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。

保山西邑铅锌矿采选工程RQD与RBI对比研究

用岩石质量指标和岩体块度指数的理论,对钻孔岩心实测资料进行分析和对比研究,对钻孔周围岩体进行分级。结果表明:岩体块度指数在岩石质量评价中能更准确地反映其优越性,具有更为显著的工程意义。

基于钻孔过程监测系统(DPM)的岩体块度指数(RBI)研究

钻孔过程监测系统(DPM)能够方便快捷地安装于钻机上,实时、自动地记录钻探过程中随时间变化的钻进参数,包括钻头位移、钻头转速及钻机液压油压力等。岩体块度指数(RBI)是评价工程岩体完整性的一种常用指标。本文提出利用DPM获取的参数快速、定量地评价岩芯的RBI值。在山西长治某场址进行钻探取芯,并设置DPM系统,测量了所取岩芯的RBI值,结果表明:砂岩地层中的DPM钻进速率与岩芯RBI值间存在极显著相关关系,并建立了线性回归方程;而泥岩地层中的DPM参数与岩芯RBI值的相关性不明显。

岩体块度指数及其工程意义

根据《水利水电工程地质勘察规范》中对岩体结构的分类标准 ,提出了岩体块度指数的概念 ,将实测岩芯长度按 3～ 10cm、 10～ 30cm、 30～ 5 0cm、 5 0～ 10 0cm和大于 10 0cm等 5级岩芯长度 ,获得率进行加权平均 ,综合表征岩体块度特征及结构类型 .通过大量实测资料证明岩体块度指数在一定程度上能反映岩体的完整性与相应力学性质的变化特点 .比岩石质量指标更能准确地反映岩体块度及其结构特征 ,其工程意义更为显著 .

基于Hoek-Brown准则确定核电工程场地岩体力学参数

岩体与岩石的力学强度之间既有内在联系又存在明显的差异,场地岩石力学指标对于评价场地岩体的力学特性至关重要。以三门核电场地为研究对象,在室内岩石力学试验的基础上,结合野外地质调查,综合考虑岩体结构特征和应力分布状态等因素的影响,引入定量描述岩体结构特征和风化程度的地质强度指标(GSI),采用Hoek-Brown强度准则估计岩体力学参数,同时与岩体地质力学分类法(RMR)计算得到的岩体力学参数进行对比分析。基于GSI的Hoek-Brown法得到的中等风化凝灰质砂岩、微风化凝灰质砂岩和微风化安山玄武岩岩体的c值分别为4.03、6.20、6.10 MPa,φ值分别为31.96°、34.37°和33.87°。基于RMR评分的Hoek-Brown法得到的c值分别为4.42、6.44、7.24 MPa,φ值分别为28.92°、32.43°和34.51°。研究结果表明,采用Hoek-Brown准则确定的核电场地岩体力学强度指标比较合理,得到的岩体力学指标可以作为核电站基础设计的重要依据。

破碎性地层坍塌压力计算模型

破碎性地层裂缝、微裂缝及层理十分发育,地层各向异性明显,地层坍塌压力高,安全钻井液密度窗口窄,在低井筒液柱压力下井壁易垮塌,在高井筒液柱压力下又容易发生井漏。不同于均质各向同性地层,这类地层的井壁围岩力学稳定性主要取决于这些单元体结构面的强度(抗滑能力)。当单元体所受应力超过了其结构面抗滑能力时,井壁围岩即出现滑动失稳。由均质各向同性地层井壁力学稳定性分析理论出发,引入地层岩石破碎程度指数Bd来定量的描述地层岩石破碎程度对井壁围岩等效应力状态的影响,并根据Mohr-Coulomb准则建立了破碎性地层坍塌压力计算式,Bd值越大,井壁坍塌压力越大,井壁越易失稳,实例计算表明所建立的模型计算结果与工程实际吻合较好。

利用岩石质量指标和岩体块度指数进行岩体质量评价研究——以高放废物地质处置库预选场址甘肃北山1号钻孔为例

岩体质量的评价对于各类大型建筑物特别是地下工程建筑物的安全性具有十分重要的作用。文章基于岩石质量指标(RQD)和岩体块度指数(RBI)的理论,通过对甘肃北山1号钻孔的岩心实测资料证明,岩体块度指数在一定程度上能反映岩体的完整性与相应力学性质的变化特点,同时给出钻孔附近岩体质量分类,进而与岩石质量指标所获得的钻孔附近岩体质量评价分级进行对比。对比结果表明:岩体块度指数在岩石质量评价中能更准确地反映其优越性,具有更为显著的工程意义。

基于改进RMR方法的深部隧道稳定性分析

为了解决在岩石工程领域中的基于地质力学的岩体评级方法只适用于浅部岩层,而在大埋深、高应力环境中出现不适应性这一问题而展开研究,首先,从RMR分类方法入手,通过引入能较好反映岩体质量的岩体块度指数,并考虑地应力的影响,对传统的RMR分类方法进行改进,以确定出改进后的评估值RMRnew;其次,基于RMRnew确定出隧道支护体系的作用荷载,并对支护体系进行分析,确定其极限承载能力;最后,基于荷载-结构法构建起隧道稳定性分析框架,并对隧道安全状态进行评估。对工程实例进行分析发现,基于改进后的RMR分类方法所得到的分析结果与实际情况相符,说明地应力、岩块尺寸以及埋深等对隧道稳定性有明显影响。

新疆焉耆盆地早侏罗世八道湾期原始沉积边界探讨

新疆焉耆盆地是一中、新生代盆地,通过对盆地下侏罗统八道湾组野外调研及地层岩石化学特征分析,笔者认为其物源区位于盆地北部,碎屑由北向南搬运,在北部为粗碎屑堆积,南部为细碎屑堆积;盆地北部为辫状河相沉积,南部为滨浅湖相沉积;最新完成的磷灰石裂变径迹数据显示西、南、北缘山体隆升较晚;在盆地周缘山体上,现今仍残留有侏罗纪地层;这都显示盆地原始沉积边界比现今盆地要广。通过以上分析及与库车盆地对比发现,两者于八道湾期是相连通的,为塔里木大型盆地的一部分。

关于利用系统论方法设计金刚石钻头的分析研究

地质钻探工程是个复杂的系统工程,金刚石钻头设计是个复杂的系统。俄罗斯技术科学博士СкоромныхВ.В.教授等使用系统论方法设计表镶金刚石钻头,以机械钻速为目标函数,以钻头切入岩石深度为切入点,建立了相关的数学模型,编制了程序,进行了计算机模拟,可以比较直观地看到金刚石在孔底的工作情况和钻头破碎岩石的过程,对于深入研究孔底岩石破碎过程机理和判断金刚石钻头设计的合理性及其对钻探技术经济指标的作用,具有一定的实际意义。

含岩屑紫色土水力特性及饱和导水率传递函数研究

紫色土中存在的岩石碎屑会对土壤的水力性质如饱和导水率、水分特征曲线产生显著影响。以两种不同母质发育的土壤(紫色页岩和紫色泥岩)为研究对象,设置0.25~2、2~5、5~10 mm三个岩屑粒径水平,0、30%、50%、70%、100%五个岩屑含量水平,采用压力膜仪法和定水头法分别测定水分特征曲线和土壤饱和导水率。利用BP神经网络,选择特定输入变量建立土壤饱和导水率传递函数PTF1和PTF2(PTF1的输入变量为岩屑含量、岩屑粒径、初始土壤容重和机械组成,PTF2的输入变量为岩屑含量、岩屑粒径、初始土壤容重、机械组成、进气压力值和S指数(土壤水分特征曲线拐点处斜率的绝对值))。结果表明:添加岩屑极大提高了土壤饱和导水率和S指数,并且随岩屑含量的增加而增加,相比之下,进气压力值随岩屑含量增加而减小,饱和导水率也随岩屑粒径的增加而增加,岩屑粒径从0.25~2 mm增加至5~10 mm,饱和导水率平均提高了2.3倍。岩屑粒径对进气压力值和S指数影响较小。PTF1和PTF2的几何平均数、几何标准偏差、均方根误差以及AIC指数分别为1.27、5.57、0.16、2.94和1.17、1.70、0.06、–53.28,PTF2的相关值均小于PTF1,表明PTF2模型的预测效果更好。综上所述,岩屑的存在显著影响了紫色土的水力特性,使饱和紫色土导水能力增加而保水能力减弱,利用神经网络所构建的传递函数PTF2可很好地实现含岩屑土壤饱和导水率的预测。

基于掌子面结构量化的公路隧道围岩分级方法

公路隧道围岩级别的划分是指导隧道设计、施工及地下工程岩体稳定性评价和安全风险控制的重要依据,目前在设计和施工中对隧道围岩级别的判定方法具有较多的经验性因素,且在实际隧道工程中各级围岩的稳定性情况极为复杂,即使是同一级别的围岩,隧道稳定性也不尽相同。为了实现施工阶段围岩分级的可操作性与准确性,通过研究在公路隧道开挖时采集的隧道掌子面图像,利用MATLAB编程建立了照相测量围岩分级系统。根据岩体块度指标RBI的概念,向隧道轮廓线依次布设19条虚拟测线,以掌子面径向19个方位的RBI值综合评价了掌子面岩体结构的差异性。考虑结构面分布特征,结合掌子面节理玫瑰花图获取岩体结构综合量化指标Z-RBI,对掌子面进行了综合评价,得出了Z-RBI与岩体结构类型对应关系。综合考虑岩体坚硬程度、Z-RBI、地下水条件、初始地应力状态等主要分级指标,利用层次分析法,提出了隧道围岩BT分级方法及评价标准。实际工程应用表明:与传统的BQ法相比,BT分级方法获取的围岩等级更符合开挖后掌子面围岩的实际等级,且各等级可靠指标的延续性可对隧道施工过程中地质属性的变化情况进行定量表征,有助于工程地质人员据此对围岩质量的渐变过程进行动态评估。

基于钻孔岩芯岩石质量指标和岩体块度指数岩体质量分级对比应用

不同的岩体质量等级需采用不同的支护措施,对岩体质量进行评价是保障矿山安全生产的重要环节。常用的Q系统评价法、RMR分级法与BQ分级法等体系分级法虽更加准确,但部分参数难以获取,可以在生产过程中用指标法先行进行简单分级。利用岩石质量指标(RQD)和岩体块度指数(RBI)两种单一指标法对焦家金矿工勘孔进行了简单的岩体质量分级。两种指标法的分级结果大部分较为一致,结果表明,焦家金矿深部盲竖井区域大部分岩体质量为中等的Ⅲ类岩体,岩石较为完整,仅个别深度井壁需要重点支护。通过对比两种分级方法的结果发现:相比岩体块度指数,岩石质量指标存在一定的局限性,岩体块度指数在一定程度上更能反应岩芯的真实破碎状态,在岩石质量分级过程中更准确一些。在今后的生产工作中值得进一步应用和优化。

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明:(1)滚刀更难贯入高强度岩石;(2)脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3)将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。

基于原生节理统计和爆破裂纹模拟的堆石料块度分布预测

水电工程堆石料爆破级配要求高、块度预测难,以岩体原生节理统计和爆破裂纹模拟为切入点,采用现场调查、室内试验、数值仿真和工程检验等方式,开展堆石料爆破块度分布研究,尝试建立一套堆石料爆破块度预测方法。通过现场调查,绘制研究区域的天然节理分布网络图,建立基于原生节理统计的三维节理岩体模型;通过SHPB试验装置获取岩石在冲击荷载作用下的动力学参数,利用Ansys/Ls-Dyna模拟了爆破裂纹的扩展范围;综合原生节理调查信息和爆破裂纹模拟成果,建立调查区域爆后三维节理岩体模型;利用ANSYS输出模型所有岩块的线–面–体数据并编制Matlab块度计算程序,采用基于爆破岩块第5条最长边的块度预测指标,得到调查岩体的预测级配曲线。工程应用表明,综合考虑原生节理和爆破次生裂纹联合切割作用的堆石料级配预测方法基本符合工程实际,且基于爆破岩块第5条最长边指标的级配预测结果要优于等体积球直径指标的级配预测结果,其在江咀料场级配预测中的整体误差为5.5%。研究可为类似工程的堆石料爆破开采提供可借鉴的级配预测手段。