基于数字钻孔的钻头磨损与随钻参数关系研究

通过随钻参数反演岩石力学参数是数字钻孔技术的核心问题，PDC钻头是数字钻孔技术中破岩的主要结构。为了分析PDC钻头磨损程度对随钻参数的影响，基于煤矿液压锚杆钻机建立了数字钻进系统。利用该系统进行了钻头不同磨损程度下的数字钻进试验，同时结合有限元软件对钻进过程进行模拟，研究了PDC钻头磨损条件下随钻参数的变化规律。研究结果表明：钻进过程中各随钻参数之间的相关性与岩石强度变化规律显著；随钻参数对钻头磨损程度响应明显，在相同动力以及岩石强度条件下，钻进速度随着钻头磨损程度的增大而减小，钻杆扭矩随磨损程度增加而增大。试验结果与数值计算结果变化规律一致，证明了钻头不同磨损程度对于数字钻孔技术确定岩石性质具有重要影响。该研究为PDC钻头在数字钻孔中合理调整钻进参数以及反演岩石力学参数提供了参考。     

MDES2000型微钻实验装置的研制

MDES2000型微钻实验装置可模拟真实钻进情况,可开展岩石研磨性与可钻性试验、金刚石钻头性能参数及寿命试验、优化钻进规程参数试验等室内的各种微钻实验研究工作。该实验装置可通过手动或程序控制完成模拟钻进工作,能够实现钻进过程中各项钻进参数(钻压、钻速、扭矩、转速及进尺)的监测、采集、处理及存储功能,还可建立钻进参数报表文件数据库。该实验装置对岩心钻探研究工作具有很好的实际指导意义。     

基于模型融合的钻进参数识别岩石类型研究

岩石类型的识别对于钻进工程的安全和经济效益具有重要意义。钻进过程中的岩石类型实时识别大多是通过随钻测井，但由于随钻测井成本昂贵，在地质勘探领域鲜见应用。本文挖掘深部探测Sinoprobe-05项目金川科钻的钻进多参数（钻速、钻压、转速、钻头扭矩、泵压力、泵量）数据，通过一种融合模型算法来识别岩石类型。首先采用Savitzky-Golay平滑滤波器降低钻进参数数据的噪声，然后对数据进行了归一化。最后运用融合模型预测和识别岩石类别。融合模型的初级学习器为支持向量机、人工神经网络和随机森林，通过次级学习器贝叶斯模型平均算法对每个模型的权重进行计算。结果表明，多模型融合算法准确率为0.9686，比每个单独的算法准确率高。     

中硬地层全尺寸PDC钻头破岩实验研究

聚晶金刚石复合片（PDC）钻头作为钻井系统中消耗最多的工具之一，钻一口井常需要更换几个甚至几十个钻头，PDC钻头使用寿命将直接关系到钻井成本。通过全尺寸钻头钻选实验，研究了不同钻压、转速和不同岩性下的钻头动力学特性（动态钻压、扭矩），研究结果表明：增大预定钻压将显著增大钻头处响应钻压和扭矩的波动范围；而改变转速对钻头处钻压和扭矩的影响较小；相同钻井参数下，钻进灰岩时的钻压和扭矩波动范围最小，而钻进人造岩时其波动范围较大。研究结果为钻井参数优化和钻头选型提供一定的理论指导。     

深天井钻机钻进导孔的工作参数研究

为了确保天井钻机在钻进导向孔时牙轮钻头处在岩石的有效体积破碎状态中工作,基于MATLAB软件,对大量深天井钻机钻进不同直径导向孔时的现场工作数据进行了分析和数据拟合,得出了天井钻机在最佳工作状态时的工作轴压、工作扭矩、钻进速度与牙轮钻头所在的掘进深度及普氏岩石硬度系数的数学模型,为设计先进的智能型大型深天井钻机全自动化导向孔钻进系统提供了理论依据。     

孕镶金刚石钻头破岩机理及岩石分级

近十年来孕镶金刚石钻头在我国地质勘探钻进中所完成的工作量日益增长。在大部分坚硬、硬、中硬岩层中它已处于首要地位。鉴于这种情况，深入研究孕镶金刚石钻头破岩机理及岩石分级将有助于更好地改善钻头结构参数的设计，实现优化钻进，制定合理的生产定额。在大量收集和观测生产实践的基础上，我们使用与BCM—Ⅲ型微机相接的多参数回转实验台（图1），对上述课题进行了研究。该实验台可对扭矩、瞬时钻速、钻头唇部温度、轴压等9个参数自动检测与打印。     

冰层取心回转钻进模拟实验台的设计与测试

极地钻探实践表明,冰盖底部冰岩交界附近地质情况异常复杂,不但可能存在暖冰、基底融水,甚至还存在厚度不等的冰岩夹层,取心钻探异常困难,而优选钻头类型、确定合理的钻进参数是保证其安全、快速钻进的重要因素。本文设计了一套能够模拟冰层回转钻进的实验台,其技术参数为:钻压、转速分别可在0~10 k N、0~300 r/min范围内调节,最大扭矩约100 N·m。该实验台能够测量钻头切削具温度、钻孔深度及钻进速度等参数,为深入研究钻头类型及结构参数、钻进参数对扭矩、钻速和切削温度的影响规律提供了手段。采用PDC复合片钻头进行了冰钻实验,结果表明,实验台能够准确调节钻压和转速,可满足实验要求。     

旋切作用下岩石破碎机理及岩石可钻性的试验研究

为揭示钻头旋切作用下岩石破碎机理,开展地层岩石可钻性分布识别研究。基于自制的岩石旋转切割装置,分别对花岗岩、大理岩和石灰岩的标准岩样进行不同加载压力和旋转速度下的室内岩石旋切破碎试验,通过旋转切割装置中的钻进监测系统和高速摄像机分别记录岩石旋切破碎过程中钻进参数变化(加载压力、旋转速度和旋切扭矩)和岩石旋切破碎表象特征,并统计不同钻进条件下的破碎岩屑质量和尺寸分布等参数分析岩石旋切破碎控制因素。试验结果表明：岩石旋切破碎过程中,钻头在贯入和切割共同作用下呈螺旋线型侵入岩石内部并导致岩石分别发生贯入破碎、剪切破碎和拉伸破碎,其中部分大尺寸岩屑因吸收的切割破碎能较大而发生崩裂,但大部分破碎岩屑堆积在钻头切割路径内,增加了切割摩擦能;加载压力是岩石旋切破碎程度的主要影响因素,在相同加载压力下,破碎岩屑质量和尺寸分布分别受岩石抗压强度和抗拉强度影响;旋切扭矩与加载压力呈正线性关系,且岩石耐磨性和切割比能越高,该线性斜率也越高,而钻头旋转速度不影响该线性斜率变化。据此提出了不受钻进条件影响且仅与岩体固有属性(岩石固有切割比能和岩石摩擦因数)相关的岩石可钻性理论评价模型,并通过已有文献原位钻进数据...     

利用微处理机提高牙轮钻进效率

现在已有几种利用微处理机的控制装置用于监控牙轮钻进特性。用这类装置可监测重要的钻进参数,如转速、扭矩和轴压,并可给出钻进速度和钻头钻深的连续读数。还可记录其他参数,编制工作班报表,并为计划和维修工程师提供资料。钻进速度的变化,可使司机能鉴别出岩层的软硬程度,选择转速与轴压的最佳匹配,以提高钻头寿命和改善钻进性能。不同钻孔深度的瞬时钻进速度资料可提     

基于钻进参数聚类的含煤地层岩性模糊识别

通过钻进参数进行煤矿巷道围岩特征描述可为煤矿安全绿色开采提供地质信息保障。针对煤矿井下坑道钻探中随钻地层岩性识别难度大、精度低的问题,提出了一种基于钻进参数核模糊C均值聚类(Kernel Fuzzy C-means,KFCM)算法的含煤地层岩性模糊识别方法。结合钻进试验台上开展的模拟岩样钻进试验,获得了包括钻速、转速和钻压等敏感钻进参数的训练样本,利用KFCM算法对获取的钻进参数训练样本进行学习,构造钻进参数样本空间并映射到高维空间进行聚类处理。建立了以典型含煤地层分类为目标的聚类模型,采用高斯核函数分别确定了软弱夹层、煤层和泥岩层的分布结构以及对应的聚类中心。其中,对比线性核函数,高斯核函数在垂向上的分类效果符合沉积岩构造的特征,且聚类时间节约了7.2%。进一步基于钻进参数的聚类结果,将钻速作为衡量各类岩石钻进性能的关键参数,通过分析钻进参数数据集的变化规律,建立了钻速与转速、钻压幂函数表达形式的地层岩性预测模型,采用数据插值拟合方法完成了典型软弱夹层、煤层和泥岩层的空间划分。并应用模糊数学方法通过构建钻速的分段三角形隶属度函数,得出样本地层钻速对典型含煤地层钻速的隶属度公式,根据隶属度公式将地层岩性划分为5个级别,实现了对样本地层岩性的模糊识别。在实钻试验中,对提出的模糊识别方法的有效性进行了验证。结果表明,该方法能够在PDC锚杆钻头回转钻进条件下快速识别典型含煤地层岩性,识别的正确率为92%,研究结果为实现煤矿井下巷道隐蔽致灾因素动态智能探测提供了借鉴。     

旋挖钻机碎岩计算方式的分析探讨

结合外载碎岩基本现象,对旋挖碎岩基本过程进行分析,得出其在回转钻进情况下的螺旋破碎的碎岩形式。然后根据岩石破碎时的压入条件,以单个截齿为研究模型,得出轴向压力的理论计算公式,继而参考库伦纳维的内摩擦理论,得出了切削力的理论计算公式。根据不同钻具形式,将单个截齿的计算公式扩展,得到了旋挖钻机压力和扭矩参数的计算公式。将轴向力与切削力计算公式中在特定工况下的影响因子简化,得出了旋挖钻机钻进过程中进尺速度与切削力的理论关系。最后利用LS-DYNA动态分析软件模拟了单个截齿在不同侵深条件下的切削力变化曲线,并将曲线与同等工况下理论计算的曲线进行对比,得出单个截齿的入岩参数理论计算公式。可为入岩旋挖钻机设计提供参考。     

硬岩定向钻进螺杆钻具性能分析及应用

螺杆钻具是煤矿井下定向钻进的主要孔内动力钻具。针对在硬质岩层定向钻进中的工艺匹配和工艺参数优化问题,以某型螺杆钻具为例,分析了螺杆钻具的理论特性和测试工作特性。从硬岩钻进的特点出发,讨论了岩石荷载与钻速的关系,给出了螺杆钻具在硬岩中钻进的工艺参数设计方法。通过在淮南某矿的应用,阐明了工艺参数优化的过程,总结出了螺杆钻具在实际工作状态下给进力和压降的关系。     

气动潜孔锤硬质砂岩钻进技术研究

煤矿井下坚硬岩层快速钻进一直是一个技术难题。文章对如何提高钻机在井下坚硬石英砂岩中的钻进效率及延长钻头的使用寿命进行了研究,给出了潜孔锤施工的技术参数。通过张集煤矿17268轨道顺槽的试验,得出了适用于井下坚硬岩石条件下潜孔锤的风量、风压、钻压、转速等性能参数,以及与之配套的钻头和成孔工艺。     

微型圆柱状岩样钻进参数室内试验研究

针对钻孔局部壁面应力全解除法地应力测量时,需要在钻孔侧壁上钻切出直径为30mm、长度不小于40mm的微型"悬臂梁"状圆柱形岩样的要求,设计了一套钻切微型圆柱状岩样的室内试验平台。分别以单位时间的钻进深度、钻压、钻头转速作为钻进控制模式,研究了在红砂岩、大理岩、花岗岩3种长方体岩块上钻切微型圆柱状岩样的钻进效果,结果表明,以钻头转速作为钻进控制模式比较理想。定量给出了用于钻孔局部壁面应力全解除岩样切割钻进时的钻头转速、钻压、以及马达功率参数的建议选用范围,从而为开发基于钻孔局部壁面应力解除法的侧壁岩样切割工具提供了参考。     

硬岩掘进中主要爆破参数的确定与作用

煤矿坚硬岩巷掘进中,各爆破参数对掘进速度影响程度是尚待研究的问题。以四川煤炭产业集团广能公司下属矿井为研究背景,利用数值模拟与现场实验结合方法加以研究。根据凿岩台车钻速、钻臂特点设计掏槽角范围和孔长;按现场实际建立5个计算模型,在掏槽角、单孔药量、中心孔装药爆破等3种掏槽参数变化下,对爆破动态应力、破碎范围、掘进进尺进行量化分析和比较。研究结果显示:钻车条件下掏槽角度变化有限,因此正常掏槽角度对进尺影响较小。采用1.2 kg单孔药量时在掏槽关键区间内,有中心孔爆破时平均有效应力峰值较无中心孔爆破增加46.4%~76.7%,主要截面破碎面积增加24.7%~51.8%。如只增加药量对提高进尺效果则不明显:单孔药量增加50%,主要剖面破碎范围提高8.5%~13%,现场爆破进尺仅提高2%~10%。研究表明:掏槽中心孔爆破是影响硬岩掘进速度关键因素。     

硬岩大直径钻机用球齿滚刀破岩分析

从硬岩大直径竖井钻井工程的实际要求出发,分析了硬岩大直径竖井钻机用球齿滚刀破岩与轴压力、转速及洗井排碴等钻井工艺参数之间的关系,并给出了相关的计算公式;提出合理使用刀具应考虑的因素,并参考美国(休斯公司)、俄罗斯等国家的相关研究和试验结果,以某型钻机为例进行了定量分析。     

承德M24矿区深孔钻探钻进参数的选择分析

结合承德M24矿区深孔钻探工程,对钻进参数的选择情况进行了分析。分析认为,深孔钻进中,钻进压力的选择要综合考虑钻进的口径大小,岩石的硬度、强度、研磨性、完整性;在一定范围内,金刚石钻头的钻速和转速成正比例关系;冲冼液的选择应根据钻头类型与规格,胎体性能,钻孔深度,岩石研磨性、完整程度等来选择;适当扩大金刚石钻头的外径尺寸,能有效地避免高泵压的危害;可通过观察钻机主电机的电流指示表数值变化,判断孔内钻杆工况,电流的变化反映出钻机回转扭矩的变化。     

煤矿TBM掘进巷道围岩时效变形分析及支护参数优化研究

针对煤矿TBM掘进巷道围岩长期稳定性问题,以淮南矿区张集矿TBM掘进某瓦斯抽采巷为工程背景,开展了巷道围岩时效变形分析及支护参数优化研究。通过在TBM掘进巷道施工现场钻取砂质泥岩岩样,开展蠕变试验,获得CVISC蠕变参数|在数值模拟软件中引入CVISC蠕变模型,对不同支护工况下TBM掘进巷道围岩进行为期100d的蠕变变形模拟,获得各支护工况下巷道围岩时效变形特征和应力场及塑性分布区的演化规律|基于数值模拟结果,将优化后的锚杆+钢筋网联合支护体系应用于TBM施工巷道,并对TBM施工巷道进行围岩变形监测和锚杆轴力监测,现场实测结果表明采用的优化支护方案可有效控制围岩变形,且巷道稳定性较好。