狮子洋隧道围岩磨蚀性研究

岩石磨蚀性通常以岩石磨蚀性指数CAI(cerchar abrasivity index)值来表示,它是反映盾构刀盘和刀具磨损的重要指数。以广深港客运专线狮子洋隧道工程为背景,对同等风化程度下的岩石进行Cerchar磨蚀性实验和岩石矿物X射线衍射分析实验,确定岩石磨蚀性指数CAI值和岩石矿物成分,并对岩石矿物组成与磨蚀性指数CAI值进行相关性分析。研究结果表明,同等风化程度下的岩石,岩石矿物组成对磨蚀性影响较大,岩石矿物加权硬度值H与CAI值有非常好的线性关系,且线性相关性要高于岩石等效石英含量Qeq与CAI值的线性相关性,岩石矿物加权硬度值更能准确地反映岩石矿物组成对磨蚀性的影响。狮子洋隧道围岩中砂岩磨蚀性最强,对刀具的磨损较大。另外狮子洋隧道围岩含有大量的砂粒胶结物,盾构施工过程中会产生大量的石英含量较高的岩粉,这些岩粉进入循环的泥水中,会对盾构刀盘、刀具和泥水管道造成一定的磨损。     

用铜针磨损法确定岩石的研磨性

岩石的研磨性是岩石本身的特性,它主要决定于造岩矿物的硬度差、矿物颗粒的大小和岩石表面的粗糙度。本文阐述了用钢针磨损法测定岩石研磨性的试验结果。试验表明:铜针的单位路程磨损量较好地反映了岩石研磨性的高低。     

冲击诱导损伤岩石的侵入特性

在硬岩矿山开采中,为了提高大孔径深孔凿岩效率,降低钻具磨损,提出了冲击诱导切削复合凿岩新工艺.在Walsh模型的基础上,建立了冲击诱导孔周围损伤岩石的裂纹模型,推导了岩石损伤区的牙轮钻齿侵入系数方程及侵入阻力方程.分析了裂纹密度、扰动频率分别对岩石弹性模量、岩石破碎体积和钻齿侵入阻力的影响.结果表明:随裂纹密度的增大,岩石的有效弹性模量减小;相同侵入载荷下,随着扰动频率的增加,钻齿的侵深和岩石破碎体积不断增加;随着冲击扰动频率的增大,牙轮钻齿侵入阻力逐渐减小.     

钴基合金在液锌中的腐蚀磨损性能

通过对几种钴基合金进行静态腐蚀、力学性能测试和腐蚀磨损试验,对其耐液锌磨蚀机理进行探究．试验结果表明,材料的韧性增加有助于提高其耐磨性．合金中的Si对材料的微观结构、机械性能及耐锌液腐蚀有很大影响．随着Si含量的增加,合金由亚共晶转变为过共晶,先析出相由钴基固溶体变为树枝状的Laves相．合金的塑性降低,脆性升高,但耐液锌腐蚀性能提高．在液锌中,过共晶钴基合金的磨蚀性能比亚共晶钴基合金要好,干磨损时结果恰好相反．钴基合金的磨蚀机制主要是材料的塑性变形、脆性断裂和磨粒磨损．     

门头沟玄武岩细观矿物组成与宏观力学行为的关联性研究

把玄武岩视为硬质矿物和黏土质矿物两部分组成,提出了基于软-硬两部分的空间体积平均估算方法,估算的弹性模量与实验结果较为吻合.探讨了不同深度玄武岩矿物组成与宏观力学性质的关系,研究表明:高强度的矿物当含量较低时对整体力学性质的影响并不明显,只有含量超过某一门槛值后才有较大影响.如石英和斜长石强度都较高,但门头沟玄武岩石英含量低于15%时,石英含量在小范围的增加并不一定会导致岩石强度出现明显的提升;而当斜长石在42.5%—49.2%之间发生变化时,含量增加导致弹性模量和单轴抗压强度有明显增加的趋势.随着埋深增加,门头沟玄武岩中黏土质矿物含量在不断减小,而软弱黏土质矿物含量的减少,明显导致玄武岩的宏观力学行为的显著变化,这是深部岩石与浅部岩石的破坏机理及强度特性存在差异的一个重要原因.     

岩石可凿性研究及应用

本文综合介绍了岩石可凿性研究的部份最新成果。对两种不同的研究方法(印力—凿深曲线和凿碎比功),阐述了它们在岩石可凿性方面的应用,以及这些理论对凿岩机械研究和设计的指导作用,为凿岩机械的设计提供一定的参考。     

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。     

中小型水电站水轮机的磨蚀与防护

水轮机在含沙水流中运行时，常遭到泥沙磨损和磨蚀破坏。本文主要介绍作者近年来在中小型水电站，对水轮机的易磨蚀部件进行修复、修型、改型等抗磨蚀措施方面的实践情况。通过综合治理，使水轮机出力增加，抗磨蚀性能提高。     

基于声发射检测的岩石材料非均质性评价与分类研究

对于深部岩石力学和地下工程而言，准确表征与评价岩石的非均质性，对于研究岩石在深部复杂环境下物理力学性质的变异性至关重要。由于岩石成分的复杂性和矿物分布的随机性，采用传统的图像观察方法难以准确的表述岩石的非均质性，因此，亟需寻找一种科学、实用的试验方法对岩石的非均质性进行表征评价。本文假设同种岩石具有相同的矿物几何特征及边界特征（即岩石的微观基质相同），岩石在破坏过程中强相矿物破坏的声发射信号相比于弱相矿物破坏的声发射信号较多。岩石巴西劈裂过程中轴线上的破裂可以近似的认为岩石内部强弱相矿物的依次破裂，通过统计不同应力阶段岩石的声发射信号特征可以间接的分析岩石内部强弱相矿物的差异性。基于此，通过定义岩石强弱相矿物占比及矿物空间分布的均匀性表征出了岩石的非均质性。之后选取不同特征变辉长岩和花岗岩验证了分析方法的科学性和实用性。最后，本文在岩石非均质性评价的基础上探究了岩石宏观力学参数与岩石非均质特征的相关性。单轴和三轴试验表明，岩石的峰值强度和弹性模量不仅仅与岩石强弱相矿物占比有关，也与岩石矿物空间分布的均匀性相关。     

岩石矿物成分与可钻性关系研究

钻井地层岩石的物理力学性质和矿物成分性质是实现科学快速钻井的基础数据,但是矿物成分对可钻性的影响一直没有得到重视。取一研究油区以录井资料的地层岩屑为研究对象,对塑性泥岩、细砂岩和砾岩三种岩屑进行了较全面的矿物成分鉴定分析。研究结果表明,研究油田区块岩石的矿物成分主要以石英、粘土、斜长石、方解石和正长石五种矿物成分为主。矿物成分中含量较高的粘土和斜长石含量随井深增加而降低;石英含量随井深增加而增大。泥岩的可钻性级值随粘土的增加有增加趋势,随石英含量的增加而增大。砂岩的可钻性级值随粘土含量的增加有降低趋势,而随石英含量的增加而增大。砾岩的可钻性级值随粘土和石英含量的增加而下降。     

用超硬材料测定岩石研磨性

用模拟试验方法测定聚晶金刚石钻头的耐磨损性,推导出岩石研磨性指标计算公式.这种方法的测试结果能直接反映工况条件下的岩石性质.所得岩石研磨性指标是岩石研磨性质、钻头材料性质和工况的综合反映,可以直接用于预测PDC钻头的使用寿命和用于油矿的PDC钻头选型工作.     

针对金刚石钻头的岩石研磨性测定方法

针对石油钻井地层岩石研磨性试验评价问题,根据金刚石钻头的磨损机制,改装试验装置,研制标准磨损件,优选试验规程,提出以标准磨损件研磨破碎单位体积岩石的磨损体积作为岩石研磨性指标,建立一套岩石研磨性测定方法。试验测定石油钻井地层代表性岩石的研磨性指标。通过研磨性试验,优选出标准磨损件的金刚石体积分数为25%,粒度为0.3 mm,胎体配方为酚醛树脂55%、Cu 25%、Cr2O38%、Zn O 6%、Si C 5%、空隙1%(体积分数)。优选出的试验钻压为500 N,转速为198 r/min,排量为0.2 L/s。试验中代表性岩石的研磨性指标数值为0.80~45.78,取以2为底的对数值作为研磨性级值,将中国石油钻井地层岩石的研磨性分为6级。     

渤海中部BZ34-2EW区块防塌钻井液试验研究

对ＢＺ３４２ＥＷ区块地层岩样进行了理化性能分析和电镜分析,结果表明,该区块属于层理、裂隙发育的易剥落坍塌的硬脆性页岩地层。无机盐几乎不能抑制岩样水化膨胀,而合适的钻井液可以抑制其水化膨胀,且具有较高的页岩回收率。加入硅酸钠的低粘土相海水聚合物钻井液体系的流变性能好,抑制能力强,泥饼质量好,可用于层理、裂隙发育的硬脆性页岩地层的钻进。     

大直径硬岩钻进技术的探讨

讨论了国内外大直径硬岩的钻进技术方法,介绍了国内外正在应用和研究的大直径硬岩钻进的新技术;指出了大直径硬岩反循环潜孔锤环状钻进取芯方法的优点;提出了大直径硬岩取芯钻进中存在和需解决的问题;指出了大直径硬岩取芯钻进技术的发展研究方向。     

粒子冲击钻井技术述评

为了解决提高硬地层钻井速度的钻井难题,以粒子冲击钻井系统的整个工艺流程为依据,论述了粒子冲击钻井技术的优点和缺点,阐述了其破岩机理。该方法改变了传统钻头切削地层的方式,提高了钻越硬地层的速度,但是地面设备和井下钻头还存在一些需要完善的地方。它代表着高效钻越硬地层的一个发展方向。我国东部地区和西部地区存在着广泛的基岩为火成岩的沉积盆地,粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段,目前正在迈入商业应用阶段。     

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。     

冲击回转钻具的能量传递和参数选择

冲击回转钻井技术是钻进硬岩层的有效方法,冲击锤将冲击载荷作用于钻头和钻柱上,以促进对岩石的破碎作用.从冲击作用的基本理论出发,对冲击器对钻头和钻柱的作用过程进行了分析,建立其动力学模型,找出了影响冲击器性能的主要参数并推导出相应的计算公式.     

4.6 GHz高功率微波岩石钻探技术

利用高功率微波加热熔化岩石介质实现地下破岩是全新的钻探技术,其具有快速钻探的潜在优势。为进行4.6 GHz高功率微波加热穿透岩石技术研究,分析了微波加热岩石的基本原理和影响介质温升速率的因素,采用多物理场耦合法模拟10 kW功率下的电场分布和介质的温度变化规律,最后在4.6 GHz/250 kW实验平台上开展了相关钻岩实验。结果表明:高功率微波能量对硬岩石有很好的烧蚀效果;烧蚀的孔径大小与入射功率及辐射时间成正比。实验现象与仿真结果相吻合,为后续的微波钻探技术应用于实际钻井工程提供理论和实验指导。     

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。     

川西须家河组二段岩石可钻性实验分析

川西坳陷须家河组存在可钻性差、机械钻速低等严重制约钻井效率的问题。以川西坳陷须家河组二段地层所采岩样为研究对象,利用自主研发的HTHP岩石可钻性试验仪对模拟井底围压及液柱压力条件下的岩样进行可钻性级值测试,并从岩样的岩石力学性质及微观组构等方面开展研究,以此分析其对岩石可钻性的影响。结果表明:围压及液柱压力的增加导致岩石可钻性级值及抗压强度的增加,抗压强度与可钻性级值成正比。高抗压强度条件下的可钻性级值增长率降低;岩石的研磨性及硬度会影响岩石的可钻性。岩石中石英含量越高、黏土矿物含量越少,岩石研磨性及硬度越高,岩石可钻性级值越大。