旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。

复合运动破岩实验装置的改进设计

针对原复合运动破岩实验装置存在的不足,对该装置的传动系统、岩石夹持系统及部分测量装置进行了改进设计。改进后,整机传动更简单、平稳、可靠,操作更方便。

掘进机刀盘滚刀间距对北山花岗岩破岩效率的影响实验研究

掘进机(TBM)开挖隧道过程中,其刀盘上滚刀间距设计的合适与否关系着破岩效率的高低。由于岩石非均匀、非连续、各项异性的特性,使用数值模拟方法研究滚刀破岩过程存在局限性。现场掘进实验主要是针对特定的掘进机做出机械运行参数优化,无法研究不同刀间距对破岩的影响。全尺寸滚刀破岩实验可以人为调整刀间距,且实验中采用大体积岩石可以避免尺寸效应的影响,因此受到了广泛的关注。采用北京工业大学自制的机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)盘形滚刀,选取尺寸为1000 mm×1000 mm×600 mm的北山完整花岗岩试样,进行了5组刀间距的线性切割试验。实验中采集滚刀三向力,分层收集岩片且对其进行称重。对不同刀间距作用下的平均法向力、平均滚动力和比能进行了分析研究。当贯入度较小时,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响都不明显,随着贯入度的增加,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响增加。对于所有的刀间距而言,增加贯入度会产生更多的岩片,但并不一定会提高破岩效率,对于北山花岗岩而言,当刀间距与贯入度的比值为30左右时,比能值最低,此时破岩效率最高。

旋转冲击钻井方法硬岩破岩钻进特性的实验研究

硬地层岩石硬度大、钻井参数不匹配是导致深层超深层钻井钻速慢的最主要因素之一,提高硬地层破岩效率是钻井提速关键内容。旋转冲击钻井方法是提高破岩效率的一种技术手段,然而硬岩旋冲钻井时,破岩钻进特性不够明确,导致该技术使用效果差异性显著且无法达到最佳。该文基于旋转冲击破岩实验装置开展了花岗岩破岩实验,结果表明:旋转冲击钻井方法可以提高花岗岩的破岩钻进效率,但存在钻压、转速、冲击力及冲击频率的匹配问题;旋冲钻进硬岩时,存在临界钻压与临界冲击力,只有实际钻压大于临界钻压且冲击力大于临界冲击力时,旋转冲击钻井方法方能提高破岩效率;在此工况下,增大冲击力、冲击频率能够增大岩石破碎体积,显著提高钻头的破岩效率,但上述参数并非越大越好,当超过某一值,提速效果呈现变差趋势。

TBM滚刀贯入度对破岩效能的影响规律研究

合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element method)和SPH(smooth particle hydrodynamics)相耦合的数值模拟方法重现相关试验以验证模型的合理性,并在此基础上建立原尺双滚刀回旋破岩三维数值模型,研究TBM盘型滚刀不同贯入度下对花岗岩的破岩效果。研究结果表明:有侧限条件下滚刀受力和岩碴体积往往更大,且相邻贯入度之间的法向力和岩碴体积增长幅度随着贯入度的增大而减小,但无侧限条件下的破岩效率更高;滚刀破岩过程是阶跃性的,岩碴的产生主要集中在滚刀荷载跌落阶段,无论刀侧是否存在限制,刀下岩石均被碾压至极细的粉末,刀侧岩石崩出,且岩碴的大小与滚刀荷载跌落幅度正相关;刀下岩石破坏区域近似呈“V”形,随着贯入度的增大,滚刀间的“V”形破坏区域持续向安装半径内侧倾斜;滚刀破岩效率随着贯入度的增大先提高后减小,针对试验岩样,最佳贯入度为2~4mm;本研究所采用滚刀破岩缩尺试验与FEM-SPH数值模拟相结合的方法可以很好地重现花岗岩破裂过程,且两者切削力相对误差均在10%以内,可以为后续TBM滚刀破岩研究提供一定参考。

不同岩石和围压下刃形对滚刀破岩性能的影响

滚刀位于全断面隧道掘进机(TBM)最前端,与岩石直接发生接触,是执行破岩掘进的关键零部件.研究TBM滚刀截面轮廓(刃形)对其破岩性能的影响机理和规律,对指导工程实际中滚刀选型与设计、提高TBM掘进效率具有重要意义.首先建立二维颗粒流离散元模型,针对工程中最常用的平头滚刀和圆弧滚刀,选取两种强度不同的岩石并对其中一种施加固定10 MPa围压;然后,开展滚刀破岩仿真,通过分析比能、破岩体积、刀具载荷、裂纹数量等结果,对滚刀刃形与岩石破碎的关联性进行研究;最后,通过缩比滚刀破岩实验验证数值分析所得结论的正确性.分析结果表明:滚刀刃形对其破岩性能影响显著,在本文所涉及参数范围内,对于多数岩石强度与围压组合,圆弧滚刀比能均低于平头滚刀比能,平均降低19.8%;圆弧滚刀破岩力比平顶滚刀破岩力平均低32.6%,表明破岩过程中圆弧滚刀做功较少,而二者产生的岩石碎片总体积相差不大(平均差值7%),则圆弧滚刀破除单位体积岩石所消耗的能量更少.综上所述,两种常用滚刀刃形相比,在岩石强度与围压较高的地层中可考虑优先选用圆弧滚刀.

不同刃型TBM滚刀载荷与振动特性实验研究

全断面隧道掘进机(TBM)地下工况复杂,破岩产生的振动冲击使得滚刀和刀盘异常失效,易造成重大经济损失。为探究在不同刀盘进给参数下滚刀截面形状(即刃型)对滚刀振动影响机理,开展滚刀破岩实验,获取滚刀载荷和振动信号。研究结果表明:随着刀盘总推力和转速增加,滚刀振动幅度增大,这是由于推力与转速以不同方式增加了单位时间内岩石破碎的体积,因此岩石应变能的储存—释放过程更为剧烈,滚刀振动加剧;不同刃型滚刀侵入岩石的能力不同,亦会改变单位时间内破岩体积,影响滚刀振动;冲击与载荷突变同时发生,这是因为岩石蓄积的弹性应变能在岩石破裂时集中释放。本文研究可为滚刀选型、研发低振动新型滚刀结构、减少滚刀及刀盘开裂提供参考。

温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验

破岩效率低是深层超深层钻井面临的主要难题之一,受深部地层温度、压力影响,深层超深层钻头破岩效率与浅层钻井有较大差异。基于高温高压钻井模拟装置,测试分析了温度、压力对岩石等效可钻性级值的影响,通过温度20、150、300℃,围压25、50 MPa环境下钻头破岩实验,开展了破岩效率影响因素敏感性分析。实验结果显示:在温度、压力单因素作用下,花岗岩等效可钻性级值随温度升高而降低,随压力增加而升高;温度、压力耦合作用下,压力因素对花岗岩等效可钻性级值的影响大于温度因素,花岗岩等效可钻性级值升高1~2级。在20~300℃,钻头破岩效率均随温度的升高而增加,高钻压(800 N)下破岩效率对温度敏感性升高,高转速(50 r/min)下破岩效率对温度敏感性降低;在0~50 MPa围压范围,钻头破岩效率均随围压的升高而降低;在温度150℃、围压50 MPa环境下,破岩效率与钻压、转速正相关,且与转速近似呈线性关系,钻压、转速对破岩效率的敏感性大于温度、围压对破岩效率的敏感性。综合以上分析可知,高温高压地层钻井时,基于岩石可钻性级值优选或设计钻头时,应考虑温度、压力的影响,同时通过强化钻井参数,可经济有效地提升钻头破岩效率。

超临界CO_2直旋混合射流破岩特性的实验研究

超临界二氧化碳(CO_2)射流破岩既能降低岩石门限压力又能有效保护储层,直旋混合射流兼具直射流和旋转射流特点可提高破岩效率,基于此提出了超临界CO_2直旋混合射流的破岩方法。为了揭示超临界CO_2直旋混合射流破岩特性,设计加工出叶轮式直旋混合射流喷嘴,通过岩石定点冲击破碎实验对比了该射流与常规水射流的破岩效果,并研究了叶轮长度、叶轮中心孔直径、混合腔长度、喷射距离、射流压力等重要参数对超临界CO_2直旋混合射流破岩效果的影响。结果表明:相同实验条件下,该射流方法的平均破岩能力比常规水射流提高了42.9%;超临界CO_2直旋混合射流破岩易出现较大体积岩屑崩落现象;随着叶轮长度、混合腔长度、喷射距离的增大破岩效果均先增强后减弱,实验条件下上述参数存在最优范围值;叶轮中心孔直径的增大会导致岩石破碎孔深度增加、直径减小;随着射流压力的升高,超临界CO_2直旋混合射流破岩效果有着较为明显的提升。研究结果可为超临界CO_2直旋混合射流破岩方法的进一步研究提供实验依据。

盘形滚刀破岩力预测及试验研究

盘形滚刀破岩力是全断面掘进机施工过程的关键参数,是刀盘设计的重要依据。深入分析了盘形滚刀刀圈与围岩相互作用的过程,提出了以被压岩石为研究对象,对被压围岩应力分布函数进行积分推算,建立滚刀刀圈破岩力的预测模型;运用库仑-莫尔准则构建了滚刀刀圈切向力模型。通过设计盘形滚刀单刀线性破岩试验,经过试验结果对比和误差分析,验证了所构建的滚刀破岩力预测模型的准确性和有效性,为TBM刀盘结构设计优化提供一定的理论依据,可为实际施工提供科学指导。

TBM滚刀破岩过程的声发射特征

为了研究隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩试验过程中的声发射特征,采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台并结合声发射监测技术进行试验。试验中利用常截面盘形滚刀,对北山花岗岩进行不同贯入度下的线性切割破岩试验,并采集试验过程中的声发射信号。分析声发射能率与能量特征,对信号进行小波去噪处理后,利用Geiger算法给出岩石损伤的声发射定位。研究发现:声发射能率与滚刀法向力具有相近的变化趋势;声发射能量随贯入度增大而增加,可用于表征滚刀切削岩石所消耗的能量;声发射定位点大致描述损伤的分布范围,较好地反映出岩石在滚刀切割作用下损伤积累到形成岩片的过程。

硅质白云岩PDC钻头齿型优选实验研究

当钻遇硅质白云岩地层时,由于对PDC钻头齿破碎硅质白云岩地层的规律认识不清、选齿的盲目性,造成钻头出现打滑、崩齿、使用寿命短等问题。文章对可钻性级值为6.8级的硅质白云岩进行了常规齿、斧形齿及三棱齿的单齿破岩效率实验。通过实验结果发现,在相同切削条件下,斧形齿吃入岩石的深度最大,在切削岩石的过程中受到的切向力最小,发生粘滑振动的概率更低;其次为三棱齿;常规齿吃入岩石的深度最小,受到的切向力最大,发生粘滑振动的概率更高。其中,常规齿受到的切向力标准值是斧形齿的2.6倍,三棱齿受到的切向力标准值是斧形齿的1.7倍。通过对斧形齿破岩规律研究,斧刃角110°、直径13 mm的斧形齿的后倾角设置为15°时破岩效率最高。研究结果对适用于硅质白云岩地层PDC钻头切削齿的选型和钻头优化设计提供了重要依据。

基于小波变换的钻头实验信号降噪方法

在钻头破岩实验中存在钻头对岩石的周期性动载冲击,同时受实验设备和环境等因素的影响,在动态信号中存在着大量噪声,无法获得准确的测试数据,实验结果往往不能真实反映实验的特性和规律。基于小波变换的浮动阈值方法,建立了一套用于钻头破岩实验测试信号噪声压制方法,通过对实验和实测数据的处理和分析,证明了方法有效性,提高了实验数据的准确性和可靠性。

三塘湖火成岩地层牙轮钻头的开发

针对吐哈油田三塘湖火成岩地层岩石硬度高、可钻性差、机械钻速慢、跳钻严重、钻具和钻头易损坏等特点，设计了一种以椭凸顶齿为主切削齿的牙轮钻头。利用有限元分析软件ABAQUS进行了齿形和结构参数的优化，利用复合破岩实验综合评价椭凸顶齿的破岩效率，并最终确定一种试验齿形。钻头现场试验表明，以椭凸顶齿为主切削齿的牙轮钻头在三塘湖火成岩硬地层能较好地发挥其攻击性强的作用。

滚刀载荷监测及刀盘载荷分布规律实验研究

为了获取滚刀载荷、建立刀盘载荷分布规律,为岩石隧道掘进机(TBM)高效掘进参数控制提供指导,通过分析单刃滚刀和中心双联滚刀结构形式,开发了滚刀载荷测试的传感器安装结构及测力传感器,研发了适用于TBM掘进模态综合实验平台的滚刀载荷监测系统;通过开展不同贯入度、不同刀间距及不同滚刀布置方式的多滚刀回转式破岩实验,基于实验结果建立了滚刀载荷分布规律,结果表明:滚刀载荷在空间域上随安装半径的增大而增大,临空面的产生和滚刀立体布置有利于滚刀破岩,贯入度与滚刀载荷呈幂函数关系。研究结果可为TBM刀盘设计和掘进参数的控制提供参考依据。

新型TBM螺旋槽滚刀破岩性能及接触行为研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备,在川藏铁路等国家重大战略工程中发挥着重要作用。但TBM在硬岩地层施工中仍然面临所需推力大、掘进速度慢、滚刀损耗严重等问题,亟待解决。尝试探索基于滚刀表面结构设计调控刀-岩接触的可行性,设计了一种新型螺旋槽盘形滚刀。使用直线切割破岩实验研究不同贯入度和岩石种类下新型滚刀的破岩性能,并利用颗粒流离散元数值仿真对其破岩机理进行阐释。结果表明,滚刀表面的螺旋槽设计可以显著地降低破岩时切削力,而对生成的岩石碎片总体积无明显影响,因此可以显著减小滚刀做功,降低破岩比能,提高破岩过程的能量利用效率。其机理在于螺旋槽有效地优化了岩石内应力分布,使得同一滚刀前后相邻的刃齿在沟槽下方岩石中形成拉应力区,该部分岩石未与滚刀直接接触形成岩石粉末,而是由拉裂纹互相贯通形成岩石碎片,即减少了岩石粉末数量、缓解了岩石过度破碎程度,最终达到了降低切削载荷和破岩能耗的效果。

液氮磨料射流破碎高温花岗岩机理

液氮磨料射流是一种高效的破碎干热岩方式。为进一步探究其破岩机理,开展液氮磨料射流喷射高温花岗岩室内实验。从宏观角度分析岩石破碎形式、射流孔眼形态及表面特征,从微观角度分析断裂面形貌和微裂缝分布等,探究液氮磨料射流破碎高温岩石特征。同时,开展磨料水射流和氮气磨料射流破岩实验作为对照。实验结果表明,液氮磨料射流形成的孔眼形状不规则,表面凹凸不平,且破碎体积明显大于磨料水射流和氮气磨料射流。扫描电镜实验显示,低温、冲击载荷作用下,在孔眼壁面和孔眼附近区域生成大量微裂缝,其主要断裂方式为拉伸、剪切作用下岩石的脆性断裂,表现为穿晶断裂和沿晶断裂。理论分析和数值模拟研究表明,液氮低温作用对岩石造成损伤,而热应力、磨料冲击载荷和流体水楔作用在损伤岩石基础上主要以剪切和拉伸两种方式破碎岩石。

高压液氮射流提高深井钻速机理

针对深部油气及地热钻探中岩石温度及强度高、钻速普遍偏低等问题,采用花岗岩、页岩和砂岩3种岩样,开展了高温岩石液氮冷却后的力学特性测量实验与液氮射流破岩实验,解析了液氮喷射破岩的宏观特征与微观机理、液氮-岩石的传热特征、岩石内热应力的演化规律,进而提出了高压液氮射流辅助钻井的新方法。研究表明,液氮冷冲击可显著降低岩石的单轴压缩强度及弹性模量,岩石温度越高,力学弱化程度越高,冷冲击对岩石的损伤程度越强;液氮射流破岩以大块体积破碎为主要破岩特征,具有破岩效率高、破岩门限低的特点,岩石温度越高,液氮射流破岩效果越强;液氮喷射作用下花岗岩的损伤程度最高,该方法对高温花岗岩地层具有更好的适用性,应用于深层干热岩储集层钻井提速,具有良好的前景。

径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

为了解决目前常规射流喷嘴无法同时实现钻大孔和钻深孔的问题,设计了一种结构简单的多孔自旋射流喷嘴,并利用SIMPLEC算法对其流场进行数值模拟计算,分析了喷嘴的外流场特性,通过室内破岩实验研究了喷嘴的破岩机理,优选了喷嘴的结构参数。结果表明:多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大,随倾斜角的增大而减小,随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。在倾斜角一定的条件下,切向角为16°时,无因次冲击区面积达最大值;在切向角一定的条件下,倾斜角为6°时,射流在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标,并取得了较好的现场应用效果,可作为一种新型高效的径向水平井射流喷嘴进行推广应用。

TBM盘形滚刀切削力学模型分析

为了研究盘形滚刀掘进过程中的切削特性,对盘形滚刀侵入岩石过程进行受力分析。通过对盘形滚刀与岩石作用机理的研究,基于摩尔-库仑强度理论,分析岩石的脆性断裂过程,建立一种考虑密实核作用的刀具载荷计算模型,得到滚刀侵入破岩的力学表达式。采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维颗粒离散元数值模型,在不同的侵入深度下,对TBM盘形滚刀的破岩过程进行数值分析。然后通过直线式盘形滚刀破岩实验台,对TBM盘形滚刀在不同侵入深度下的破岩过程进行实验研究。研究结果表明:垂直力的数学模型理论计算结果、数值模拟结果和实验结果平均误差较小,验证了所建立的受力预测力学模型的正确性和有效性。