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。     

人工冻结黏土可钻性试验与分析

以冻结黏土为试样土质,进行了-3,-5,-7,-10,-12,-15,-17,-19℃等温度的可钻性试验,测定了冻土的凿碎比功,对试验结果进行回归分析,较好地建立了冻土可钻性、凿入深度与温度的关系。试验表明,凿入深度随着温度的降低而减小,凿碎比功随着温度的降低而逐渐增大,在同一温度下凿碎比功在开始钻进10周增加较大,后10周增加不大,说明随着温度的降低,冻结黏土的硬度越来越大,钻进深度越来越浅,钻进程度越来越难,抵抗钻具的能力越来越强。     

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.     

风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析

旋转钻进是岩土工程钻探的主要钻进方式,从能量守恒原理出发,对旋转钻进的能量进行分析。同时,在R-20液压式回转钻机上安装数字式钻孔过程监测（DPM）系统,在风化花岗岩地基工程中进行试验,并在监测数据的基础上对钻进能量进行分析计算。研究结果表明,钻进过程中用于破碎岩石的能量主要来自钻进系统的动能,钻进系统用于破碎岩石的能量分配与地层强度特性有关。在风化程度较低或新鲜岩层中钻进时,破碎岩石98%以上的能量来自系统的动能,而轴压力推动钻头位移所给出的能量不到2%;在土层或全风化岩层中,轴压力所做的功达到22%以上,且明显随风化程度的增高而增大,说明钻进系统动能与轴力功可用以表征地层的可钻性,这为实时钻进能量用于地层的识别提供理论依据。     

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%。     

基于钻进参数的岩土地层结构识别技术与方法

岩土地层结构是影响工程稳定与安全的重要因素,是地质及岩土工程勘测的主要内容。研发了一种地层地质界面识别系统,阐述了其基本组成和工作原理,建立了钻进过程识别码及岩土地层结构实时识别方法;通过花岗岩地基钻进试验研究,确定了岩体风化等级以及土层/散体、碎裂岩体及整体岩体结构的比能值范围,建立了金刚石钻进比能的地层结构分级标准,比能值分别是土层及散体为0.0017~0.6955 k N·m/cm3,碎裂岩体为0.0258~0.9798 k N·m/cm3,整体岩体为0.0018~2.4935 k N·m/cm3。研究结果表明,该方法与岩土勘测结果一致,可用于地层地质及岩土地层结构的实时识别,为岩土工程智能勘测提供了新的途径。     

基于随钻参数的不同岩石钻进特征与围岩级别修正

超前水平钻探在隧道施工超前地质预报中具有直观准确的优点,依据能量守恒原理,钻进速率、转速、扭矩、推进力等随钻参数与岩石特征存在较大相关性。分别采集泥岩、砂岩、花岗岩、石英片岩4种岩石随钻参数进行分析比较,通过钻进功速比进行分析后表明,随钻参数和钻进功速比与岩石特征响应性较好,随着钻进深度增大,岩石强度与扭矩成正比,最终利用不同岩性的功速比范围,划分了功速比与岩石强度的相关性指标范围,并结合钻进记录用于围岩级别修正,取得较好的效果。     

高强度花岗岩孤石群地区钻孔桩成孔施工技术

深圳地铁4号线403标,需要在高强度、各向异性、大倾角等特性的球状风化花岗岩孤石群地层中进行端承桩成孔,采用常规钻孔、冲击、人工挖孔等技术无法成孔;该桩基群距离两侧建筑物仅约20m,且邻近1幢建筑物已严重倾斜,鉴定判断已属于危房等级,更无法采用常规成孔技术结合爆破作业。经论证,最终采用碾压钻进、套筒取芯等多种回转成孔技术,配以反循环泥浆护壁,取得成功。     

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。     

隧道炮孔钻进信息地质预报初探

采用自研的炮孔钻进信息采集系统,记录钻进速度,在不同质量等级的围岩中开展钻进测试,对炮孔钻进地质预报在隧道掘进中的应用进行初步研究。测试结果表明钻进速率与岩体级别密切相关,钻进速度越快围岩的质量越差,钻进速度可作为判识岩体质量的关键指标。测试隧道的钻进速度变化幅度与岩体的节理裂隙发育情况密切相关,钻进速度的变化幅度越大与岩体节理裂隙越发育。     

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。     

高温岩体地热钻井施工关键技术研究

 高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是深钻施工。根据中国高温岩体地热资源赋存的地质特征,在试验研究、理论分析和数值模拟的基础上,提出高温岩体地热钻井施工中三大关键技术问题：钻井围岩稳定性控制技术、高温高压破岩技术、高温高压钻井液技术。进而从高温岩体地热开采中钻井围岩失稳的主要因素、热力耦合作用下钻井围岩流变特性、高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件,提出高温岩体地热深钻施工中钻井围岩稳定性控制技术。通过对高温高压下花岗岩中冲击破岩、切削破岩、冲击–切削复合破岩的试验研究及不同温度下3种破岩方式的比较,获得高温高压下3种破岩方式的破岩规律。最后从高温对钻井液的影响、地热钻井对高温处理剂的一般要求、钻井液的性能对井壁稳定的影响及应对措施,提出解决高温岩体地热深钻施工的钻井液技术要求。高温高压下深钻施工关键技术的研究,对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。     

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。     

山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究

 我国西部山前的高陡构造油气蕴藏丰富,但剧烈构造运动形成的节理岩体在钻井过程中容易出现井壁失稳问题,严重制约了勘探开发效益的提高。深入研究节理岩体井壁失稳机制对解决这一难题具有重要意义。结合中国天山山脉南缘霍尔果斯构造的地质情况,利用RFPA2D-flow软件建立山前构造节理岩体的井眼模型,探讨了井眼周围应力场和渗流场的特点,模拟了井壁围岩失稳坍塌的过程,讨论了稳定井壁的对策。井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上,而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上,随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高,并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌,井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明,降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳,说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性;过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏,然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响,说明控制泥浆密度上限是必要的。研究成果对山前高陡构造钻井的井壁稳定问题具有参考价值。     

基于矿物结构与钻探的花岗岩地质强度指标研究及应用

 受Hoek对泥砂岩地质强度指标(GSI)图研究的启发,在野外工作和室内试验的基础上,尝试建立一个基于矿物结构与钻探的花岗岩GSI量化取值图：(1) 该图引进岩石矿物结构、完整岩芯长度、节理条件等参数来对GSI取值进行量化;(2) 用典型完整岩芯照片代替GSI取值图里岩体结构的素描图,并结合野外岩芯RQD、采芯率、岩体结构等特征对该照片进行描述。根据Hoek-Brown准则,利用该GSI图计算出花岗岩的弹性模量E,其与勘察单位给出的E值最小误差为0.11 GPa,说明该图具有一定的科学性,可用于钻探的场地花岗岩体力学参数估算。     

深层盐岩本构关系及其在石油钻井工程中的应用研究

在大量现场盐岩蠕变力学试验的基础上，对盐岩的蠕变特性进行了研究，分析了稳态蠕变规律，提出了稳态蠕变三维分析方程，并针对深层盐岩地区石油钻井中的泥浆密度确定难题，采用FLAC^3D软件，给出了优化的泥浆密度图谱，为合理进行钻井液密度设计奠定了基础。     

钻井液浸泡对库车组泥岩强度的影响及应用研究

 通过岩石三轴抗压实验研究包含在用钻井液体系在内的多套钻井液体系对库车组泥岩强度特性的影响。在已有钻井液性能评价方法的基础上,结合泥岩受不同钻井液体系浸泡24 h后所表现出的应力–应变规律及浸泡前后岩石力学性能、岩石变形和破坏规律,对现用钻井液体系进行筛选和优化研究,获得对该泥岩地层具有更好稳定作用的钻井液体系;通过对不同钻井液体系浸泡前后岩石的强度测试结果,计算分析不同体系下的地层坍塌压力变化,成果应用到现场钻井,稳定井壁及提速效果显著。研究表明：通过优化钻井液体系可以调整和改变泥岩地层的强度特性,最佳状态下的钻井液应该使泥岩浸泡前后表现出基本相同的应力–应变规律;在现有钻井液评价技术中引入岩石强度特性研究成果,不仅将泥岩与钻井液的化学力学耦合作用主动地引到钻井液体系的优化设计当中,而且为从源头上遏制钻井液与目标泥岩地层之间可能出现的化学力学耦合作用对泥岩地层井壁稳定带来的不确定影响奠定了理论基础和方法基础;把钻井液体系设计与优化和井壁力学稳定性相结合,为获得钻井目标泥岩地层坍塌压力,实现低密度钻井液安全、高效钻井奠定了基础;泥岩与不同钻井液体系接触后表现出的变形破坏规律是泥岩地层钻井液稳定井壁性能优化的重要依据,根据泥岩浸泡前后应力–应变特征的研究可以实现对钻井液性能的评价和优选。     

岩体质量评价在清江水布垭面板坝趾板建基岩体验收中的应用

清江水布垭面板坝坝高233m，为目前世界最高面板坝，其趾板建基岩体软硬相间，岩性复杂，如何从经济和工程安全两方面，确定建基岩体利用和验收标准值得研究。以往经常采用岩体风化程度或者岩体波速作为水工建筑物建基岩体利用和开挖后的验收标准，但不能全面反映岩体强度、变形特性及抗渗性等岩体质量特征。提出以工程岩体分级作为趾板建基岩体质量评价方法，建立了相应的岩体利用和验收标准，并应用于趾板建基岩体验收。通过岩体声波测试和岩石抗压强度试验，对趾板建基岩体质量进行评价，并进行岩体质量分区，指出了质量较差岩体分布部位，在施工过程中得到及时处理。