基于岩屑分形破碎特征的钻井工程能效评价模型

通过分析岩屑的分形破碎特征及钻井工况特点,应用分形岩石力学理论建立钻井工程能效评价模型,模型包括能耗评价模型和能效评价模型2个部分,目的在于研究钻井工程中破岩能耗及能效与岩屑分形破碎特征的关系。研究表明:岩屑粒度分布分形维数、最大粒径尺寸及岩石特性常数是破碎能耗的主要影响因素;水力净化系数、岩屑粒度分布分形维数是破岩能效的主要影响因素,分形维数越大能效就越高,水力净化系数越高能效就越高,影响规律呈现指数变化趋势,岩屑相邻粒度相似比对能效影响不大。     

超高压双流道PDC钻头破岩机制研究

基于岩石弹塑性力学、水动力学及运动学,采用动力接触法模拟射流或机械齿与岩石的交互作用,利用Hoffman失效准则控制岩石破碎的动态边界,采用单步Houbolt算法求解动力方程,建立整体超高压双流道PDC钻头破岩的三维动态数值模型。全面、系统地研究岩石内部应力、岩石的破碎体积、岩石破碎所需能量以及钻压和扭矩等在岩石破碎过程中的变化规律,并对不同刀翼数及超高压喷嘴在不同位置时钻头的破岩效率进行分析,得出最佳双流道PDC钻头的结构。     

破碎概率与分形维数

讨论了破碎体２种分形分布的一致性，有限尺度破碎体分形的几个特征及不等概率分形破碎等问题．证明：尺度范围足够宽时，２种分形是互为近似的．且其粒级可以是更大尺度范围内的任一段；尺度范围不变时，分形维数不仅反映粒度分布，还决定粒级的粗细；一般情况下．满足分形分布的破碎不一定是等概率的破碎．Ｄ≥３时，必然是有限破碎．Ｄ＜３时，也可能是破碎有限的，决定于初始破碎的坚固单元与易碎单元数量分配．给出了某些情况下推断实际分形破碎过程的方法．     

岩石破碎功、坚固性系数、强度关系的实验研究

为了探索岩石突出等地下工程灾害中的岩石破碎功能关系,以岩石破碎理论为基础,进行了不同岩石的破碎和坚固性捣碎实验、破碎粒度筛分分级实验、岩石单轴抗压强度实验。通过对不同岩石的坚固性系数与破碎比功和单轴抗压强度等实验结果进行了回归,分析了三者之间的关系。研究表明,岩石坚固性系数与岩石破碎比功、岩石单轴抗压强度之间线性相关,同时验证了岩石破碎功能关系符合裂纹学说。实验结果对计算岩石动力灾害中的岩石破碎所需能量提供了实验基础和理论依据。     

基于分形级配方程的堆石料颗粒破碎SBG模型

准确预测堆石料在受剪过程中颗粒的破碎率以及相应的级配变化,是揭示堆石料在复杂应力状态下强度、渗透、变形等特性的基础。基于分形级配方程,建立了一个实现"应力应变—破碎指标—级配分布(SBG)"转换的模型。引入Einav破碎指标BE作为衡量颗粒破碎率的指标,对分形级配方程进行变形和积分,推导了颗粒破碎率B_E和分形维数D的数学转换,即"破碎指标—级配分布"的转换。对已有的三轴剪切试验数据进行分析,提出一个可以定量表示颗粒破碎率随剪应变和平均正应力变化的数学模型,模型共有3个参数a,b,c,参数b与土体的临界状态有关,根据临界剪应变可以直接确定。对两组不同的试验数据进行拟合,发现模型预测值与试验值具有较高的吻合度,实现"应力应变—破碎指标"的转换。将以上两种转变联立,成功预测了不同剪应变及平均正应力下堆石料的级配变化。     

基于离散单元法岩石单颗粒压缩破碎研究

基于离散单元法软件PFC~(2D),将粒径为0.075~0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的岩石颗粒,模拟岩石单颗粒压缩破碎试验的应力-应变关系,观察颗粒破碎演化过程,统计单颗粒破碎强度。建立了单颗粒破碎强度的分形模型,推出单颗粒破碎强度公式,并与离散单元数值试验结果进行对比,两者吻合程度很高。模拟不同孔隙率的岩石颗粒压缩破碎试验,结果表明,岩石单颗粒破碎分布的分维随着孔隙率的减小而增大。     

最小抵抗线对岩石破碎块度影响的能量分析

运用分形理论对台阶爆破块度分布规律进行描述,将断裂力学理论与块度分布规律结合推导了台阶爆破岩石破碎能计算方法.基于相似理论浇筑台阶模型并进行爆破试验,研究不同最小抵抗线条件下台阶爆破岩石块度分布规律、岩石破碎能变化规律,试验结果表明:岩块分形维数随最小抵抗线增大呈线性降低,并且分形维数越小,块度评价指标K80、K越大,...     

不等概率分形破碎及有限尺度破碎体分形

本文讨论了破碎体两种分形分布的一致性,有限尺度破碎体分形的几个特征及不等概率分形破碎等问题。证明,尺度范围足够宽时,两种分形是互为近似的,且其粒级可以是更大尺度范围内的任一段;尺度范围不变时,分形维数不仅反映粒度分布,还决定粒组的粗细;一般情况下,满足分形分布的破碎不一定是等概率的破碎．Ｄ＞３时,必然是有限破碎。Ｄ＜３时,也可能是破碎有限的,决定于初始破碎后的坚固单元与易碎单元的数量分配。最后给出了某些情况下推断实际分形破碎过程的方法。     

旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。     

基于颗粒破碎特性的堆石材料级配演化模型

颗粒破碎会改变土体级配,进而影响其应力应变等力学行为。针对现有技术手段难以实时确定加载过程中颗粒破碎与级配变化的现状,依据天然岩石颗粒的破碎特性,建立了一个基于颗粒强度的级配演化模型。模型中应力参数采用增量加载法,可预测加载过程中的级配演化。由单粒强度试验确定颗粒破碎特性和模型参数,试验结果表明颗粒强度服从Weibull分布。筛分颗粒破碎后的碎片发现,粒径累计分布可用正态曲线拟合,且不同粒组的粒径累计分布相似。最后,模型计算结果与三轴试验数据的对比分析表明,模型可以较好地预测试样在加载过程中的级配变化。     

An analytical model for estimating rock strength parameters from small-scale drilling data

The small-scale drilling technique can be a fast and reliable method to estimate rock strength parameters. It needs to link the operational drilling parameters and strength properties of rock. The parameters such as bit geometry, bit movement, contact frictions and crushed zone affect the estimated parameters. An analytical model considering operational drilling data and effective parameters can be used for these purposes. In this research, an analytical model was developed based on limit equilibrium of forces in a T-shaped drag bit considering the effective parameters such as bit geometry, crushed zone and contact frictions in drilling process. Based on the model, a method was used to estimate rock strength parameters such as cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength of different rock types from operational drilling data. Some drilling tests were conducted by a portable and powerful drilling machine which was developed for this work. The obtained results for strength properties of different rock types from the drilling experiments based on the proposed model are in good agreement with the results of standard tests. Experimental results show that the contact friction between the cutting face and rock is close to that between bit end wearing face and rock due to the same bit material. In this case, the strength parameters, especially internal friction angle and cohesion, are estimated only by using a blunt bit drilling data and the bit bluntness does not affect the estimated results.     

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。     

基于损伤能量耗散的岩体块度分布预测

提出一整套岩体块度分布预测方法。首先，根据岩石分形断裂切割岩块的块度形成机制，利用能量守恒关系，建立损伤–能量–碎块尺寸理论关系式。为方便应用，将该式简化。然后，根据块度分布的自相似性，将岩石块度分布特性应用于岩体块度分布预测。提出适合工程应用的损伤模型建立方法，并针对岩体块度分布的特点，定义岩体裂隙损伤参数。作为实例，计算金川节理岩体的块度分布。该研究对于自然崩落法采矿岩体块度分布预测具有重要意义。     

空气冲旋钻井冲击力和机械钻速仿真研究

在钻井机械钻速预测研究中，以前常根据现场数据或试验数据统计拟合得出经验或半经验方程，方程一般含有一些很难确定的系数甚至是不可靠的。为此，借鉴三牙轮钻头仿真理论，建立了冲击旋转钻井系统仿真模型，包括冲击器动力学模型、冲旋钻头真实仿真模型、动态变化的真实井底模型和牙齿与井底岩石相互作用模型，用计算机仿真方法预测出冲击器活塞的冲击力、冲击功和空气冲旋钻井机械钻速。仿真结果和试验数据吻合较好，模型可靠，研究成果可用于冲旋钻头、冲击器设计和钻井参数优选。     

钻屑温度法预测冲击地压的试验研究

钻屑温度法是通过测试钻孔过程中钻屑温度来判断煤矿冲击地压危险性的方法。钻屑温度法考虑了煤体应力、煤体物理力学性质等因素,具备许多传统方法不可替代的优点,是一种很有发展的预测预报方法。钻屑温度包括钻头温度、钻孔温度和煤屑温度。通过理论分析和试验研究相结合,总结了钻孔过程中钻屑温度的变化规律：钻屑温度随着煤体应力的增大而增高,随着煤体强度增加而增高,但随着推进速度增大而降低,钻屑温度变化规律与煤体应力及钻屑量具有较好的一致性,研究结果为煤矿动力灾害进行预测预报提供一定的理论与试验基础。     

岩石损伤和破碎相关性的分形分析

应用先进的实验技术和分形几何方法研究了岩石损伤与岩石破碎。结果表明：岩石初始损伤与岩石破碎有着较强的相关性,可以用分形几何来定量地表征。这意味着有可能通过分析岩石结构中初始缺陷分布,来预测岩石破碎后碎块的尺度分布规律,为岩石破碎理论研究新的途径。     

复合片钻头工艺技术在钾盐矿层中的应用

为提高钾盐矿层钻探时效,节约钻探成本,在某矿区勘探中,分别采用了金刚石钻头工艺技术与复合片钻头工艺技术两种方式进行钾盐矿层钻探研究。研究表明,采用SC-95型绳索钻具复合片钻头工艺技术,以油基泥浆作为冲洗介质,在钻压12～15 kN,转速160～260 R/min,泵量120～160 L/min条件下,进行钾盐矿层钻探,具有破岩性好,钻探时效高,有利于泥浆中岩屑快速沉淀并捞取,可节约泥浆费用等优点。将复合片钻头工艺技术应用于钾盐矿层钻探中,取得了显著的经济技术效果,是钾盐矿层钻探可以推广的一项工艺技术。     

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。     

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。