适的厚度及强度，在热应力和地层应力作用下保持孔眼的稳定性，减少煤层钻进的安全隐患，实现高质高效钻进。

d.研制煤层气水平井激光钻进设备 虽然实验室内的激光钻进煤岩实验取得了一些成果，但室内实验无法完全模拟井下地层状态。激光钻进技术应用于现场生产还处于空白阶段，需要筛选适用于煤层气水平井钻进试验的激光设备及运动控制机构等，尽快开展激光钻进设备的适应性研究。

随着高功率激光技术的迅速进步以及传统煤层气定向钻进技术的弊端日益凸显，激光钻进技术应用于煤层气定向钻进已经具备了比过去更好的外部条件，因此，了解现有的研究成果，厘清激光、煤岩及流体之间相互作用机制，对激光钻进煤岩技术的进一步发展及实际应用具有指导意义。

[1] 孙茂远. 对外合作开采煤层气的昨天、今天和明天[N]. 中国能源报，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，周长李，钱红彬，等. 激光破岩方法研究及在石油钻井中的应用展望[J]. 石油钻探技术，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. 激光破岩机理及影响因素的分析[D]. 大庆：东北石油大学，2017. LI Kexin. Analysis of mechanism and influencing factors of laser breaking rock[D]. Daqing：Northeast Petroleum University，2017.

[4] 史雅丽. 激光照射岩石温度及热裂特性变化研究[D]. 徐州：中国矿业大学，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，FAGHRI 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. 激光辅助钻井破岩机理及可钻性研究[D]. 青岛：中国石油大学(华东)，2015. LI Lu. Mechanism of removing rock by laser and the study on drillability[D]. Qingdao：China University of Petroleum，2015.

[7] 杨明军，王玉丹，文国军，等. 激光辐照煤岩的热效应数值模拟分析[J]. 煤田地质与勘探，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] 杨玲芝，文国军，王玉丹，等. 激光钻井技术在煤层气定向钻进中的应用探讨[J]. 煤炭科学技术，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，张立刚. 激光功率和照射时长对激光破岩的影响[J]. 能源与环保，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] 辛朋辉. 激光破岩机理研究[D]. 大庆：东北石油大学，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，FYSIKOPOULOS 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] 孙留涛. 煤岩热损伤破坏机制及煤田火区演化规律数值模拟研究[D]. 徐州：中国矿业大学，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] 杨玲芝，文国军，王玉丹，等. 激光破碎煤岩作用过程理论分析与实验研究[J]. 煤田地质与勘探，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．变围压条件下多孔煤岩应力–应变数值模拟研究[J]．煤炭科学技术，2014，42(增刊1)：45–47. SHAO Liming，FANG 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，FANG 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

国家自然科学基金面上项目(41672155，41972325)；湖北省自然科学基金杰出青年基金项目(2018CFA092)

王玉丹，1974年生，女，湖北丹江口人，副教授，从事激光钻进技术、地质装备等研究.E-mail：wangyudan@cug.edu.cn

文国军，1978年生，男，四川岳池人，博士，教授，博士生导师，从事激光钻进、非开挖技术、机器视觉等领域的研究. E-mail：wenguojun@cug.edu.cn

王玉丹，罗耀坤，文国军，等. 激光钻进煤岩技术的研究进展[J]. 煤田地质与勘探，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

(责任编辑 聂爱兰)