金刚石钻进能量在风化花岗岩地层中的变化特征

利用钻进过程监测系统在风化花岗岩地层中的试验数据对钻进系统的动能、轴力功、黏滞能耗及钻进总能量进行了分析。研究表明,钻具系统的动能在钻进能量中占主导地位,轴力功与黏滞能耗所占的比重很低,钻具系统的动能以及钻进总能量与岩石的风化程度呈负相关,轴力功与岩石的风化程度呈正相关,说明钻进能量与岩石风化程度具有很好的响应关系。最后,从破碎单位体积能耗的观点出发,分析了钻进比功与岩石风化程度之间的关系。研究表明,在全风化及强风化花岗岩地层中,金刚石旋转钻进比功值明显低于冲击凿碎比功;在微风化的坚硬与极坚硬岩石中,金刚石旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎比功。这为金刚石旋转钻进中岩石的实时分级与实时判层提供了新的方法。     

金刚石钻进比功及风化花岗岩实时分级研究

基于钻进过程监测系统在不同花岗岩地基金刚石钻进中监测数据,对钻进比功及其变化特性进行分析。结果表明,金刚石钻进比功随岩石风化程度的减弱而增大,具有明显的分区性。在软的全风化及强风化花岗岩中,金刚石钻进比功值低于冲击凿碎比功值;在中等硬度的风化花岗岩中,金刚石钻进比功值与冲击凿碎比功值接近;在硬度较大的微风化花岗岩中,金刚石钻进比功大于冲击凿碎比功。由此可知,在中等硬度的花岗岩中,用冲击凿碎比功来估计金刚石钻进比功才是合适的。这与旋转钻进只适于中硬以下岩层的实际相吻合。最后,提出采用比功变化曲线进行分区,并结合比功均值指标与上界指标对岩体进行实时分级的方法。     

旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析

 通过旋转钻井中破碎岩石的能耗分析,应用分形岩石力学理论,从钻井过程中钻头破碎岩屑的粒度分布、能量耗散等角度,建立旋转钻井中钻头破碎岩石所需能量的分形描述模型,详细分析影响钻头破碎岩石能耗的因素。该模型显示出旋转钻井岩石破碎能耗不仅与钻压、转速等钻井参数关,还与地层岩石破碎体的尺度和粒度分布分形维数等因素有关。应用该模型不仅可以确定钻井过程中破碎岩石所需的能量,还可以反演计算,根据所需岩石的破碎能量优选钻进参数。将所建立的模型进行适当简化,可得到经典岩石破碎比功三大学说表达式,说明该模型具有一定的普遍性。     

钻进参数用于香港复杂风化花岗岩地层的界面识别

在采用仪器钻进系统对复杂风化花岗岩地层界面进行成功识别的基础上,在复杂风化花岗岩场址的勘探中进行进一步应用和检验。在该风化花岗岩地层中,强风化与中等风化花岗岩交错,地层特征相当复杂。试验采用R–20液压回转式钻机,并安装数字式钻孔过程监测系统,在钻孔过程中对穿孔参数进行自动采集。对穿孔参数的定性和定量分析表明,在此地层中,有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率等监测参数在界面处亦具有明显的涨落,说明这些参数与界面处岩石强度的变化具有很好的响应特征,能可靠地揭示复杂地层的变化。同时,采用变斜率法对地层中的主、次界面进行识别。t检验表明,仪器钻进系统对岩土界面识别的置信度为99%。     

岩土工程界面识别中的地层判别分类方法研究

如何根据钻进过程参数曲线对钻进地层进行可钻性实时分级是仪器钻进系统发展和应用的的关键技术.据此,对统计模式识别进行分析,并针对钻进参数样本数据的特点,采用最短距离聚类准则,分别建立类及分类数已知与类及分类数未知条件下的地层判别分类及有效性检验方法;同时,在风化花岗岩金刚石钻进中采用钻进比功曲线对地层进行了分级研究.研究结果表明,在普通风化花岗岩地层中,该聚类分析方法分类性能良好、精度高、误判率低,所获得的分类结果与岩芯地质录孔的分类结果相吻合.该方法为岩土工程地层的自动判别分级提供了定量判别方法.     

中风化花岗岩层与基桩侧摩阻性能现场试验研究

 结合港珠澳大桥桥梁试桩工程,采用自平衡法进行2组共4根桩(每组2根桩)的中风化花岗岩与基桩的侧摩阻性能现场试验。试验时,将荷载箱埋设于中风化岩层内的桩身进行测试,并同步观测不同试验荷载下桩顶、中风化花岗岩层顶面对应的桩身截面、荷载箱和桩底的位移和桩身轴力。2组试桩桩位处岩石强度有一定差异,且岩石完整程度不一,但各试桩荷载箱上方桩身的荷载–位移曲线均具有明显的突变特征。处于岩石强度小、破碎岩层内的试桩组,其荷载箱上方岩层与基桩侧摩阻力小于荷载箱下方岩层与基桩侧摩阻力;处于岩石强度高、较破碎岩层内的试桩组,其荷载箱上方、下方岩层与基桩侧摩阻力基本一致。荷载箱以上桩段岩石侧阻发挥系数实测值表现为岩石强度愈高,岩石侧阻发挥系数实测值也愈高;而荷载箱以下桩段,在本项目的试验条件下则表现为岩石强度愈高,侧阻发挥系数实测值愈低。     

切削和侵入作用下层理岩层破碎机理浅析

层理岩层是石油钻井中经常遇到的一类地层,特别是在页岩气开采过程中,所钻页岩属于典型的层理岩层。研究层理岩层在钻齿作用下的破碎机理对于控制井眼轨迹、优化钻进参数、提高钻进效率都有很大指导作用。在以往岩石破碎机理研究中,一般多假设岩石介质为各向同性;但是对于层理岩层,由于其表现出强烈的强度各向异性特征,各项同性假设不再适用。本文利用离散单元方法(PFC2D)建立了钻齿与层理岩层相互作用模型。研究了层理岩层在钻齿切削和侵入过程中的破碎情况、裂纹的扩展情况以及钻齿受力情况。研究表明:切削力根据层理倾角分为高切削力区和低切削力区;液柱压力的存在对裂纹扩展有抑制作用,增大切削力;在岩石侵入过程中,层理的存在改变了裂纹的走向,当主裂纹扩展至层理处时,裂纹不再向岩石内部扩展,而是朝着层理的方向扩展。     

金刚石钻头钻进过程中摩擦磨损性能研究现状

金刚石钻头钻进破碎岩石的过程是一个钻头表面与岩石表面相互接触相互运动的过程,钻头破碎岩石的同时,必然因岩石的反作用而发生磨损.研究表明,该过程进行中,金刚石可能出现不同的磨损形态,这些形态出现的比例直接影响着钻头的使用情况.因此,根据不同胎体性能的钻头钻进不同岩性地层后的形貌观测,结合金刚石出刃状况,进一步研究分析金刚...     

绢云母石英片岩和砂岩动态破坏过程的能量分析

采用直径为100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对绢云母石英片岩和砂岩进行冲击动力学试验,研究了岩石动态破坏过程中能量的种类以及对岩石变形破坏所起的不同作用。从岩石的微观结构和能量的角度分析了岩石的动态破坏过程中,能量吸收能力的差异所导致的岩样不同的破坏形态的问题。试验结果表明,在岩石的冲击破坏过程中,试件吸收的能量只有很少一部分转化为破碎石块的动能,其余绝大部分用于产生岩石的变形及破坏。同时还发现,与绢云母石英片岩相比,砂岩的吸收能量的能力更强,破碎的程度也更高。     

中风化泥质粉砂岩地质条件下的地下连续墙成槽技术

针对南昌地区特殊的泥质粉砂岩层,对该地层情况下的地下连续墙成槽工艺进行探讨。通过对实际施工经验进行总结,结果表明,中风化岩层<2 m或岩层强度<15 MPa的地层应选用“冲-抓”工艺进行成槽;中风化岩层厚度为2~6 m或岩层强度15~26 MPa的地层,宜选用“旋-抓”工艺进行成槽;中风化岩层厚度>6 m或岩石强度大于26 MPa的地层,宜选用铣槽的工艺进行成槽。     

香港充填土风化花岗岩场址勘探中的界面识别研究

针对香港充填土风化花岗岩场址勘探,在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(DPM),对有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测。采用变斜率作为显著性指数,对地层中的主、次界面进行了识别。t-检验表明:DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%。此外,对穿孔参数在界面处的变化分析表明:这些参数随孔深的变化曲线在界面处存在不同涨落,轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%。     

基于旋挖桩随钻参数的地层识别方法

旋挖钻机钻进参数是在钻进过程中分析钻进情况的基础数据。地层结构的变化必然使钻进参数发生变化,进而使旋挖钻机显示出与不同埋置深度地层相适应的动态特征。采用旋挖钻机随钻检测与控制系统,对钻进过程中的直测参数和派生参数进行采样和分析,根据钻机工作参数和地层岩土体物理力学参数的固有特性、统计特性、结构特性,建立单一指标到多指标的地层识别模型,把地质条件和钻机的工况参数联系起来,利用钻机的转速、扭矩、钻进压力预估岩石抗压强度和土质地基承载力,并与一桩一孔勘察结果进行对比,证明基于随钻参数的持力层判定方法的有效性。     

中风化岩层地质条件下的旋挖扩底钻孔灌注桩施工技术

某项目桩基设计为有扩大头的钻孔灌注桩,且在深度范围内涉及的土层大部分为中风化岩层。以此为例,通过对土层特性、机械成孔、扩底及干作业施工的技术可行性分析,选择了适用于不同土层的钻头和扩孔用钻头。实践证明,在中风化岩层中的灌注桩采用旋挖钻机成孔并扩底施工的方法可行。总结的分析结论可为类似项目在中风化砂岩土层地区的施工提供参考。     

硬岩地层旋挖钻进组合工艺的研究与应用

根据旋挖钻进施工存在的主要问题,将旋挖工法依据岩石硬度进行量化钻进分类,提出硬岩钻进概念,并对当前硬岩钻进组合工艺进行分类、比较。同时介绍新型取芯筒钻的结构特点和操作规程。结果表明,新型取芯筒钻不仅解决了旋挖钻进硬岩组合工艺取芯的技术难题,而且丰富了旋挖硬岩钻进组合工艺。     

Evaluation of the energy efficiency of rotary percussive drilling using dimensionless energy index

This paper sets forth a geomechanics framework for assessing the energy efficiency of rotary percussive drilling using the energy criterion, which has been proposed by Victor Oparin for volumetric destruction of high-stress rocks having nonuniform physico-mechanical properties. We review the long-term research and development in the specified area of science and technology, including research and development projects implemented at the Institute of Mining, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. A new modified expression of Oparin's dimensionless energy criterion of volumetric rock destruction k is introduced. The range of in situ values is determined for the energy criterion of volumetric rock destruction at the optimized energy efficiency of rotary percussive drilling. The temporo-spatial intervals of geotechnical monitoring are found to control pneumatic drilling energy efficiency at subsoil use objects in Russia. The integrated experimental, theoretical and geotechnical approach to the comprehensive investigation of real-time processes of rock fracture in rotary percussive drilling using the energy concept possesses the necessary geomechanical performance-and-technology potential to create the next level geotechnical monitoring of drilling systems for various purposes, including determination of physico-mechanical properties and the stress-strain analysis of rock mass in full-scale drilling.     

An analytical drilling model of drag bits for evaluation of rock strength

To evaluate the unconfined compressive strength (UCS) of rocks from drilling data is a promising in-situ method and has been studied by many researchers. In most studies, experimental methods have been used to determine the relationship between UCS and drilling data. In this paper, an analytical model is proposed to describe rock drilling processes using drag bits and rotary drills, and to deduce the relations among rock properties, bit shapes, and drilling parameters (rotary speed, thrust, torque, and stroke). In this model, a drilling process is divided into cycles, each of which includes two motions: feeding and cutting. Feeding is treated as an indentation motion. There is a linear relation between indentation pressure (thrust) and the indentation depth (penetration rate). The cutting forces and friction forces of both the rake surface and the flank surface are examined. Also, a virtual base is set to the model to simulate the contact surface between the flank surface of the bit and the rock.According to this model, drilling torque consists of four parts respectively generated from cutting, friction, feeding, and idle running. Torque caused by friction and idle running is ineffective for drilling, whereas that caused by cutting and indentation is effective. Similar to torque, specific energy also has four parts respectively from cutting, friction, feeding, and idle running. For the purposes of this study, effective specific energy is defined as the sum of specific energy consumed by cutting and feeding. Effective specific energy is independent of the penetration rate. Since it is proportional to the UCS of the rocks, it is not influenced by the penetration rate, and is more useful in the evaluation of UCS than other parameters. Some laboratory and field tests were conducted, and the results verified the usefulness and effectiveness of the proposed model.     

考虑岩石疲劳损伤的空气冲旋钻井破岩数值模拟研究

 以川东北PGP-X井为研究对象,对2 140～4 914 m地层进行分段采样,运用静态试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对采样岩石进行动、静态力学性能室内试验。利用LS-DYNA建立空气冲旋钻井活塞–钻头–岩石相互作用系统模型,仿真模型中岩石采用H-J-C动态本构,为考虑冲击载荷往复加载对岩石造成的损伤积累,在每次冲击后,对井底岩石进行强度修正。在此基础上,研究PGP-X井钻井参量及空气锤结构参量与冲击功及破岩比功的关系,探索冲击功、冲击末速度、钻压、冲击频率、转速、井深及岩性对破岩能效的影响。分析发现冲击功–破岩比功曲线具有界限明显的波动区与稳定区,由此得到空气冲旋钻井的临界冲击功及临界钻压;临界冲击功及临界钻压与井深和岩性密切相关,随着井深和岩石硬度增加,临界冲击功和临界钻压都有逐渐减小。通过以上研究,推荐了典型深部地层的临界冲击功、临界钻压、最佳转速与冲击频率组合,这些结果可以作为现场空气冲旋钻井实践的参考。     

钻屑扭矩法测定煤体应力与煤体强度研究

通过对钻孔过程中钻杆扭矩及钻屑推力的力学分析,理论上给出了利用钻杆扭矩及钻屑推力判断煤体应力、煤体强度的可行性,提出通过测试钻孔过程中的钻杆扭矩和钻屑推进力来判断煤矿冲击地压危险性的方法。利用自行设计的扭矩-推力测试装置,对预制煤体相似材料试件进行了不同煤体应力、不同煤体强度和不同推进速度条件下的钻孔试验。研究结果表明：①单一因素影响下,钻杆扭矩与煤体所受应力存在线性递增关系,钻屑推力与煤体应力呈近似线性递减关系,且钻杆扭矩变化规律与煤体应力及钻屑量具有较好的一致性。②钻杆扭矩和钻屑推力均与煤体强度呈线性递增关系。③同种煤岩体材料,相同压力条件下,钻进速度越快,钻屑扭矩越大,反之,钻屑扭矩越小。研究结果可为煤矿动力灾害的预测预报提供参考依据。