旋挖钻机钻进入岩判定与地层识别方法

为了提高旋挖钻机施工效率和持力层辨识准确度,采用旋挖钻机钻进过程实时监测系统,对钻进过程中的直测参数和派生参数进行采样和分析,根据钻机工作参数和地层岩土体物理力学参数的固有特性、统计特性,建立钻进过程地层识别系统模型,把地质条件和钻机的工况参数联系起来。研究结果表明:地层结构的变化必然使钻进参数发生变化,进而使旋挖钻机显示出与不同埋置深度地层相适应的动态特征,利用岩土层承载能力评价的特征值——地层比功可概括地反映各类地层的质量好坏,通过与一桩一孔勘察结果进行对比,证明基于随钻参数的持力层判定方法有效。     

贵州软质较破碎白云岩嵌岩桩竖向承载力分析

针对嵌岩桩只适用于完整和较完整岩体,且往往被视为端承桩的情况,以贵州两个工程项目的软质较破白云岩嵌岩桩为研究对象,其持力层岩体均较破碎,通过锚桩横梁反力装置桩基静载荷试验,分析软质较破碎岩嵌岩桩竖向承载力,探讨此类地质条件下嵌岩桩承载特性。研究结果表明,该区软质较破碎白云岩嵌岩桩桩顶荷载-位移曲线主要呈缓变型,沉降由桩身压缩控制,嵌岩段桩侧摩阻力发挥较好,荷载分担比例在30%~50%之间。根据经验参数计算及实测对比研究,得出实测嵌岩桩竖向承载力比计算值高出数倍。     

旋挖钻机截齿的破岩机理及优化研究

旋挖钻机成孔的显著优势备受关注,但实际钻孔很难达到理想的破岩效果,揭示复杂地层赋存环境的钻头破岩机理是关键。文中基于Boussinesq问题的求解,得到动力头压力和扭矩作用于截齿时的岩石受力及位移,推导截齿破岩时的侵入力及切削力表达式。建立单截齿破岩的三维数值模型,获得钻头钻进中截齿的侵入力及切削力变化规律,对比理论结果以验证数值模型的可行性。基于旋挖钻机双截齿破岩过程的数值模拟,分析钻进中的岩体力学响应及裂纹演化以揭示截齿的破岩机理,探讨不同截齿布置的旋挖钻机破岩力特征,阐明截齿倾角或偏斜角增大都将不同程度地改变破岩力大小。进一步分析截齿布置方式与不同类型地层组合的破岩效率,结果表明,截齿倾角或截齿偏斜角或截齿间距相等时,由软到硬地层的破碎比功逐渐增大,且钻进某一地层的破碎比功先减小后增大,存在最优的截齿布置使得钻进效率最高。研究成果可为旋挖钻机截齿设计的优化和破岩效率的提高提供理论依据。     

嵌岩桩水平承载力地基反力Matlock法分析

嵌岩桩在海上风电、跨海大桥等结构中的应用十分广泛,但在嵌岩桩水平承载特性方面的研究仍有较多不足。弹性地基反力法中的m法在我国是用于计算水平承载桩承载力时应用最多的方法,但地基反力m法针对嵌岩桩缺少合理的取值方法。本文基于现场试验数据建立并验证有限差分数值模型,通过数值模拟与参数分析,研究了岩体力学参数和桩基参数等因素对桩岩相互作用的影响,提出了m法中地基反力系数比例系数的拟合计算公式。通过现场试验数据对文中提出的方法进行了验证,计算结果与实际情况较为相符,通过与其它方法比较,本文提出的修正m法相对非线性的p-y曲线法具有取值计算较为简便的优势。     

大直径嵌岩桩桩端极限承载力计算方法

为更加准确获得大直径嵌岩桩桩端极限承载力,假定桩端岩体整体连续滑裂破坏、桩周岩体剪切破坏、桩周岩体微裂纹断裂破坏3种可能的极限状态,基于岩体二维、三维Hoek-Brown(H-B)破坏准则、岩体微裂纹Ⅰ-Ⅱ型复合判据,提出4种大直径嵌岩桩桩端岩体极限承载力的计算方法.引用现有实测数据对所提出的计算方法进行对比分析和验证,结果表明所提出的4种计算方法均比较接近实测值,尤其是基于Ⅰ-Ⅱ型复合判据的桩周岩体微裂纹断裂的桩端极限承载力计算结果与实测值最为接近.进一步研究了大直径嵌岩桩的尺寸效应,研究表明,桩端极限荷载与嵌岩深度及桩径密切相关,嵌岩桩桩端极限荷载随嵌固深度的增大而增大,而随桩径的增大而减小.4种计算方法中基于Ⅰ-Ⅱ型复合判据的桩周岩体微裂纹断裂计算方法与现场实测规律更加相符.     

基桩嵌岩段抗拔承载特性现场试验研究

通过现场试验研究了砂岩层中基桩的抗拔承载特性,分析了基桩嵌岩段的破坏机理,提出了嵌岩桩极限抗拔承载力的预测公式,将计算结果与试验值和规范计算值进行了比较。研究结果表明:嵌岩桩的上拔荷载-桩顶位移曲线均为陡变型,增加桩长可以有效地增加承载力,但对桩顶位移的影响有限。试验得到桩岩相对位移为20～25 mm,中风化砂岩层侧阻力达到极限,极限抗拔侧阻力为925.4～961.3 kPa。当桩身强度高于桩周岩体时,基桩的抗拔承载力由桩周岩体的抗剪切强度提供,桩的极限侧阻力可以等效为桩周岩体的抗剪切强度。现行规范的计算值偏于保守,与本文试验值的比值为0.18～0.39。     

嵌岩抗滑桩设计理论和方法研究

在建立嵌岩抗滑桩理论计算模型的基础上，考虑嵌入岩体和桩身材料的强度特性及抗滑桩的几何性状，阐述了桩顶位移计算理论；并考虑嵌入岩体的固有特点和非线性破坏特征，引入Hoek-Brown经验强度准则，建立了横向极限承载力计算理论。最后，以算例说明了嵌岩抗滑桩设计的方法和步骤。     

强风化花岗岩中嵌岩短桩承载特征原位试验与有限元分析

通过对青岛地区风化岩地基2个工程11根短桩的原位测试及有限元模拟分析,研究嵌岩短桩的承载性状和荷载传递特征。对大直径嵌岩短桩的承载性状进行有限元模拟,探讨长径比、嵌岩深度及基岩强度对嵌岩短桩承载性能的影响。研究结果表明:风化岩地基中的嵌岩短桩极限承载力高,沉降小,能够满足工程需求并具有较高的安全储备;单桩极限承载力随着桩长的增加变化并不显著,表现出极强的端承性状。嵌岩段桩侧摩阻力峰值随长径比的增大逐渐减小,桩顶沉降随长径比增加而增大;不同的嵌岩深度下,桩身轴力衰减的规律基本相同,随嵌岩深度的增加,桩顶沉降逐渐减小,端阻力在承载力中所占比例(Qp/Qu)逐渐减小;桩顶沉降随桩岩刚度比(Ep/Er)的增加而逐渐增大,而端阻分担的荷载比随Ep/Er的减小逐渐增大。     

嵌岩灌注桩的承载性状与承载力特征研究

在基岩埋深不太大的情况下,常将大直径灌注桩穿过全部覆盖层嵌入基岩,成为嵌岩灌注桩。这种方法多用于桥基中,对于高层建筑、重型厂房等建筑物,嵌岩灌注桩也是一种良好的基础形式。嵌岩灌注桩如果设计得当,可以充分利用基岩的承载性能而提高单桩的承载力。更重要的是嵌岩灌注桩由于桩端持力层是压缩性极小的基岩,因此其单桩沉降很小,群桩沉降也不会因群桩效应而增大,群桩承载力不会因群桩效应而降低,且建筑物的沉降在施工过程便可完成。以嵌岩灌注桩为基础的建筑物在地震过程中所产生的地震反应也比其它基础形式更轻微,抗震性能更好。     

大直径扩底嵌岩桩抗拔承载性状试验与分析

为了了解大直径扩底嵌岩桩在高层建筑中的抗拔承载力及影响因素,以深圳某高度为660 m的超高层工程为背景,采用自平衡法对3根大直径扩底嵌岩抗拔桩进行加载试验。在试桩试验的基础上,建立了扩底抗拔嵌岩桩数值模型,并进行了三维有限差分数值计算及参数化分析,数值计算结果与试桩试验结果吻合较好,表明建立的模型可以较好的模拟大直径扩底嵌岩桩的抗拔工作特性。同时讨论并分析了大直径扩底嵌岩抗拔桩的桩身轴力、桩身等直径段和扩底处侧摩阻力的分布特征,研究了扩大头周围岩体弹性模量、扩径比和扩底高度对抗拔承载力的影响。结果表明,扩径比的增大对大直径嵌岩桩的抗拔承载力影响较大,扩大头周围岩体弹性模量和扩底高度的影响相对较小。     

基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别

针对香港风化花岗岩场址勘探,在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(drilling process monitoring,DPM),对有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测.采用变斜率作为显著性指数,对地层中的主、次界面进行了识别.t检验表明,DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%.此外,对穿孔参数在界面处的变化分析表明,这些参数随孔深的变化曲线在界面处存在不同涨落,轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%.     

煤矿钻机自动防卡钻电液控制系统研究

由于松软煤层地质条件复杂多变,钻机在钻孔施工时,经常发生卡钻事故,这极大降低了工作效率,并严重威胁到工人人身安全。为解决以上问题,分析了引起卡钻的各影响因素,采用钻机回转压力表示卡钻状态,并设置回转压力卡钻阈值。根据钻机工作原理与卡钻机理,建立基于负载流量独立分配系统(LUDV)的防卡钻液压回路;采用PID与信号选择器建立自动防卡钻控制器,并采用人群搜索算法(SOA)整定PID参数。采用AMESim进行系统仿真试验,结果表明：回转压力达到20 MPa时,钻机自动回退;达到22 MPa时,钻机回转压力维持稳定,保持较大的回转动力克服外负载阻力,避免发生卡钻事故,验证了自动防卡钻电液控制系统的有效性。     

地质力学特征评价新方法在导向钻井优化中的应用

针对常规导向钻井技术在适用范围、预测能力与运行成本等方面的局限性,在考察岩石物理及力学参数和地球物理信息之间定量关系的基础上,将地震反演、地质统计、地震属性分析、岩石力学方法与钻井工程实际需求密切结合,提出地质力学特征评价新方法,基于其对导向钻井系统进行优化。新技术以常规地震和测井资料为基础,充分结合钻井、录井等实钻信息,钻前建立地质力学初始模型用于钻井设计,钻进过程中参考实钻资料随钻修正并更新钻前模型用于钻井工艺实时优化,其关键环节是准确预测钻头前方待钻地层的强度、地应力、孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等力学参数。以井壁稳定预测及其工程运用为重点,论述导向钻井优化中岩石力学理论和地球物理算法结合运用的思路与技术流程,将该方法在西南、西北复杂探区进行应用。现场应用表明,优化的导向钻井系统可以达到理想的参数预测精度与工艺优化效果,指导安全、优质、快速、低成本钻井的能力得到了提高。     

砂卵石层泥浆护壁与旋挖钻进工艺

采用经典土力学滑动理论,分析砂性土地层的孔壁稳定性与泥浆护壁机理;应用岩石破碎学理论,探讨旋挖钻头的碎岩过程,在此基础上研究旋挖钻进的工艺方法、技术参数和泥浆性能指标。研究结果表明:对孔壁起稳定作用的关键因素是泥浆的密度,随着泥浆密度的增大,孔壁稳定性增加;采用高分子聚合物泥浆,增加凝胶作用,能较好地解决旋挖成孔速度与孔壁稳定性之间的矛盾;孔内压力降低值随钻具提升速度的变化而变化,提升速度越大,压力降低越大,越容易造成孔壁不稳定。     

钻井地质参数的不确定性表征及分析方法

钻井地质参数是钻井工程设计的基础数据,由于地层的复杂性、预测模型的精度以及解释资料的误差等问题,地质参数的解释评价结果误差客观存在,其真值会分布于某区域内。首先提出钻井地质参数不确定性的概率分布和不确定度两种描述方法;然后基于层序地层学、概率统计等相关理论和方法,将同组地层内某段地层作为样本区间,区间内的地质参数作为一组测量样本,建立地质参数不确定性分析及量化描述方法,并基于信息扩散原理确定钻井地质参数的概率分布函数。实例分析表明,建立的钻井地质参数不确定性定量描述及分析结果更切合工程实际。     

渤601井欠平衡钻井技术

渤601井是渤南油田一口重点评价井,钻探目的是扩大渤深6断块潜山低部位含油气范围.该井四开钻探过程中成功地采用欠平衡钻井技术钻穿寒武系凤阳山组,以防止该区古生界灰岩储层发生井漏及储层污染,从而保护油层.在该区发现了高产工业油流.在欠平衡钻井中成功地进行了中途测试,并提高了深井钻井速度,为渤南地区裂缝性地层钻井提供了宝贵的经验.结合渤601井实际情况,给出了地质设计和工程设计,分析了施工过程中主要技术难点,介绍了钻前准备工作、欠平衡钻进、完井和施工效果.     

提高钻探设备在岩石中掘进钻井的效率

为了研究钻探设备在岩石掘进过程中的效率问题,通过综述与实验相结合的方法,阐述了钻探设备的发展过程,揭示了岩石破碎的机械原理和钻探过程的能容量由钻井掌子面承载比重的大小决定.在一定破碎条件下,保障仪器的参数及能量是提高钻探效率的目标.并通过实验证明了破碎过程能容量与单位掘进能的依赖关系和无因次准数与用于花岗石钻具单位掘进能的依赖关系.分析表明:建立新的掘进技术是研究无汽阀杆掘进.旋转装置的作用;掘进钻探碎石仪应该保证最小的岩石能容量的破碎;在设计碎石仪时必须考虑到出现摆动型波浪能量条件;在岩石一定破碎条件及定位销碎石仪有足够强度情况下,浸入式气动气锤保证将钻探速度提高50%.     

油气钻井技术展望

对油气钻井的关键技术、理论基础及多学科的交叉特点进行了阐述 ,指明了旋转钻井的发展趋势与内在动力 ,并对 2 1世纪油气钻井技术进行了展望。分析表明 ,高压高温钻井、深井超深井钻井、特殊工艺钻井及三维可控与可视化钻井技术将是 2 1世纪最重要的和最具发展前景的钻井技术系列。     

摘要建立了激光打孔过程的固／液／气三相三维数值计算模型，采用水平集（1evel[．set）方法处理能量输入边界并追踪气液（L／V）界面发展，从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述．模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应，涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素．基于有限体积法，编制计算程序，对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟，探讨了不同激光参数对打孔过程的影响．该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值，也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述．

建立了激光打孔过程的固／液／气三相三维数值计算模型,采用水平集（1evel-set）方法处理能量输入边界并追踪气液（LIV）界面发展,从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述．模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应,涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素．基于有限体积法,编制计算程序,对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟,探讨了不同激光参数对打孔过程的影响．该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值,也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述．     

Similarity identification method on formational interfaces and application in general granite

An instrumented drilling system can be applied for the acquisition of drilling process parameters. The system can provide continuous and huge data for geotechnical engineering. However, due to the complexity of ground strata, the variation in the drilling parameters with stratigraphical characteristics is great and the correlation between likely comparable parameters is not high, which limits the use of conventional correlation approaches in this field. How to use the data for engineering and how to get a reasonable interpretation for the relationships among the drilling parameters, as well as between a drilling parameter and formational characteristics, become a technical choke point for the development and application of the instrumented drilling system. Based on similarity criteria, the extraction of sample data and characteristics, the pretreatment of data and feature matching algorithms have been analyzed and an approach of slope coefficient searching identification has been established. A case study was carried out for the similarity between the rotational speed of the drill bit, flushing pressure, and effective thrust force graphics in general weathered granite. The result shows that the similarity coefficients between the rotational speed of the drill bit, flushing pressure, and effective thrust force are 0.72 and 0.83, respectively. Although there are differences between the distances of the graphics, the curves of both rotational speed and flushing pressure agree with the effective thrust curve in shape, which provides a possible method for the identification of various formations by use of the similarity between feature drilling parameters.