同轴旋转双射流冲蚀岩石机制与实验研究

 同轴旋转双射流是一种新型高效射流,它综合旋转射流破岩面积大和直射流破岩深度大的优点,并在较高围压下能够利用空蚀提高破岩能力。运用实验的方法研究常压淹没和围压条件下喷距、射流压力以及围压对射流破岩能力的影响。实验结果表明,双射流在冲击破岩时存在最优喷距范围,该次实验条件下最优喷距约为喷嘴当量直径的13倍;增大射流压力可大幅提高双射流的破岩体积。压力超过15 MPa时,破岩体积大幅增长。双射流的破岩体积和破岩孔深均随围压的增大而急剧减小,破岩孔径随围压的增大而减小的幅度相对较小。双射流冲蚀破碎岩石机制包括空蚀破坏、直射流冲击破坏、剪切破坏以及压力波动破坏。     

超临界二氧化碳粒子射流破岩性能分析

由于页岩和致密砂岩等非常规储层岩石的破岩门限压力大,为充分发挥超临界二氧化碳在开发非常规资源方面的技术优势,提出引入粒子后形成超临界二氧化碳粒子射流,提高射流的破岩效率。在优化超临界二氧化碳射流破岩实验流程的基础上,研制超临界二氧化碳粒子射流破岩实验装置,分析超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能。结果表明:相对于纯超临界二氧化碳射流,加入石英砂30 s后超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能得到大幅度增强,破岩体积提高了66.67%;超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能随着喷嘴直径和喷距的增大先增强后减弱;本试验条件下最优喷嘴直径为3 mm、喷距为6 mm,粒径为0.3～0.5 mm;压力和温度越高,射流的破岩性能越强,但增强的趋势逐渐变缓。     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用，其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想，并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响，建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下，射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出：射流的喷射速度大，岩石局部范围内的渗流压力也较大；计算平面的深度位置增加，岩石渗流压力明显减小；压力波（纵波）在岩体中的传播速度变化，对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律，这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

淹没条件下超高压水射流破岩影响因素 与机制分析

超高压水射流辅助破岩是提高机械钻速的有效途径,水射流破岩效果影响因素及机制研究是其关键之一.选取100～200 MPa 共5档驱动压力和3种岩样,实验研究淹没条件下水射流驱动压力、喷距、作用时间和喷射角4个因素对冲蚀切割破岩效果的宏观影响规律.采用全解耦流固耦合数值分析方法,对超高压射流破岩过程中耦合系统应力场进行计算,建立岩石宏观断裂规律与微观破坏机制间的联系.研究表明,淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距和喷射角:100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径,200 MPa时约为20倍喷嘴直径,随压力的增加而增加;最优喷射角为12°～14°.超高压水射流作用下岩石的破坏发生在毫秒量级,主要是拉伸和剪切破坏作用,是由射流冲击应力所造成.研究可为超高压射流辅助钻井技术中水力参数优选及钻头设计提供参考依据.     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用,其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想,并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响,建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下,射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出:射流的喷射速度大,岩石局部范围内的渗流压力也较大;计算平面的深度位置增加,岩石渗流压力明显减小;压力波(纵波)在岩体中的传播速度变化,对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律,这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

高压水射流–机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法，结合实际工况条件，建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程，并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明，联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍，射流和齿的间距在13 mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果；当钻压增加到一定值后，其对破岩效率影响不大；破岩效率与静水压力成反比。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

爆破漏斗岩石破碎块度实验与仿真

为研究单自由面岩石爆破破坏范围变化以及破碎块度分布规律，首先采用光学折射Snell定律研究爆炸应力波在单自由面的反射规律，进而确定爆破漏斗底半径；然后结合白马铁矿现场爆破漏斗实验，分析不同药包埋深和药包质量条件下爆破漏斗几何特征和岩石破碎块度大小；并采用连续-非连续单元法(CDEM)模拟爆破漏斗形态和岩石破碎块度。研究结果表明：单位药包质量下的爆破漏斗体积以药包比值质量的幂函数型增大，并随药包比值埋深的增加呈现先增加后减小的规律，在比值埋深值为1.01时存在极大值点；爆破漏斗岩石破碎块度随药包质量的增加而减小，随药包埋深的增加而增大，破碎岩块的平均粒径以药包质量的-19/30次方减小，以药包埋深的1.42次方增大。最后，采用验证过的数值模拟方法，再现了三峡工程下岸溪料场宽孔距小抵抗线爆破设计破岩效果，为实际工程岩石爆破块度分析和预报提供参考。     

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

石英砂颗粒冲击破岩数值模拟与影响因素分析

针对复杂地质条件下使用石英砂颗粒破岩并对影响其破岩效率的多种因素进行了流场分析。通过建立喷嘴冲击灰岩的有限元模型,进行了流体介质冲击灰岩壁面的非定常射流分析,研究了入口排量、孔距、喷射角和颗粒直径对破岩效率的影响规律。结果表明,破岩后形成的流道呈扇形放射状分布,进口小,出口大。出口流速在轴向方向呈递减变化,径向方向呈“凹型”分布,流速先增加后减小至零;喷射角或喷嘴直径增大,破岩面积增加,破岩深度减小,其破岩区域的集中性先增加后减小;孔径比或孔距增大,破岩面积减小,破岩深度增加,破岩区域分散性变大;石英砂颗粒直径增加,冲蚀率先增加后减小,湍流动能持续增加后达到稳定状态。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

磨料射流破碎岩石的性能研究

磨料射流在切割破碎岩石时,将产生比纯水连续射流巨大的冲击力。从固液两相流特点出发,对高压磨料射流破碎岩石的机理进行了分析与实验研究。得出岩石在受到磨料射流的冲击下,磨粒与水体对岩石的冲击压力与岩石在水介质作用下力学特性的变化共同促使了岩石的破坏。岩石破坏时最大剪应力位于0．5倍喷嘴直径的径向距离处,同时在固体介质表面边缘产生最大拉应力。该研究从理论与实验上为磨料射流破碎岩石奠定了理论基础。     

饱和含水砂层地下水渗流对隧道围岩加固效果的影响研究

 在分析饱和含水砂层的工程力学、渗流特性及其隧道围岩变形特性基础上,提出含水砂层中地下水流速影响高压旋喷桩加固效果的双介质模型,给出高压旋喷桩加固含水砂层失效的临界水力梯度表达式;提出饱和含水砂层中有效加固地层的双液注浆原理。工程实例表明,在采用化学注浆有效降低地层渗透性后,水泥注浆可有效加固饱和含水砂层,避免注浆失效。此技术在含水砂层隧道围岩注浆加固地层中取得成功,对类似工程有重要的参考价值。     

盐岩地下储气库泄漏的喷射火事故后果定量分析

 为提高盐岩储气库营运的安全性,建立燃气从注采井套管破裂时的稳态泄漏率模型,提出将热辐射模型与伤害概率方程相结合的方法,对盐岩地下储库气体泄漏后可能发生的喷射火的热辐射后果进行研究,并与事故调查数据进行对比验证。研究结果表明,提出的喷射火热辐射危险距离的计算值与已发生的天然气输送管道喷射火事故现场观察的燃烧面积基本一致,计算值与实际观察值的误差都在20%以内。采用该方法对影响盐岩储气库喷射火事故后果的主要因素进行分析,得出喷射火的伤害半径随着注采井管径和运营压力(埋深)的增大而增大。提出的方法可为盐岩地下储库气体泄漏后的喷射火热辐射后果定量评价提供参考。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

含夹层盐岩渗透特性及其细观结构特征

 由于盐岩具有极低渗透率,因此很多国家将盐岩作为能源和高放废物储存库的首选储库介质。选取湖北云应盐矿层状盐岩,对20个标准试样(f 25 mm×50 mm)进行渗透特性测试以及CT扫描试验。试验结果表明,盐岩的孔隙度普遍低于0.25%;且渗透率极低,为10－16～10－18 m2,从总体趋势上看,渗透率随着围压的增大而减小。进一步通过工业CT试验,揭示了盐岩极低渗透率在细观结构方面的原因。发现层状盐岩的细观结构极其致密,其中纯盐岩仅含少量微孔洞和微裂隙,而夹层几乎不存在缺陷,因此对气体渗透具有明显的屏蔽作用;且在围压和渗流作用下,盐岩因细观结构演化致使渗透性能发生较大改变,渗透率随围压的变化趋势与孔隙度变化趋势一致。