含磨料脉冲射流破岩效果试验研究

为探究脉冲磨料水射流的破岩效果,选用五种不同强度的硬岩,开展了脉冲纯水/磨料水射流破岩试验,并以冲蚀孔尺寸为指标,将脉冲纯水/磨料水射流的破岩效果同连续纯水/磨料水射流进行了对比。结果表明:连续磨料水射流冲蚀岩体过程主要依赖磨料粒子的磨削作用,而脉冲磨料水射流则是连续的水锤效应和磨料粒子磨削作用的叠加;无磨料粒子时,连续水射流破岩主要依赖射流初期的单个水锤效应,而脉冲水射流则是多个连续的水锤压力持续冲击岩石,导致岩体表面出现破碎区。

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟

磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)的方法模拟了磨料水射流破岩过程,并结合模拟结果分析了在磨料浓度30%不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。其中磨料水射流采用SPH算法模拟,并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分,岩石采用H-J-C累计损伤模型。研究表明:岩石冲蚀坑首先成漏斗状,随着冲蚀坑不断加深,最终形成"V"形剖面和圆形截面组成的"子弹"体;损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少,岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小,两者之比在1.8-2.2之间。计算结果与相关文献基本吻合,为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。

磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析

为验证磨料气体射流破岩可行性,对比分析磨料水射流和磨料气体射流破岩效果。理论分析了磨料水射流和磨料气体射流中磨料加速机理,得出磨料动能与磨料水射流和磨料气体射流入口压力之间的数值关系。基于统一强度理论,建立了适用于磨料射流破岩的能量准则,得出了岩石破坏时所需的临界能量。根据磨料加速理论和岩石破坏临界能量计算了岩石破坏临界磨料速度以及所需入口压力。基于理论计算结果,试验验证了磨料水射流和磨料气体射流冲蚀灰岩的破碎效果。结果表明:当磨料速度达到270 m/s时,所需气体射流压力的理论值为15 MPa,水射流压力的理论值为45 MPa;两种磨料射流冲蚀坑形状相同,均呈现"V"型,磨料水射流的冲蚀坑形状相较于磨料气体射流具有"口小","坑深"的特征,磨料气体射流破灰岩形成的冲蚀坑体积要大于磨料水射流。

围压对射流破岩特性影响的试验研究

围压是石油工程中影响射流动力学特性的重要参数之一。应用高压井筒模拟试验装置进行了围压对常规连续射流、空化射流和磨料射流破岩效果影响的试验，最高围压达到20MPa。试验结果表明，围压对常规连续射流和空化射流破岩效果影响明显，破碎体积随围压的增大而减小，减小的速度随围压增大逐渐变缓；而对获得最大破碎体积的最优喷距影响不大，为3～5倍喷嘴直径，说明围压对射流基本结构特性影响不明显。当围压小于15MPa时，磨料射流射孔深度随围压的增大而近似呈线性减小。该试验可为射流参数的优选提供依据。

单个磨料颗粒冲击岩石过程的数值模拟研究

根据连续介质力学和有限元理论,给出了磨料水射流破岩系统中磨料颗粒和岩石的控制方程及相应的有限元列式,建立了适用于磨料水射流破岩全过程分析的岩石损伤模型。数值计算的结果较真实地反映了磨料水射流破岩过程中岩石动态响应特性的演化过程,普通磨料水射流破碎岩石的主要形式是磨料颗粒冲击压力波所产生的拉伸破坏。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,可用来指导磨料水射流破岩理论的进一步研究及应用。

磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响

预混合磨料水射流是突破煤矿深长钻孔内高效破煤岩技术瓶颈的有效技术,在坚硬顶板治理、沿空留巷和硬煤增透具有广泛应用前景。磨料质量分数是影响其破煤岩效果的重要因素。为明确磨料质量分数对磨料加速、分布以及冲击动能的影响,基于离散元的耦合模型(CFD-DEM模型),考虑颗粒间的摩擦、碰撞,添加颗粒相体积分数和动量源相,修正VOF多相流模型,开发用户自定义函数(UDF)通信接口,精确计算了磨料质量分数对磨料颗粒加速运动与分布的影响,准确描述了磨料粒子对水射流流场的影响。结合预混合磨料水射流破岩实验,得到了以下结论:在固定压力下,不同磨料质量分数的射流液固能量转化效率不同,导致磨料冲击动能不同。提高磨料质量分数,能够提高破煤岩效果,但存在最优值。每一压力条件下都有与之相适配的最优质量分数,此质量分数下能量转化效率最高,磨料冲击动能最大。如射流压力5 MPa时,80目(0.178 mm)石榴石最优质量分数为11%。同一质量分数下,提高射流压力可提高磨料冲击动能,但是能量转化率和利用率降低。提高压力使射流速度增加,曳力增大,但射流与磨料接触时间缩短,导致射流能量未能及时转化为磨料动能。相较于提高射流压力,适当增加磨料质量分数以提高能量转化效率和能量利用率,是达到最佳破煤岩效果的更经济低能耗的方式。

淹没磨料水射流对花岗岩的冲蚀研究

为了探求水下破岩方法,并最大限度提高大口径喷嘴用于水下破岩的效果,利用磨料水射流系统,结合淹没实验装置及其横向进给机构,研究了靶距、压力、进给速度和磨料粒度等因素对花岗岩的冲蚀性能的影响。

磨料射流在石油钻井工程中的应用研究

针对我国石油钻井工程领域中深井、超深井钻井过程中遇到的钻速慢、岩石硬度大、耐磨性高等难题,结合理论及试验研究,提出并研制了一种钢粒磨料射流钻井技术工艺及系统。钢粒磨料射流钻井技术主要用于难钻、耗时、成本较高的特定极硬或研磨性井段,系统由磨料注入系统、钻头、磨料回收系统三大部分集成。理论及试验结果均表明,磨料射流冲击破岩过程中,岩石破碎体积随压力和浓度的增加而增大,并存在最优喷距、最优喷射角度和最优浓度;现场应用表明,磨料射流破碎岩石体积明显大于普通水射流,对于提高井底岩石破碎效率和钻井速度有明显优势,在我国油气埋藏较深、岩石坚硬耐磨的地区具有广阔的应用前景。

磨料形状对磨料气体射流冲蚀性能的影响研究

为明确磨料形状对高压磨料气体射流冲蚀效果的影响规律,基于LS-DYNA数值分析了磨料冲蚀靶体应力分布,根据横向裂纹和纵向裂纹建立了考虑磨料球形度的磨料射流冲蚀体积计算模型;分析了磨料形状的球形度,通过高压磨料气体射流破岩实验得出了磨料形状对冲蚀体积影响规律;对比分析理论计算结果和实验数据,验证计算模型吻合度较高,模型数学形式简单,且具有较好的工程适用性;结合理论分析和实验结果得出,磨料形状对冲蚀效果具有显著影响,随磨料球形度的增大,冲蚀体积呈指数增加;在相同冲蚀粒子数以及冲击动能情况下,磨料粒子球形度越高,棱角越尖锐,冲蚀体积越大。为高压磨料气体射流的磨料优选提供理论依据,冲蚀性能预测提供简易算法。

水下磨料浆体射流−截齿联合破岩试验

为了研究淹没环境对磨料浆体射流以及磨料浆体射流−截齿联合破岩性能的影响,搭建磨料浆体射流−截齿联合破岩试验台进行试验。首先,研究聚丙烯酰胺(PAM)质量分数、横移速度和系统压力对水下磨料浆体射流切割能力的影响,并与空气环境下对比;然后,分析磨料浆体射流−截齿联合作用下的岩石破碎过程和形貌;最后,探究截割深度和系统压力对联合破岩性能的影响。研究结果表明:在其他条件相同时,水下环境中磨料浆体射流以及磨料浆体射流−截齿联合破岩性能均弱于空气环境;增加PAM质量分数可以提高射流切割能力,但会导致切缝深度不均匀,综合考虑PAM质量分数选择2.5‰左右为宜;射流切割深度与横移速度呈负相关,与系统压力呈正相关;提高系统压力会削弱环境水对射流切割能力的影响;水下磨料浆体射流−截齿联合破岩过程和岩石破碎形貌与空气中基本一致;随着截割深度从3 mm增至15 mm,岩石破碎体积增加约10倍,同时截割阻力增大近12倍,截割阻力波动更剧烈;岩石破碎体积随着系统压力升高而增加,提高系统压力可降低截割阻力,减小截割阻力波动,有益于延长截齿寿命。在工程应用中应尽可能使用更高的系统压力。

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明:磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与"V"形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。

磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率研究

针对煤矿中穿硬质岩层钻孔预抽瓦斯时钻进困难这一问题,在理论分析孔底"凸台"的形成是导致传统旋转钻头钻进困难主要原因基础上,提出了磨料射流联合机械齿钻进硬岩新方法,即利用磨料射流强大的冲蚀能力,预先消除"凸台",形成先导孔,进而改变传统旋转钻头钻岩机理,达到提高硬岩钻进效率目的。利用断裂力学理论与能量守恒原理揭示了磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率机理。设计发明了一种破碎硬岩钻头,总成了一套联合钻进硬岩实验系统,并完成了一系列新技术与现有技术的对比实验研究。结果表明,相同条件下,钻头钻进效率较现有技术条件提高63%,承受轴向力与扭矩分别下降约15%和20%,钻头磨损明显减轻。

簧阀阻断式脉冲磨料射流破岩的试验研究

为了充分利用井底水力能量提高钻速,提出了井下调制簧阀阻断式脉冲磨料射流钻井技术。模拟分析了簧阀阻断式脉冲磨料射流钻井工具的内部流场,确认了采用簧阀阻断式机构调制脉冲射流的原理可行。研制了簧阀阻断式脉冲磨料射流的原理样机,纯水射流的试验测试结果表明,簧阀阻断式脉冲射流破岩性能明显优于连续射流;基于正交试验法,优选确定了原理样机的结构参数,进而引入磨料,调制形成脉冲磨料射流。脉冲磨料射流破岩试验结果表明,岩石破碎孔的深度随着泵压增大而增大,而随着磨料浓度和喷距的增大,则先增大后逐渐减小,存在最优值。研究结果证实了井下调制簧阀阻断式脉冲磨料射流钻井方法的原理可行,可为实际技术发展提供依据。

高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率室内模型试验

研究不同工况条件下高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率,对于进一步优化该新兴技术,实现高强度高磨蚀性地层TBM高效安全掘进具有重要意义。为此,基于室内滚刀贯入模型试验,对不同低围压作用(围压p_(0)=0,1.25,2.5 MPa)以及不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数(切缝深度H=10,20 mm,预切缝-刀具轴线间距L=0,20,40 mm)条件下高磨蚀性硬岩试样滚刀贯入破碎过程及破岩效率影响规律展开研究。试验结果表明:低围压且无预切缝条件下,随着围压的增大,岩样峰值贯入荷载增大,贯入荷载-贯入度曲线跃进跌落次数增多,试样破坏特征从脆性破坏向延性破坏转化,无围压条件下高强度高磨蚀性地层TBM掘进难度高于常规强度地层和高强度磨蚀性地层;低围压且有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L=0时,岩样发生劈裂模式破坏,无围压条件下,L=0时,其峰值贯入荷载显著小于L≠0情况,有围压条件下,L=0时,岩样达到峰值贯入荷载所对应的贯入度显著大于L≠0情况;有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L≠0时,预切缝深度H越大,破岩效率越高,较大的高压水刀切割深度H能够降低高强度高磨蚀地层TBM掘进中滚刀的磨损率;有预切缝条件下,当预切缝深度H一定时,不同L值下的岩样峰值贯入荷载及对应的贯入度都随着围压增大而增大,而当L值较大时,一定程度上需提高掘进推力才能够实现高效破岩。

硬岩掘进机高压水砂前混破岩影响因素试验研究

将前混合磨料水射流破岩技术应用于硬岩掘进机(TBM)上,有望解决隧道施工过程中遇到高强度岩石时,传统滚刀破岩效率低、成本高的难题,但前混合磨料水射流破岩受多种因素影响,系统复杂,在TBM破岩掘进领域的应用还不够成熟。基于此,利用高压水、砂破岩试验装置,开展了固定状态下喷头定时、移动状态下喷头定速的对比试验,研究不同静水压、射距、喷嘴的运动状态对磨料平均消耗量以及破岩坑槽深度和宽度的影响,针对破岩宽度效果,各因素影响大小依次为移动状态、射距、静水压;针对破岩深度,各因素影响大小依次为移动状态、静水压、射距。通过探究前混合磨料水射流技术的破岩最佳参数,为TBM的新型破岩技术研究提供依据。