热力射流温度场及温度应力数值模拟研究

热力射流破岩技术是指利用高温介质诸如超临界水对岩石进行快速局部加热达到破碎岩石的目的。由于岩石基质热导率很低，因此会在岩石表面形成温度应力。当温度应力超过岩石的强度，会在岩石内部形成微裂缝，且裂缝不断扩展最终使得岩石表面发生热裂解，热裂解作用导致岩石表面从本体脱落从而使得岩石破碎。基于热-固耦合理论建立了热裂解钻井模型，利用Crank-Nicolson差分方法求解得到了热裂解过程中井底岩石温度场和温度应力的分布规律。结果表明，在热裂解钻井过程中，岩石受热部分温度迅速升高，在径向和轴向方向上产生温度梯度；受热部分体积膨胀在径向方向上受到压应力作用，在轴向方向上发生屈曲，受到剪应力作用。研究成果对热裂解钻井的现场应用具有十分重要的指导意义。     

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

围压条件下TBM边缘滚刀破岩模式

为了解边缘滚刀的破岩特性,对其破岩过程与机理开展了系统研究.建立了某深埋全断面岩石隧道掘进机(TBM)开挖隧道三维有限元模型,在掌子面过渡圆弧周边设置边缘滚刀破岩模型边界,导出边界上的围压数值并施加在颗粒流模型边界上.模型考虑5种围压模式,相位角为0°,30°,60°,90°时的岩石应力状态分别记为模式1~模式4,无围压状态记为模式5.结果表明:围压模式1中岩石双向应力和、双向应力比均最大,破岩比能最低;模式3中,岩石受到滚刀水平向力作用而近似处于双向等值应力状态,破岩比能最高;从模式1到模式3,有利破岩的竖向应力递减;从模式5到模式3,不利破岩的水平应力增加,导致模式3条件下刀具破岩效率最低;有围压模式的侧向力系数和滚刀切入率均高于无围压模式.     

冲旋钻井条件下的岩石破碎机理

冲旋钻井因其具有较高的钻速和较小的井斜,而广泛应用于矿山、石油与天然气领域的钻井工程中.为了揭示冲旋钻井的破碎机理,考虑静压、冲击和旋转的耦合作用,分别建立了牙齿和12 1/4″全尺寸平底钻头与岩石的三维冲击动力学模型.对所建立的模型进行有限元求解,结果显示:拉应力破碎是岩石破碎的主要形式,剪切应力、压应力破碎次之;岩石的破碎主要发生在岩石的拉应力失效阶段和卸载后的静压-旋转剪切破岩阶段;岩石在单齿的作用下可以显著地分成4个半球形区域;全尺寸钻头的破岩过程可以分成5个破碎阶段;边齿倾角越大,破岩侵深越小,破碎体积越大,齿顶应力越高;钻头边齿齿顶和齿孔应力均远高于中心齿,极易最先破坏;岩石越硬,牙齿侵入深度越小,破岩体积越大.研究结果与一系列的室内实验研究结果一致,可用于冲旋钻井钻头的优化设计及冲旋钻井参数的优选.     

激光作用下岩石内的温度分布

根据电磁波与物质相互作用的半经典理论，通过解不稳定导热微分方程，导出在激光作用下岩石内的一种温度分布，其结果可作为研究激光破岩的基础。     

不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩机制

为了研究TBM盘形滚刀在不同动静载荷组合作用下切削花岗岩过程中的切削特性,在动静载荷组合作用下对盘形滚刀进行受力分析,采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维数值模型,研究破岩过程岩石内部的裂纹扩展情况、内应力分布情况以及盘形滚刀的贯入度和破岩比能耗,分析在不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩的情形,得到破岩效果最优的动静载荷组合。研究结果表明:随着静载荷和冲击动载荷增加,盘形滚刀的贯入度增加;盘形滚刀在动静载荷组合作用下破岩过程分为3个阶段,岩石内部应力基本符合J.Boussinesq应力圆规律;动静组合载荷作用下,岩石内部萌发的侧向裂纹比中间裂纹扩展得更快,以受拉破坏为主;破碎体积、贯入度和破岩效率相对于单一静载或单一动载有很大的提高;合理选取动静组合载荷能使破岩比能耗最小,破岩效果最好。     

牙轮钻头喷嘴射流破岩机理研究

本文以喷嘴射流冲蚀岩石为依据,对牙轮钻头的破岩方式、喷嘴射流的水力破岩和水力辅助破岩机理以及破岩的基本作用和影响因素进行了分析研究。结果表明,在现有机泵条件下牙轮钻头喷嘴射流对泥岩、页岩和粗粒砂岩具有直接水力破岩作用,对石灰岩、细粒砂岩有较好的水力辅助破岩作用。喷嘴射流冲击压力、射流的脉动特性、岩石的孔隙度和裂缝发育条件是影响水力破岩和水力辅助破岩的三个重要因素。     

不同地应力下TBM盘形滚刀破岩特性

根据Mohr-Coulomb准则分析岩石强度与地应力的变化关系,对不同地应力下盘形滚刀破岩载荷模型进行修正;以锦屏二级水电站TBM掘进现场实测的数据为依据,建立有初始地应力和无初始地应力下盘形滚刀破岩仿真模型,并进行无初始应力滚刀破岩试验,研究盘形滚刀破岩载荷特性及岩石破碎特征。研究结果表明:随着地应力的增大,三向力载荷增大;在各个贯入度下,初始应力为28~36 MPa时与0 MPa时相比,垂直力和滚动力的增加幅度较大,增大幅度可达到70%以上,侧向力增加幅度最小;随着初始地应力的增加,滚刀总破岩量减少,破岩能耗上升;三向力理论计算值与仿真值吻合较好,相对误差范围在10%~21%之间;无初始应力下的破岩试验在一定程度上验证力学模型和仿真结果的正确性。     

2种切削顺序下TBM刀具破岩机理的数值研究

为研究切削顺序对全断面岩石掘进机(TBM)刀具破岩机理的影响,基于二维离散单元法,利用离散元仿真软件建立无围压条件下2把TBM刀具同时、顺次切削节理不发育岩石的仿真模型.在此基础上设计1组数值试验,模拟TBM刀具在不同刀间距下分别以这2种方式切割岩石时,岩石裂纹生成、扩展和岩石破碎块形成的全过程.最后,利用滚刀回转实验台对顺次加载方式下岩石的破碎模式进行验证.研究结果表明:切削顺序决定了岩石的破碎模式,但并不影响最优刀间距;当刀间距大于80mm时,顺次加载方式的破岩效率不再高于同时加载方式下的破岩效率;在2种加载方式下,岩石应力场的分布基本对称;破碎块的形成与侧向裂纹的交汇密切相关.     

牙轮钻头牙齿破岩有限元分析

牙轮钻头是石油钻井中主要的破岩工具。牙轮钻头的破岩是通过其齿圈上的牙齿和岩石相互作用完成的。本文通过建立牙轮钻头单个牙齿与岩石互作用模型,用有限元方法完成了牙轮钻头破岩过程的分析,获得岩石的破碎坑;进一步通过等效应力云图确定了牙齿破岩过程牙齿及岩石的应力分布情况,为进一步分析牙轮钻头破岩效率提供依据。     

一种用于隧道断面脆性硬岩的激光破岩原理探讨

激光作为一种新型破岩技术,在用于岩石隧道开挖技术的研究中已经取得了较大进展.本文在总结国内外激光破岩技术研究进展的基础之上,结合现有激光光束的特点,提出了适用于大断面脆性硬岩隧道的激光-喷水破岩方法,并通过数值模拟进一步分析了这种方法的破岩效果.该方法解决了激光光点小而隧道工程开挖断面大的矛盾,具有很强的实用性.     

反井钻机ZX315镐型镶齿滚刀有效钻压分析

反井钻机在金属和非金属矿山坚硬岩石地层中钻进井筒时,在因反井钻杆和硐室空间问题限制钻机能力的情况下,经常需要采用略高于有效破岩钻压进行钻进,而通过全尺寸滚刀破岩实验或单齿压入实验可以判断有效钻压.选用ZX315镐型镶齿滚刀和单轴抗压强度141.6 MPa的花岗岩,进行直线往复式滚刀破岩实验对.在25～150 kN不同钻压时,通过观察破岩面、称重破碎岩碴、记录实验数据,分析得到钻压与破岩体积关系曲线拐点,进而获得有效钻压为100 kN,根据钻压与滚动力关系曲线得到滚刀的滚动摩擦因数为0.203,通过对岩石单轴抗压强度和有效钻压的拟合,得到单轴抗压强度与有效钻压的关系公式,可计算得到有效扭矩.通过对不同岩石的有效破岩钻压分析,得到有效破岩钻压与岩石单轴抗压强度的关系,并推算得出ZX315镐型镶齿滚刀的有效钻进钻压近似为岩石单轴抗压强度的75.48％.     

基于机械比能理论的钻井效率随钻评价及优化新方法

在原有破岩机械比能理论基础上,分析水力能量对破岩与井底净化起到的积极作用,建立水力参数条件下破岩比能模型,并完善相关理论。基于破岩比能模型与钻井参数和机械钻速的相互关系,通过分析钻进中井底工况,判断施加钻井参数的合理性,提出相应优化措施,并利用该模型预测机械钻速。结果表明:建立的破岩比能效率评价体系能够在钻前准确预测机械钻速、钻进中随钻诊断井底工况及优化参数、钻后优选钻头;该理论评价方法诊断准确率高、优化效果好且流程识别简单,具有良好的应用与推广价值。     

深水基槽开挖中水下重锤破岩规律研究

基于深中通道水下沉管隧道基槽凿岩工程,采用数值模拟方法研究了重锤凿岩棒受力状态和凿岩棒下落过程的速度变化规律以及凿岩棒凿击岩石的损伤发育特征,分析了不同水深、不同冲击速度、不同凿击次数对岩石破坏和损伤的影响规律。结果表明:凿岩棒下落过程中速度先线性增加然后增加幅度逐渐降低,最终趋于稳定的收尾速度;在凿岩棒凿击岩石过程中,其速度不断下降并伴随着岩石损伤的累积;水深与岩石的损伤呈负相关关系,而冲击速度和凿击次数与岩石的损伤呈正相关关系。     

围压条件下井底环空循环吸入式粒子射流破岩试验

井底环空循环吸入式粒子射流钻井是解决硬地层破岩钻井效率低下的有效途径。采用所研制的井底围压试验装置,试验探索井底环空循环吸入式粒子射流破岩的规律。结果表明:随着围压的增大,粒子射流破岩效率逐渐减小;随着射流压力、粒子直径和硬度的增大,粒子射流破岩效率逐渐增大;随着喷距和粒子质量分数的增大,射流破岩效率呈现先增大后减小的趋势;井底环空循环吸入式粒子射流高效破岩钻井方法确实可行。     

一种利用岩石强度刻划试验确定岩石PDC钻头可钻性级值的方法

基于微钻岩石可钻性试验与岩石强度刻划试验破岩机制一致性,通过开展试验获得两种试验岩石破碎比功的转化关系,结合岩石PDC钻头可钻性级值求取方法,建立利用刻划岩石破碎比功求取岩石PDC钻头可钻性级值模型,形成一种通过刻划岩心表面得到岩石PDC钻头可钻性级值剖面的方法。结果表明,该方法不但与微钻可钻性试验结果具有很好的一致性,还充分表征了矿物组分、胶结强度、微观结构等复杂因素变化对岩石PDC钻头可钻性级值的影响,且不破坏岩心的整体结构,提高了岩心的利用率,推广应用价值高。     

干热岩钻完井的挑战及技术展望

 干热岩是一种清洁、环保、可循环利用的再生能源,开发潜力巨大,是最具环保性能的未来清洁能源。概述了美国、英国、日本、法国、澳大利亚和中国干热岩工程项目,依据干热岩岩体硬度高、可钻性差、地层温度高等特点,指出了干热岩钻完井工程存在的技术难题,主要包括钻井效率低、地层温度高、井壁稳定性差、井漏现象严重等问题;针对钻完井存在的技术难题,分析了干热岩高效破岩工具、钻井液技术、高温固井技术、控压钻井技术、膨胀套管技术、定向井技术和液氮钻井等关键技术在干热岩中应用的未来趋势。     

基于H-J-C模型的水化页岩破碎有限元分析

针对页岩地层钻井过程中钻井液对页岩水化作用的问题,提出了基于H-J-C模型的页岩含水饱和度与钻头破岩效率对应关系研究方法,开展了页岩含水饱和度对页岩力学特性影响规律的室内实验。通过室内实验研究发现:页岩含水饱和度对页岩强度、弹性/剪切模量、泊松比等宏观力学参数影响较大,得到不同饱和度工况下水化页岩力学参数值。借助LS-DYNA有限元软件,基于页岩破坏的H-J-C模型,利用室内实验得到的水化页岩的力学参数,模拟了钻头破碎页岩的动态过程。对水化页岩的应力变化、破碎形态、破碎效率进行了研究。结果表明:随着页岩含水饱和度增加,页岩强度降低,钻头破碎岩石的效率增加,当页岩含水饱和度从0.05增加到0.4时,钻头破碎岩石的效率增加了3.3倍。     

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。