本书聚焦深地资源钻探与深井钻井面临的破岩效率低、成本高、工况极端等核心瓶颈，系统构建激光辅助破岩基础理论、试验方法、多场仿真到装备研发的完整技术体系，为深地高效安全钻井提供全新理论支撑与工程解决方案。全书在系统梳理传统牙轮钻头、金刚石钻头破岩技术现状与局限的基础上，深入阐释激光产生、传输调控及激光-岩石互作用的基础理论与特性规律；通过多工况、多参数激光-岩石互作用系列试验，精准揭示复杂条件下岩石破碎演化规律，构建热损伤与裂纹损伤耦合的综合损伤评价体系；依托有限元、离散元等多场耦合仿真方法，系统阐明激光破岩过程中的瞬态传热、应力场演化及岩石开裂、碎裂机制；创新提出椭圆形激光束扫描破岩新方法，深入揭示其致裂与高效破岩机制，并完成激光-机械钻头的结构创新设计、关键试验装备研发及成孔机理研究，实现了从基础理论、技术方法、装备研发到工程应用的全链条创新与一体化突破。
本书可供石油与天然气工程、机械工程、地质工程、岩土工程、深部资源勘探开发等领域的科研工作者、工程技术人员参考，也可作为高等院校相关专业研究生、高年级本科生的学习用书。

第1章深井钻头破岩技术的发展与核心困境001
1．1深地及极端环境下钻井工况特征001
1．2常用钻头破岩技术004
1．2．1牙轮钻头破岩技术的发展004
1．2．2牙轮钻头破岩技术的瓶颈008
1．2．3金刚石钻头破岩技术的发展009
1．2．4金刚石钻头破岩技术的瓶颈012
1．3深地及极端环境下钻头钻井瓶颈性问题013
1．3．1破岩效率先天低下，钻井周期大幅延长013
1．3．2钻井成本居高不下，经济性难以保障015
1．4本章小结016

第2章先进激光发生与破岩基础特性018
2．1激光的产生018
2．2激光的输出模式020
2．3激光的传播特性024
2．4激光的作用特性027
2．5激光破岩的原理028
2．6激光破岩的耗能与吸收029
2．7激光破岩的主要参数032
2．7．1激光特性参数032
2．7．2岩石性质参数034
2．8破岩激光器的选择035
2．9本章小结035

第3章激光与岩石互作用的基础性试验与分析037
3．1开展激光与岩石互作用的基础性试验037
3．1．1试验目的037
3．1．2试验方法与步骤038
3．1．3试验方案设计042
3．2激光破岩的岩石破坏表征参数与评价指标043
3．3不同激光功率与岩石互作用试验044
3．3．1激光功率对砂岩细观形貌和破碎效能的影响关系044
3．3．2激光功率对砂岩温度场的影响规律047
3．3．3激光功率对灰岩细观形貌和破碎效能的影响关系049
3．3．4激光功率对灰岩温度场的影响规律052
3．4不同激光辐照时间与岩石互作用试验055
3．4．1激光辐照时间对砂岩细观形貌和破碎比能的影响关系055
3．4．2激光辐照时间对砂岩温度场的影响规律056
3．4．3激光辐照时间对灰岩细观形貌和破碎比能的影响关系058
3．4．4激光辐照时间对灰岩温度场的影响规律059
3．5先进激光破岩钻井的能量预测分析061
3．6本章小结062

第4章激光作用下岩石损伤表征与评价技术064
4．1损伤变量的确立064
4．2基于岩石弹性模量的热损伤评价067
4．2．1岩石的加热试验方案设计067
4．2．2岩石与温度相关的主要性能参数067
4．2．3高温对砂岩主要性能参数的影响规律068
4．2．4高温对灰岩主要性能参数的影响规律071
4．2．5高温对花岗岩主要性能参数的影响规律072
4．2．6基于岩石弹性模量的热损伤标定074
4．2．7激光作用下岩石的热损伤评价076
4．3基于岩石细观形貌的裂纹损伤表征080
4．3．1岩石表面形貌灰度处理080
4．3．2岩石热破碎的裂纹信息提取083
4．3．3岩石热破碎的裂纹损伤量化083
4．3．4激光作用下岩石的裂纹损伤评价086
4．4热损伤和裂纹损伤共同主导下岩石综合损伤评价092
4．4．1基于层次分析法的岩石损伤权重分析092
4．4．2岩石综合损伤评价模型的建立094
4．4．3岩石的综合损伤分析与评价095
4．5本章小结096

第5章激光与岩石互作用的多场模拟技术与岩石破碎机理098
5．1有限元法的激光破岩多物理场模拟理论098
5．1．1激光与岩石互作用过程中热量传递的基本形式099
5．1．2激光与岩石互作用过程中热量传递的边界条件101
5．1．3激光与岩石互作用过程中的热弹性力学理论103
5．1．4常用的岩石本构模型与强度准则105
5．2离散元法的激光破岩多物理场模拟理论115
5．2．1离散元法的定义与发展115
5．2．2离散元模型的分类与构建116
5．2．3离散元法的接触与连接119
5．2．4离散元方法中颗粒运动与计算流程121
5．3激光破岩的岩石瞬态传热与应力演化分析（基于COMSOL有限元仿真）124
5．3．1基于COMSOL的激光破岩模型构建124
5．3．2激光作用下砂岩温度场演变规律125
5．3．3激光作用下砂岩应力场演化过程129
5．3．4激光作用下灰岩温度场演变规律131
5．3．5激光作用下灰岩应力场演化过程135
5．4激光破岩的岩石开裂机理分析（基于ANSYS有限元仿真）137
5．4．1LS-DYNA模块在激光破岩模拟方面的核心优势137
5．4．2基于LS-DYNA模块的激光破岩模型构建140
5．4．3仿真结果的对比验证146
5．4．4激光破岩温度场的动态变化规律146
5．4．5激光破岩的损伤场演化规律149
5．4．6激光破岩裂纹的开裂扩展规律150
5．5激光破岩的岩石碎裂机理分析（基于PFC离散元仿真）152
5．5．1激光破岩模拟的热分析假设152
5．5．2岩石模型关键参数的确定153
5．5．3离散元法下的激光破岩模型构建164
5．5．4激光作用下岩石表面裂纹形成过程研究167
5．5．5激光作用下岩石热破裂规律研究168
5．5．6激光作用下岩石颗粒微观碎裂机理179
5．6本章小结181

第6章椭圆形激光束扫描破岩方法与致裂机理182
6．1大长径比椭圆形激光束扫描破岩方法的提出182
6．2开展椭圆形激光束扫描破岩试验185
6．2．1搭建椭圆形激光束扫描破岩试验平台185
6．2．2大长径比椭圆形激光束扫描破岩试验方案设计185
6．3大长径比椭圆形激光束扫描破岩损伤效果分析186
6．3．1扫描作用下岩石形貌的变化特征对比分析186
6．3．2扫描作用下岩石温度场变化过程对比分析188
6．3．3扫描作用下岩石温度场变化特征对比分析189
6．4大长径比椭圆形激光束扫描破岩的应力致裂机理191
6．4．1构建大长径比椭圆形激光束扫描破岩有限元仿真模型191
6．4．2大长径比椭圆形激光束扫描破岩的仿真结果验证194
6．4．3椭圆形激光束扫描作用下岩石应力的分布规律194
6．4．4椭圆形激光束扫描作用下岩石应力的破碎规律197
6．5大长径比椭圆形激光束扫描破岩致裂的主控因素分析199
6．6本章小结200

第7章椭圆形激光束辅助刀具破岩提效机理与钻头设计方法202
7．1椭圆形激光束辅助刀具协同破岩单元试验203
7．2构建椭圆形激光束辅助刀具协同破岩的多场仿真模型204
7．2．1构建刀具刮切破岩的几何模型204
7．2．2岩石的力学材料参数标定205
7．2．3椭圆形激光束辅助破岩的热学参数设置206
7．3椭圆形激光束辅助刀具破岩的增效机理207
7．3．1破岩温度场及岩石形貌对比分析207
7．3．2应力主导下岩石破坏模式差异与成因209
7．3．3岩石破坏模式差异下的切向载荷响应210
7．3．4椭圆形激光束辅助刀具破岩的协同作用规律211
7．4基于椭圆形激光束辅助破岩的个性化钻头研发212
7．4．1激光-机械钻头的冠部形状设计213
7．4．2激光通道设计215
7．4．3激光-机械钻头的刀翼设计216
7．4．4激光-机械钻头的切削齿结构设计219
7．4．5激光-机械钻头的布齿设计220
7．4．6激光-机械钻头的水力结构设计224
7．4．7钻头与钻柱接口设计224
7．4．8激光-机械钻头整体结构225
7．5本章小结226

第8章椭圆形激光束辅助钻头高效破岩关键技术与成孔机理227
8．1椭圆形激光束辅助钻头破岩试验关键装备研发技术227
8．1．1椭圆形激光束辅助钻头破岩试验关键装备研制面临的技术难题227
8．1．2适配椭圆形激光束输出的新型钻杆协同设计229
8．1．3椭圆形激光束辅助钻头破岩的钻具组合整体结构231
8．1．4椭圆形激光束辅助钻头破岩试验台架232
8．2椭圆形激光束辅助钻头破岩试验关键技术234
8．2．1椭圆形激光束辅助钻头破岩试验大纲234
8．2．2椭圆形激光束辅助钻头破岩试验安全与防护指导236
8．2．3开展椭圆形激光束辅助钻头破岩先导试验239
8．3构建椭圆形激光辅助钻头复合破岩仿真模型242
8．3．1模型之岩石材料参数确定242
8．3．2椭圆形激光束辅助钻头破岩仿真的光源布置方案243
8．3．3椭圆形激光束辅助钻头破岩仿真的基本假设244
8．3．4椭圆形激光束辅助钻头破岩仿真的定解条件244
8．4椭圆形激光束辅助钻头高效破岩成孔机理246
8．4．1辅助钻头作用下岩石瞬态温度场分析246
8．4．2辅助钻头作用下岩石拉压应力场变化分析248
8．4．3辅助钻头作用下岩石损伤场演变过程分析251
8．4．4两种方式作用下破岩成孔效率对比分析252
8．4．5椭圆形激光束辅助钻头高效破岩成孔提速机制255
8．5本章小结258

第9章总结260
9．1取得的核心成果260
9．2先进激光辅助破岩技术现存局限261
9．3先进激光辅助破岩技术的未来发展方向262

参考文献265