激光-水射流在淹没环境中对岩石碎裂的微观结构与化学分析

《Energy & Fuels》：Microstructural and Chemical Analysis of Rock Fragmentation by a Laser–Water Jet in Submerged Environments

激光-水射流联合破岩技术通过激光预处理岩体形成损伤区，水射流进一步破碎并扩大孔道，有效提升硬岩破岩效率。研究揭示了联合作用下岩体结构演化规律：激光诱导裂纹扩展形成锥形孔道，水射流使孔道边缘孔隙率提升至12.3%，微裂纹密度增加2.8倍；矿物组成经激光处理后损失8.6%-0.8%，水射流阶段基本恢复原始组成；元素分析表明CO?释放导致C、O含量下降，Si含量上升。该成果为联合破岩工艺优化提供了理论依据。

　　

径向水平钻井技术利用高压水射流进行岩石破碎，但在坚硬的地层、浅层以及井轨迹控制不佳的情况下效率较低。激光-水射流联合岩石破碎技术则采用高能激光对岩石进行预处理，随后通过水射流完成孔洞的扩大和岩石的切割去除。本研究通过分析不同阶段的岩石样本，探讨了这种技术的具体过程，揭示了岩石内部结构特征、微观性质及化学成分的变化规律。研究结果如下：激光处理阶段会导致物理化学变化；水射流阶段通过冲击、切割和疲劳效应去除受损岩石；激光照射后的孔洞呈锥形楔状，并引发裂纹扩展；水射流侵蚀后孔洞深度变化较小，但剥落面积显著增大，表明激光损伤区域被有效去除；岩石表面形成三个明显区域：激光照射区、熔化区和热效应区，其中侵蚀坑内壁具有密集的多孔结构，微孔通过裂纹相互连接；联合岩石破碎处理后，直径为0.025–0.1 μm和0.1–0.16 μm的孔隙比例显著高于仅激光照射的情况；激光照射使斜长石、方解石、白云石和菱铁矿的含量分别减少了8.6%、5.5%、0.5%和0.8%，而联合破碎后的矿物组成与原始岩石相近；元素分析显示，激光照射导致碳（C）和氧（O）含量降低，硅（Si）含量增加，这是由于碳酸盐矿物受热分解释放出二氧化碳（CO₂）。本研究为优化激光-水射流联合岩石破碎技术提供了理论依据。