可控连续激光岩石处理中裂纹演化机制及其在能源勘探与下一代破岩技术中的应用研究

本综述系统阐述了连续激光辐照诱导石灰岩可控损伤与裂纹扩展的效能，通过定制化图像分析框架（集成Canny边缘检测与形态学滤波）实现亚表面裂纹模式的高保真定性/定量评估。研究揭示了从孔隙萌生到碎片化的渐进失效阶段，证实CO2激光（10.6 μm波长）通过热软化（HAZ）、热应力积累和跨晶断裂显著降低比能（SE）并提升穿透速率（ROP），为地热钻采（CTMD技术）和太空生物采矿提供新方案。

　　

Highlight

激光-岩石相互作用通过光子吸收、晶格加热、能量重分布和热扩散进行。深度z（单位mm）处的吸收强度遵循比尔-朗伯定律：I(z) = I₀e^?αz，其中I(z)为透射强度（W/m²），I₀为入射强度（W/m²），α为吸收系数（m^-1）。温度分布取决于热扩散率(D)，其表达式为D = λ/(ρC_p)，其中ρ为材料密度（kg/m³），λ为热导率（W/m·K），C_p为比热容（J/kg·K）。由于岩石的低扩散性和异质性，加热高度局部化，产生陡峭梯度，促进剥落、微裂纹和熔化。当激光照射岩石材料时，入射光能E₀通过能量守恒定律转化为热能：E₀ = E_r + E_α + E_τ，其中E_r为反射能（mJ），E_α为吸收能（mJ），E_τ为透射能（mJ）。

能量基性能指标

激光诱导岩石去除的效率通常通过比能（SE）和穿透速率（ROP）评估。比能量化单位材料去除体积的能量输入（kJ/cm³），表达式为SE = P/(dV/dt) = P/ROV，其中P为施加激光功率，ROV = (dV/dt)为体积去除速率。穿透速率通过以下关系与SE关联：ROP = d/t = SP/SE，其中d为穿透深度，t为照射时间，SP为交付比功率。较低的SE和较高的ROP表明材料去除更高效。

岩石损伤或裂纹参数

除能量基性能指标外，裂纹基参数可深入了解照射下结构损伤和断裂发展的程度。常用两个度量：线性裂纹密度（ρ_LC）和面裂纹密度（ρ_A）。线性裂纹密度（单位mm/mm²）描述单位面积总裂纹长度，ρ_LC = ΣL_C/A，其中ΣL_C为观测区域内总裂纹长度（mm），A为观测面积（mm²）。另一常用度量是面裂纹密度（单位裂纹数/mm²），量化单位面积离散裂纹数，表达式为ρ_A = N_C/A，其中N_C为同一观测面积A内裂纹数。

通过类比，SE和ROP描述岩石去除的能量效率，而ρ_LC和ρ_A表征激光照射期间产生的断裂网络的空间强度。这些参数共同提供了一个整体框架，用于从能量利用和裂纹传播两方面评估激光-岩石相互作用。

Conclusions

本研究调查了使用CO₂激光在不同激光功率和重复激光光束脉冲次数下对石灰岩的激光处理。通过表面形态、断裂模式和微观结构转变表征了效果。关键结论如下：

• •

  穿透深度随激光功率和脉冲次数呈近线性一致性增加，8毫米石灰岩样本在超过54 W和100脉冲时完全穿透，如表面形态和横截面分析所示。

• •

  表面形态显示，随着激光功率和脉冲次数的增加，从初始热变色到严重开裂、剥落和碎片的渐进损伤演变。在较高参数下，观察到明显的熔化、再凝固和材料喷射。

• •

  开发的图像处理算法成功量化了裂纹密度，显示ρ_L和ρ_A均随激光功率和脉冲次数增加。裂纹密度在54 W和100脉冲时达到峰值，分别为0.25 mm/mm²和0.10 裂纹数/mm²。

• •

  FESEM显微图像揭示了从 intergranular 断裂到熔化诱导平滑化的转变，伴随方解石向石灰的相变，如XRD分析所证实。热降解导致方解石峰强度降低和石灰形成。

• •

  比能（SE）分析显示，随着激光功率和脉冲次数的增加，SE值降低，在较高参数下，材料去除更高效。最低SE为6.49 kJ/cm³，在162 W和100脉冲时获得。

• •

  本研究开发的受控连续激光处理方法通过战略性地放置几何孔，证明了其在实时钻井应用中的可行性，有助于优化岩石破碎性能。