倾角变化条件下反倾层状斜坡倾倒变形演化研究

倾倒变形是反倾层状岩质边坡的一种典型破坏模式,为了研究不同岩层倾角对反倾层状岩质边坡倾倒变形的影响,以澜沧江上游古水水电站坝前倾倒变形体为原型,从岩层倾角变化的角度出发,利用大型土工离心机试验分析了反倾层状岩质边坡的失稳破坏过程、变形演化特征与最终失稳模式等。结果表明:①反倾层状斜坡的变形演化过程基本概括为岩层压密-坡脚压裂阶段、弯折面形成-部分失稳阶段和弯折面贯通-彻底失稳3个阶段,岩层倾角的改变并不会影响斜坡阶段性演化过程;②岩层倾角越大的斜坡,斜坡形成弯折面所需时间越短,失稳破坏发生后坡体贯通性倾倒破坏深度更大,对应的变形范围越大,折断岩层的破坏程度越剧烈;③岩层倾角变化会导致斜坡的倾倒变形过程与最终失稳模式存在一定差异。倾角较小的55°和70°模型斜坡前部岩层在重力作用下发生明显弯曲倾倒变形,最终以“倾倒-弯曲-滑移”的失稳模式发生破坏;倾角最大的85°斜坡岩层发生的弯曲变形较小,最终以“倾倒-折断-崩塌”的模式发生破坏。研究结果对大型工程项目的顺利开展具有一定指导意义。

天然气封盖层的突破压力

突破压力的模拟实验方法是利用已取得的盖层岩芯样品 ,模拟到地下赋存状态 ,用气体排驱直至气体突破 ,求得的近似排替压力值即为突破压力。通过模拟实验研究发现 ,突破压力主要受控于渗透率 ,随渗透率的减小而增大 ;而介质、孔隙度等也都影响着突破压力。渗透率相同 ,饱含介质由气→油→水突破压力逐次成倍增加。孔隙度与突破压力则呈反向相关关系 ,孔隙度越大 ,突破压力越小。利用以突破压力为主的相关参数 ,将盖层封闭性能划分为 6个等级 ,建立了适合我国特点的天然气封盖层封闭能力的综合分级评价标准。

单粒子冲击破岩实验与数值模拟

粒子冲击破岩可提高深井、超深井硬地层的钻井速度。通过破岩实验与数值模拟相结合的方法,以冲击破岩的粒子直径、冲击速度等与岩石破碎体积和粒子最大侵彻深度(岩石破碎坑最大深度)之间的内在规律研究为目的,进行了单粒子冲击破岩室内实验,分析了破碎坑模式。同时,利用有限元软件建立了粒子冲击破岩的物理模型,并对粒子冲击破岩的过程进行了数值模拟。模拟结果与室内实验数据的对比,验证了H-J-C模型选取的正确性,并得到了粒子冲击破岩的最佳直径和初速度值的范围。

高频振动钻具冲击下岩石响应机理及破岩试验分析

为了研究深井、超深井硬地层中高频振动冲击钻井的破岩机理及破岩效果，基于机械振动原理，建立了高频振动激励下有限深度范围内岩石稳态振动响应的幅频特性模型，分析了井底岩石的响应特点。通过PDC钻头的旋转、高频振动冲击的联合破岩试验，分析了转速、频率等参数对振动冲击钻井机械钻速的影响。结果表明：随着振动冲击激励频率增大，机械钻速逐渐增大；振动冲击激励频率为14001500Hz时，机械钻速达到最大，与无振动冲击激励相比增幅为93．5％～106．3oZ。理论研究和试验结果都证明，高频振动冲击能够降低岩石抗钻能力，提高破岩效率。

脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

目前,对于水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面,而在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面则还是空白。为此,基于脉冲射流相关理论,将液动冲击提速与脉冲射流协同破岩有效结合起来,分析其工作原理与实现条件,研制了脉冲射流式液动冲击钻井工具,并通过室内试验和现场实验验证了该工具的破岩能力。结果表明:(1)冲击体质量小于60 kg时,该工具能够运行;(2)液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩能力明显优于其他钻具组合的破岩能力,在水平钻进过程中,其提速效果更明显;(3)冲击效果由冲击体的质量和冲击频率决定,质量为30 kg的冲击体的冲击效果更好;(4)脉冲射流越大,其破岩能力越强,减小工具喷嘴的直径能够增大脉冲射流;(5)液动冲击对高硬度岩石的破碎具有更明显的加速效果,对于胶结程度较差的岩石,通过增大脉冲射流,可更大幅度地提高破岩速度。现场应用效果表明,液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的机械钻速为2.52 m/h,较之于常规钻具组合,该工具平均提速可达72.5%。结论认为,该工具为解决深井与水平井钻进速度慢、压持效应明显与岩屑清理困难等问题提供了新的思路。

水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究

为提高钻井速度,掌握水力机械联合破岩规律,开展了水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究。利用水力机械联合破岩实验装置,模拟井底实际钻进工况,得出了不同破岩方式、射流相对于齿的位置、射流与齿间距和围压4个参数对联合破岩效果的影响规律。研究结果表明:水力机械联合破岩工作方式要优于单射流或单钻齿工作方式;射流在齿后喷射的破岩效果要优于射流在齿前喷射的破岩效果;其它参数一定的情况下,随着围压的增大,联合破岩效果降低,但降低的幅度逐渐变小;增加射流压力,也将增大水力机械联合破岩效果;当射流与齿间距大于3 mm时,随着射流与齿间距的增大,联合破岩效果越差。

水射流—机械刀具联合破岩的影响因素试验研究

为提高机械刀具破岩效率,在水射流—机械刀具联合破岩试验台上研究了水射流参数(射流入射角、喷嘴位置、靶距等)对联合破岩效果的影响。试验结果表明:喷嘴位置在刀具前方时,形成的煤岩碎片块度大,刀具的切削比能耗小,联合破岩效果优于喷嘴布置在刀具的两侧的破岩效果;刀具的切削比能耗与水射流入射角、靶距以及喷嘴和刀具距离的关系均呈抛物线变化,水射流入射角为120。、靶距为喷嘴直径5.5倍左右、喷嘴和刀具距离为切削深度的1.6倍左右时切削比能耗最低。

基于SPH方法粒子射流破岩数值模拟与实验研究

钻井液中加入体积分数为1%~3%的钢质粒子在钻头喷嘴处高速喷出冲击岩石,实现了粒子射流冲击和钻头机械联合破岩,有效提高了破岩效率。利用瞬态非线性动力学有限元模拟软件,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,考虑流体对粒子射流冲击的影响,建立了粒子射流冲击破岩的物理模型,获得了粒子射流参数对破岩体积的影响规律,进行了室内实验验证,验证了SPH方法的有效性。结果表明:粒子射流冲击岩石表面形成规则的V型冲击坑;同条件下粒子射流破岩体积是水射流破岩体积的2~4倍;随着粒子射流冲蚀时间的增加,粒子射流破岩体积不断增加,但破岩效率降低;粒子射流压力大于10 MPa后,粒子射流破岩效率迅速增大;喷射角度大于6°后,破岩效率迅速减小。

自吸环空流体式自激振荡脉冲射流性能分析与优化

为了充分利用井底水力能量提高钻速,提出自吸环空流体式自激振荡脉冲射流钻井技术。采用大涡模拟与试验研究相结合的方法,分析自吸环空流体式自激振荡脉冲射流的调制机制及射流调制工具的结构参数对射流性能的影响。采用正交试验法进行数值模拟试验,优选射流调制工具的结构参数。结果表明:结构参数对射流性能影响显著,结构合理的吸入式自激振荡射流的性能明显优于非吸入式脉冲射流;射流调制工具出口脉冲射流速度脉动值与破岩深度之间呈显著的线性相关,脉动值越大,射流破岩效果越好。数值计算结果与试验结果吻合良好,表明所用研究方法可行。

水力喷射径向水平井射流钻头优选试验研究

射流钻头的破岩性能对井眼深度和大小有重要影响。本文对径向水平井常用的2种射流钻头——多孔喷嘴和混合射流喷嘴采用室内试验的方法对它们的破岩规律和破岩性能进行了分析和对比。结果表明,冲击时间、喷嘴压降、喷距和围压对2种喷嘴破碎效果的规律基本相同,混合射流喷嘴的最优喷距不明显,多孔喷嘴的最优喷距为5～6倍喷嘴当量直径,多孔喷嘴的破岩性能要优于混合射流喷嘴,同时混合射流喷嘴在破碎孔径大小方面优于多孔喷嘴。本文可以为水力喷射径向水平井射流钻头的选择提供试验依据。

高频谐波振动冲击破岩机制及试验分析

基于振动学理论,建立高频谐波振动冲击破岩的物理模型和数学模型,应用MATLAB软件对数学模型求解,分析各参数对简谐振动激励下岩石振动的影响,并通过室内试验进一步验证高频谐波振动冲击钻井技术的破岩效果。结果表明:在简谐振动激励下,机械钻速比常规钻井提高了13.2%;岩石刚度、阻尼、临界力与机械钻速呈反比,动态激振力与机械钻速呈正比,激励频率与岩石固有频率越接近,机械钻速越大;机械钻速随着钻压、转速的增加而增加。

粒子冲击钻井技术理论与现场试验

粒子冲击钻井技术作为高效破岩的前沿技术,有望成为一项解决高研磨性地层钻井速度慢的新型破岩技术,先导性试验评价是理论研究成果进入工业化应用阶段之前不可或缺的重要环节.为此,开展了粒子射流冲击破碎大理岩的室内实验,在粒子射流速度大于100m/s,冲击频率约为500万次/min的实验条件下,粒子射流的破岩体积是水射流破岩体积的3～4倍.进而设计了粒子钻井的工艺流程,研制出与之配套的粒子注入系统、粒子冲击钻头及粒子回收系统,其中关键设备高压粒子罐工作压力为30MPa,磁选机的处理量介于70～120 m3/h,渣浆泵排量为65 m3/h,满足了粒子钻进的安全均匀注入与粒子高效的回收.在四川盆地龙岗气田022 H7井的上三叠统须家河组高研磨性的砂岩地层中成功地开展了第1次现场试验,试验井段比该井上部井段的机械钻速提高了92.7％,表明该技术在提高钻井速度方面具有广阔的应用前景.

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。

非平面三棱形PDC齿破岩机理研究与现场试验

非平面三棱齿的破岩机理不清晰,导致三棱齿PDC钻头达不到预期的破岩效果。为此,采用有限元法对非平面三棱齿进行数值模拟分析,分析破岩过程中的各项切削力的变化规律,研究其破岩机理。数值模拟和刮切试验结果表明,三棱齿与平面PDC齿在破岩过程中的岩石受力状态存在明显的差异,相同条件下三棱齿切削破碎砂岩时的切向力及切向力的波动幅度均小于常规平面齿。三棱齿PDC钻头现场试验表明,其在研磨性高、冲击性强地层中的破岩效率较高,抗冲击性能较好。研究表明,三棱齿主要通过拉剪作用破坏岩石,切向力和扭矩更小,抗冲击性和耐磨性更高,能够提高破岩效率、延长钻头使用寿命。

一种新型冲击压入式单牙轮钻头的试验研究

文章介绍了一种新型小尺寸钻头 ,它主要由一个偏置的多锥形牙轮和一个圆柱形滚轮及两个牙掌组成。其工作原理不同于球形单牙轮钻头 ,但是与三牙轮钻头的工作原理相同 ,主要依靠钻头牙轮牙齿的冲击和压入来破碎岩石 ,并且由圆柱形滚轮来修整井壁 ,还有两个靠近井底的喷嘴。与相同钻头尺寸的三牙轮钻头相比 ,该新型钻头的牙轮尺寸和轴承尺寸要大得多 ,因此 ,它可以承受较大的钻压 ,从而可以提高轴承和牙轮的使用寿命 ,进而提高机械钻速和钻头的使用寿命。文中介绍了在试验台上的试验情况和数据 ,并与三牙轮钻头进行了比较 ,得出了应用该钻头的重要结论。

超高压水射流破岩及切割实验研究

利用国产高压水射流切割系统 ,对不同性质的材料进行了切割实验 ,考察了泵压、喷嘴横移速度、喷距和聚丙烯酰胺质量分数对射流切割效果的影响。实验结果表明 ,射流的驱动泵压与其切割深度成正比 ,喷嘴横移速度和喷距增加将使切割深度降低。聚丙烯酰胺对射流切割系统具有双重作用 ,因而其质量分数存在一个最佳值。对大理石、花岗岩和标准铝板等材料的切割实验表明 ,在其他实验条件一定的情况下 ,无孔隙材料的切割深度远低于有孔隙材料。

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。

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。

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。

梯形破断顶板综放面高抽巷层位确定试验

为得到某矿综放工作面在梯形剪切破断顶板情况下的高抽巷的合理布置层位.采用相似材料模拟试验方法对综放工作面回采过程中顶板破断规律进行模拟,得到了随着工作面推进岩层破断的力学结构及覆岩的下沉量.研究结果表明:综放工作面推进过程中竖向贯通裂隙主要由顶板岩层拉剪破坏产生,拉破坏受到岩层碎胀特性的制约,剪破坏形成纵向贯通范围较大的裂隙,剪切裂隙是沟通煤层与高抽巷的主要通道,最大破坏高度受到岩层碎胀性制约,且呈周期性分布特征.高抽巷应布置在剪切裂隙纵向贯通最高位置处,且在开切眼附近高抽巷应向下施工.