高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究 被引量：21

1

作者 张文华 汪志明 +1 位作者 于军泉 孙清德 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第23期4373-4382,共10页

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... 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。 展开更多

关键词 岩石力学 高压水射流 机械齿 机理 联合破岩 数值模拟

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切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究 被引量：8

2

作者 周辉 徐福通 +2 位作者 卢景景 高阳 肖建成 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期625-634,共10页

高压水射流与机械滚刀相联合破岩技术的出现,改变了传统隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的作业方式。以高压水射流在滚刀两侧岩体切槽的破岩模式为研究对象,开展常截面滚刀压头贯入不同预切槽深度白砂岩板状试样的试验和数... 高压水射流与机械滚刀相联合破岩技术的出现,改变了传统隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的作业方式。以高压水射流在滚刀两侧岩体切槽的破岩模式为研究对象,开展常截面滚刀压头贯入不同预切槽深度白砂岩板状试样的试验和数值模拟计算分析,对破裂后图像进行DIC分析,研究发现:切槽的存在,阻断了刀具贯入裂纹的拓展,使能量能够更加集中于压头下方的局部岩石块体,有利于形成“八”字形贯通裂纹,促进岩石的破碎;随着槽深增加,压头下方岩石内部的应力状态和力学响应分区逐渐过渡改变。槽深较大时,压头下方的力学响应区域在原有裂纹扩展区、弹性区之间增加了破坏过渡区,该区域内微裂纹被压密,区域内岩石存在较大变形,但未出现明显破坏;切槽后,滚刀压头下方的岩体破坏机制由无切槽试样挤压剪切为主导的径向裂纹拓展,演变为由刀具和切槽共同控制作用—拉伸剪切为主导的主裂纹扩展。 展开更多

关键词 TBM 贯入试验 切槽深度 联合破岩 破岩机制

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高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩流场及携岩增强机理 被引量：9

3

作者 蔡灿 高超 +3 位作者 王海柱 蒲治成 谭政博 杨显鹏 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期101-108,共8页

对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复... 对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复合破岩技术,并采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟软件与实验室试验相结合的方法,分析了喷嘴直径、喷距、压降对高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩井底流场的影响,进而分析了井底高压CO_(2)射流携岩增强的机理。研究结果表明:(1)提高喷嘴压降和增大喷嘴直径有利于增强射流对岩石的打击效果,增大喷嘴直径还可以增加射流冲击范围;(2)增大喷距会导致高压CO_(2)射流对岩石表面打击力大幅度降低;(3)岩屑的运移轨迹规律在有、无射流切削的情况下差别明显,花岗岩在射流的作用下,切削齿前部的累积岩屑很少,岩屑在射流携带作用下沿切削齿两侧呈扇形向后运移;(4)高压气体射流可以显著提高岩屑的排出,进而提高PDC齿切削效率。结论认为,该研究成果可以指导高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩工具的研制,有助于欠平衡高压气体钻井技术的进一步完善。 展开更多

关键词 高压CO_(2)射流—PDC齿 复合破岩 井底流场 破岩效率 携岩增强 实验研究 数值分析

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水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究 被引量：9

4

作者 孙清德 汪志明 +1 位作者 王超 朱杰然 《石油钻采工艺》 CAS CSCD 北大核心 2006年第2期7-10,共4页

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... 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。 展开更多

关键词 联合破岩 实验 配合参数 射流 机械

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水射流—机械刀具联合破岩的影响因素试验研究 被引量：8

5

作者 江红祥 杜长龙 +1 位作者 刘送永 许瑞 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第8期1013-1017,共5页

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... 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。 展开更多

关键词 水射流 机械刀具 联合破岩 试验

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磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率研究 被引量：7

6

作者 汤积仁 卢义玉 +2 位作者 葛兆龙 夏彬伟 王景环 《采矿与安全工程学报》 EI 北大核心 2013年第4期621-627,共7页

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&qu... 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。 展开更多

关键词 硬岩 钻孔 磨料射流 机械齿 联合破岩 钻进效率

原文传递

高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

7

作者 王大勇 马红滨 +4 位作者 李欣龙 熊超 史怀忠 黄中伟 赫文豪 《石油机械》 北大核心 2024年第7期36-44,共9页

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥... 深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。 展开更多

关键词 高压水射流 锥形PDC齿 联合破岩 花岗岩 切削力 破岩特性

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基于SPH方法的组合射流破岩模拟研究 被引量：1

8

作者 廖翔云 马小晶 +2 位作者 周新超 齐思维 李宏煜 《石油机械》 北大核心 2022年第5期1-8,共8页

在利用组合射流开采页岩油气资源的过程中,射流参数的变化对组合射流破岩效果有着较大影响。为揭示参数变化对组合射流破岩能力的影响,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法构建组合射流冲蚀岩石的数值模型,通过模拟组合射流冲击岩体问题,... 在利用组合射流开采页岩油气资源的过程中,射流参数的变化对组合射流破岩效果有着较大影响。为揭示参数变化对组合射流破岩能力的影响,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法构建组合射流冲蚀岩石的数值模型,通过模拟组合射流冲击岩体问题,并与已有结果进行对比,验证了所建模型的有效性。在此模型的基础上,研究了不同射流喷距、射流直径和射流轴向倾角下组合射流破岩的动态损伤过程。研究结果表明:随着射流喷距的增大,岩石破损坑纵截面面积先增大后减小,这说明喷距存在最佳值;射流直径的改变会直接影响岩石破损坑的形状,射流直径越大,岩石破损坑纵截面面积越大,破损坑底部的凸台越小;岩石表面破损坑径随着射流轴向倾角的增大而增大,但其纵截面面积变化较小。研究结果可为组合射流在喷射压裂作业中的应用提供理论支撑。 展开更多

关键词 SPH 组合射流 射流破岩 数值模拟 破岩效果 破损坑 射流直径

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硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性 被引量：6

9

作者 李琴 傅文韬 +2 位作者 黄志强 马亚超 谢豆 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第22期2683-2690,共8页

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确... 提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明:钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。 展开更多

关键词 硬地层 单牙轮-PDC钻扩联合钻头 破岩机理 拉应力破岩

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基于单截齿的液压冲击与截割联合破煤岩过程研究 被引量：5

10

作者 贺安民 《煤炭科学技术》 CAS 北大核心 2018年第8期119-124,共6页

针对煤岩截割过程中存在的截齿磨损严重、截割结构失效等普遍问题,采用预裂与截割联合破煤岩原理,设计了一种液压冲击与截割联合的截齿,并采用EDEM离散元软件模拟截齿液压冲击与截割联合破煤岩的过程,分析有无冲击预裂的破煤岩性能,研... 针对煤岩截割过程中存在的截齿磨损严重、截割结构失效等普遍问题,采用预裂与截割联合破煤岩原理,设计了一种液压冲击与截割联合的截齿,并采用EDEM离散元软件模拟截齿液压冲击与截割联合破煤岩的过程,分析有无冲击预裂的破煤岩性能,研究结果表明:煤岩普氏系数的增加均会使2种截割方式的截割效率降低,煤岩普氏系数越大,2种截割方式的截割效率差距就越大,且有冲击作用方式的截齿可以输出更大的截割力;截齿在有冲击作用下的截割效率相比无冲击作用下的截割效率最高提升了15%以上,在截割力输出性能最大提升20%以上,因此,该冲击预裂方式有助于破碎煤岩。 展开更多

关键词 液压冲击 联合破煤 夹矸煤岩 截割性能 离散元法

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联合测试技术在煤岩断裂韧度测试中的应用

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作者 朱世阳 来兴平 《煤炭工程》 北大核心 2010年第12期60-63,共4页

为了进一步研究煤岩断裂特征及取得相关力学性质参数,以MTS三轴测试系统、点荷载仪分别结合声发射(acoustic emission,AE)的联合测试技术对5-2煤样进行断裂韧度测试,通过获取煤样单轴抗压强度,并对测试结果进行分析比较得出:基于声发射... 为了进一步研究煤岩断裂特征及取得相关力学性质参数,以MTS三轴测试系统、点荷载仪分别结合声发射(acoustic emission,AE)的联合测试技术对5-2煤样进行断裂韧度测试,通过获取煤样单轴抗压强度,并对测试结果进行分析比较得出:基于声发射的点荷载测试反映出不规则5-2煤样破坏后形成明显的单一裂纹,平均单轴抗压强度为50MPa;MTS三轴测试系统结合声发射测试反映标准试件在自然和饱水两种状态下屈服破坏后,部分呈散体状破坏,但大部分仍然保持较高的完整性,平均单轴抗压强度31.13MPa。两种测试方法虽然在单轴抗压强度数值上存在了一定差异,但都体现出煤样坚固致密的特点,这种多手段联合测试技术为获取更加精确的参数提供了新的研究途径。 展开更多

关键词 联合测试 煤岩断裂韧度 力学性质

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