油气钻井组合载荷破岩数值试验研究

机械破岩是各类油气井钻进工程中重要的基础技术。运用岩石破裂分析系统RFPA,对不同组合载荷加载条件下压头侵入破碎硬岩(花岗岩)和软岩(页岩)情况进行了数值试验,采用声发射能量作为表征岩石破碎效果的指标。结果表明:较小的单一静载荷或动载荷破碎软岩可取得良好的破岩效果,但对硬岩则效果不佳;不论软岩还是硬岩,静、动组合载荷破碎岩石单元数量和声发射能量均大于单一静载荷或动载荷;声发射能量可以作为衡量最终破岩效果的指标。     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷-侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载-卸载-加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。     

基于冲击载荷的硬质合金球齿碎岩机理研究

在滑坡防治大直径桩孔施工过程中,快速钻进是治理成功的关键。因此选用合适的钻进机具与工艺极其重要,而气动潜孔锤因钻进效率高被广泛应用。气动潜孔锤钻进过程中,通过钻头底部球齿对岩石进行切削,达到高效碎岩目的,但球齿在破碎岩石过程中若冲击功选用不恰当,会导致能量损耗增大、球齿磨损较快、钻进效率低等问题,因此选用合适的冲击功进行碎岩具有重要意义。本文采用ABAQUS软件对单个球齿冲击岩石的过程进行了数值模拟,并进行了冲锤自由落体冲击实验,分析Φ19 mm的球齿在不同冲击功条件下的碎岩机理、破碎面积的变化规律。结果表明球齿碎岩机理分为3个阶段:弹性变形、压裂、体积破碎,且当球齿以30 J冲击功钻进花岗岩时,可有效降低能量损耗与提高碎岩效率。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率。采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏。超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果。超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用。     

基于岩石表面位移场的超声波振动下花岗岩损伤特性试验研究

超声波振动碎岩技术作为解决硬岩钻进难题的新方法,其技术可行性受到国内外学者的大量验证,但是对于超声波振动下硬岩破碎机理的认识还存在不足。超声波振动下岩石表面径向响应位移与内部损伤状态存在着必然的联系,本文通过监测岩石在超声波振动过程中表面不同深度处的径向响应位移,利用应力波传播理论从能量耗散角度分析了岩石表面不同深度监测点径向响应位移的时空演化与岩石内部损伤发展的关系,得出超声波振动下岩石损伤主要由振动头高频冲击岩石造成的Hertz锥形环状裂纹和超声波振动交变应力产生的疲劳拉伸裂纹造成的,Hertz锥形环状裂纹的扩展深度为10 mm,疲劳损伤裂纹主要在10~20 mm深度处产生,超声波振动下岩石发生局部宏观破碎前存在着明显的径向响应位移征兆,岩石表面径向响应位移可以作为超声波振动下的破坏判据。本文的研究对于丰富超声波振动下硬岩的破碎机理具有重要意义。     

单齿回转切削力学模型的研究进展

碎岩机理研究是提升碎岩效率和提高钻头寿命的前提和依据,而回转切削力学模型是碎岩机理的重要研究基础。通过对国内外典型单齿回转切削力学模型调研分析,归纳出力学模型研究动态主要表现在基于岩石不同破碎形式及岩石与切削齿不同接触形式方面。岩石切削力的分解由初期的切向力和轴向力,发展为主切削力、摩擦力以及切削齿磨钝后力的分解,认为切削力的分解及传递过程直接影响切削齿对岩石作用的应力分布状态,从而导致岩石破碎形式的差异。这些差异主要体现在岩石宏观和微观2种不同破碎形式:岩石的宏观破碎形式主要是由拉伸作用或者剪切作用导致破碎;岩石的微观破碎形式表现为拉剪联合作用导致破碎。微观破碎以内部裂隙产生到裂纹扩展,最终导致岩石宏观破碎现象。最后对单齿回转切削力学模型研究的发展方向提出一定建议。     

基于ABAQUS的气动潜孔锤球齿碎岩及布齿优化

为提高坚硬地层大直径潜孔锤的破岩效率与使用寿命,运用ABAQUS软件建立了球齿碎岩仿真模型,对比分析?18 mm球齿在不同钻进参数下冲击切削碎岩过程中的破碎比功、侵入深度、破碎范围与应力影响范围等曲线,优选钻进参数和布齿。分析结果表明：当钻压为1.2 kN、冲击功为30 J时,对岩石的破碎效率较高,球齿入岩的位移可达0.67 mm,并对岩石进行应力界限划分,得出应力影响范围为43.4 mm;通过双齿冲击切削模拟确定了较为优秀的圈距与间距：圈距取47.4 mm,间距取43.4～51.4 mm;考虑到球齿的磨损,利用圈距与间距对?711 mm大直径潜孔锤进行了优化布齿。     

高地力环境下聚能爆破动、静作用对岩石内裂纹起裂与扩展机理研究

深部硬岩深孔爆破弱化是一个爆炸动静荷载与地应力耦合作用下的无自由面爆破过程,地应力对爆破裂纹扩展具有很强的抑制作用,这极大地限制了深孔爆破在工作面硬岩的预弱化及切顶卸压等工程中的应用。为了探索地应力影响下的无限岩石爆破中应力波与爆生气体二者对裂纹起裂与扩展的作用机理,采用爆炸力学与断裂力学理论推导了聚能爆破动作用阶段的裂纹长度,利用LSDYNA软件研究了地应力作用下聚能爆破动、静作用下的岩石内裂纹起裂与扩展过程。结果表明：(1)数值模拟结果指向动、静作用的时间分界点为32μs,聚能爆破动作用阶段对裂纹的起裂及初始扩展占主导地位,爆生气体静作用对裂纹的后期扩展占主导。(2)无地应力作用时,静作用阶段裂纹扩展长度是应力波动作用阶段的11倍。地应力为20 MPa时,聚能爆破中动作用阶段裂纹长度被抑制了12.4%,静作用阶段裂纹长度被抑制了86.3%,地应力主要对后期爆生气体静作用阶段的裂纹扩展起抑制作用;侧向地应力垂直于裂纹扩展方向时,其抑制作用随侧向地应力增大而减弱;(3)依托古城矿N1302工作面切顶卸压工程背景,在考虑现场地应力及施工条件下,通过数值模拟最终确定最佳不耦合系数为1.3,...     

空隙率对潜孔锤凿岩瞬态冲击过程的影响

潜孔锤的钻进过程是一个高度非线性、大变形、破碎岩石的过程,利用非线性有限元程序ANSYS/LS-DY-NA研究了在凿岩过程中,球齿凿入不同空隙率(塑性体积应变)岩石的冲击力特性。结果表明,岩石空隙率对钻头球齿与岩石之间的凿入冲击力幅值有很大影响,随着空隙率的增大,球齿凿入的冲击力显著减小,而对活塞与钻头间冲击力幅值影响甚微。通过ANSYS/LS-DYNA瞬态冲击数值模拟,形象地再现了潜孔锤钻凿系统冲击岩石发生侵入破坏的物理过程,为冲击碎岩瞬态研究提供了一个有效的分析方法。     

碟盘刀具上刀齿切削煤岩的载荷特性研究

为探求碟盘刀具切削煤岩载荷规律和高效破碎煤岩机构特性评价方法,采用碟盘刀具结构简化处理方法,以一个刀齿作为等效分析单元,在载荷理论模型构建中,给出了等效切削厚度的概念和算法,以数值模拟、试验和理论方法获取了刀齿切削煤岩的载荷曲线,探讨轴向振动径向切削煤岩载荷特性和对比特征。结果表明:刀齿径向切削数值模拟、试验和理论载荷随楔面角的变化规律是吻合的,验证了刀齿径向切削煤岩力学模型的正确性,其理论径向载荷与试验最大值和平均值分别减小5%和增大14%,轴向载荷均值理论与试验均值减小19.5%,轴向载荷方向呈现正负的变化,当完全楔入煤岩中,轴向载荷方向呈现由向下变为向上的变化规律。类比分析了刀齿轴向向上振动与径向复合切削,其径向载荷理论值比径向切削试验均值减少了约32%,而轴向载荷比试验均值减少了约27%。碟盘刀具轴向振动径向复合切削方法破碎煤岩特性的研究,为研制硬岩破碎机构提供技术参考。     

动载诱发冲击地压的实验研究

运用自主研发的冲击岩爆实验系统,进行了动载诱发冲击地压实验研究,提出了一种判别动载是否诱发冲击地压的实验方法。实验采用对加载至500 m深度应力状态下的带圆柱形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σv方向逐级施加扰动波,σh保持在恒定应力水平的加载方式,模拟了500 m深度砂岩巷道,由于顶板垮落产生垂直向冲击扰动,由此诱发冲击地压破坏的过程。通过数据采集系统实时采集力和位移数据,获得应力应变曲线;通过图像采集系统实时拍摄动载诱发冲击地压过程,获得颗粒弹射、碎屑剥落等特征现象。实验发现,动载诱发冲击地压过程经历了平静期、颗粒弹射、碎屑剥落和冲击地压剧烈破坏4个阶段。对巷道围岩应力状态进行计算,得出动载诱发冲击地压时巷道围岩最大切向应力大于其单轴抗压强度。对碎屑特征及微观结构分析发现,动载诱发冲击地压产生的碎屑呈现出明显的片状特征,以中、细粒碎屑为主,通过电镜扫描可见穿晶裂纹。计算碎屑块度分形维数表明,动载诱发冲击地压破碎程度较单轴压缩破坏高。     

非常规碎岩技术的研究进展

论述了非常规碎岩方法——热熔岩法、热机碎岩法和脉冲放电碎岩法的碎岩机理、碎岩工具以及工艺等技术的国内外研究取得的成果。国内的热熔岩技术研究在热熔器结构上取得突破,处于国际先进水平。热机钻进产生的温度能达到岩石的最佳热破碎温度,说明工艺是可行的。脉冲放电碎岩法在小直径钻孔中的试验,表明了其比常规碎岩法具有非常低的能量消耗。     

钻孔内岩石局部爆破破碎若干影响因素分析

钻孔内小自由面条件下对岩矿石局部进行准确地爆破破碎并非易事,这一问题的解决将有助于便捷地通过钻孔获取大量的矿物岩石,提高水溶法采盐、地浸采铀的作业效率,同时使得通过钻孔开采某些具有重大潜在价值的难采矿产成为可能,这无论对钻孔取样还是钻孔采矿都具有重要的意义。论述了钻孔内岩石爆破破碎涉及的技术问题,并对钻孔内岩石爆破破碎若干影响因素进行了分析。在充分考虑各种岩矿赋存条件的基础上,采取合理的加载形式获得钻孔局部岩层较好的爆破破碎效果是可行的。     

新型广谱金刚石破碎岩石工具的研制

新型广谱金刚石钻头由钻头钢体和金刚石刀头组成。金刚石刀头由若干含金刚石孕镶层和纯合金层相间组成。该新型金刚石钻头破碎岩石是以金刚石破碎为主、以破碎穴效应为辅的方式进行的。其特点是破碎岩石效率较高，对岩石的适应性较强，使用寿命高，钻头的导向性及工作稳定性较好，钻进效果与钻进质量明显提高。     

冲击加载下矽卡岩破碎能耗与块度关系的试验研究

破碎能耗、碎块数量和块度间的关系是岩石破碎的一个基本问题。利用SHPB装置及半正弦波加载, 对矽卡岩试样进行冲击破碎试验, 采用筛分法获得了破碎岩块的块度分布, 从而得到了冲击加载下入射能量与矽卡岩破碎能耗之间的关系, 以及矽卡岩破碎能耗、块度分布之间的定量关系。     

用数值模型研究爆破漏斗的形成

将一种新开发出来的破坏模型用于漏斗爆破岩体破坏机理的研究。模拟结果显示出,由于炸药爆炸,岩体中产生压缩破坏,强烈的压力波在岩体中产生的受压圈以膨胀政速度向四周传播,在炸药周围形成破碎带。随着受压圈离开破碎带向外传播,在与径向应力垂直的方向上产生的张应力导致岩体发生张破坏,在炸药周围形成破坏带。破坏带的形成与炸药埋藏深度无关,不受自由面反射波干扰。当受压圈到达自由面时产生反射,引起岩体破坏,在地表形成另一个破坏带。模型还揭示了炸药理课是这两个破坏带相关性的控制因素。块度计算结果正如实际爆破中观察的那样,随着炸药理深增大;平均块度变大,块度均匀性降低。     

TBM破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法

采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合（FEM-SPH）的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大于中央裂纹的扩展速度;在微裂纹扩展阶段,中央裂纹的扩展速度大于侧向裂纹的扩展速度;当滚刀向岩体的边缘滚动时,边缘部位的岩石以扇形失效;压碎区形成阶段,每个滚刀单独作用在岩石上,在每滚刀的下方形成一个锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,由于滚刀之间的相互作用,赫兹裂纹改变扩展方向;在微裂纹扩展阶段,赫兹裂纹连接和贯通,形成岩片。     

岩石的热损伤效应

以实验结果为基础,着重从热损伤对岩石强度、断裂韧度和破碎性能的影响等方面,论述了加热引起的岩石力学性质及破碎性能的变化情况。结果表明,岩石的热开裂损伤是一种普遍现象,并对岩石的力学性质等有显著影响。根据岩石的热损伤效应,作者指出,在选矿工程中对矿石进行热处理后冷却,然后再进行机械破碎和粉碎可能是一条比单纯机械破碎或单纯热冲击破碎更有效的途径。     

岩体爆破破碎的微观机理

利用扫描电镜对三种岩石的岩体及有机平板玻璃的爆破破碎现象进行了观测，对观测结果进行了分析、对比与讨论，分析了爆炸荷载作用下岩体破碎的微观机理。     

地质动力区划在北票矿区的应用

简要介绍了地质动力区划方法及其研究内容，并结合北票矿区应用实例展示了该方法在我国的应用前景。