破岩效率

摘要： 中浅层水平井是大庆油田勘探开发钻井的主要井型,对原油低成本、高效率开发起到重要支撑作用。为了进一步降低钻井综合成本,发展水平井优快施工方案,实现满足工程需求的同时,降低成本。降低钻井成本最直接、有效的措施就是提高钻头进尺、加快钻井速度,因此,研选出高效钻头,提高钻头破岩效率、发挥高效钻进性能是实现这一目标的有效途径。

摘要： 硬地层岩石硬度大、钻井参数不匹配是导致深层超深层钻井钻速慢的最主要因素之一,提高硬地层破岩效率是钻井提速关键内容。旋转冲击钻井方法是提高破岩效率的一种技术手段,然而硬岩旋冲钻井时,破岩钻进特性不够明确,导致该技术使用效果差异性显著且无法达到最佳。该文基于旋转冲击破岩实验装置开展了花岗岩破岩实验,结果表明:旋转冲击钻井方法可以提高花岗岩的破岩钻进效率,但存在钻压、转速、冲击力及冲击频率的匹配问题;旋冲钻进硬岩时,存在临界钻压与临界冲击力,只有实际钻压大于临界钻压且冲击力大于临界冲击力时,旋转冲击钻井方法方能提高破岩效率;在此工况下,增大冲击力、冲击频率能够增大岩石破碎体积,显著提高钻头的破岩效率,但上述参数并非越大越好,当超过某一值,提速效果呈现变差趋势。

摘要： 为了研究TBM在深部岩体开挖过程中多种因素对盘形滚刀破岩效率的影响,考虑了不同围压、贯入度、刀间距和公转速度因素的影响,采用有限元法建立盘形滚刀回转切割破岩模型并进行数值模拟,研究不同影响因素组合下的破岩效果、岩石破碎体积和破岩比能耗。为了得出影响破岩效率的最敏感因素,构建了4因素4水平的正交试验。研究结果表明:在深部岩体破岩过程中,影响因素对盘形滚刀破岩比能耗敏感度的顺序依次为刀间距、公转速度、贯入度和围压,即刀间距是影响盘形滚刀破岩效率的主要因素。通过数值模拟对比分析验证正交试验结果,得出不同影响因素下的破岩规律和破岩效率,进而验证了不同影响因素对破岩效率的敏感度。

摘要： 针对常规PDC钻头破岩效率低、钻头泥包和使用寿命短等问题,以穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,从多个维度进行结构仿生,设计了一种新型耦合仿生PDC齿。采用有限元法、弹塑性力学等方法,建立了仿生PDC齿的破岩仿真模型,利用有限元软件ABAQUS的温度-位移耦合显式侵彻接触算法和显式动力学模块,研究了仿生PDC齿破岩过程中温度场的变化规律和破岩方式,并与常规PDC齿进行了模拟对比。模拟结果发现:仿生PDC齿与常规PDC齿在破岩时的温度传递过程存在较大差异;仿生PDC齿能够防止钻头泥包的产生,且能够减少摩擦热的集聚,避免高温热失效,延长其使用寿命;仿生PDC齿破岩速度更快,对岩石的破碎更加彻底。研究表明,仿生PDC钻头的现场适用性较好,具有较好的现场推广应用价值。

摘要： 为了研究盘形滚刀动态破岩的损伤机理,根据福州电缆隧道工程地质和TBM盾构机设备参数,建立了滚刀-岩石三维有限元模型,基于岩石动力损伤本构模型,研究贯入速率和切割速率对滚刀破岩过程中岩石动力损伤演化的规律。通过滚刀在不同贯入速率、切割速率下的破岩仿真,分析了影响滚刀切削岩石效率的关键因素,结果表明滚刀破岩存在最佳贯入速率,计算条件下宜控制在48~64 mm/s范围。切割速率是破岩效率的主要影响因素,计算条件下,保证滚刀不发生塑性屈服的最优切割速率范围为6~8 r/min,破岩效率随切割速率的增大而提高,滚刀承受岩石反力随切割速率的增大而增大,这与工程实际施工中切割速率过大导致的滚刀磨耗相符,建议工程中适当增大切割速率来提高破岩效率。

摘要： 胀裂破岩是常见的破碎岩石手段,为研究单孔岩样的胀裂效果,制作了4种不同边距的贯通、半贯通圆孔红砂岩试样。借助自制的胀裂装置,在刚性伺服机上进行单轴加载,分析不同加载速率、钻孔边距和钻孔深度下圆孔周边的裂纹扩展形式,研究不同边距下试样的破坏特征。研究发现:当边距为40 mm时,半贯通试样破坏所需的时间超过贯通试样。达到峰值荷载时,大部分半贯通试样的胀裂只在一侧产生裂纹,小部分出现2条不规则的裂纹,大部分裂纹只延伸一定长度而未贯穿至试样底部。随着边距增加,贯通试样在2种加载速率下破坏时间的差值逐步扩大,0.4 mm/min速率下试样的胀裂时长快速增加,破岩速率大幅降低,而0.8 mm/min速率下试样破坏时发生的位移更小。分析试样的局部应变发现,2种加载速率下试样的局部应变变化规律差异并不明显。研究结果表明:相比半贯通试样,贯通试样更容易发生变形,胀裂产生的裂纹水平对称;在边距和孔深一定的情况下,2种加载速率对试样的胀裂破坏差异较小。研究结果可为钻孔胀裂法破碎岩石提供参考。

摘要： 针对华南地区广泛存在的复合地层地质条件,着重研究了盾构机双滚刀在该地层中的破岩机理。研究了在复合地层中双滚刀的最优刀间距以及不同岩层之间夹角对破岩的影响。结果表明:随着刀间距从88 mm增大到112 mm,滚刀受到平均法向力和平均滚动力均呈现先增大后减小再稍微增大的趋势,平均法向力与平均滚动力的比值在10~15;并且比能值先迅速减小,然后缓缓增大,刀间距/贯入度在25附近时比能值达到最小。双滚刀所受到的平均法向力与平均滚动力随着岩层夹角从15°增大到90°,呈现先减小后迅速增大的趋势;在45°左右夹角时,滚刀受到的力减小到最小。研究结果对复合地层中盾构机的破岩掘进有一定的指导意义。

摘要： 川西气田彭州海相区域天然气资源储量丰富,但受制于储层埋藏深、地层可钻性差、裂缝孔隙发育等原因,钻井施工过程中复杂故障多、施工周期长。针对此现象,文章在区域工程地质特征及钻井技术难点分析的基础上,从预弯曲防斜打直技术、PDC钻头耐磨锥齿优化技术、基于机械比能的参数强化技术、减摩提速工具优选、岩溶地层防塌钻井液体系等方面开展研究攻关,形成了海相超深水平井钻井提速关键技术,相关技术在PZ3-5D等3口超深水平井进行了集成应用,对比区域内前期直井的施工情况,在施工难度大幅度增加的情况下,机械钻速提高了102.76%,钻井周期缩短了25.87%,取得良好应用效果,为川西气田海相超深水平井钻井施工积累了宝贵的经验。

摘要： 为解决极端软硬不均、极硬岩(硬度超过180 MPa)等复杂地质条件下,隧道掘进机破岩过程中刀具破岩效率低及“啃不动”的问题,采用滚刀岩机作用综合试验台,搭载高压水射流装置,采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验,研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。通过试验获得水射流破岩合理的靶距与压力,探明水射流与机械滚刀交叉轨迹复合破岩、同轨迹复合破岩相对于纯机械滚刀破岩刀盘推力、转矩及破岩效能的变化特性。

摘要： 在一维冲击辅助破岩技术基础上发展出了更加高效的多维冲击破岩技术,但相应的破岩机理研究却不够深入.为揭示多维冲击提高PDC钻头破岩效率的机理,建立了冲击-切削破岩分析模型,模型将一维和多维冲击作用视为不同角度的单齿冲击问题,通过有限单元法探讨了轴向、扭向和多维冲击作用下岩石的损伤演化和岩屑形成过程,并进一步计算和分析了冲击角度范围为0°～90°的破岩比功,通过现场试验对模拟结果进行了验证.结果表明:一维与多维冲击的岩石破碎机理不同,多维冲击破岩过程同时受到挤压和剪切裂纹的影响;不同冲击速度矢量存在不同的最优冲击角度使破岩比功最低;多维冲击器提速幅度高于一维冲击钻井工具;研究结果有助于传统冲击钻井工具与结构优化的技术升级.

摘要： 钻井速度是影响油田勘探与开发效益的关键因素,提高钻井速度可以大幅度降低钻井成本,加快勘探开发进程.钻井过程中钻井液会改变岩石在破裂过程中产生的自电位(ξ电位),进而影响井底岩石强度和井壁稳定.深入分析了岩石微裂缝扩展过程中自电位的产生、改变的机理,并且针对改变岩石表面ξ电位提高破岩效率的机理进行了探讨.

摘要： 钻井速度是影响油田勘探与开发效益的关键因素,提高钻井速度可以大幅度降低钻井成本,加快勘探开发进程.钻井过程中钻井液会改变岩石在破裂过程中产生的自电位(ξ电位),进而影响井底岩石强度和井壁稳定.本文深入分析了岩石微裂缝扩展过程中自电位产生、改变的机理,并且针对改变岩石表面ξ电位提高破岩效率的机理进行了探讨.提出钻井过程中通过引入一种具备较高的阴离子变形性和很强的离子极化作用的钻井液处理剂，促使离子晶体的晶体构型发生改变，加速微裂缝的继续延展，进而提高破岩效率。该技术对于应用指导钻井液性能设计及现场施工，从而提高钻井速度将起到重要作用。

摘要： 为提高水射流在水下的破岩效率，建立了淹没条件下水射流冲击破碎岩石的数值计算模型，分析了不同射流参数对破岩效率的影响。得出：在淹没条件下，增加射流速度与射流直径能有效提高水射流的破岩效率，但从经济成本考虑，以500m/s的速度冲击破碎岩石最为佳；随着靶距增大，岩石的冲蚀深度减小，冲蚀孔径增大，但破岩体积存在最优靶距，最优靶距为5mm；射流直径对冲蚀孔径的影响大于靶距的影响；同时模拟了不同靶距下的最低破岩速度，得出射流在不同靶距下的最低破岩速度，当达到最低破岩速度后，冲蚀深度随射流速度增加呈阶段性。

摘要： 近些年,新型旋冲钻井工具不断涌现,破岩效率进一步提高,旋冲钻井技术已得到广泛应用.本研究综述了国内外旋冲钻井破岩数值模拟的数学模型和破岩技术方法,总结了各数学模型之间的异同及各技术方法的贡献与不足.现有理论及技术已较好地指导了旋冲钻井技术的发展,但也存在一些问题,本研究并从工具设计和现场工况的角度对旋冲钻井破岩理论发展提出了展望.

摘要： 为提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了新型带有锥形辅助切削齿PDC钻头.该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿、PDC齿为副切削元件.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿“剪切”式破岩,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石.相邻两个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿用于钻头钻进后期的提速提效.既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层高破岩效率的特点.该钻头在不同地区进行了现场试验,结果表明,新型钻头比常规PDC钻头在非均质地层中钻进寿命长、机械钻速高.新型PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具.

摘要： 常规PDC钻头的同轨切削原理使其在难钻地层钻进时的吃入能力不足,严重制约了破岩效率的提升."交叉刮切破岩方式"是一种已经证明了的,行之有效的提高PDC钻头地层吃入能力的有效手段.本文提出了一种新型"轴倾式"破岩工具,将与工具体回转轴线呈一定夹角的钻头体与动力钻具相连接,通过公转与自转运动相复合,从而实现按预定交变轨迹规律切削岩石的钻井提速新思想.该工具能够实现稳定、可靠的交变轨迹切削运动,并且简化了"工具-钻头"一体式组成结构,提高了钻井安全性等诸多优点.首先,建立了关键几何参数关系方程与切削齿特征点位置方程;其次,计算分析了不同布齿位置特征点轨迹线运动趋势模型,并对比了各因素对其运动规律的影响;第三,研究了井底覆盖模式的特点,对工具切削结构布齿设计思路进行了总结.该研究能为新型钻头的工程化应用提供基础理论支持,对提高难钻地层的破岩效率具有重要意义.

摘要： 复合式单牙轮钻头是打破现有单牙轮钻头一体式牙轮结构的局限,而提出的一种固定与非固定相复合的新结构单牙轮钻头.新型钻头结构使耐磨性强且极适合于以刮切方式破岩的PDC齿应用在单牙轮钻头上成为可能.开展复合式单牙轮钻头破岩钻进和对比钻进实验,实验验证了新型复合钻头的工作原理,固定与非固定切削结构的有效复合能形成复杂的交叉刮切;对比钻进实验表明,新型复合钻头比普通单牙轮钻头破岩效率高,交叉刮切更省功.PDC齿的应用能提高钻头切削齿的耐磨性,延长钻头使用寿命.研究成果可为该新型钻头的设计研发及应用等后续研究提供基础支持和参考.

摘要： 伏19井所在区块是当前吉林油田天然气产能建设的主战场,该区块深部地层研磨性强、可钻性差、建井周期长,严重影响该区块的勘探评价步伐.为解决上述问题,在伏19井试验应用高频低幅冲击器辅助PDC钻头破岩,该冲击器可以使下部钻具组合平稳运动,有效抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,同时其高频的振动冲击可增加PDC钻头破岩效率.与上趟钻的PDC常规钻具组合整体进尺相比较,平均机械钻速提高51.65％;在砂岩地层平均机械钻速提高75.2％,泥岩地层平均机械钻速提高37.2％.试验中冲击器表现出了良好的稳斜、纠斜效果.

摘要： 井眼形成是通过钻齿破碎岩石形成岩屑来实现的，对钻齿侵入破岩机理的认识有助于提高工具的破岩效率。阐述了钻齿与岩石互作用机理的复杂性，综述了钻齿与岩石互作用机理的研究进展，总结了目前研究存在的问题，指出了今后的研究重点。认为单一理论无法描述这一复杂过程，前人开展的物理实验与数值模拟研究较多，理论研究较少，目前为止其机理并没有被完全认识清楚。实验与实践证明，井底压力对破岩效率有着重要影响，但井底压力对破岩效率的影响机理也未能认识清楚。针对牙齿与岩石互作用机理的复杂性，应引入先进理论，采用先进实验技术，结合物理实验和数值模拟开展理论研究。

摘要： 径向水平井是老油田挖潜、提高油气采收率的重要方法之一.然而由于钻进原理和仪器设备发展滞后,使该技术仍面临较多发展瓶颈,如高压软管推力难加、沿程水力能量损耗大、钻井速度慢等.超临界CO2射流破岩门限压力低、破岩速度快,其低黏特性能降低水力能量损耗,而且对储层无污染,因此适合于钻超短半径径向水平井.在分析超临界CO2流体物性的基础上,通过实验揭示了超临界CO2射流破岩规律,阐述了超临界CO2射流钻径向水平井的优势,提出了实施方案,并分析了其应用可行性.相信超临界CO2射流的应用将进一步推进超短半径径向水平井的发展.

摘要： 本发明提出一种联合破岩方法、破岩试验台及破岩试验方法。该破岩方法包括如下步骤：利用激光器在岩石上灼烧出凹坑；利用高压喷嘴在凹坑上切割出切割线；利用刀具在相邻两个凹坑及切割线之间接触破岩；重复上述步骤，直至作业完成。该破岩试验台，包括台架，台架上设有激光器、高压喷嘴、刀具和岩石平台。该破岩试验方法，包括如下步骤：在岩石平台上装载岩石，利用激光器在岩石上灼烧出凹坑；利用高压喷嘴凹坑上切割出切割线；利用刀具在岩石上相邻两个凹坑及切割线之间接触破岩；重复上述步骤，直至作业完成。本发明的优点：利用激光、射流和刀具联合使用，可以快速破岩贯入掘进。

摘要： 本发明提出一种联合破岩方法、破岩试验台及破岩试验方法。该破岩方法包括如下步骤：利用激光器在岩石上灼烧出凹坑；利用高压喷嘴在凹坑上切割出切割线；利用刀具在相邻两个凹坑及切割线之间接触破岩；重复上述步骤，直至作业完成。该破岩试验台，包括台架，台架上设有激光器、高压喷嘴、刀具和岩石平台。该破岩试验方法，包括如下步骤：在岩石平台上装载岩石，利用激光器在岩石上灼烧出凹坑；利用高压喷嘴凹坑上切割出切割线；利用刀具在岩石上相邻两个凹坑及切割线之间接触破岩；重复上述步骤，直至作业完成。本发明的优点：利用激光、射流和刀具联合使用，可以快速破岩贯入掘进。

摘要： 本发明提供了一种无炸药破岩方法，以及一种无炸药破岩掘砌方法，以及一种无炸药破岩方法中所使用的无炸药破岩设备。该无炸药破岩方法包括：步骤一、在需要进行破碎的岩体上进行开孔；步骤二、设置分裂机，并将分裂机的楔块组插入至步骤一的开孔内，然后利用楔块组在岩体的开孔上施加作用力将其撑开。该无炸药破岩方法利用无炸药破岩设备实现岩体的无炸药破岩，能够解决火工品爆炸而引起的各类问题。本发明实现了无炸药化破岩操作，这样可以实现各项工序的机械化操作，其各工序衔接时间得到显著缩短，从而达到加快施工速度、优化施工安全环境、缩短建井时间的目的，本发明技术的成功实施将带来非常可观的经济效益。

摘要： 新型破岩臂、破岩机及其破岩方法，包括小臂，顶部设有第一和第二铰接部的破碎器，第一铰接部与小臂下部铰接，第二铰接部通过破碎油缸与小臂上部连接；小臂下端设有第一包容腔，第一、二铰接部分别设于第一包容腔内、外，破碎油缸驱动第二铰接部以第一铰接部的铰接点为中心转动；破碎油缸收缩促使第二铰接部会抵住小臂并形成面接触，破碎器和小臂为一体状态；破碎油缸伸开，第二铰接部与小臂相背离，破碎器和小臂为分离状态。本发明省去摇摆臂和工字架，结构简化，提高装配效率，降低加工成本；破碎器的角度可调，增加整体的灵活性；破碎油缸收缩到一定程度时破碎器抵住小臂，与其成为一体，提高挖掘力，同时对破碎油缸有一定保护作用。

摘要： 一种干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统及干冰粉动态破岩方法，涉及膨胀破岩技术领域。本发明实施例的干冰粉动态破岩装置包括设置于地层围岩的钻孔内的聚能体，以及填充于聚能体和钻孔内壁之间的固化层，聚能体包括防渗隔热壳体和填充于防渗隔热壳体内的致裂剂，致裂剂包括干冰粉与CO2聚能剂组成的混合物，防渗隔热壳体内还埋设有电阻丝激发器；干冰粉动态破岩系统包括上述的干冰粉动态破岩装置和打孔装置，该干冰粉动态破岩装置、干冰粉动态破岩系统能够达到较为理想的破岩效果，而且安全性高、易于操作。本发明实施例的干冰粉动态破岩方法是采用上述干冰粉动态破岩系统进行的，能够提高作业安全性，同时达到较为理想的破岩效果。

摘要： 本发明公开了一种基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率评价方法，包括步骤：S1.在TBM施工现场对某一TBM掘进段进行岩碴量测与筛分，计算出该掘进段岩碴的总表面积；S2.基于岩碴总表面积计算有效破岩比，利用有效破岩比对TBM破岩效率进行评价；所述有效破岩比为粒径>5mm的岩碴表面积之和占全级配粒径岩碴表面积之和的百分比。本发明提出的基于岩碴总表面积的有效破岩比，摒除了岩碴总表面积指标计算时小粒径岩碴含量的干扰，保留了粗糙度指数利用较大粒径岩碴含量的优点，同时避免了粗糙度指数计算存在的缺陷，因此能够更好更准确地描述TBM破岩效率。

摘要： 本发明公开了一种基于岩渣尺寸的TBM破岩效率智能预测方法，该方法包括以下步骤：在TBM出渣皮带上安装工业相机，实时采集TBM掘进过程中的岩渣图像信息；将获取的岩渣图像信息进行图片自动识别，获得岩渣的形状及几何特征；收集TBM的现场掘进参数、岩渣几何信息特征和破岩效率数据，并形成样本数据集；使用样本数据集建立粒子群算法优化的梯度提升回归树模型，实现TBM破岩效率的智能预测。本发明使用粒子群算法优化梯度提升回归树模型，从而找到梯度提升回归树模型的最佳参数，提高了模型的预测精度，破岩效率的准确预测能够以有效地为TBM掘进参数设定和实现高效破岩提供参考。

摘要： 本发明公开了一种基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率评价方法，包括步骤：S1.在TBM施工现场对某一TBM掘进段进行岩碴量测与筛分，计算出该掘进段岩碴的总表面积；S2.基于岩碴总表面积计算有效破岩比，利用有效破岩比对TBM破岩效率进行评价；所述有效破岩比为粒径>5mm的岩碴表面积之和占全级配粒径岩碴表面积之和的百分比。本发明提出的基于岩碴总表面积的有效破岩比，摒除了岩碴总表面积指标计算时小粒径岩碴含量的干扰，保留了粗糙度指数利用较大粒径岩碴含量的优点，同时避免了粗糙度指数计算存在的缺陷，因此能够更好更准确地描述TBM破岩效率。

摘要： 本发明公开了一种热膨胀破岩管、硬岩地层基坑的组合破岩方法，热膨胀破岩管包括外管，外管的内腔中装填热膨胀剂，热膨胀剂内预埋电点火头；膨胀剂封堵结构，设于外管内腔的两端，膨胀剂封堵结构将热膨胀剂封堵在外管内腔中；堵头，设于外管两端，以堵住外管内腔；点火头导线，与电点火头连接，并从外管和堵头之间的缝隙中引出。该组合破岩方法为热膨胀剂预裂破岩‑破碎锤法协同破岩方法。该热膨胀破岩管结构简单、操作方便、成本低廉，可在渗水潮湿的施工环境中使用；该组合破岩方法可提高破岩效率，降低破岩成本，提高破岩安全系数，破岩扰动较小、噪音小，操作流程简单，堵孔装药时间较短，对周边岩体或者邻近建筑几乎没有振动损伤。

摘要： 本发明公开了一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法，包括破岩系统，三轴加载系统，数据采集与处理系统。所述破岩系统由霍普金森压杆装置、钻头、套筒组成，霍普金森压杆装置主要包括发射管、撞击杆、激光测速仪、入射杆、透射杆和吸收杆。所述三轴加载系统由轴压气缸、围压气缸、挡板、螺杆、连杆等装置组成。所述数据采集与处理系统由高速摄像机、应变传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与动态应变仪相连的数据采集器、以及与数据采集器相连的计算机构成。本发明使测试结果更加可靠和准确，通过高速摄像机能够捕捉到实验过程中岩样的变形和破坏过程，具有广阔的应用前景。