直旋混合射流钻头结构参数优化

煤层水力喷射穿层钻孔技术的核心部件为水射流钻头,而直旋混合射流钻头因其穿层钻孔效率高、稳定性好等优势成为一种常用的水射流钻头。为了得到直旋混合射流钻头的最优结构参数,选择影响钻孔能力的主要参数,先运用Fluent数值模拟分析不同叶轮槽倾角、混合腔长度、叶轮厚度的速度云图,然后通过试验对数值模拟分析结果进行验证,最终得出钻头最优结构参数为混合腔长度6 mm、叶轮厚度4 mm、叶轮槽倾角40°。分析表明：合理地匹配各组参数,可以有效提高钻孔能力。     

多孔射流钻头破岩钻孔规律试验研究

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数(冲蚀时间、射流压力、围压、喷距)和结构参数(孔眼数量和侧向孔眼扩散角)对破岩效果的影响,结果表明:随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。     

钻机旋冲钻孔过程中破岩效率的研究

针对岩石钻机旋冲钻孔过程中破岩效率低的问题,基于岩石力学理论和有限元理论,建立了球形钻齿与岩石的相互作用受力模型以及旋冲钻孔破岩的有限元模型。采用了非线性有限元分析软件LS-DYNA来模拟不同参数下的旋冲钻孔过程,得到了钻头破岩过程中钻齿吃入深度与时间以及破碎体积、破碎比功随转速和频率的变化曲线;分析了转速与频率对破岩效率的影响规律。研究结果表明:转速对钻齿吃入深度影响不大,岩石破碎主要发生在冲击力卸载之后,当转速在30 r/min～35 r/min,频率在20 Hz～30 Hz范围内,破岩效率相对较高,能够充分提高能量利用率;该结果可以为钻头的合理设计以及岩石钻具的钻孔工艺参数选择提供依据。     

旋转磨料射流钻孔储层适应性研究

为了揭示旋转磨料射流破岩钻孔储层适用性，以油气储层常见岩石为试验岩样，分析了其破岩成孔特性和关键参数影响规律，并基于ALE-FEM流-固耦合方法，开展了其破岩机理研究。结果表明：旋转磨料射流可高效破碎页岩、煤岩、灰岩、砂岩、花岗岩，形成壁面光滑、带锥形凸起的大直径规则圆形孔眼；射流成孔直径和成孔深度随喷射压力增加而增大，随岩石抗拉强度增大而降低；射流压力25 MPa下，上述各类岩石成孔直径分别为50,90,62,70,53 mm；在旋转磨料射流冲击下，岩石表面出现环形应力集中带，且环形应力集中带宽度随喷射时间增加而增大，揭示了锥形凸起形成过程。研究结果可为旋转磨料射流应用于径向水平井技术提供参考和理论指导。     

钢粒子水射流联合破岩试验研究

在自制的截割试验台进行钢粒子水射流联合破岩的试验研究,对截齿破岩冲蚀体积测量,通过截割测试系统对截齿截割力实时监测。试验结果表明:在同一条件下,钢粒子水射流联合破岩效果明显优于纯水射流辅助破岩;钢粒子水射流联合破岩的实际最优粒径为0.5～1.5mm;钢粒子水射流联合截割时截割力的平均值、最大—平均值以及最大值都比纯水射流辅助截割时要小得多,且所受截割力的波动性也很小。     

非开挖市政道路施工钻孔组合型多级破岩钻头设计

通过对破岩机理及钻头冲旋破碎岩石过程的研究,设计了两种适用于市政道路非开挖干法输送泥屑的组合型多级破岩钻头。通过实验,验证了采用组合型多级破岩钻头对含有大卵砾石土层进行钻削,可以得到气力输送所期望的碎泥屑,为干法气力输送泥屑奠定了技术基础。     

基于射流机理的泥浆罐清洗工艺参数研究

针对传统钻井泥浆罐清洗采用人工进罐作业,存在安全隐患及效率低等问题,结合泥浆罐结构和罐内油泥沉积特点,从泥浆罐清洗工艺出发,分析“以油洗油”射流方式对罐内油泥冲击、破碎和溶解的清洗机理,开展射流轨迹模型、喷枪清洗模式、射流打击力等研究。结果表明,当射流压力为0.7 MPa、流量为500 L/min、喷嘴出口直径为18 mm时,以白油为射流清洗介质,当靶距为8 m时,射流打击力为213 N,所研制的三维旋转喷枪完全满足典型钻井泥浆罐清洗作业要求。同时,三维旋转喷枪设置有罐底和罐壁2种分区清洗模式,通过清洗模式的切换,实现泥浆罐全方位清洗。研究结果可为泥浆站钻井泥浆罐安全、高效、自动化清洗提供参考。     

前混合磨料射流水下切割钢板的试验研究

运用前混合磨料射流发生系统和水下切割试验台,对影响射流水下切割钢板的诸参数进行试验,得到了一些结论.这些结论为进一步研究新型水下切割技术提供了试验依据.     

水射流—机械刀具联合破岩的影响因素试验研究

为提高机械刀具破岩效率,在水射流—机械刀具联合破岩试验台上研究了水射流参数(射流入射角、喷嘴位置、靶距等)对联合破岩效果的影响。试验结果表明:喷嘴位置在刀具前方时,形成的煤岩碎片块度大,刀具的切削比能耗小,联合破岩效果优于喷嘴布置在刀具的两侧的破岩效果;刀具的切削比能耗与水射流入射角、靶距以及喷嘴和刀具距离的关系均呈抛物线变化,水射流入射角为120。、靶距为喷嘴直径5.5倍左右、喷嘴和刀具距离为切削深度的1.6倍左右时切削比能耗最低。     

TBM的刀具改性与辅助破岩技术研究现状

硬岩掘进机(TBM)主要依赖滚刀-岩石界面的滚压作用进行隧道掘进作业,滚刀刀圈磨损严重、更换频繁,严重影响TBM掘进效率.本文介绍了TBM滚刀破岩原理与典型失效形式;从滚刀材料改性和结构优化角度归纳总结了TBM刀具改性的研究现状,指出单纯的滚刀改性优化对TBM掘进效率的提升作用有限;进而介绍了水射流、超声、激光和微波等外加物理场辅助破岩技术的研究进展;最后,从岩石力学性能化学弱化角度探讨了辅助破岩技术的新思路.     

空化射流效应的实验研究

在对空化射流实验研究的基础上，研究了提高射流冲蚀性能的基本参数。分析这些参数得出如下结论：最佳冲蚀效果的有效靶距直径比为6，最佳冲蚀时间为3min；空化射流深度冲蚀能力平均为普通射流深度冲蚀能力的2倍，空化射流切缝直径是普通射流切缝直径的2．3倍；空化射流有利于深孔与大孔的切割，但随着围压的增大，冲蚀能力减弱。     

Rock Breaking Performance of a Pick Assisted by High-pressure Water Jet under Different Configuration Modes

In the process of rock breaking, the conical pick bears great cutting force and wear, as a result, high-pressure water jet technology is used to assist with cutting. However, the effect of the water je...     

硬岩掘进机高压水耦合破岩影响因素实验研究

硬岩掘进机(TBM)在硬岩甚至超硬岩段掘进时,采用高压水射流辅助破岩成为一种有效提高破岩效率的新的研究方向.由于高压水射流破岩受诸多因素影响,作用规律复杂,其破岩机理一直未能被准确揭示.主要利用正交实验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,同时结合刀盘贯入度优化水射流压力、喷嘴直径、...     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

脉冲液体射流泵压力特性的试验研究

分别运用脉冲射流和恒定射流对液体射流泵内的压力特性进行了试验研究,分析了液体射流泵内的压力变化特性及其对射流泵性能的影响。结果表明,脉冲液体射流泵的压力特性及其性能优于恒定液体射流泵的压力特性及其性能,验证了脉冲射流是提高液体射流泵性能的有效途径。研究结果为深入研究脉冲液体射流泵的基本性能提供了依据。     

新型旋转射流多孔喷嘴流场的分析

设计了一种适用径向水平井技术的旋转射流多孔喷嘴。其前端面均布3个不同切向倾角15°、30°、45°的孔眼。利用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对该喷嘴流场特征进行了研究,并与试验破岩结果进行了对比。结果表明,15°孔眼轴向速度较大,扩散性差,衰减缓慢,类似直射流,破岩效果适中;30°孔眼轴向、径向、切向速度均较大,扩散性适中,衰减较慢,其破岩效果最佳;45°孔眼虽具有较高切向、径向速度,但扩散性较强,衰减较严重,可形成较大破岩面积,但破岩深度有限;3个孔眼破岩面积在径向存在重叠,当喷嘴旋转时,可轨道扫描式完成联合破岩;不同倾角破岩效果不同,本试验中30°倾角的孔眼破岩效果最佳。流场数值模拟结果与实际破岩效果基本一致。     

摆振磨料水射流切落能力的试验研究

采用正交试验的方法,通过对摆振磨料水射流切落煤岩的试验及结果的分析,初步探索了摆振磨料水射流切落煤岩的特点,验证了摆振磨料水射流的可行性及其高效、低耗的切落特点,为摆振磨料水射流的实际应用提供了理论依据.     

刀刃角与岩石节理倾角对盘型滚刀破岩效率的影响

为了研究节理倾角与刀刃角对滚刀破岩效率的影响,运用ABAQUS有限元分析软件,采用Druker-Prager弹塑性本构模型模拟岩石材料,使用不同刀刃角的滚刀对不同节理倾角的岩石进行滚切加工,并结合破岩比能理论研究破岩效率,以破岩比能最小为依据确定不同节理倾角下的最优刀刃角。研究结果表明:不论倾角如何,节理层处的岩石破碎效果优于其他地方的破碎效果;在节理倾角为0°和30°时,滚刀的破岩比能呈波动的趋势,而且最优刀刃角为60°;在节理倾角为60°时,最优刀刃角为45°～50°;在节理倾角为90°时,最优刀刃角为40°～45°;随着节理倾角的增加,最优刀刃角呈不断减小趋势。该研究结果可为不同地质条件下盾构施工时的刀具选型提供一定的理论依据。     

岩盐的蠕变变形规律及参数试验研究

以娄庄盐矿第16层岩盐为研究对象,采用单试件多级加载方式,试验研究了该岩盐的单轴蠕变变形特征。结果表明,岩盐的蠕变变形可以采用形如y=a（1-e-bx ）的指数函数描述,蠕变参数a和b可以用蠕变应力σ的幂函数来描述。岩盐的长期强度约为瞬时单轴强度的68%。