低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

淹没条件下超高压水射流破岩影响因素 与机制分析

超高压水射流辅助破岩是提高机械钻速的有效途径,水射流破岩效果影响因素及机制研究是其关键之一.选取100～200 MPa 共5档驱动压力和3种岩样,实验研究淹没条件下水射流驱动压力、喷距、作用时间和喷射角4个因素对冲蚀切割破岩效果的宏观影响规律.采用全解耦流固耦合数值分析方法,对超高压射流破岩过程中耦合系统应力场进行计算,建立岩石宏观断裂规律与微观破坏机制间的联系.研究表明,淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距和喷射角:100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径,200 MPa时约为20倍喷嘴直径,随压力的增加而增加;最优喷射角为12°～14°.超高压水射流作用下岩石的破坏发生在毫秒量级,主要是拉伸和剪切破坏作用,是由射流冲击应力所造成.研究可为超高压射流辅助钻井技术中水力参数优选及钻头设计提供参考依据.     

同轴旋转双射流冲蚀岩石机制与实验研究

 同轴旋转双射流是一种新型高效射流,它综合旋转射流破岩面积大和直射流破岩深度大的优点,并在较高围压下能够利用空蚀提高破岩能力。运用实验的方法研究常压淹没和围压条件下喷距、射流压力以及围压对射流破岩能力的影响。实验结果表明,双射流在冲击破岩时存在最优喷距范围,该次实验条件下最优喷距约为喷嘴当量直径的13倍;增大射流压力可大幅提高双射流的破岩体积。压力超过15 MPa时,破岩体积大幅增长。双射流的破岩体积和破岩孔深均随围压的增大而急剧减小,破岩孔径随围压的增大而减小的幅度相对较小。双射流冲蚀破碎岩石机制包括空蚀破坏、直射流冲击破坏、剪切破坏以及压力波动破坏。     

超临界二氧化碳射流冲蚀页岩实验研究

 超临界二氧化碳射流破碎页岩是一种极具前景的页岩气钻采方法。选取渝东南露头龙马溪组页岩,基于超临界二氧化碳射流破岩试验平台,开展不同冲击压力的超临界二氧化碳射流冲蚀页岩实验;采用CT、SEM/EDX、XRD、XRF等技术研究冲蚀前后页岩试样的变化规律。研究表明：(1) 所选页岩具有低孔、高黏土含量和层理平行发育等特性;(2) 超临界二氧化碳射流冲蚀后,页岩端面呈网格化破碎,整体呈大体积层状破碎;(3) 超临界二氧化碳对页岩矿物具有腐蚀作用,导致页岩微观结构发生改变,降低了页岩的物理力学特性,有助于射流破岩。     

磨料射流破碎岩石的性能研究

磨料射流在切割破碎岩石时，将产生比纯水连续射流巨大的冲击力。从固液两相流特点出发，对高压磨料射流破碎岩石的机理进行了分析与实验研究。得出岩石在受到磨料射流的冲击下，磨粒与水体对岩石的冲击压力与岩石在水介质作用下力学特性的变化共同促使了岩石的破坏。岩石破坏时最大剪应力位于0．5倍喷嘴直径的径向距离处，同时在固体介质表面边缘产生最大拉应力。该研究从理论与实验上为磨料射流破碎岩石奠定了理论基础。     

超临界二氧化碳射流冲蚀页岩试验研究

超临界二氧化碳射流破碎页岩是一种极具前景的页岩气钻采方法。选取渝东南露头龙马溪组页岩,基于超临界二氧化碳射流破岩试验平台,开展不同冲击压力的超临界二氧化碳射流冲蚀页岩试验;采用CT、SEM/EDX、XRD、XRF等技术研究冲蚀前后页岩试样的变化规律。研究表明:(1)所选页岩具有低孔、高黏土含量和层理平行发育等特性;(2)超临界二氧化碳射流冲蚀后,页岩端面呈网格化破碎,整体呈大体积层状破碎;(3)超临界二氧化碳对页岩矿物具有腐蚀作用,导致页岩微观结构发生改变,降低了页岩的物理力学特性,有助于射流破岩。     

粒子破岩钻进技术研究进展及发展趋势

粒子破岩钻进技术在提高深井硬地层和强研磨性地层钻进速度和效益方面具有巨大的发展潜力。在对国内外的研究现状进行广泛调研的基础上,结合研究实际,对粒子破岩钻进的技术路线、粒子注入系统、回收系统以及适合于粒子冲击破岩的井下破岩工具等方面的研究进展进行分析。结果表明:连续、稳定地将高硬度和高研磨性的粒子注入到高压钻井液中,并使其在钻井液中均匀分布,而且能有效回收是该技术的基础;个性化的PID钻头设计和水力参数优化设计是该技术研究的重点;提高系统使用寿命和工作稳定性是加快技术推广应用的突破口;粒子射流对岩石的冲击动载作用和应力波损伤软化作用机制以及射流-机械联合破岩机制研究是该技术研究的前沿。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用,其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想,并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响,建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下,射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出:射流的喷射速度大,岩石局部范围内的渗流压力也较大;计算平面的深度位置增加,岩石渗流压力明显减小;压力波(纵波)在岩体中的传播速度变化,对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律,这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上，利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时，研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明：在同喷距同射流压力条件下，破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加；相比而言，岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用；在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大，岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200－300mmp，随着渗透率的增大，旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

水射流在煤层中水平钻孔的试验研究

分析了水射流流动结构中存在的三个射流阶段和水射流作用于煤层时所具有的撞击、冲击、水楔、气蚀、剪切等破岩机理和岩石的破坏过程。深入探讨了目前有关水射流破岩的前沿问题，提议从岩石动态破碎和水射流与岩石的相互耦合作用的角度来分析水射流的破岩过程。提出了用高压水射流在煤层中钻孔的一种新方案，即采用缠绕在辊筒上的连续钢管，将水射流钻头与高压水泵连接起来，在煤层中实施连续钻孔作业，本方案自动化程度高。可加快钻孔速度。通过试验数据分析了水射流破岩距离与射流压力的非线性关系，对钻孔煤渣做了分样分析，认为水射流钻孔产生的煤渣颗粒大于普通的钻孔煤渣。研究结果表明：水射流破岩时存在一个门限压力，水射流压力和流量与破岩效率成非线性变化的相关规律，与流量相比，射流压力对破岩作用更为重要。     

深水下岩石切割的模拟试验研究

通过自行开发设计的一套深水环境条件模拟试验装置，进行一系列深水环境条件下磨料水射流切割岩石的试验研究。针对岩石切割深度的主要影响因素，分别进行一系列的靶距变化、切割次数变化、射流横移速度变化和不同水深的模拟试验，从而揭示在深水环境条件下岩石切割深度与各主要切割参数的关系和规律，以及水深对岩石切割深度的影响。在深水环境条件下岩石切割技术的生产实际应用中，要综合考虑切割次数和射流横移速度与效率的关系；岩石等材料的合理靶距是一个关键性技术问题，应控制在有效靶距范围内才具有实际意义。     

基于CT图像的冻结岩石冰含量及损伤特性分析

冻结岩石中冰含量对其热力学及损伤特性有重要影响,研究岩石冻结过程中冰含量随温度的变化规律可以为冻结岩石工程的安全稳定性评价提供科学依据。运用CT识别技术,进行不同温度梯度下冻结岩石的CT扫描实验,获得20 ℃、-2 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下岩石的CT扫描图像,实现了冻结岩石CT图像的伪彩色增强和直方图分析,完成了冻结岩石冰含量及损伤信息的数字表述,对冰含量随温度的变化规律进行定量分析。依据损伤力学理论,定义以冰含量表示的冻结损伤变量,探讨了未冻水含量和温度梯度对冻结岩石损伤特性的影响规律。研究结果表明:(-2 ℃,-5 ℃)是水冰剧烈相变的温度区间,冻结损伤演化起始和急剧增大阶段;(-5 ℃,-10 ℃)是冻结损伤发展阶段;(-20 ℃,-30 ℃)是冻结损伤趋于稳定的温度区间。所定义的冻结损伤变量能够描述温度降低过程中岩石损伤的演化过程,基于冻结岩石CT图像伪彩色增强的冻结岩石损伤演化的定量分析为冻结岩石工程的稳定性研究提供了新的思路和方法。     

冻融条件下岩石损伤扩展特性研究(英文)

在冻融环境条件下,岩石内损伤裂纹的冻胀、开裂是一系列物理、力学复杂过程,所以研究冻融环境条件下岩石的损伤扩展机理具有重要意义。本文从损伤力学角度出发,借助于岩石损伤CT扫描实验研究冻融条件下岩石损伤扩展特性。主要做了以下两方面的工作一是研究冻融循环对岩石损伤的影响,从岩石的含水率、密度、损伤CT数的变化等实验现象,着重探讨冻融条件下岩石内部水分迁移、水冰相变对岩石损伤及其扩展的影响;二是研究了冻结温度对岩石损伤的影响,对实验现象主要从损伤CT数统计频率的变化来研究,分析时主要考虑了水冰相变体积膨胀和岩石材料本身物理特性两方面的因素。研究结果表明,冻融循环与冻结温度对岩石损伤有一定影响,而且就相同的温度条件来讲,岩石孔隙大小、孔隙贯通程度、孔隙率及岩石本身强度对损伤有着重要影响。     

岩石单轴抗压强度与破裂特征的化学腐蚀效应

通过对几种岩性岩石在化学腐蚀下单轴压缩破裂过程的细观力学试验，探讨了不同化学溶液对几种岩性岩石单轴抗压强度的腐蚀效应，获得了裂纹扩展过程的显微与全场图像，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂特征和腐蚀机理，从而为岩石化学损伤力学模型的建立和岩体工程的长期稳定性评价提供了科学依据。     

高压水射流冲击速度对砂岩破坏模式的影响研究

 高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏,不同的射流速度下,岩石呈现出各异的破坏形式。基于理论研究,分析水射流冲击岩石的应力波效应。选取速度分别为157,316,447,547,632,707和774 m/s的高压水射流开展冲击砂岩试验,分析不同射流速度下,砂岩内裂纹的数量、尺寸与形态。采用有限元法数值模拟了水射流破碎砂岩的过程,分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。研究表明：(1) 当射流速度大于72 m/s时,砂岩表面出现破碎坑和环形裂纹,前者由水锤压力的剪切作用导致,后者由瑞利表面波的拉伸作用导致;(2)当射流速度为300～700 m/s时,砂岩内部产生大量的横向裂纹并出现体积破碎,裂纹的产生主要由应力波产生的径向拉伸应力导致;(3) 当速度大于700 m/s时,砂岩产生的横向裂纹减少,主要以劈裂剪切方式破坏。     

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段，由于岩石损伤高度局部化，声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。