鄂尔多斯盆地长7段重力流砂岩长石溶蚀特征及控制因素

基于岩心薄片、扫描电镜、能谱分析、X射线衍射全岩分析及溶蚀实验,研究鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段(简称长7段)重力流砂岩中长石溶孔发育特征及控制因素,明确长石溶孔的形成与分布,为预测优质储集层分布提供依据。研究表明:(1)研究区长7段砂岩中的长石经历3类成岩作用:长石次生加大、黏土以及方解石的交代、长石碎屑的溶蚀作用。(2)长7段致密砂岩中的长石溶蚀主要源于有机酸溶蚀,此外还受长石类型、长石早期蚀变程度以及砂岩中云母碎屑对有机酸的缓冲作用影响。(3)不同长石的溶蚀程度不同,表现为钾长石较斜长石易溶蚀,钾长石中正长石较微斜长石易溶,未蚀变的长石较早期高岭土或绢云母化的长石易溶蚀。(4)溶蚀实验显示云母的存在会抑制长石溶蚀,相同质量的云母对有机酸的消耗能力明显强于长石。(5)在云母含量低的情况下,长7段砂岩长石溶孔较为发育,储集层物性得以改善,而云母含量较高的地区长石溶孔则明显减少。

矿田构造岩相学填图理论及应用

开展成矿蚀变−构造岩相解析建相和建模预测研究已成为矿田构造与找矿预测的创新方向之一。文章对国内外8类重要的成矿蚀变−构造岩相模型和形成机制进行论述总结,南美洲智利科皮亚波地区IOCG型矿田受到主岛弧带−弧相关盆地及岩浆叠加−盆地变形样式的复合控制,而中国云南东川沉积岩型铜矿床(SSC型)+IOCG型铁铜矿田受陆缘裂谷盆地、盆地变形构造样式和岩浆叠加侵入构造系统的复合控制。中国内蒙古甲−查浅成低温热液型银铅锌矿田受火山洼地、火山穹隆构造、火山岩岩相类型和火山热液隐爆角砾岩的复合控制,而深成岩浆弧控制了蒙古国南戈壁斑岩型金铜钼−浅成低温热液金银矿田;中国秦岭热水沉积型(SEDEX)银铜铅锌−菱铁矿−重晶石矿田受到陆缘拉分盆地内三级热水沉积盆地、同生断裂带和热水沉积岩相的控制。大陆造山带内不同层次的脆韧性剪切带,控制了金矿田和金钼多金属矿田定位。在新疆塔西盆−山−原镶嵌区盆地系统内,侏罗系煤系烃矿源岩是金属矿田和天然气气田的成矿成藏物质供给源区;乌拉根砂砾岩型天青石−铅锌矿田受到山前挤压—伸展转换盆地、气成热流柱构造和山前冲断褶皱带的复合控制;萨热克铜多金属矿田赋存于旱地扇杂砾岩,受到对冲式厚皮型逆冲推覆断裂带和幔源热流柱带的复合控制。其中在矿集区−矿田尺度上,电气石热流柱构造、岩浆气囊构造、复合岩溶构造岩相等是成矿蚀变−构造岩相的3种新类型;在归纳前期对矿田构造岩相、矿田构造古地理单元和典型矿田构造岩相形成机制研究基础上,文章提出了矿田成矿蚀变−构造岩相类型的新划分方法和划分原则方案,并划分确定了12种变形构造岩相类型。研究成果为矿田构造研究和找矿预测提供了新理论和新方法支撑。

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展试验与模拟研究

研究表明碳酸盐岩的溶蚀过程可用溶解速率方程进行表征,但表征的形式存在较大差别,主要体现在远离平衡的欠饱和态下。为进一步确定碳酸盐岩在欠饱和态下的溶解特征及溶蚀速率的表征形式,首先开展了碳酸盐岩裂隙溶蚀试验研究,探讨了CO_(2)及溶液初始Ca^(2+)浓度对溶蚀过程的影响,并基于试验结果构建了欠饱和态下的溶解速率方程;而后采用碳酸盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型,通过数值模拟对量化模型的参数进行率定和检验。结果表明:(1)CO_(2)的参与加快了碳酸盐岩的溶蚀扩展,溶液初始Ca^(2+)浓度越高,对碳酸盐岩的溶解抑制程度就越高;(2)CO_(2)作用下碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展的平均溶蚀速率增加了1.82~2.29倍;(3)溶液不同初始Ca^(2+)浓度在同等区间流量条件下,蒸馏水为溶蚀溶液的样品中Ca^(2+)浓度差值下降了0.0915mmol/L,溶液初始Ca^(2+)浓度为0.352,0.476,0.581mmol/L的溶蚀溶液中,Ca^(2+)浓度差值分别下降了0.0742,0.0536,0.0474mmol/L;(4)在高度欠饱和状态下溶解动力学由线性速率定律控制,随着溶液中Ca^(2+)浓度的升高,溶解动力学将变为非线性关系,此时Ca^(2+)浓度为0.4倍的平衡时Ca^(2+)浓度。研究结果可为定量评价岩溶发育演化提供数据支撑。

S31603复合板压力容器点蚀行为试验研究

针对S31603复合板压力容器不锈钢层不同点蚀深度的发展进程及穿透至碳钢层后的电偶腐蚀风险,通过预制不同点蚀深度的S31603复合板试片组,分别在实验室和现场S31603复合板压力容器内进行腐蚀试验,并对试片进行宏观分析、低倍观察、高倍观察及腐蚀产物表征分析。结果表明,S31603复合板预制的点蚀坑深度穿透至碳钢层时发生了明显的电偶腐蚀,实验室腐蚀试验和现场试验最高点蚀速率分别达到4.954,1.023 mm/a;用S31603复合板试片预制的点蚀坑深度穿透至碳钢层后碳钢优先发生电偶腐蚀;S31603复合板试片预制的点蚀坑深度处于不锈钢层时腐蚀轻微,也未萌生新的点蚀,相邻点蚀坑之间也未见明显的腐蚀影响。在含Cl-的酸性腐蚀性介质环境下,当S31603复合板压力容器点蚀深度处于不锈钢层时腐蚀轻微,当点蚀深度穿透至碳钢层后,会发生明显的电偶腐蚀,需要缩短S31603复合板压力容器开罐检修周期以保证安全使用。

热液成矿系统构造控矿理论

构造对成矿的控制是热液成矿系统的典型特征之一,系统剖析多重尺度控矿构造的几何学、运动学、动力学、流变学和热力学对认识矿床成因和预测找矿至关重要;而如何实现控矿构造格架、渗透性结构、成矿流体通道和矿化变形网络由静态到多尺度时-空四维动态的转变,查明流体通道和矿床增量生长过程与控制因素,揭示热液成矿系统的构造-流体耦合成矿机制和定位规律是亟待解决的关键科学难题。为此,我们在对已有相关成果系统梳理的基础上,提出了科学构建热液成矿系统构造控矿理论的基本要点与对应方法及应用范畴:(1)流体而非构造是构造控矿理论的中心,热液系统的流体流动与成矿作用受控于断裂带格架及其渗透性结构,其中渗透率是将流体流动与流体压力变化联系起来理解控矿构造的核心;(2)不同控矿构造组合的关键控制是构造差应力和流体压力的大小,而矿化类型的变化可能是由于构造应力场引起的容矿构造方位的不同和赋矿围岩之间的强度差异所致;(3)流体通道的生长始于超压流体储库上游围岩中孤立的微裂隙沿流体压力梯度最大的方向、随裂隙发育且相互连结而形成新的长裂隙,并最终连通形成断裂网络内的流体通道,矿床的增量生长发生在高流体通量的短爆发期,断层反复滑动驱动其内流体压力、流速和应力快速变化,当由此诱发的流体通道生长破坏了流体系统的动态平衡时,随之而来的流体快速降压就成为金属沉淀成矿的关键驱动因素;(4)以热液裂隙-脉系统野外地质观测和构造-蚀变-矿化网络三维填图为基础,通过宏观与微观各级控矿构造相结合、地质历史与构造应力分析相结合、局部与区域点-线-面相结合、浅部与深部相结合、时间与空间相结合、定性和定量相结合,对各种控矿因素开展多学科、多尺度、多层次、全方位综合研究,是应遵循的基本原则;(5)通过构造-蚀变-矿化网络填图,将蚀变-矿化体与控矿构造的类型、形态、规模、产状和间距等几何学特征联系起来,利用热液裂隙-脉系统和断裂网络拓扑学及矿体三维几何结构分析等定量方法查明控矿构造格架和渗透性结构并揭示矿化变形网络的连通性与成矿潜力;(6)合理构建地质模型,选取合适的热力学参数和动力学边界条件,利用HCh和COMSOL等方法,定量模拟成矿过程中的流体流动、热-质传递、应力变形和化学反应等的时-空变化,是揭示构造-流体耦合成矿机理和定位规律、预测矿化中心和确定找矿目标的有效途径。进而提出了构造控矿理论的研究流程:聚焦构造-流体耦合成矿机制和定位规律这一关键科学问题,选择热液裂隙-脉系统和构造-蚀变-矿化网络为重点研究对象;通过几何学描述、运动学判断、流变学分析、动力学解析和热力学综合,厘定控矿构造格架,定位矿化中心,示踪成矿流体通道和多种矿化样式的增量生长过程及其关键控制,揭示渗透性结构的时-空演变规律及构造再活化与成矿定位的成因关联,建立构造-流体耦合成矿模式,服务新一轮战略找矿突破。以胶东焦家金矿田为例,开展控矿构造理论研究和成矿预测应用实践,证实了其科学性和有效性。

EICP与木质素联合改性粉土边坡抗雨蚀试验研究

通过设置6组试样,采用降雨试验,通过试样的表面侵蚀状况与冲蚀量、表面强度、碳酸钙含量的变化分析了改性后粉土边坡的抗雨蚀性能。试验结果表明:植物源酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)与木质素联合改性试样并在表面喷洒EICP溶液后,试样表面完整度更好,表面强度及碳酸钙含量更高,质量损失更小,抗雨蚀能力明显提高,与其他试样的平均值相比,边坡土体侵蚀量降低了75.0%,表面强度提高了33.8%,碳酸钙含量提高了235.2%;坡面喷洒EICP溶液可形成硬壳层,有效避免坡面侵蚀;木质素可为碳酸钙提供成核位点,使分布散乱的碳酸钙附着在木质素上,添加木质素后试样碳酸钙含量提高,且表面强度随碳酸钙含量提高而增大。

TC4钛合金表面固体粒子冲蚀损伤行为及机理研究

目的探究TC4钛合金在固体粒子冲蚀下的损伤行为,揭示钛合金表面的冲蚀机理。方法采用自主搭建的冲蚀试验装置,以TC4钛合金为研究对象,综合运用正交试验法和控制变量法开展常温干砂粒冲蚀试验。通过扫描电镜综合分析冲蚀区域表面和截面的微观形貌,采用能谱仪分析冲蚀区域元素的组成,利用电子天平测量冲蚀磨损质量;讨论工艺参数对钛合金损伤行为及冲蚀机理的影响。结果相较于冲砂量和冲蚀角度,冲蚀距离对冲蚀量的影响更大;冲蚀量随着冲蚀角度的增加呈先增大后减小的趋势,在40°附近达到峰值。结合数值模拟和试验研究结果发现,钛合金的损伤形式和冲蚀机理与冲蚀角度密切相关,在低攻角时形成了较狭长的犁沟和挤压唇,发生了明显的塑性变形,容易产生二次撞击,表现为微切削机制;在中攻角时,微切削与锤击效应共存,损伤最为严重;在冲蚀角度为90°时,形成了较多的撞击坑、挤压唇及少量的疲劳剥层,主要为锤击效应引起的疲劳破坏。在低攻角时,磨料动能损失较小,随着冲蚀角度的增加,磨料动能损失增大,且在不同攻角下均有破碎磨料嵌入基体。结论冲蚀距离和冲砂量对钛合金冲蚀损伤的影响较为显著,冲蚀角度会影响钛合金的冲蚀机理,此研究结论可为钛合金结构件抗冲蚀设计提供理论依据。

煤储层酸化氧化试剂体系优选及增产效果评价

我国煤层气资源丰富,但煤储层多为低渗致密储层,单井产量和采出率普遍较低,现有的技术手段难以支撑我国煤层气产业的快速发展,需要探索提高单井产量和采出率的手段。除了水力压裂、裸眼洞穴完井的物理改造方式,采用化学法改造原始煤储层物性也是近年研究的热点。煤储层酸化氧化技术可以避免物理增产方式造成的储层伤害,并可以促进解吸并改善渗流能力,但对于不同煤阶煤储层,适宜不同煤阶煤储层的酸化氧化试剂需要优化,以及其酸化氧化的作用效果需要评价。通过室内实验,对比分析了保德、沐爱、新疆区块煤样物性特征,包括煤阶、煤体结构、煤的宏观特征、煤质特征、孔渗参数、元素分析、矿物组成方面的区别;通过煤粉酸液前置溶蚀实验,优选出了盐酸最佳浓度,并通过Design-Expert软件设计并开展了五因素三水平的酸液优选正交实验,找出了影响溶蚀效果的敏感因素,优选出了最优的氧化剂类型,并对保德、沐爱、新疆区块煤样,分别优选出了适用于各区块煤储层的酸化氧化试剂体系;应用优选出的各区块酸化氧化试剂体系,对保德、沐爱、新疆区块煤样,分别对比分析了酸化氧化前后的孔隙度、渗透率和润湿性;最后基于沐爱区块一个典型井组,通过数值模拟预测了酸化氧化改造后的产气效果。实验表明:盐酸浓度在3~4 mol/L内,酸液溶蚀效果最好;5个实验因素的影响效果从大到小依次是浸泡时间、酸液种类、浸泡温度、煤样种类、酸液浓度;最优的氧化剂为质量分数3%的过氧化氢溶液;保德区块混合酸化氧化剂配方为10%HCl+2%CH_(3)COOH+2%HF+3%H_(2)O_(2),沐爱区块的最佳混合酸化氧化剂配方为8%HCl+2%CH_(3)COOH+4%HF+3%H_(2)O_(2),新疆区块的最佳混合酸化氧化剂配方为12%HCl+1%CH_(3)COOH+1%HF+3%H_(2)O_(2),煤阶越高,最优酸化氧化试剂体系中HF含量越高。酸化和氧化对煤样的孔隙度和渗透率有提升作用,2者增大规律一致,低阶煤提升效果优于高阶煤。酸化作用使煤的亲水性增强,而氧化作用使煤的亲水性大幅减弱,经优选的酸化氧化体系处理的煤样亲水性减弱。数值模拟预测表明酸化氧化方案生产10 a达到废弃条件时采出率达到了64.64%,与同一时间未进行酸化氧化方案的采出程度相比增加19.72%,增产效果显著;与未进行酸化氧化方案生产18 a达到废弃条件时采出率相比增加0.97%,但酸化氧化措施节省了8 a生产时间达到最终采出率,降低了矿场运营成本。优选出的适宜于低、中、高不同煤阶煤层气藏的酸化氧化体系,改善了目标煤储层的解吸和渗流能力,提高了单井产量和采出率。

单相缓速酸酸蚀裂缝导流规律

低渗碳酸盐岩酸压成功的关键在于酸压后形成可在地层闭合压力下保持高导流能力的酸蚀裂缝。单相缓速酸是一种具有纳米结构、低伤害、低摩阻及高缓速性能的新型酸液体系,应用潜力大,但其酸蚀裂缝导流规律尚不明确。以光滑岩板和粗糙岩板为实验对象,以盐酸、胶凝酸和乳化酸为对比,利用酸液刻蚀和酸蚀裂缝导流实验、表面形貌扫描和连续强度测试仪,研究了酸液类型、交替注入级数、注入速度、黏度比、反应时间、岩板类型对导流能力的影响。结果表明:单相缓速酸相对于盐酸、胶凝酸和乳化酸,可形成强沟道型刻蚀形貌,差异化溶蚀程度高,岩板强度损伤减缓,在高闭合压力下可保持较高的导流能力。提高酸液交替注入级数(≥3级)、注入速度、黏度比(黏度差≥50 mPa·s)及岩板初始表面粗糙度,有助于形成优势酸液流通通道。单相缓速酸实现高导流酸蚀裂缝机理为:(1)黏性指进形成差异化刻蚀沟道;(2)主蚓孔滤失形态及“虹吸”效应减缓裂缝表面强度损伤。

宜昌地区灯影组深层丘滩相碳酸盐岩储层特征

宜昌地区灯影组顶部发育微生物碳酸盐岩沉积,由藻叠层石、藻球粒、凝块石等微生物丘建造,以及藻砂屑、滑塌角砾等颗粒云岩组成,属于典型台缘浅滩—台缘斜坡相沉积。顶部高能颗粒滩相带发育大量蜂窝状溶蚀孔洞,深层碳酸盐岩孔隙度平均9.81%,为优质中孔中渗碳酸盐岩储层,是鄂西地区油气勘探开发的重要层系。

基于骨料运移的高浓度充填管道磨损机制

高浓度充填管道磨损威胁矿山安全,但磨损机制尚不明析。采用CFD-DEM模拟高浓度充填管道磨蚀、骨料运移、骨料与管壁接触,结合理论分析和现场实测揭示管道磨损机制。结果表明:料浆承载力充足时,固液两相在管内呈柱塞流,骨料向管道中心运移,管壁处形成减磨滑移层,管道四周磨损较均匀;反之,骨料在管底呈滑动床,管底磨损最严重。滑动床对管壁的作用力是柱塞流时的2.46~2.76倍,管底磨损是柱塞流时的1.48倍。骨料在管壁附近的运动轨迹类似波形线,以小角度接触管壁并滑滚,对管壁的切向力是法向力的27.44~30.84倍,管壁磨损受骨料切向刮擦主导。非稳态输送、粗糙管壁和过高浓度会劣化滑移层的减磨效果。根据模拟结果提出六条磨损防控措施,可供相关矿山借鉴。

WC-Co硬质合金冲蚀模型研究及应用

WC-Co硬质合金是制造固定式节流阀阀芯的主要材料,高压天然气携带着井底杂质颗粒在节流阀节流降压的过程中,对节流阀的核心部件阀芯产生冲蚀破坏。因此,以牌号为YG15的WC-Co硬质合金为研究对象,构建室内冲蚀实验平台,以确定YG15硬质合金的冲蚀模型并结合仿真验证。将冲蚀模型进一步应用至固定式节流阀冲蚀仿真中,预测固定式节流阀阀芯的使用寿命。研究结果表明,确定了YG15硬质合金的冲击角函数和在90°冲击角下的速度指数为2.48;当冲蚀角度由30°增加至90°时,YG15硬质合金靶材的冲蚀磨损量由847.1 mg增加至1235.6 mg;固定式节流阀冲蚀最严重的部位位于节流孔处,冲蚀磨损率随颗粒质量流率的增大而增大;对固定式节流阀进行寿命预测,在颗粒质量流较小的情况下,对节流阀固定油嘴保持一年一换;在颗粒质量流较大时,保持半年内更换一次。

TC4表面TiN/Ti涂层的热腐蚀行为研究及第一性原理计算

目的综合评估涂层性能、延长压气机叶片的使用寿命,进行TiN/Ti涂层及冲蚀后TiN/Ti涂层的热腐蚀行为机制研究。方法进行了完整TiN/Ti涂层及冲蚀后TiN/Ti涂层300℃/120h的热腐蚀实验,腐蚀介质为95%(质量分数)Na_(2)SO_(4)+5%(质量分数)NaCl。冲蚀实验采用形状不规则的SiO_(2)颗粒,冲蚀角为45°,冲蚀速度为130 m/s,供砂速率为6.4 g/min。建立了完整TiN涂层、表面具有孔洞的TiN涂层及表面具有Ti液滴的TiN涂层3种第一性原理腐蚀计算模型。结果TiN/Ti涂层热腐蚀后,液滴处发生氧化并且变得疏松;样品切割边缘产生腐蚀锈迹,最终出现鼓包和裂纹;冲蚀后,涂层表面的完整性受到破坏,相较于未冲蚀区域,冲蚀坑周围更容易出现腐蚀。在热腐蚀过程中,SO_(4)^(2-)中的O和完整TiN涂层中的Ti以及液滴中的Ti电子云团接触,存在电荷转移及成键倾向,具体为Ti失电子、O得电子,腐蚀主要发生在SO_(4)^(2-)中的O与Ti之间。结论第一性原理计算结果与热腐蚀的实验结果相一致,第一性原理计算结果可以从微观上反映液滴和孔洞等缺陷对涂层热腐蚀行为的影响,能够为分析涂层的热腐蚀机制提供理论依据。

四川盆地中部地区震旦系大型碳酸盐岩气藏开发技术新进展

四川盆地中部地区(以下简称川中地区)震旦系灯影组气藏为大型古老深层岩溶风化壳型碳酸盐岩气藏,气藏整体表现为低孔隙度低渗透率,储集空间小尺度缝洞发育,储层非均质性强特征,气藏开发面临储层表征难、井位部署和效益开发难度大等系列挑战。为此,以川中地区安岳气田灯影组气藏为对象,通过地质工程一体技术化攻关,深化了对储层发育特征和成因机理的认识,提出了气藏开发新模式,创建形成了气藏高效开发的关键技术。研究结果表明:①灯影组储层主要为岩溶成因储层,具有“叠合岩溶差异控储”的发育特征;②岩溶储层非均质性强,“溶蚀相成因控储”可精细刻画储层的非均质性;③灯影组气藏宜采用“单井指标叠加论证气藏规模”的开发新模式;④创新形成了“双界面”岩溶古地貌恢复及定量刻画方法,并指导平面选区,其中Ⅰ+Ⅱ类井比例由评价期的40%提高到方案建设期的100%;⑤创建了小尺度缝洞识别、刻画及表征技术,并指导钻井轨迹设计,测试百万立方米气井比例由开发评价期的41.6%提高到建产期的60%;⑥配套完善了分段酸压工艺技术,高效动用了优质储层,并解放了低品位储层,储层渗透率由改造前的0.62 mD提高到酸压改造后的6.77 mD。结论认为,“十四五”期间,在上述开发技术的支持下,安岳气田由台缘带灯四段高效开发转向长期稳产和台内地区多层系效益开发,蓬莱含气区由单井高产转向区块高产和气藏规模建产,将强力支撑中国石油西南油气田公司“十四五”末天然气上产500×10^(8)m^(3)。

海上油田井下放气阀冲蚀机理

针对南海西部高温高压井中砂砾对放气阀内部冲蚀导致的失效问题,利用Fluent软件对放气阀内部流场进行了仿真分析。结果表明:放气阀内部的密封头端部、外侧以及下接头端部存在严重的冲蚀磨损,且如其他条件控制不变,密封间隙的减小与上返排量的增大均会导致冲蚀速率的增大;随着含砂量的增大,砂粒撞击工具内部的概率上升,导致冲蚀加剧。建议放气阀材料选用防腐蚀材料以避免产生密封间隙,同时增加放气阀开启的频率以及加强防砂措施的实施。

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。

表面活性剂流体的空化-冲蚀耦合射流试验研究

为了研究赫姆霍兹空化喷嘴的射流机理,依据空化射流理论,以低黏度黏弹性表面活性剂(VES)溶液为介质,基于Schnerr-Sauer空化模型与DPM模型对赫姆霍兹自激振荡空化喷嘴进行流场仿真,对添加颗粒后的VES空化-冲蚀耦合射流近壁面流场特性与颗粒撞击壁面的运动特性进行了数值模拟,并通过淹没射流试验台开展空化-冲蚀耦合射流试验,探讨了VES溶液空化-冲蚀耦合射流对靶材的冲击特性。结果表明:相比于清水,VES射流能够提供更高的冲蚀速率,为清水冲蚀速率的1.37倍,达到3.29×10^(-3)kg/kg;同等条件下,空化喷嘴的冲蚀速率为7.47×10^(-4) kg/kg,略小于流线型喷嘴,但空化喷嘴对靶材的冲蚀凹坑直径为10.5 mm,大于流线型喷嘴的7.5 mm,并且空化喷嘴对靶材的的冲击形貌为V形,相比于流线型喷嘴的W形,更有利于钻井破岩。通过分析空化作用及流体性质对靶材冲蚀特性的差异,阐述了VES溶液空化-冲蚀耦合的射流机理,研究成果为基于VES的空化-冲蚀耦合射流辅助钻井以及提高井下破岩效率提供了新的思路。

深海环境下金属点蚀进程及诱导应力演化

局部腐蚀产生的应力是影响海洋服役装备寿命与稳定性的关键因素.针对深海钢材料的点蚀力学问题,采用关联腐蚀与诱导应力的方法展开研究,建立了基于Nernst-Planck传质方程的腐蚀模型与腐蚀诱导应力模型,结合COMSOL多物理场仿真软件实现了深海点蚀全进程中力-电化学信息的协同表征,其关键技术有两个,一是基于腐蚀膨胀理论给出了应力与腐蚀参量之间的联系,二是以产物堆积增厚与基底腐蚀减薄的面积比确定了腐蚀膨胀率,给出了腐蚀进程中电流密度、形貌、诱导应力等参量随时空的非线性演化规律.结果表明:空间分布上,深海环境下的腐蚀呈深挖状,蚀坑中心处的电流密度最大、腐蚀程度最深,腐蚀诱导应力存在明显的集中效应,力、电化学参量随着远离蚀坑中心呈现出发散状的削弱趋势;时序演化上,电流密度随腐蚀年限减小,腐蚀进程因此逐年放缓,然而,由于蚀坑中心尖锐程度的加剧,腐蚀诱导应力的非线性增加却愈发剧烈.在此基础上,研究了腐蚀产物形貌对应力的影响,对比了简化椭球形产物与模拟所得实际形貌产物两种情况的腐蚀诱导应力,结果表明实际形貌产物最大拉应力高于椭球形的最大应力,误差超过50%,指出点蚀研究中忽略蚀坑的深挖动力学特征会给腐蚀相关的力学研究带来偏差.

化学溶液长期浸泡作用下灰岩溶蚀劣化研究

在酸性(pH=3)、中性(pH=7)、碱性(pH=11)3种溶液环境中开展了灰岩浸泡溶蚀试验,测试了不同浸泡周期灰岩的单轴抗压强度、表面微观形貌、浸泡溶液的pH值及Ca^(2+)浓度,并讨论了灰岩宏观力学性能的劣化机制。研究表明:灰岩在酸性环境中溶蚀劣化程度最大,中性环境次之,碱性环境最小;在试验初期,3种化学溶液的pH值均变化剧烈,并逐渐向中性转化,最终呈弱碱性;在酸性溶液中试验初期Ca^(2+)溶出速率较快;而在中性和碱性环境下则溶蚀反应缓慢;随着浸泡时间的增加,溶蚀灰岩在微观形貌上表现为微孔洞扩展,表面粗糙程度加剧;从溶蚀后灰岩微观损伤区域的统计结果来看,3种溶液环境下灰岩的单轴抗压强度均随损伤区域比的增加而减小,酸性环境中的损伤区域比最大,中性环境次之,碱性环境最小。