激光破岩机理研究

发布时间：2020-01-25 21:13

【摘要】：激光破岩技术是一种安全且低耗的破岩技术,它可以广泛的被应用到石油勘探、垂直钻井和水平钻井等领域,被专家和学者们认为是最有可能取代传统机械旋进式钻井技术的先进钻井技术,激光破岩的机理和条件是近年来研究的热点。本文以非定常传热理论和弹性力学中的热应力理论为基础,借助有限元分析软件,模拟激光破岩过程中涉及到的岩石温度场分布情况和岩石局部位置所受到的热应力大小,通过模拟结果研究激光破岩的条件和影响因素。首先,以非定常传热理论为基础,利用有限元分析方法,借助COMSOL multiphysics有限元分析软件建立砂岩温度场分布模型。该模型中模拟了激光直射区域局部岩石样本温度迅速升高的过程,激光照射区域与其周围部分存在较为剧烈的热传递,从而引起周围岩石的温度场的变化。砂岩弹性模量、热导率和热膨胀系数此温度场下会有较大的变化,对破岩条件有较大影响。其次,在获得激光照射岩石温度场的基础上,以弹性力学热应力理论为基础,利用MATLAB软件,结合岩石温度场分布情况,模拟在一定温度分布状态下砂岩样本内某些位置轴向应力、环向应力和径向应力的大小,进而计算在样本中有杂质时热应力沿着三个主应力方向的大小,形成激光照射条件下的岩石热应力场分布。最后,通过分析得到如下结论:激光照射岩石边界,在激光直射处附近温度梯度更大;并且当岩石内含有杂质时,杂质边缘处三种应力的大小与不含杂质时有变化。本文通过模拟得到了激光与岩石相互作用时的热应力场分布,为激光破岩的理论研究和实际技术应用提供了一定的借鉴。
【图文】：

东北石油大学硕士研究生毕业论文蚀效果[15]。对激光破岩理论进行了数值的模拟，模拟大的热应力，采用带有多光阑的光斑能提熔化、气化依次上升，，效率依次下降[16]。基本理论进行了模拟，模拟结果表明：针且通过建立热应力模型的方式找到岩石裂以砂岩为样本，给出 700~1000W 激光功一系列的试验，得到如图 1-1 所示的一系钻孔直径和深度的重要因素，离焦量增大大钻孔直径略有减小，深度会增加[18]。

图 1-2 激光破岩过程下方式展开：伦破坏准则和库伦-莫尔破坏准则，找到它们的相同点伦-莫尔破坏准则是较为高效且准确的判断方法；见激光器的性质和特点，介绍光纤激光器的优势。并且热膨胀系数随温度变化的关系，对影响激光破岩效率的传热原理分析高斯激光作用到岩石表面时岩石内部的 软件中，绘制圆柱体岩石模型，得到砂岩三维温度分布LAB 软件计算出由温度变化引起的岩石内热应力变化情，找到其中的规律。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU63;TN249

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本文编号：2573114