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预切槽和TBM机械滚刀的新型联合破岩模式研究 被引量：22
1
作者 徐福通 卢景景 +3 位作者 周辉 肖建成 张传庆 邱浩权 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期1363-1372,共10页
传统机械-岩体相互作用的破岩模式已经无法大幅提升隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的掘进效率,新型破岩技术及其破岩机制逐渐被重视。在不改变现有TBM主体结构的前提下,通过开展3种不同岩性有无预切槽试样在侧向约束条件下... 传统机械-岩体相互作用的破岩模式已经无法大幅提升隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的掘进效率,新型破岩技术及其破岩机制逐渐被重视。在不改变现有TBM主体结构的前提下,通过开展3种不同岩性有无预切槽试样在侧向约束条件下的TBM常截面滚刀压头贯入试验,研究预切槽对TBM机械滚刀破岩效果的影响规律,结果表明:(1)预切槽可降低岩样破碎时压头的法向荷载,与不切槽相比,有预切槽的岩样破碎时法向荷载降低44.13%~53.05%,岩石单轴抗压强度越低,法向荷载降低比例越大;(2)预切槽深度对岩样破碎时法向荷载的影响存在临界值,超过临界值后,预切槽深度对岩样破坏行为影响减弱。基于此,提出了预切槽+TBM机械滚刀破岩的新型联合破岩模式,并探讨了可实现预切槽的新型破岩技术。联合破岩模式能够突破破岩效率瓶颈,对TBM装备升级和重大工程项目建设具有重要意义。 展开更多
关键词 预切槽 TBM机械滚刀 破岩模式 破岩技术 联合破岩
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复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用 被引量：17
2
作者 李思琪 李玮 +3 位作者 闫铁 高晗 毕福庆 马红滨 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2017年第16期51-55,112,共6页
复合载荷冲击破岩作为新的高效破岩技术之一可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问题。基于弹性力学和冲击力学理论,建立了复合载荷作用下压头的破岩模型,分析了模型因素对压头侵深的影响。同时,应用有限元软件分析了复... 复合载荷冲击破岩作为新的高效破岩技术之一可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问题。基于弹性力学和冲击力学理论,建立了复合载荷作用下压头的破岩模型,分析了模型因素对压头侵深的影响。同时,应用有限元软件分析了复合载荷作用下岩石位移和应力的响应。通过现场应用进一步证明复合载荷冲击破岩的提速效果。理论研究结果表明:该破岩方法可以在保证钻深基础上,减少钻具失效;还扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区域,加剧了岩石振动的剧烈程度;当激励频率与岩石固有频率相同或接近时,岩石产生共振,整体振动位移达到峰值。现场应用效果表明,高频低幅轴向冲击工具应用井段平均机械钻速可达3 m/h,与常规钻具相比,平均提速可达67.65%。 展开更多
关键词 复合载荷 冲击作用 侵深 破岩效率 现场应用
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切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究 被引量：11
3
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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水力喷射径向水平井射流钻头优选试验研究 被引量：12
4
作者 迟焕鹏 李根生 +4 位作者 廖华林 黄中伟 宋先知 邸飞 唐冠伟 《流体机械》 CSCD 北大核心 2013年第2期1-6,共6页
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... 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。 展开更多
关键词 射流钻头 混合射流喷嘴 多孔喷嘴 径向水平井 试验研究
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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：10
5
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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高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究
6
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
7
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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水射流在新型TBM联合破岩中的破岩能力研究 被引量：2
8
作者 邱浩权 《土工基础》 2022年第4期576-581,共6页
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)发展至今已经有一百多年的历史,随着开挖环境的变化,以传统刀具为主要破岩形式的TBM的掘进效率已经越来越难以满足施工的需求,因此提出了新的联合破岩方法,即机械-水力联合破岩方式。主要以... 隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)发展至今已经有一百多年的历史,随着开挖环境的变化,以传统刀具为主要破岩形式的TBM的掘进效率已经越来越难以满足施工的需求,因此提出了新的联合破岩方法,即机械-水力联合破岩方式。主要以试验的形式,首先研究的是在不同的切割参数下,水射流切割不同的岩石所能形成的切槽的深度,然后在此试验规律的基础上,采用重复切割同一条切缝的方法增加切割深度。研究结果表明:(1)射流压力越大,切割速度越慢,切割深度越大;切割较软岩石时,靶距对切割深度有一定的影响,切割较硬岩石时,靶距对切割深度的影响较小;(2)多次重复切割能够有效的增加切割深度,但切割深度的增加程度与切割参数有关系,射流压力越大,切割速度越慢,靶距越小,切割深度增加的程度越大。研究成果对于指导TBM的改进,提高掘进效率具有重要参考价值。 展开更多
关键词 联合破岩 切缝深度 高压水射流 工艺参数 影响规律
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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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基于灰色关联度的超临界二氧化碳直旋射流参数敏感性 被引量：2
10
作者 张启龙 田守嶒 +2 位作者 陈立强 李进 刘海龙 《大庆石油地质与开发》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期63-72,共10页
超临界CO_(2)直旋射流综合了超临界CO_(2)流体破岩门限压力低、直射流能量汇聚能力强以及旋转射流受效面积大等优势,是高效开发非常规油气资源射孔作业的新方法。通过自主设计研发的超临界CO_(2)射流破岩系统和直旋混合射流喷嘴,基于灰... 超临界CO_(2)直旋射流综合了超临界CO_(2)流体破岩门限压力低、直射流能量汇聚能力强以及旋转射流受效面积大等优势,是高效开发非常规油气资源射孔作业的新方法。通过自主设计研发的超临界CO_(2)射流破岩系统和直旋混合射流喷嘴,基于灰色关联度的分析方法研究了射流参数和喷嘴结构参数对破岩效果的敏感性。结果表明:破岩深度的最优敏感性排序从高到低依次为射流压力、混合腔长度、叶轮中心孔直径、叶轮长度、喷射距离,随着射流压力逐渐增大破岩深度逐渐增大;随着混合腔长度的增大,破岩深度呈先增大后减小趋势;破岩孔径的最优敏感性排序从高到低依次为射流压力、叶轮中心孔直径、混合腔长度、叶轮长度、喷射距离,随着射流压力的增大,破岩直径的增大趋势逐渐减小,叶轮中心孔直径的增大会导致射流破岩直径的逐渐减小。研究结果应用到超临界CO_(2)直旋混合射流参数的设计中,满足了现场作业中对非常规天然气储层保护性开采的高要求,实现了科学、绿色开发非常规油气资源。 展开更多
关键词 灰色关联度法 岩石冲击 超临界CO_(2) 直旋混合射流 破岩效果
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