一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法及设备技术

本发明专利技术提供了一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法及设备，其方法包括：分析激光在煤岩定向钻进过程，得到激光钻进煤岩传热机理；根据所述激光钻进煤岩传热机理，结合傅里叶导热定律及能量守恒定律，在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics中分别进行变激光参数仿真、煤岩不同相变间隔仿真、循环介质类别仿真，得到仿真结果；根据仿真结果，利用一种激光在煤岩中定向钻进过程设备，进行仿真验证。本发明专利技术的有益效果是：在激光钻进研究技术匮乏的情况下，丰富了激光钻进煤岩过程研究，也为煤层气开采专有装备的设计提供依据及实验参考。

Research method and equipment of laser directional drilling in coal and rock

【技术实现步骤摘要】
一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法及设备
本专利技术涉及激光钻井领域，尤其涉及一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法及设备。
技术介绍
我国煤层气产业发展已进入规模化生产阶段，但现有煤层气抽采技术及装备很难满足高效生产需求。目前已发展出多种煤层气矿井抽采技术，包括本煤层抽采、保护层抽采和采空区抽采三大类别(秦勇等，2012)。这些抽采技术均依赖于在煤层中钻孔，由于煤岩属软岩类别且裂隙发育，在钻进过程中常会遇到煤岩崩落，坍塌，卡钻等事故，而且煤层气钻孔多为裸井形式，井壁稳定性较弱，难以抵抗煤层气涌出时带来的压力，造成塌孔事故。激光钻井作为新型钻井技术，不仅钻进效率高、清洁环保、易实现自动化，而且激光钻进后的井壁常形成陶质层结构，能有效固孔，还能防止地层渗水进入钻孔内，非常适合应用于煤层钻进。但激光钻进煤岩会发生复杂的理化反应，钻场温度非常高，一般传感器无法工作，钻进过程数据很难获得；而且，适用于钻进的激光设备缺乏，真实的激光钻进实验很难展开。笔者团队一直致力于利用仿真与实验相结合的方法来研究激光钻进煤岩过程，之前的仿真与实验已经探讨了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS101：根据激光在煤岩定向钻进的过程，得到激光钻进煤岩传热机理；/nS102：根据所述激光钻进煤岩传热机理，结合傅里叶导热定律及能量守恒定律，在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics中分别进行变激光参数仿真、煤岩不同相变间隔仿真和循环介质类别仿真，得到仿真结果；/nS103：根据所述仿真结果，利用一种激光在煤岩中定向钻进过程的设备，进行仿真验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101：根据激光在煤岩定向钻进的过程，得到激光钻进煤岩传热机理；
S102：根据所述激光钻进煤岩传热机理，结合傅里叶导热定律及能量守恒定律，在多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics中分别进行变激光参数仿真、煤岩不同相变间隔仿真和循环介质类别仿真，得到仿真结果；
S103：根据所述仿真结果，利用一种激光在煤岩中定向钻进过程的设备，进行仿真验证。


2.如权利要求1所述的一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法，其特征在于：在步骤S101中，所述激光钻进煤岩传热机理，如式(1)所示：



式(1)中，τ表示时间，t表示温度随着时间在被激光照射物体内的温度场分布；材料参数ρ，Cp及k分别表示密度、热容及导热系数；u为平移速度；Q为单位体积热源；相应的初始条件为：
τ＝0，t＝273.15K(2)
式(2)中，K为温度单位开尔文。


3.如权利要求1所述的一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法，其特征在于：在步骤S102中，利用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics进行仿真，预先设置的参数包括：激光热通量αW/m2、仿真步长及时间[0,t1,t2]、光斑直径rcm、岩石表面辐射率β、煤岩相变温度TK、岩石热导系数和法向入射气体流速vm/s；仿真模块采用固体传热、变形几何、共轭传热和CFD；所述α、t1、t2、r、β、T、a、b、c和v均为预设值。


4.如权利要求1所述的一种激光在煤岩中定向钻进过程的研究方法，其特征在于：在步骤S102中，所述变...

【专利技术属性】
技术研发人员：文国军，吴玲玲，王玉丹，官东林，罗耀坤，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42