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。     

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。     

较低功率微波辐射三类硬岩失水升温损伤规律与声发射特征

微波辅助破岩是实现硬岩高效低损伤开挖的新方法，不同硬岩的吸波能力、失水、升温与损伤规律有一定的差异，对不同硬岩的对比研究对精准高效破岩有重要的理论与工程意义。以花岗岩、石灰岩、砂岩三类硬岩为研究对象，通过对比预处理和微波辐射前后试件的质量变化，获得三类硬岩的失水规律；通过红外热成像仪监测微波场内硬岩表面升温和破裂全过程，获得不同含水状态下三类硬岩升温和宏观裂纹扩展特性；通过干燥状态下三类硬岩辐射不同时间后的纵波波速、声发射及SEM微观结构的变化阐述了硬岩损伤随辐射能量递增机制。结果表明：在较低功率微波辐射300 s内，水对硬岩质量和升温的影响明显，具体表现为：水的蒸发溢出是质量损失的主导因素、水对升温有明显促进作用、含水状态对表面区域平均温度的影响程度按辐射时间分为较小(0～50 s)、较大(50～200 s)和稳定(200～300 s) 3个阶段，其中，饱和吸水对升温影响最显著，且饱和吸水率高的砂岩和石灰岩分别在55,240 s时于腔体内炸裂。干燥状态下不同硬岩随升温的损伤规律表现为：石灰岩因表面温度差异大导致裂纹扩展较砂岩和花岗岩更为明显；COMSOL数值模拟持续辐射420,600...     

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.     

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。     

钻孔高压磨料射流预制裂缝的试验研究

详细介绍了后混合式高压磨料水射流割缝实验系统的结构、工作原理和试验方法及方案。利用该系统对岩石进行割缝试验可得:(1)该系统可进行高效的、远距离的以及坚硬岩石的高压磨料水射流切割;(2)磨料类型、水泵压力、割缝速度以及磨料质量浓度等参数都会影响岩石预制裂缝的效果;(3)砂岩、石灰岩、花岗岩获得较好割缝效果的试验参数为:磨料类型分别为河沙、天然棕刚玉、石榴石,气泵压力0.4~0.5MPa,水泵压力60MPa,割缝速度40cm/min,磨料质量浓度2%。对钻孔磨料射流割缝的工业实施具有重要参考价值。     

复合岩层中TBM滚刀与围岩相互作用机理的数值模拟研究

为提高硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)在复合岩层的掘进效率,采用PFC2D(particle flow code 2D)探讨了不同围压下复合岩层裂纹扩展机制,同时采用定量的方法揭示了滚刀间距、贯入度及岩层倾角对破岩效率的影响。结果表明:1)滚刀同软岩直接接触时,滚刀下部裂纹较多,而消耗的能量较少。相反,滚刀同硬岩直接接触时,滚刀下部裂纹较少,消耗的能量却较多。2)岩层倾角对破岩效率的影响较大,45°、90°为破岩效率较高的2个极值点。3)刀间距为70和120mm时比能较小,破岩效率高。4)滚刀破岩以张拉破坏为主,剪切破坏为辅。研究结果可以为复合岩层中TBM刀盘设计及TBM施工提供一定的理论依据。     

水射流在煤层中水平钻孔的试验研究

分析了水射流流动结构中存在的三个射流阶段和水射流作用于煤层时所具有的撞击、冲击、水楔、气蚀、剪切等破岩机理和岩石的破坏过程。深入探讨了目前有关水射流破岩的前沿问题，提议从岩石动态破碎和水射流与岩石的相互耦合作用的角度来分析水射流的破岩过程。提出了用高压水射流在煤层中钻孔的一种新方案，即采用缠绕在辊筒上的连续钢管，将水射流钻头与高压水泵连接起来，在煤层中实施连续钻孔作业，本方案自动化程度高。可加快钻孔速度。通过试验数据分析了水射流破岩距离与射流压力的非线性关系，对钻孔煤渣做了分样分析，认为水射流钻孔产生的煤渣颗粒大于普通的钻孔煤渣。研究结果表明：水射流破岩时存在一个门限压力，水射流压力和流量与破岩效率成非线性变化的相关规律，与流量相比，射流压力对破岩作用更为重要。     

超临界二氧化碳射流冲蚀页岩试验研究

超临界二氧化碳射流破碎页岩是一种极具前景的页岩气钻采方法。选取渝东南露头龙马溪组页岩,基于超临界二氧化碳射流破岩试验平台,开展不同冲击压力的超临界二氧化碳射流冲蚀页岩试验;采用CT、SEM/EDX、XRD、XRF等技术研究冲蚀前后页岩试样的变化规律。研究表明:(1)所选页岩具有低孔、高黏土含量和层理平行发育等特性;(2)超临界二氧化碳射流冲蚀后,页岩端面呈网格化破碎,整体呈大体积层状破碎;(3)超临界二氧化碳对页岩矿物具有腐蚀作用,导致页岩微观结构发生改变,降低了页岩的物理力学特性,有助于射流破岩。     

超临界二氧化碳射流冲蚀页岩实验研究

 超临界二氧化碳射流破碎页岩是一种极具前景的页岩气钻采方法。选取渝东南露头龙马溪组页岩,基于超临界二氧化碳射流破岩试验平台,开展不同冲击压力的超临界二氧化碳射流冲蚀页岩实验;采用CT、SEM/EDX、XRD、XRF等技术研究冲蚀前后页岩试样的变化规律。研究表明：(1) 所选页岩具有低孔、高黏土含量和层理平行发育等特性;(2) 超临界二氧化碳射流冲蚀后,页岩端面呈网格化破碎,整体呈大体积层状破碎;(3) 超临界二氧化碳对页岩矿物具有腐蚀作用,导致页岩微观结构发生改变,降低了页岩的物理力学特性,有助于射流破岩。     

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。     

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–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。     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。     

采用准直管磨料射流掘进硬岩巷(隧)道的可行性试验与探讨

 为了提高坚硬岩石巷道的掘进速度和质量, 研究了准直管磨料射流用于岩石巷道掘进的方案, 分析了准直管磨料射流装备的结构特点和工作原理。试验研究了准直管结构参数、磨料参数、进给速度对射流切割效果的影响。初步研究表明这一设想基本可行, 是一种值得探讨的新型掘进方法。     

水射流设备中关键部件磨损机理的研究

磨料水喷嘴是高压磨料水射流切割设备中的关键部件之一，由于受到磨料粒子的高速冲刷，使它容易磨损失效，不得不经常更换。目前，该喷嘴主要靠进口，使得加工成本过高，影响了高压磨料水射流这种新兴加工方法的推广应用。本文主要研究了磨料水喷嘴的磨损机理，磨损形式及影响高压磨料水喷嘴磨损的主要因素。得出了射流时磨粒磨损和冲蚀磨损是喷嘴磨损的主要原因这一结论，提供了减少磨料水喷嘴的磨损，提高寿命的理论依据。     

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上，利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时，研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明：在同喷距同射流压力条件下，破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加；相比而言，岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用；在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大，岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200－300mmp，随着渗透率的增大，旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。     

花岗岩风化地层双轮铣成槽功效分析

分析了双轮铣冲击破岩的基本原理,推导了岩石在双轮铣冲击作用下的断裂函数,并根据该函数确定岩石破裂的最大冲击力与裂纹扩展方向。在旋挖钻引孔和不引孔两种工况下,对比分析了徐工、中联和意大利土力SC130双轮铣的效率。结果表明:旋挖钻引孔配合双轮铣施工后,徐工、中联双轮铣更换钻齿的次数和数量明显减少;中风化花岗岩中的钻进效率提高2倍左右;微风化花岗岩中的钻进效率提高3倍;成槽时间更是缩短了2~3天;在花岗岩风化地层旋挖钻引孔对土力双轮铣成槽效率无明显影响。     

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。     

粒子破岩钻进技术研究进展及发展趋势

粒子破岩钻进技术在提高深井硬地层和强研磨性地层钻进速度和效益方面具有巨大的发展潜力。在对国内外的研究现状进行广泛调研的基础上,结合研究实际,对粒子破岩钻进的技术路线、粒子注入系统、回收系统以及适合于粒子冲击破岩的井下破岩工具等方面的研究进展进行分析。结果表明:连续、稳定地将高硬度和高研磨性的粒子注入到高压钻井液中,并使其在钻井液中均匀分布,而且能有效回收是该技术的基础;个性化的PID钻头设计和水力参数优化设计是该技术研究的重点;提高系统使用寿命和工作稳定性是加快技术推广应用的突破口;粒子射流对岩石的冲击动载作用和应力波损伤软化作用机制以及射流-机械联合破岩机制研究是该技术研究的前沿。