PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。

露天矿山孔间延时起爆条件下的岩石破碎效果研究

为获取某露天矿山最优起爆延时时间,提高爆破效率,结合ANSYS/LS-DYNA软件建立了三维台阶爆破模型,布置前排炮孔2个、后排炮孔1个,三角形布孔,起爆方式采用反向起爆,在布孔区设置5个应力监测点。对排间延时42 ms及孔间延时11、13、15、17、19、21、23 ms的不同延时时间下岩石破碎效果进行模拟试验,并监测其有效应力。为便于细致观察爆炸应力波在岩石中传播规律,另做前排两炮孔延时起爆剖面模型。结果显示:当排间延时42 ms,孔间延时17 ms时,各监测点的平均最大有效应力达到峰值,整体岩石破碎更为有利。延时爆破优势在于后爆炮孔可以在先爆炮孔基础上进一步对岩石产生破坏作用,前排炮孔先期起爆作用使得后排炮孔成为临新自由面的前排炮孔。经现场试验论证,利用块度识别软件split-desktop分析爆堆照片中岩石块度分布,得出在排间延时42 ms及孔间延时17 ms条件下,岩石块度尺寸在20 cm以下占比77.24%,在50 cm以上占比极少,为0.31%,整体破碎效果较好,能够满足矿山生产运营需求,为露天矿山开采提供一定数据支撑。

考虑岩石破碎程度的数字化钻进单齿推力模型

数字化超前钻探依赖于建立随钻参数与围岩特征之间的定量关系,如何定量分析围岩破碎程度对于推力的影响是个重要难题,对于预测不良地质地层具有重要意义。提出一个基于小孔扩张理论的单齿推力理论模型,模型采用HoekBrown破坏准则和非关联流动法则,描述岩石破碎程度对于岩石强度的影响。基于弹塑性力学,推导小孔扩张模型的应力场和位移场,并将模型应用到岩石贯入试验中,建立单齿贯入岩石过程中贯入深度与无量纲塑性区半径的定量关系。该理论模型考虑了刀头形状参数、岩石破坏程度和围压等重要参数对于推力的影响,并可以得到单齿贯入岩石过程中贯入深度与贯入力的定量关系。为验证模型的准确性,开展2种不同地质强度指标的楔形探头贯入岩石试验,试验结果与模型曲线趋势及数量级一致。将模型预测结果与文献中试验数据相对比,进一步验证了模型的可靠性,且表明本文模型在实际工程利用贯入力预测掌子面围岩破碎程度时更趋于安全。参数分析研究表明,岩石破坏程度、围压和岩石强度参数对于推力影响较大,推力与地质强度指标呈负相关关系,与围压和楔形刀头倾角呈正相关关系。结合钻头中单齿分布情况,该理论模型可以用来探讨实际工程推力参数与围岩参数的关系,推进实现数字化超前钻探。

岩石破碎功、坚固性系数，强度关系的实验研究

为了探索岩石突出等地下工程灾害中的岩石破碎功能关系,以岩石破碎理论为基础,进行了不同岩石的破碎和坚固性捣碎实验、破碎粒度筛分分级实验、岩石单轴抗压强度实验。通过对不同岩石的坚固性系数与破碎比功和单轴抗压强度等实验结果进行了回归,分析了三者之间的关系。研究表明,岩石坚固性系数与岩石破碎比功、岩石单轴抗压强度之间线性相关,同时验证了岩石破碎功能关系符合裂纹学说。实验结果对计算岩石动力灾害中的岩石破碎所需能量提供了实验基础和理论依据。

多滚刀顺次作用下岩石破碎模拟及刀间距分析

相邻滚刀刀间距设计是全断面岩石掘进机(TBM)刀盘设计的关键技术之一,刀间距设计的合理与否直接关系到刀盘刀具掘进效率和寿命.刀间距设计不仅与岩石边界条件、刀盘掘进参数及刀具参数有关,而且与刀盘结构相互耦合相互影响,且相邻滚刀之间是一种顺次破碎岩石的过程.基于有限元岩石破碎仿真平台RFPA2D,考虑相邻多滚刀的顺次约束关系,分别以2种典型岩石(泥质粉沙岩和花岗片麻岩)为边界条件,建立多滚刀顺次作用下垂直压入岩石的破碎仿真模型,模拟多滚刀在顺次压入和同时压入岩石的仿真过程,建立了刀间距与岩石破碎能量之间的映射关系,进而建立了多滚刀最优刀间距下顺次角度与岩石破碎能量之间的映射关系,通过此映射关系可以确定滚刀在刀盘上不同位置的最优刀间距和最优的顺次角度,并为下一步滚刀在刀盘盘面上的布置设计提供设计依据.

动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究

根据压头侵入岩石的断裂特征,确定了动静载荷耦合侵入岩石过程中所形成的中间、径向和侧向裂纹长度与侵入载荷、冲锤质量和冲击速度关系式,分析了冲击–静压切削组合破岩模式下冲击间距(频率)对破岩效果的影响。在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了动静耦合载荷侵入岩石试验和冲击–静压切削破岩试验。结果表明:组合载荷模式能大幅度提高破岩效果,冲击间距与切削深度之比值对破岩比能耗有很大影响,并且存在最优比值可使破岩达到最佳效果;合理的加载方式应是冲击载荷使岩石产生足够大的开裂区,再与之匹配适当的静压和切削力将开裂区岩石切削下来;大冲击能、高冲击频率、小冲击间距对于破碎脆性硬岩有较好的效果。

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用ANSYS软件对花岗岩在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明:静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。

一种基于破碎比功的岩石破碎效率评价新方法

在石油钻井工程中,评价钻进效率差别的方法是利用钻速方程来计算各单因素对钻速的影响,计算工作量大,缺乏综合性。根据岩石破碎的基本理论,对牙轮钻头破碎岩石所消耗的能量进行分析,建立了岩石破碎比功的计算模型,并提出一种基于破碎比功的岩石破碎效率评价方法。应用所建立的模型和方法,可以有效地分析和确定不同条件下的岩石破碎效率,分析评价不同钻头、不同钻进措施条件下所产生的钻井效果,为钻井工程设计中优选钻头类型、优化钻进参数以及钻井事后效果分析提供了依据。应用该方法所得的计算结果,很好地解释了过平衡钻井和欠平衡钻井条件下同种地层而钻速差异较大的根本原因。

旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析

通过旋转钻井中破碎岩石的能耗分析,应用分形岩石力学理论,从钻井过程中钻头破碎岩屑的粒度分布、能量耗散等角度,建立旋转钻井中钻头破碎岩石所需能量的分形描述模型,详细分析影响钻头破碎岩石能耗的因素。该模型显示出旋转钻井岩石破碎能耗不仅与钻压、转速等钻井参数关,还与地层岩石破碎体的尺度和粒度分布分形维数等因素有关。应用该模型不仅可以确定钻井过程中破碎岩石所需的能量,还可以反演计算,根据所需岩石的破碎能量优选钻进参数。将所建立的模型进行适当简化,可得到经典岩石破碎比功三大学说表达式,说明该模型具有一定的普遍性。

空化射流在岩石破碎中的作用实验研究

在研究空泡云形成过程的基础上,总结了空泡云长度随泵压、围压的变化规律,指出空泡云长度随泵压增加而增加,随围压的增加,存在一最优的围压值,此时空泡云长度最大。论证了缩放型喷嘴与收缩型喷嘴在岩石破碎中的冲蚀性能差异,指出在相同泵压下缩放型喷嘴产生的空化射流对岩石质量冲蚀能力平均是收缩型喷嘴的7倍,同时指出随着围压的增大,缩放型喷嘴对岩石的冲蚀深度、切缝直径、冲蚀质量相应减少,对岩石冲蚀性能产生不利影响。

高压水射流作用下岩石破碎机理及过程的数值模拟研究

根据连续介质力学和有限元理论,给出了高压水射流破岩系统中流体和岩石的控制方程,并建立了相应的有限元列式.运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩全过程分析的岩石损伤模型以及宏细观损伤的耦合模式.数值计算的结果较真实地反映了水射流破岩过程中,岩石的动态响应以及水射流动力学特性的演化过程,普通连续水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级,破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏,并呈“阶跃式”发展.数值计算与相关试验结果基本吻合,表明该分析方法是可行的,可用来指导高压水射流破岩理论的进一步研究及应用.

冲击作用下岩石破碎比功理论分析及模糊预测模型

从岩石破碎机制分析出发,通过建立岩石破碎比功模态,确定破岩机具结构尺寸、岩石力学特性和破岩工艺三类对岩石破碎比功有影响的参数。引入模糊逻辑法,将上述参数作为模糊逻辑分析的输入变量,岩石破碎比功作为模糊逻辑分析的输出变量,建立用于预测岩石破碎比功的预测模型。将该模糊预测模型应用于某工程实例,通过对比模型所得结果与工程实践中的真实岩石破碎比功,该模型所得结果与工程实践中的真实值比较接近,预测模型设计合理,模糊推理规则能够表达工程实践,在给定输入变量的情况下,该模型可有效预测岩石破碎比功这一重要特征参数。

压头作用下岩石破碎过程分形特性研究

基于Mohr-Coulomb破坏准则,采用有限元方法模拟压头作用下岩石的破碎过程。基于分形理论,采用计盒维数方法计算岩石破碎分形维数。研究表明,压头作用下岩石的破碎具有分形特性。其破碎过程可以分为明显的3个阶段,在3个阶段分形维数的变化趋势有所不同,分形维数可以有效地表征压头作用下岩石的破碎过程。当顶部压头位移达到某个临界值,岩石完全破碎,形成破碎漏斗。此时,分形维数亦达到一个不再变化的临界值,该临界值可以定量表征岩石的破碎程度。

冲击作用下岩石破碎的动力学特性及能耗特征研究

为了研究冲击钻井中岩石破碎的难易程度及动态破碎规律,基于固有缺陷的损伤原理,建立了岩石动态破裂强度、破碎时间和破碎能耗的理论模型,通过砂岩的霍普金森压杆冲击压缩试验分析了其破坏强度、破坏时间及破坏过程中的能量耗散特征。分析研究发现,试验结果与模型计算结果基本吻合,砂岩的动载强度、破碎时间和破碎能耗均与应变率之间呈幂函数关系,随着应变率在60~115s^(-1)范围内增加,砂岩的动载强度与静载强度相比增大了1.33~1.83倍,破碎时间从84μs迅速缩短至52μs,且应变率越大,岩石破坏后的碎块尺度越小、破碎能耗值越大。研究结果可为衡量岩石动力破碎的难易程度及提高冲击破岩效率提供参考。

深孔爆破岩石破碎块度的控制研究

根据施工前进行试爆取得的爆破参数,建立了岩石破碎块度控制模型。按照工程地质条件和施工要求,对爆破参数进行了优化,取得了满意的控制效果。

冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用数值模拟方法研究了冲击载荷作用下的岩石微观结构特性变化,通过对岩石内部应力分布及裂纹分布图可以得出冲击载荷破岩时岩石内部在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区,刀具下方的拉应力最大;中间裂纹扩展速度比径向和侧向裂纹都要快,裂纹面呈三角形状。在多功能试验装置上对花岗岩进行冲击载荷破岩试验,试验结果表明:单纯提高冲击载荷对破岩效果不会有很大的提高,存在一个最佳破岩冲击能(63J)。

岩石破碎方法的研究现状及展望

综述了机械破岩(冲击破岩、切削破岩和冲击-切削破岩)和非机械破岩(水力破岩、热-机碎岩、贯通锥形断裂破岩、激光破岩、微波破岩、等离子破岩和电子束破岩)两种岩石破碎方法的研究现状,分析了各自的优缺点,对我国岩石破碎研究的发展趋势进行了展望。

动、静载岩石破碎比功试验研究

岩石破碎比功表征钻井中破碎单位体积岩石的功耗量。通过静载和动载条件下岩石表面和钻孔内部破碎比功的试验研究,分析了动、静载破碎比功之间在量与质上的区别和联系,研究了动、静2种载荷单独和联合破岩的异同点及其相互关系,进一步证明了2种载荷联合作用——旋冲钻井,是提高硬地层钻井效率的最佳方式之一。研究成果为提高破岩效率研究提供了试验和理论基础。

基于岩石破碎体积的滚刀效率评估模型

结合岩石的不同破坏方式,如剪切破坏、张拉破坏、挤压破坏及多种破坏方式混合作用等,探讨了岩石破碎体积的计算方法.根据在滚刀作用下岩石以剪切破坏和张拉破坏为主的特性,提出以岩石破坏时裂纹长度、剪切面在岩石自由表面投影长度及滚刀刀刃宽度间的关系来识别岩石破坏方式,计算岩石破碎体积.利用CSM模型计算破岩比能,评估滚刀破岩效率.并通过实例对该方法进行了计算验证,结果表明该方法能够为TBM的性能预测和优化提供一定参考.

水射流作用下岩石破碎理论研究进展

水射流作用下岩石的破碎是一个极为复杂的过程,对水射流作用下岩石破碎机理的认识依然是众说纷纭,由此对水射流破岩机理有多种不同的学说。对此,综述与归纳了水射流作用下岩石破碎的主要理论,包括准静态弹性破碎理论、应力波破碎理论、气蚀(空化)破坏理论、裂纹扩展破碎和损伤破碎理论等。在此基础上评述和分析了水射流破岩理论研究存在的问题,并为水射流破岩理论的研究提出了一些建议。